吉大工程熱力學(xué)講義第7章 壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程

壓氣機(jī)是用來(lái)壓縮氣體提高氣體壓力的設(shè)備，它在各個(gè)工業(yè)部門(mén)中都得到廣泛應(yīng)用。例如：在燃?xì)廨啓C(jī)裝置及壓縮制冷裝置中，壓氣機(jī)作為裝置的一個(gè)組成部分，用于對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮；在內(nèi)燃機(jī)中，壓氣機(jī)用作增壓器或掃氣泵，也是許多內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)重要組成部分；而在冶金、化工及機(jī)械工業(yè)部門(mén)中，除直接用于生產(chǎn)過(guò)程中提高氣體的壓力外，還常利用壓氣機(jī)來(lái)本章主要討論壓氣機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)及壓氣過(guò)程計(jì)算所7－1壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程壓氣機(jī)的形式很多，工作壓力范圍也很廣。有的壓氣機(jī)直接通過(guò)改變工質(zhì)的容積，實(shí)現(xiàn)壓縮過(guò)程，圖7-1a所示的活塞式壓氣機(jī)及圖7-1b所示的轉(zhuǎn)子式壓氣機(jī)，就屬于這種類(lèi)型。有的壓氣機(jī)則利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪推動(dòng)氣體，使氣體以很高的速度運(yùn)動(dòng)，然后再利用擴(kuò)壓管使高速運(yùn)動(dòng)的氣流降低流速而提高壓力，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮，如圖7-1c所示的離心式壓氣機(jī)即屬于這一類(lèi)。有的在利用葉輪推動(dòng)氣體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，還同時(shí)利用葉輪的葉片間的流道做成擴(kuò)壓管的形式，使氣流在葉片間通過(guò)時(shí)氣體的壓力有所提按照熱力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)，各種壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程基本上是相同的。壓氣機(jī)工作時(shí)，從進(jìn)氣口吸入壓力較低的氣體，在體。在一般情況下，單位時(shí)間內(nèi)壓氣機(jī)生產(chǎn)的高壓氣體的數(shù)量保持穩(wěn)定，因而進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)，壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程可作為穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程。對(duì)于壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)，其進(jìn)氣和排氣的流動(dòng)動(dòng)能及重力位能都可忽略不計(jì)。根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，可以得到壓氣機(jī)中式中(ws)c為壓氣機(jī)的軸功。假設(shè)壓氣過(guò)程是可逆過(guò)程，則按軸即壓氣機(jī)壓氣過(guò)程的軸功等于壓縮過(guò)程的容積變化功和進(jìn)氣、排氣推動(dòng)功的代數(shù)和。如圖7-2所示，在p-v圖上，壓氣機(jī)壓氣過(guò)程 的軸功可用壓縮過(guò)程曲線1-2左側(cè)的面積表示。當(dāng)氣體由初始狀態(tài)經(jīng)不同的壓縮過(guò)程使氣體的壓力升高到相同的終了壓力時(shí)，各種壓氣過(guò)程中消耗的軸功是不同的。若壓氣機(jī)沒(méi)有采用冷卻措施，可以認(rèn)為其壓縮過(guò)程是絕熱過(guò)程，如圖7-2中曲線1-2s所示。若壓氣機(jī)采用冷卻措施，因壓縮過(guò)程及壓縮終了的氣體的溫度均低于絕熱過(guò)程，該多變過(guò)程如圖7-2中曲線1-2n所示。在理想情況下，采用冷卻措施的壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程可以看作為定溫過(guò)程，如圖7-2中曲線1-2T所示。由圖7-2可以看到，絕熱壓縮時(shí)曲線1-2s左側(cè)的面積最大，壓氣機(jī)壓氣過(guò)程消耗的軸功最多。而定溫曲線1-2T左側(cè)的面積最小，壓氣過(guò)程消耗的軸功最少。因而為了減少壓氣機(jī)消耗的軸功，應(yīng)采用冷卻措當(dāng)壓縮過(guò)程為絕熱過(guò)程時(shí)，根據(jù)式(7-1)可以得到壓氣機(jī)壓-(ws)c,s＝h2－h(huán)1(7-3)當(dāng)高壓氣體引入動(dòng)力機(jī)作功時(shí)，如不計(jì)不可逆因素造成的例如，燃?xì)廨啓C(jī)裝置中壓氣機(jī)所消耗的軸功，就可在渦輪機(jī)作功當(dāng)壓氣機(jī)壓縮的工質(zhì)是理想氣體，且其比熱容可作為定值①有關(guān)內(nèi)容可參閱第八章關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的分析。式(7-3)、(7-3a)可用于任何絕熱壓氣過(guò)程的軸功的計(jì)算，不論過(guò)程是可逆過(guò)程或是不可逆過(guò)程。而當(dāng)過(guò)程為可逆過(guò)程時(shí)，按定此式便于按壓氣過(guò)程壓縮終了壓力和初始?jí)毫Φ脑鰤罕燃俺跏紶町?dāng)壓縮過(guò)程為定溫過(guò)程時(shí)，按式(7-2)可以得到壓氣機(jī)壓氣當(dāng)壓縮過(guò)程為多變過(guò)程時(shí)，按式(7-2)可以得到壓氣機(jī)壓氣例7-1有一臺(tái)活塞式空氣壓縮機(jī)，其氣缸有水套冷卻。若MPa、17℃的狀態(tài)壓縮到0.6MPa，按示功圖求得壓縮過(guò)程的多變指數(shù)為1.3。設(shè)壓縮過(guò)程為可逆過(guò)程，試求壓氣機(jī)消耗的功及冷卻水帶走并與具有相同初始狀態(tài)、終了壓力的可逆絕熱壓縮及可逆定溫壓縮的壓氣解(1)已知空氣的氣體常數(shù)Rg＝0.287kJ/(kg·K)，多變指數(shù)n＝1.3 =-184.7kJ/kg=-194.8kJ/kg=-149.2kJ/kg由計(jì)算結(jié)果可以看出，采用冷卻時(shí)，壓氣機(jī)消耗的功可減少許多，尤(2)已知空氣的比熱容cV0＝0.716kJ/(kg·K)，則多變過(guò)程中冷卻水帶=-35.4kJ/kg當(dāng)壓縮過(guò)程為定溫過(guò)程時(shí)，按熱力學(xué)第一定律，空氣放出的熱量等于q1-2,T＝(ws)c,T＝-149.2kJ/kg可以看出，定溫壓縮時(shí)冷卻水需帶走的熱量要達(dá)到多變壓縮時(shí)的4倍在活塞式壓氣機(jī)中，依靠活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮及排氣過(guò)程。當(dāng)活塞移動(dòng)到氣缸頂端時(shí)，為了避免活塞與氣缸頭相碰，還由于氣缸頭上布置有進(jìn)氣閥及排氣閥，這時(shí)氣缸中仍需要留有一定的空隙。這個(gè)空隙的容積稱為余隙容積。正是由于活塞式壓氣機(jī)中存在余隙，使得壓氣過(guò)程就與理論上的壓氣過(guò)程有所用示功圖說(shuō)明。圖7-3所示為壓氣機(jī)的理論示功圖，圖中V1為氣缸的最大活塞移動(dòng)時(shí)掃過(guò)的空間，稱為工作容積，也稱為氣缸的排量。當(dāng)活塞由最右端向左移動(dòng)時(shí)，氣體經(jīng)歷一個(gè)壓縮過(guò)程，如曲線1-2所示。而當(dāng)氣體的壓力達(dá)到排氣壓力p2開(kāi)，壓縮過(guò)程結(jié)束，并開(kāi)始排氣。隨著活塞繼續(xù)向左移動(dòng)，高壓氣體在保持狀態(tài)不變的情況下經(jīng)排氣閥排出氣缸，如直線段2-3所示。當(dāng)活塞到達(dá)最左端的位置時(shí)，排氣閥關(guān)閉，排氣過(guò)程結(jié)束。這時(shí)氣缸的余隙容積中保留了一部分高壓的氣體。當(dāng)活塞由左向右回行時(shí)，余隙容積中剩余的高壓氣體便發(fā)生膨脹降壓，膨脹過(guò)程如曲線3-4所示。當(dāng)氣體壓力降 低到進(jìn)氣壓力p1時(shí)，進(jìn)氣閥打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)氣。在進(jìn)氣過(guò)程4-1中氣體的狀態(tài)也保持不變，而是隨著活塞向右移動(dòng)，氣體在進(jìn)氣壓力p1下不斷地流入氣缸。當(dāng)活塞移動(dòng)到氣缸最右端時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)根據(jù)活塞式壓氣機(jī)的示功圖，如圖7-3所示，壓氣機(jī)的軸也就是說(shuō)，可用示功圖上曲線包圍的面積來(lái)表示壓氣機(jī)所消耗的=m2，m3＝m4。把這些關(guān)系代入上式，即可得到假設(shè)壓縮過(guò)程1-2和余隙中高壓氣體的膨脹過(guò)程3-4具有相同的過(guò)的質(zhì)量，所以按壓氣機(jī)輸出單位質(zhì)量的高壓氣體計(jì)算，壓氣機(jī)的此式說(shuō)明，按示功圖計(jì)算的軸功和上節(jié)所討論的按穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式計(jì)算的軸功是完全相同的。因而，活塞式壓氣機(jī)也同樣可活塞式壓氣機(jī)的余隙容積雖然在理論上不影響壓縮單位氣體所消耗的軸功，但實(shí)際上由于存在膨脹和壓縮過(guò)程的不可逆損失，壓氣機(jī)耗功會(huì)增加，而且壓氣機(jī)每一工作循環(huán)所產(chǎn)生的高壓氣體的數(shù)量，將由于余隙容積的影響有所減少。從圖7-3所示的的示功圖可以看到，由于余隙容積內(nèi)高壓氣體的膨脹，進(jìn)氣過(guò)程是從4點(diǎn)開(kāi)始的，有效吸氣容積為V1－V4，它總是小于工作容積Vh，因而不能充分利用氣缸的工作容積。通常采用有效吸氣容積和氣缸工作容積之比表示壓氣機(jī)工作容積的利用率，稱為容積設(shè)余隙中剩余高壓氣體的膨脹過(guò)程是一個(gè)多變過(guò)程，其多變指數(shù)n和壓縮過(guò)程的n相同，則對(duì)于膨脹過(guò)程可得到V4＝V3(p2/p1)1/n。上式說(shuō)明，壓氣機(jī)的余隙比V3/Vh增大時(shí)，容積效率降低；壓氣機(jī)的增壓比p2/p1增大時(shí)，容積效率也降低。如果提高壓氣機(jī)的排氣壓力，如圖7-4所示，當(dāng)排氣壓力即壓縮終了壓力由p2提高到p2'時(shí)，有效吸氣容積會(huì)減少很多，而使容積效率大大降低。如把壓縮終了壓力提高到p2"，則有效吸氣容積將減少為零。這時(shí)，壓氣機(jī)既不吸氣也不輸出高壓氣體，氣缸中的氣體只是反復(fù)地壓縮、膨 為了提高壓氣機(jī)的容積效率，增加高壓氣體的量減小壓氣機(jī)的余隙比。但這也是有限度的，因此單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的增壓比不宜過(guò)高，一般以不超過(guò)10～12為宜。當(dāng)需要制取在活塞式壓氣機(jī)中需要對(duì)氣缸壁進(jìn)行潤(rùn)滑，以減少活塞和氣缸壁的摩擦。為了降低氣缸壁溫度以利于潤(rùn)滑，活塞式壓氣機(jī)一般都采用冷卻措施，同時(shí)其增壓比也不宜過(guò)高。此外還需注意，當(dāng)增壓比過(guò)高而使壓縮終了溫度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)引起潤(rùn)滑油燃燒而發(fā)生爆炸?？傊瑥臐?rùn)滑方面考慮，單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的增壓例7-2有一臺(tái)活塞式空氣壓氣機(jī)，其余隙比為0.05，進(jìn)氣壓力為0.1MPa、溫度為17℃,壓縮后壓力為0.6MPa。設(shè)壓縮過(guò)程的多變指數(shù)為1.25，試求壓氣機(jī)的容積效率。又若壓縮終了壓力提高到1.6MPa，問(wèn)此時(shí)V＝1－0.05×(6.01/1.25－1)＝0.84V＝1－0.05×(161/1.25－1)＝0.59計(jì)算表明，提高壓縮終了壓力時(shí)容積效率降低很快。如容積左右，再加上實(shí)際壓氣機(jī)的各種損失，壓氣機(jī)消耗的軸為了制取壓力較高的氣體，需采用多級(jí)壓縮的方法。圖7-5所示為兩級(jí)壓氣機(jī)簡(jiǎn)圖。氣體先在低壓氣缸中進(jìn)行壓縮，當(dāng)氣體的壓力由p1提高到p2時(shí)即排出低壓氣缸，然后送往高壓氣缸進(jìn)行壓縮，把氣體的壓力進(jìn)一步由p2提高到p3。采用多級(jí)壓縮時(shí)，由于把整個(gè)壓縮過(guò)程分成幾段分別在幾個(gè)氣缸中逐步完成，這不僅可以使每級(jí)氣缸中氣體的增壓比不會(huì)過(guò)高，而且便于按各級(jí)氣缸的工作壓力合理設(shè)計(jì)余隙比，因而多級(jí)壓縮的壓氣機(jī)可以得到較此外，由于活塞式壓氣機(jī)冷卻水套的冷卻作用并不充分，特別當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，冷卻作用更差，壓縮過(guò)程比較接近絕熱過(guò)程，壓縮終了的溫度比較高。因而，在多級(jí)壓氣機(jī)中經(jīng)級(jí)氣缸之間設(shè)置中間冷卻器，使由前級(jí)氣缸排出的氣體經(jīng)過(guò)冷卻降低溫度，然后再送入后級(jí)氣缸進(jìn)行壓縮，從而降低壓縮過(guò)程中氣體的溫度，也使壓縮終了時(shí)溫度不致過(guò)高。如同氣缸冷卻一樣，采用中間冷卻措施，也可以減少壓氣機(jī)所消耗的軸功。如圖7-5b示功圖所示，1-2-5-6-1為低壓氣缸的示功圖，2-3-4-5-2為高壓氣缸的示功圖。當(dāng)采用中間冷卻時(shí)，由于氣體經(jīng)定壓冷卻后體積有所縮小，故高壓氣缸進(jìn)氣終了時(shí)氣缸容積也相應(yīng)地改變?yōu)閂2'，其示功圖也相應(yīng)地變?yōu)?'-3'-4-5-2'，其面積比2-3-4-5-2減小了陰影線所表示的那塊面積。這就說(shuō)明，采用中間冷卻 適當(dāng)選擇中間壓力p2的值，可以使壓氣機(jī)兩級(jí)氣缸消耗的功的總量為最小。按壓氣機(jī)軸功的公式，兩級(jí)壓氣機(jī)所消耗的軸功為又設(shè)兩級(jí)氣缸中壓縮過(guò)程的多變指數(shù)相同，即n1＝n2＝n，則上導(dǎo)數(shù)大于零時(shí)，在該壓力p2的數(shù)值下，(ws)c有極小值。按此關(guān)系或p2＝p3p1p2也就是說(shuō)，當(dāng)兩級(jí)壓氣機(jī)的低壓氣缸和高壓氣缸中氣體的增壓比如果采用中間冷卻的壓氣機(jī)具有更多的級(jí)數(shù)，則可節(jié)省更多但級(jí)數(shù)過(guò)多往往因壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化而工作不可靠，故一般多例7-3在例7-2中，為了把0.1MPa、17℃的空氣壓縮到1.6MPa，現(xiàn)解設(shè)在中間冷卻器中，空氣能冷卻到壓縮前的初始溫度17℃,且壓=1－0.05×(4.01/1.25－1)＝0.898顯然,此時(shí)壓氣機(jī)的容積容積效率比單級(jí)壓氣機(jī)(例7-2)的容積=-266kJ/kg=-308.5kJ/kg上述計(jì)算表明，采用具有中間冷卻器的兩級(jí)壓氣機(jī)，實(shí)際壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程中總是存在摩擦、擾動(dòng)等一些因素。特別是葉片式壓氣機(jī)，如在離心式壓氣機(jī)及軸流式壓氣機(jī)中，氣流的速度較高，其不可逆程度較大，由于壓氣機(jī)中不可逆因素總是造成功的損失，因此實(shí)際壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程要比理想的可逆壓氣過(guò)程消耗更多的功。通常用壓氣機(jī)效率來(lái)說(shuō)明實(shí)際壓氣 如果壓氣機(jī)不采用冷卻措施，可以認(rèn)為壓氣過(guò)程是絕熱過(guò)程，則取理想的壓氣過(guò)程為定熵過(guò)程，令其初始狀態(tài)及終了壓力與實(shí)際的絕熱壓氣過(guò)程有相同的數(shù)值。定熵過(guò)程的軸功與實(shí)際的絕熱壓氣過(guò)程的軸功之比，稱為壓氣機(jī)的絕熱效率，用ηc,s表h2sh2根據(jù)壓氣機(jī)絕熱效率的表示式(7-9)、(7-9a)，只要知道壓氣機(jī)的絕熱效率，便可利用理想的定熵過(guò)程的軸功及終了狀態(tài)，計(jì)算實(shí)際壓氣過(guò)程消耗的軸功及壓氣過(guò)程終了的氣體狀態(tài)。一般軸流逆定溫過(guò)程?？赡娑剡^(guò)程的軸功和實(shí)際壓氣過(guò)程的軸功之比稱只要知道壓氣機(jī)的定溫效率，便可利用可逆定溫過(guò)程的軸功計(jì)算例7-4有一臺(tái)軸流式壓氣機(jī)，把空氣由0.1MPa，壓縮到0.8MPa。設(shè)計(jì)算表明，在實(shí)際絕熱壓氣過(guò)程中，壓縮終了的溫度7-1壓氣機(jī)中氣體的壓縮過(guò)程為定溫過(guò)程時(shí)，壓氣機(jī)消耗的軸功最7-2壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程為定溫過(guò)程時(shí)，如工質(zhì)為理想氣體，則壓氣機(jī)7-3如果多級(jí)壓縮的分級(jí)越多，且每?jī)杉?jí)之間均設(shè)置中間冷卻措則壓氣機(jī)消耗的軸功將減少的越多，試問(wèn)壓氣機(jī)消耗的軸功是否存在最小7-4如果通過(guò)各種冷卻方法而使壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程實(shí)現(xiàn)為定溫過(guò)7-5試分析，在增壓比相同時(shí)，采用定溫壓縮和采用絕熱壓縮的壓氣7-1設(shè)壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的壓力為0.1MPa，溫度為27℃,壓縮后空氣(3)定溫過(guò)程。試求比熱容為定值時(shí)壓氣機(jī)壓縮1kg空氣所消耗的軸功及放7-2按上題所述條件，若壓氣機(jī)為活塞式壓氣機(jī)，其余隙比為0.05，7-3設(shè)活塞式壓氣機(jī)的余隙比為0.05，試求當(dāng)壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程分別為絕熱過(guò)程、n＝1.25的