吉大工程熱力學(xué)講義第7章 壓氣機(jī)的壓氣過程VIP

壓氣機(jī)是用來壓縮氣體提高氣體壓力的設(shè)備，它在各個工業(yè)部門中都得到廣泛應(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)作為裝置的一個組成部分，用于對工質(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)的一個重要組成部分；而在冶金、化工及機(jī)械工業(yè)部門中，除直接用于生產(chǎn)過程中提高氣體的壓力外，還常利用壓氣機(jī)來本章主要討論壓氣機(jī)中能量轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)及壓氣過程計算所7－1壓氣機(jī)的壓氣過程壓氣機(jī)的形式很多，工作壓力范圍也很廣。有的壓氣機(jī)直接通過改變工質(zhì)的容積，實現(xiàn)壓縮過程，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)，就屬于這種類型。有的壓氣機(jī)則利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪推動氣體，使氣體以很高的速度運(yùn)動，然后再利用擴(kuò)壓管使高速運(yùn)動的氣流降低流速而提高壓力，實現(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。有的在利用葉輪推動氣體高速運(yùn)動時，還同時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時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)的壓氣過程基本上是相同的。壓氣機(jī)工作時，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，壓氣機(jī)的壓氣過程可作為穩(wěn)定流動過程。對于壓氣機(jī)來說，其進(jìn)氣和排氣的流動動能及重力位能都可忽略不計。根據(jù)穩(wěn)定流動能量方程式，可以得到壓氣機(jī)中式中(ws)c為壓氣機(jī)的軸功。假設(shè)壓氣過程是可逆過程，則按軸即壓氣機(jī)壓氣過程的軸功等于壓縮過程的容積變化功和進(jìn)氣、排氣推動功的代數(shù)和。如圖7-2所示，在p-v圖上，壓氣機(jī)壓氣過程 的軸功可用壓縮過程曲線1-2左側(cè)的面積表示。當(dāng)氣體由初始狀態(tài)經(jīng)不同的壓縮過程使氣體的壓力升高到相同的終了壓力時，各種壓氣過程中消耗的軸功是不同的。若壓氣機(jī)沒有采用冷卻措施，可以認(rèn)為其壓縮過程是絕熱過程，如圖7-2中曲線1-2s所示。若壓氣機(jī)采用冷卻措施，因壓縮過程及壓縮終了的氣體的溫度均低于絕熱過程，該多變過程如圖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)的壓縮過程可以看作為定溫過程，如圖7-2中曲線1-2T所示。由圖7-2可以看到，絕熱壓縮時曲線1-2s左側(cè)的面積最大，壓氣機(jī)壓氣過程消耗的軸功最多。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)壓縮過程為絕熱過程時，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)高壓氣體引入動力機(jī)作功時，如不計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程的軸功的計算，不論過程是可逆過程或是不可逆過程。而當(dāng)過程為可逆過程時，按定此式便于按壓氣過程壓縮終了壓力和初始壓力的增壓比及初始狀當(dāng)壓縮過程為定溫過程時，按式(7-2)可以得到壓氣機(jī)壓氣當(dāng)壓縮過程為多變過程時，按式(7-2)可以得到壓氣機(jī)壓氣例7-1有一臺活塞式空氣壓縮機(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程的多變指數(shù)為1.3。設(shè)壓縮過程為可逆過程，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由計算結(jié)果可以看出，采用冷卻時，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)，則多變過程中冷卻水帶=-35.4kJ/kg當(dāng)壓縮過程為定溫過程時，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，定溫壓縮時冷卻水需帶走的熱量要達(dá)到多變壓縮時的4倍在活塞式壓氣機(jī)中，依靠活塞的往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)吸氣、壓縮及排氣過程。當(dāng)活塞移動到氣缸頂端時，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，這時氣缸中仍需要留有一定的空隙。這個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，使得壓氣過程就與理論上的壓氣過程有所用示功圖說明。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時掃過的空間，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時，氣體經(jīng)歷一個壓縮過程，如曲線1-2所示。而當(dāng)氣體的壓力達(dá)到排氣壓力p2開，壓縮過程結(jié)束，并開始排氣。隨著活塞繼續(xù)向左移動，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，排氣閥關(guān)閉，排氣過程結(jié)束。這時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，余隙容積中剩余的高壓氣體便發(fā)生膨脹降壓，膨脹過程如曲線3-4所示。當(dāng)氣體壓力降 低到進(jìn)氣壓力p1時，進(jìn)氣閥打開，開始進(jìn)氣。在進(jìn)氣過程4-1中氣體的狀態(tài)也保持不變，而是隨著活塞向右移動，氣體在進(jìn)氣壓力p1下不斷地流入氣缸。當(dāng)活塞移動到氣缸最右端時，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，可用示功圖上曲線包圍的面積來表示壓氣機(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)壓縮過程1-2和余隙中高壓氣體的膨脹過程3-4具有相同的過的質(zhì)量，所以按壓氣機(jī)輸出單位質(zhì)量的高壓氣體計算，壓氣機(jī)的此式說明，按示功圖計算的軸功和上節(jié)所討論的按穩(wěn)定流動能量方程式計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，但實際上由于存在膨脹和壓縮過程的不可逆損失，壓氣機(jī)耗功會增加，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)氣過程是從4點(diǎn)開始的，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程是一個多變過程，其多變指數(shù)n和壓縮過程的n相同，則對于膨脹過程可得到V4＝V3(p2/p1)1/n。上式說明，壓氣機(jī)的余隙比V3/Vh增大時，容積效率降低；壓氣機(jī)的增壓比p2/p1增大時，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，有效吸氣容積會減少很多，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，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，因此單級活塞式壓氣機(jī)的增壓比不宜過高，一般以不超過10～12為宜。當(dāng)需要制取在活塞式壓氣機(jī)中需要對氣缸壁進(jìn)行潤滑，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滑，活塞式壓氣機(jī)一般都采用冷卻措施，同時其增壓比也不宜過高。此外還需注意，當(dāng)增壓比過高而使壓縮終了溫度過高時，可能會引起潤滑油燃燒而發(fā)生爆炸?？傊瑥臐櫥矫婵紤]，單級活塞式壓氣機(jī)的增壓例7-2有一臺活塞式空氣壓氣機(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，問此時V＝1－0.05×(6.01/1.25－1)＝0.84V＝1－0.05×(161/1.25－1)＝0.59計算表明，提高壓縮終了壓力時容積效率降低很快。如容積左右，再加上實際壓氣機(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，需采用多級壓縮的方法。圖7-5所示為兩級壓氣機(jī)簡圖。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。采用多級壓縮時，由于把整個壓縮過程分成幾段分別在幾個氣缸中逐步完成，這不僅可以使每級氣缸中氣體的增壓比不會過高，而且便于按各級氣缸的工作壓力合理設(shè)計余隙比，因而多級壓縮的壓氣機(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，冷卻作用更差，壓縮過程比較接近絕熱過程，壓縮終了的溫度比較高。因而，在多級壓氣機(jī)中經(jīng)級氣缸之間設(shè)置中間冷卻器，使由前級氣缸排出的氣體經(jīng)過冷卻降低溫度，然后再送入后級氣缸進(jìn)行壓縮，從而降低壓縮過程中氣體的溫度，也使壓縮終了時溫度不致過高。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，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)兩級氣缸消耗的功的總量為最小。按壓氣機(jī)軸功的公式，兩級壓氣機(jī)所消耗的軸功為又設(shè)兩級氣缸中壓縮過程的多變指數(shù)相同，即n1＝n2＝n，則上導(dǎo)數(shù)大于零時，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，當(dāng)兩級壓氣機(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)具有更多的級數(shù)，則可節(jié)省更多但級數(shù)過多往往因壓氣機(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,此時壓氣機(jī)的容積容積效率比單級壓氣機(jī)(例7-2)的容積=-266kJ/kg=-308.5kJ/kg上述計算表明，采用具有中間冷卻器的兩級壓氣機(jī)，實際壓氣機(jī)的壓氣過程中總是存在摩擦、擾動等一些因素。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，因此實際壓氣機(jī)的壓氣過程要比理想的可逆壓氣過程消耗更多的功。通常用壓氣機(jī)效率來說明實際壓氣 如果壓氣機(jī)不采用冷卻措施，可以認(rèn)為壓氣過程是絕熱過程，則取理想的壓氣過程為定熵過程，令其初始狀態(tài)及終了壓力與實際的絕熱壓氣過程有相同的數(shù)值。定熵過程的軸功與實際的絕熱壓氣過程的軸功之比，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程的軸功及終了狀態(tài)，計算實際壓氣過程消耗的軸功及壓氣過程終了的氣體狀態(tài)。一般軸流逆定溫過程。可逆定溫過程的軸功和實際壓氣過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程的軸功計算例7-4有一臺軸流式壓氣機(jī)，把空氣由0.1MPa，壓縮到0.8MPa。設(shè)計算表明，在實際絕熱壓氣過程中，壓縮終了的溫度7-1壓氣機(jī)中氣體的壓縮過程為定溫過程時，壓氣機(jī)消耗的軸功最7-2壓氣機(jī)的壓縮過程為定溫過程時，如工質(zhì)為理想氣體，則壓氣機(jī)7-3如果多級壓縮的分級越多，且每兩級之間均設(shè)置中間冷卻措則壓氣機(jī)消耗的軸功將減少的越多，試問壓氣機(jī)消耗的軸功是否存在最小7-4如果通過各種冷卻方法而使壓氣機(jī)的壓縮過程實現(xiàn)為定溫過7-5試分析，在增壓比相同時，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)定溫過程。試求比熱容為定值時壓氣機(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)的壓縮過程分別為絕熱過程、n＝1.25的