工程热力学12---气体的压缩

第十二章气体的压缩通过消耗外功来提高气体压力的设备称为压气机。压气机在工程、科学研究中具有十分广泛的用途，如动力工程中煤粉的输运和锅炉通风、制冷设备中制冷剂的压缩、风洞实验中高压气体的获得、风动工具（如公共汽车车门的开关、大型内燃机的启动），车胎打气等。压气机分类：通风机（0.01MPa表压）按压力范围鼓风机（0.01～0.3MPa表压）压缩机（0.3MPa表压））活塞式按构造叶轮式（离心式和轴流式）引射式活塞式压气机是通过活塞在气缸中的往复运动来挤压气缸中的气体，从而使气体的压力提高。叶轮式压气机通过叶轮的旋转，使气体加速，并使高速气体在特定流道中（相当于扩压管）降低流速，从而提高压力。活塞式压气机和叶轮式压气机的一个显著区别是：活塞式压气机吸气与排气是间歇性的；而叶轮式压气机的压缩过程是在连续流动状态下进行的，即气体不断地流入压气机，在压气机内被压缩后，不断地被排出压气机。活塞式压气机适用于高压、排量小的场合；而轴流式压气机适用于低压、排量大的场合。尽管压气机的种类和工作原理多种多样，但是从热力学的观点来看，压缩气体的状态变化并没有什么不同，都是接受外功使气体压缩升压的过程。12.1活塞式压气机的工作原理活塞式压气机的示意图和p-v图（又称示功图）示于图12-1中。工作三部曲：①在活塞式压气机的理想工作过程中，气体经过进气阀与排气阀时，不考虑在阀门处的阻力与摩擦力。当活塞自左止点向右移动时，进气阀门A打开，气体从缸外被吸入气缸，这是吸气过程（0-1），此时，吸入气体的热力学状态不发生任何变化。②当到达右止点时，进气阀关闭，活塞在外力作用下向左回行，气缸内的气体被压缩，压力升高，这就是气体的压缩过程（2-3），此时需要消耗外功。③当活塞左行至某一位置时，气体的压力升高到预定压力2p，此时排气阀门B开启，活塞继续左行，把气缸内的气体排到储气罐或输气管道中，直至活塞到达左止点，这是排气过程（2-3）。排气过程中，气体的状态也不发生变化。活塞由曲轴－连杆机构带动，曲轴回转一次，活塞往返一次。活塞不断往复，重复上面三个过程，这就是活塞式压气机的理想工作过程。从上面的说明中可以看出，过程0-1与2-3仅仅是将气体吸入和排出气缸的机械输运过程，气体的状态并不发生任何变化；而只有1-2的压缩过程才是真正的热力过程。定义压缩过程中气体的终压2p与初压1p之比为增压比，12pp（12-1）图12-2（a）和12-2（b）分别是压缩过程的p－V图和T－S图。压气机的压缩过程可以看作多变过程（1→2n）。若压缩过程进行的很快，气体来不及和外界交换热量，则压缩过程近似于绝热压缩过程（1→2s）；如果压缩过程进行得较慢，并且气缸壁得到良好的冷却，则压缩过程接近于定温压缩过程（1→2T）。绝热压缩和定温压缩是压缩过程的两个极限情况。因要考虑流动功，压气机耗功应以技术功计。对于可逆的压缩过程，技术功21dpVWt。对于不同的压缩过程，技术功可以通过把过程方程)(Vfp代入上式积分来得到。绝热压缩过程、多变压缩过程和定温压缩过程所消耗的技图12-1活塞式压气机p13012pVp2pdVVdpABV1V2术功分别通过式（12-2a）、（12-2b）和（12-2c）来计算绝热压缩：1ab1211s111,面积VpWst（12-2a）多变压缩：1ab1211n111n,面积nntVpnnW（12-2b）定温压缩：1ab12ln11,TTtVpW面积（12-2c）根据上面各式计算出来的技术功为负值，表明压缩需要消耗外功。技术功在p－V图上表示为压缩过程线向纵轴投影所形成的一块面积。从图12-2（a）中可以明显看出，stntTt（12-3）压缩过程中所释放的热量可以根据能量方程得到，tWHHQ12（12-4）其在T－S图上表示为压缩过程线在横轴投影所围成的一块面积，从图12-2b中可以发现0snTQQQ（12-5）压缩后的终温为，绝热压缩：11,2TTs（12-6a）多变压缩：nnnTT11,2（12-6b）定温压缩：1,2TTT（12-6c）比较三个压缩过程之间的终温，不难得到，snTTTT,2,2,2（12-7）12s2T2n2s12n2Tp1p2abpcdeTSV（a）（b）图12-2不同压缩过程的p－V图与T－S图因压缩后P2相同，故也有snTvvv,2,2,2（12-8）上述结果说明，放热压缩可以节省压气机的耗功量，并且，在一切压缩中，定温压缩所消耗的功量最小；压缩后气体的终温最低（有利于改善气缸的润滑条件，安全及防缸壁损坏的拉缸出现）；同时，压缩后的体积最小（贮气缸小）。为了让压缩过程接近于定温压缩，工程上经常采用加气缸冷却水套、喷雾化水，以及下节中所要介绍的多级压缩、级间冷却等措施。由于摩擦的影响，实际的压气过程是不可逆的，因此实际压气机的耗功量要比可逆压缩大。余隙影响：①进气量影响为了避免活塞与缸盖之间的撞击，考虑缸盖上有进、排气阀，以及热膨胀、制造公差。在活塞式压气机中，活塞与缸盖之间保持有一定的余隙，这使得排气后，余隙容积内仍然残留有一定数量的高压气体，从而造成气缸容积不能得到充分应用。Vc—余隙容积；Vh=V1-V3气缸排量（左止点与右止点间活塞扫过的容积）V=V1-V4有效吸气容积（余隙中残留高压气体膨胀至进气压力要占去一部分容积）余隙不仅本身有一部分容积Vc，还使另一部分气缸容积V4-V3失去作用，描述这一气缸利用率下降，用容积效率pV1234423VVcVh2hVVV分析：11-343133141VVVVVVVVVVhcVVVVV313余隙（容积）比；nnnppppVV111214334111nhcVVVhcVV，n一定,V直至为0.②耗功影响1111111111111114111434411211nngnnnnnnnntCTmRnnVpnnVVpnnppVpnnppVpnnWW111111111nnnngCvpnnTRnnw即余隙不影响单位质量气体的耗功，只影响压缩气体的产量（m减少，11Vp411VVp）12.2多级压缩及级间冷却采用放热可以减小压气机的耗功量和降低终温，是改进压缩效果的有效手段。但是，这种手段在气体流速很高的轴流式压气机中是很难实现的。活塞式压气机虽然可以采用加水套、喷雾化水等方法来实现放热压缩，但是对于高转速、大排量的情况，要降低多变指数也很困难，效果有限；同时，高压缩比还会降低压气机的容积冷却水低压缸高压缸级间冷却器图12-3两级压缩、中间冷却效率（余隙容积的影响）。因此，为了进一步改善压缩过程，以节省压缩功、降低压缩终温以及提高容积效率，常常采用多级压缩、级间冷却的方法。多级压缩、级间冷却是把气体分别在两个或两个以上气缸中依次压缩、使气体的压力逐级提高，并且在相邻的两级之间布置有级间冷却器，对前一级所压缩的气体进行冷却，降低气体的压缩温度。以图12-3所示的两级压缩级间冷却的压气机装置系统为例，来说明多级压缩、级间冷却的基本原理。为了分析方便，假定被压缩的气体是理想气体；气体在每一级中的压缩过程为绝热压缩；气体在级间冷却器中进行的是定压理想冷却（1'2TT）。两级压缩、级间冷却的p－V图和T－S图分别如图12-4（a）、（b）所示。过程c-1为压气机低压缸的吸气过程，1-2为气体在低压缸的压气过程，2-b为低压缸的排气过程；b-2为压缩气体进入级间冷却器的过程，2-2′为压缩气体在级间冷却器的定压放热过程，2′-b为冷却后的气体自级间冷却器中排出；b-2′为高压缸的吸气过程，2′-3为气体在高压缸的压缩过程，3-a为高压缸的排气过程。（余隙影响可通过减小气缸容积加以考虑）在p－V图上，两级压缩级间冷却所消耗的技术功（面积122′3ac1）为低压压缩技术功（面积122′bc1）和高压压缩技术功（面积2′3ab2′）之和，和一次压缩的耗功量（面积123′ac1）相比，节省的功量大小为面积22′33′2。相应地，两次压缩级间冷却所放出的热量在T－S图上表示为面积e122′de，而压缩终温3T也明显低于一次压缩的终温'3T。因此，采用多级压缩、级间冷却方式可以有效地降低压气机的耗功量、并降低排气的终温。（a）（b）图12-4两级压缩、中间冷却的p－V图与T－S图12p1P3abpVp2c2′33′′1deTSp3p2p122′33′T3对于理想气体，两级压缩、级间冷却的压气机的总耗功量可以表示为，1'23'2'211211,,1111ppVpppVp（12-9）气体在级间冷却器中被定压冷却至初温1T，因此有2'2pp、2'2TT，并且根据状态方程111'2'2mRTVpVp，式（12-9）变为，1231121121ppppVpWt（12-10）由上述可知，当初始状态1p、1T、1V和终压3p已知时，两级压缩、级间冷却所消耗的总功仅仅随中间压力2p而变化，为了使耗功量最小，令0dd2pWt，求得最佳中间压力为，312ppp，即2312pppp（12-10）可见，当各级增压比相等时，压气机的总耗功量最小。对于2N的多级压缩、级间冷却的压气过程，上面得到的结论同样适用，即各级增压比相等时，总耗功量最小，因此，各级的最佳增压比为，NtotalNNNNNNoptpppppppppp11112312（8-22）采用最佳增压比后，还可以使各级的耗功量相等，各级气体的温升相等，各级间冷却器的放热量相等。这种均衡对于压气设备的设计与运行都是有利的。从p－V图中不难看出。在总增压比一定的条件下，分级越多，理论上的耗功量越小；当级数无限多时，此时的压缩过程和定温压缩无限趋近，总耗功量最小。实际上，压缩的分级数不易过多，视总增压比的大小，一般为2~4级（考虑成本、运行管理，机构不能太复杂）。尽管采用了多级压缩级间冷却的措施，但对于每级压缩而言，仍然需要采用多变放热压缩的措施。【例12-1】空气由初压0.1MPa，初温20℃，经两级压缩、级间冷却可逆多变地压缩到6MPa，假设各级的多变指数2.1n，试求压缩终温及压缩耗功量各为多少，并把所得结果和单级多变压缩至同样增压比的情况进行比较。解：两级压缩、级间冷却过程的p-v图与T－s图如图12-4所示。按照压气机耗功量最小原理，分配各级的增压比，75.71.061321pp空气在级间冷却器中被理想冷却，即1'2TT，故各级的排气温度为nnTT1112nnnnTTT11112'23即，气体通过各级压缩后的温度相等，为2.41275.7273202.112.123TTK两级压缩时压气机的总耗功量为kJ/kg4.41075.7127320287.012.12.121122.112.1111nntRTnnw如果采用单级压缩，则压缩终温K7.57960273202.112.1113111'31'3nnnnppTppTT由上可知，采用单级压缩时，排气温度为579.7K（约306.7℃），远远高于两级压缩、级间冷却的压缩终温412.2K。在活塞式压气机中，如此高的压缩终温已经超出了润滑油的正常工作温度。