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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^_。
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(V0.01MPa表压)
I压缩机(>0・3MPa表压))
I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o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
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
塞左行至某一位置时,气体的压力升高到预定压力P2,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。
活塞由曲轴一连杆机构带动,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P2与初压Pi之比为增压比,
(12-1)
Pi
1T2t)。
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)0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(
绝热压缩和定温压缩是压缩过程的两个极限情况。
技术功
P=f(V)代
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,Wt=-fvdp0对于不同的压缩过程,技术功可以通过把过程方程入上式积分来得到。
绝热压缩过程、多变压缩过程和定温压缩过程所消耗的技术功分别通过式(12-2a)、(12-2b)和(12-2c)来计算
压缩过程中所释放的热量可以根据能量方程得到,
压缩后的终温为,
比较三个压缩过程之间的终温,不难得到,
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=Vi-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
Vh
V3
②耗功影响
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,口V,T
PiM—V4))
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
图12-3两级压缩、中间冷却
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
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
去卩器,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(T2=Ti)。
(a)
图12-4两级压缩、中间冷却的p—V图与T-S图
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1223ac1)为低压压缩技术功(面积122bc1)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e122de,而压缩终温
T3也明显低于一次压缩的终温T3。
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。
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,
Wt=Wt;+WtHs
气体在级间冷却器中被定压冷却至初温T,,因此有P2=P2、丁2=丁2,并且根据
状态方程P'刃2=PiVi=mRT,式(12-9)变为,
(12-10)
dWUo,求得
dP2
由上述可知,当初始状态p1、T1、V和终压p3已知时,两级压缩、级间冷却所
消耗的总功仅仅随中间压力P2而变化,为了使耗功量最小,令
最佳中间压力为,
可见,当各级增压比相等时,压气机的总耗功量最小。
对于N>2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,
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。
假设各级的多变指数n=1.2,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,
n」
n-A
T2=T1(兀1尸
I
T3=丁2(兀2)n=Ti(兀1)n
即,气体通过各级压缩后的温度相等,为
1.2」
T3=T2=(20+273)X7.75右=412.2K
两级压缩时压气机的总耗功量为
Wt=2__1RT1p-(兀1河]
1.2,r:
护
=2汉X0.287X20+273)1-7.751.2
亠1'[」
=—410.4kJ/kg
如果采用单级压缩,则压缩终温
nJ
=丁1时
5丿
1.24
=(20+273)x601.2
=579.7K
由上可知,采用单级压缩时,排气温度为579.7K(约306.7C),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。
再来看看单级压缩的耗功量,
1-
P3
P丿
nJ.
n“
Wt=RT,
n—1
1.2
X
12—1
「1.2」
0.287x(20+273)1-601.2
=Y93.7kJ/kg
显然,单级压缩的耗功量也大于两级压缩、级间冷却的耗功量。
从计算可以看出,多级压缩、级间冷却可以降低压缩终温,减小耗功量。
12.2叶轮式压气机的工作原理
叶轮式压气机因气流速度高与动、静叶片有摩擦,因而实际的压缩过程为不可逆绝热压缩。
WCC===H2,-Hi=H2・一H3=Q(3rT2)=面积2'缶456
可逆绝热
WC=—Wt=AH=H2.-H^H^-H3=Q(3rT2s)=面积2s3T456
多耗功
WC_WC,s=h2,—h2s=面积22s156
绝热效率
_Wc_H2s-Hi_mCp(T2s-⑺_T2s—Ti二=H2,-Hi二mep(T2,—T)=T2,—Ti
不可逆修正系数0.8~0.9
实际
以上为空气、燃气的压缩,对于水蒸气。
▲
s
实际压缩耗功Wc=~Wt'
=h2』hi=(h2,-h4)-(hi-hj
=面积2340562-面积134051
理论压缩耗功%7叽\皿七5七)
=面积234052-面积134051
多耗功WC_W:
s=h?
,-h2s=面积22s1526*
10.3引射式压缩器
以所能供应的高压(蒸)气体得到实际需要的中压(蒸)气体的方法。
P3
图12.6引射式压缩器
(降速增压)
低压(大量)
(若采用节流降压,不仅量小,耗散也大)
表示工作性能
以引射系数_被作气体质量流量
工作气体的质量流量
在混合、扩压过程中不可逆程度较大。
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