任务 活塞式压缩机的工作循环

项目四活塞式压缩机的运行与维护任务3活塞式压缩机的工作循环课程目标【知识目标】掌握活塞式压缩机的理论循环；掌握活塞式压缩机的实际循环；了解活塞式压缩机的功率与效率计算。【能力目标】能够区分活塞式压缩机的理论循环和工作循环；能准确理解活塞式压缩机的实际工作过程。知识点010203目录理论工作循环活塞压缩机的功率与效率实际工作循环一、理论工作循环活塞式压缩机的循环，是指活塞往复运动一次，在气缸中进行的吸气、压缩和排气等全过程的总称。所谓压缩机的理论循环，是指对活塞式压缩机的实际工作过程作了如下假定和简化后的吸气、压缩和排气等全过程的总称：①气缸没有余隙容积，气缸中的气体在压缩终了时被全部排出；②气体在流经吸、排气阀时，没有压力降；③在吸气和排气过程中，气缸内气体的温度保持不变；④被压缩气体是理想气体，气体压缩按恒定热力指数进行，即压缩曲线的指数m是常数；⑤气体无泄漏。理论循环的示功图（P-V图）活塞压缩机的理论循环是由吸气、压缩、排气三个过程构成的，理论循环的压容图见图3-23所示。活塞处在左止点时，气缸内没有气体，容积为零。图3-23理论循环压容图吸气压缩排气一、理论工作循环理论循环的示功图（P-V图）几个定义：内止点：活塞运动到达主轴侧的极限位置（立式压缩机中也称为下止点）外止点：活塞运动到达的远离主轴侧的极限位置（立式压缩机中也称为上止点）行程：活塞从一个止点到另一个止点的距离活塞对气体做功为正，气体对活塞做功为负一、理论工作循环理论循环指示功的计算一、理论工作循环（a）吸气过程（b）压缩过程（c）排气过程（d）理论循环功图3-24理论循环指示功的计算理论循环指示功的计算一、理论工作循环

理论循环总功W为：其中吸气过程，耗功：W压为多变压缩过程中，活塞对气体所做的功：排出过程所耗功：因此：(3-12)在p-V图上表示为各个过程线所包围的面积。理论循环指示功的计算一、理论工作循环等温压缩循环等温压缩循环是指气体进行压缩时，其温度始终保持不变。Wis—每一循环所消耗的功，单位，J；

V1—每一循环的理论吸气量，单位，m3p1、p2—名义吸、排气压力，单位，Pa；

ε—名义压力比。对一定质量的气体来说，等温压缩循环功只与气体性质R

、压力比ε以及进气温度T1

成正比关系，即气体的吸入温度T1

越高，压缩机所消耗的功Wis

就越大。因此，为了提高压缩机的经济性能，应尽量降低进气温度。理论循环指示功的计算一、理论工作循环绝热压缩循环气体在压缩时与周围环境没有任何热交换。其中，k—气体的等熵指数，也称绝热指数。理论循环指示功的计算一、理论工作循环多变压缩循环压缩时气体温度有变化，且与外界有热量交换。其中，m'—多变指数，一般按经验选取。一般情况下，1<m'<k

，若压缩过程中，气体受热，则m'>k

。理论循环指示功的计算一、理论工作循环不同理论循环功比较从图中可以看出绝热循环功最大，等温循环功最小，多变循环功则居中（即1<m’<k的情况下）。所以为了降低功耗，尽可能使压缩过程接近等温，并尽可能创造较好的冷却条件。理论循环的理论吸气量一、理论工作循环理论循环时，吸气过程是沿着整个活塞行程进行的，气体的吸入容积，就是活塞的行程容积，同时也等于气缸的容积V1

，而且吸入气体的量VB等于排出气体的量Vd。理论吸气量VB

=理论排气量

Vd

=气缸的容积

V1理论循环的理论排气量一、理论工作循环压缩机的排气量，是指单位时间内压缩机最后一级排出的气体体积，换算到第一级入口状态的温度和压力时的气体体积值，理论循环时，压缩机的理论排气量:Vd

—压缩机的排气量，m3/min；

F—活塞的横截面积，m2；S—活塞的行程，m；

nf—压缩机的转速，Hz。二、实际工作循环活塞压缩机的实际工作循环对于活塞式压缩机的实际工作情况，可借助实际工作的p－V图进行分析。在图中，1－2线表示实际压缩过程曲线，2－3线为排气过程曲线，3－4线为膨胀过程曲线，4－1线为实际吸气过程曲线；pl和p2分别为名义吸、排气压力。二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别①止点位置时活塞与气缸盖之间的间隙形成的容积V01，一般为1.5～4mm。②第一道活塞环前的气缸与活塞之间的间隙形成的容积V02。③气缸气阀通道及气阀内部的剩余容积V03。④气阀阀腔容积V04。余隙与膨胀二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别余隙与膨胀余隙容积VM的影响：VM不利的影响—残存的气体在活塞回行时，发生膨胀，使实际吸气行程（容积）减小。VM有利的好处—（1）形成气垫，利于活塞回行；（2）避免“液击”（空气结露）；（3）避免活塞、连杆热膨胀，松动发生相撞。余隙容积在保证运行可靠的基础上，应尽量减小。二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别余隙与膨胀3为膨胀开始的位置，对应残留余隙容积为VM，压力为p2。膨胀过程：由于余隙容积为VM的存在，在活塞开始向右运动时，在缸内出现的是气体的膨胀。初期不能吸气，当压力膨胀到小于p1并有一定压差后（达到4点），才能吸入气体。3→4是膨胀过程。膨胀二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别吸气、排气通道和气阀具有阻力因通道和气阀不可能绝对光滑且无曲折，所以气体通过气阀和管道时，必然要产生阻力损失，因此气缸内的吸入压力总是低于管路中的压力（也称名义吸入压力），而吸入阀从开始开启至全开又需克服较大的局部阻力，使压力降得更低。二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别吸气、排气通道和气阀具有阻力吸气过程：从4点开始吸气，当活塞行至右止点1时，压力小于p1，并达到一定压差时，吸气阀关闭，4→1是吸气过程。受到活塞速度变化和阀片动作的影响，吸气过程线呈波浪形。ps是吸气过程的平均压力。吸气二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别吸气、排气通道和气阀具有阻力压缩过程：当活塞从右止点1往左移动时，吸气阀关闭，开始压缩过程，到2’点时，虽然缸内压力等于p2，但排气阀两侧无压力差，所以排气阀处于关闭状态，只有继续压缩达到足够压差，达到2点，顶开排气阀，1→2是压缩过程。压缩压缩过程有气体泄漏二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别吸气、排气通道和气阀具有阻力排气过程：从2点开始排气，直到3’点（3和3’非常接近，可不区分）。受到活塞速度变化和阀片动作的影响，排气过程线呈波浪形。pd是排气过程的平均压力，2→3是排气过程。排气二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别压缩和膨胀过程指数不是常数（1）在膨胀开始阶段，气缸内气体的温度高于缸壁温度，气体放热膨胀，膨胀过程指数m>k

.（2）随着气体的膨胀，气体温度逐渐降低，当气体温度低于缸壁温度，气体吸热膨胀，这时m<k。二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别压缩和膨胀过程指数不是常数（3）在压缩开始阶段，气缸内气体的温度低于缸壁温度，气体吸热压缩，压缩过程为

m’>k，所以压缩线在绝热线之内。（4）随着气体被压缩，气体温度不断提高，气体与气缸的温差逐渐减小，到某一时刻时温差等于零，此时气体为绝热压缩

m’=k，所以压缩线与绝热线相交（5）当气体温度高于气缸温度时，气体放热压缩，m’<k的多变压缩过程。二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别有余隙容积压缩后残余气体排气后有膨胀过程实际进气量减小有进排气阻力损失及压力脉动实际吸压<p1实际排压>p2进排气压力波动有气体泄漏多变过程指数变化气体缸壁热交换二、实际工作循环实际工作循环与理论工作循环的差别①组成过程数②有效容积③压力比④循环指示功⑤过程指数值⑥存在泄漏比较总结二、实际工作循环实际工作循环指示功的计算①

实际等温理论循环功②

实际绝热压缩循环功③

实际多变理论循环功Z表示实际气体偏离理想气体的程度Z=1时，该气体可视为理想气体。Z>1时，表示该气体比理想气体难以压缩。Z<1时，说明该气体比理想气体容易压缩。二、实际工作循环实际吸气量及其影响因素对于实际循环，余隙容积内的气体膨胀、吸气阀及系统中的阻力损失、气体在气缸中被加热等都将减少新鲜气体的吸入量，使实际吸气量较理论吸气量小。现用吸气系数来综合考虑诸因素的影响，则有：二、实际工作循环实际吸气量及其影响因素容积系数λV

反映了余隙容积内气体膨胀对实际吸入量VB’的影响。（1）容积系数

其中,α称为气缸的相对余隙容积，

m是膨胀过程指数二、实际工作循环实际吸气量及其影响因素在压力比和膨胀指数相同的条件下，余隙容积VM越大，相对余隙容积α就越大，容积系数就越小，表明气缸的有效利用率就越低。①相对余隙容积α图3-28余隙容积对气量的影响图3-29相对余隙容积对容积系数的影响二、实际工作循环实际吸气量及其影响因素对于同一气缸而言，当相对余隙容积α和膨胀过程指数m一定时，压力比越大，容积系数就越小。当ε’增至某一定值时，λV等于零，此时的压力比称为极限压力比。①压力比ε’图3-30压力比对容积系数的影响二、实际工作循环实际吸气量及其影响因素在其它条件相同的情况下，膨胀指数m越大，则容积系数λV越大。膨胀指数增大时，膨胀过程曲线变陡，膨胀所占的容积减小，即吸进的气体量增多。①膨胀指数m二、实际工作循环实际吸气量及其影响因素压力系数λp反映压力损失对对实际吸入量VB’的影响。

（2）压力系数

二、实际工作循环实际吸气量及其影响因素温度系数λT反映了热交换对实际吸入量VB’的影响。温度系数一般取经验值。λT=0.94～0.98。（3）温度系数

二、实际工作循环实际排气量压缩机的排气量通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的气体体积换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值。排气量表征压缩机的大小，常用的单位为m3/min。在压缩机的实际循环中，由于吸气阀、填料函、活塞环以及附属设备、管道不严密而造成气体泄漏，使得压缩机的每一转的实际排气量Vd’总是小于实际吸气量VB’（少一泄漏损失量）。这种泄漏损失可用泄漏系数λL来表示：二、实际工作循环实际排气量Vd'—压缩机完成一个工作循环的排气量，单位，m3/min。λL—泄漏系数，与气缸的列数、压缩机的转速、压力比、气体的性质以及安装质量等因素有关，根据经验一般取

λL

=0.95～0.98。λ0—排气系数，根据经验，一般取

λ0

=0.55～0.85。二、实际工作循环实际排气量若压缩机的转速为

nf，则压缩机的排气量为：

其中，

nf—每秒转数，单位，Hz；D1—第一级活塞直径，单位，m。S—活塞行程，单位，m。三、活塞压缩机的功率与效率指示功率-理论循环在理论循环中，单位时间内所作的理论功，称为理论循环指示功率。（1）理论等温循环指示功率（2）理论绝热循环指示功率三、活塞压缩机的功率与效率指示功率-实际循环压缩机的实际循环功称为“指示功”，以Wi表示。单位时间内消耗的指示功称为‘指示功率”，以Ni表示。确定指示功率有实测法和解析法两种方法，其中前者用于已有的机器，后者用于机器设计过程。对于单作用气缸，指示功率按公式3-33计算。双作用：两侧气缸指示功率之和；多缸：各缸指示功率之和；多级压缩机：各级气缸指示功率之和三、活塞压缩机的功率与效率压缩机中的能量分配关系—电动机输入的有效功率（驱动功率），单位，kW。—压缩机输入端的轴功率，单位，kW。—气缸内的指示功率，单位，kW。—摩擦损失以及驱动