第二章-压缩机级的循环

《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环活塞式压缩机级的循环气体性质；过程方程及过程功；常用的术语；理论循环和实际循环；指示图；循环功多级压缩；级的循环《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环气体的热力性质气体状态方程任何气体，三者不是完全独立的，它们之间存在看一定的关系，并可表示成pvT()0FpvT、、对于理想气体，其状态方程=RTpv当mkg气体时，表示为=mRTmpV克拉贝隆方程虽然理想气体实际上并不存在，但对于气体分子的体积相对于气体比容很小、分子间作用力相对于气体压力也很小时，为计算方便把它们作为理想气体来处理，误差是不大的。《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环范德瓦尔(vanderwal)第一个提出了计及气体分子容积和作用力的实际气体状态方程其中a计及分子作用力时对压力进行的修正；b为计及分子容积时对比培进行的修正工程计算中，常采用一个总的修正系数来修正理想气体状态方程；以便其满足实际气体即=pvZRT气体的压缩性系数，其值与气体性质、压力和温度有关，它需由实验求得，在附录中列有常见气体的Z值曲线。远离液态的气体，即使压力很高仍然有准确性，但易于液化的气体，误差大《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环为了便于理解压缩因子Z的物理意义=pvZRT=/ipvvvZRTRTpv实际气体比容理想气体比容压缩因子Z即为温度、压力相同时的实际气体比体积与理想气体比体积之比。Z﹥l，说明该气体的比体积比将之作为理想气体在同温同压下计算而得的比体积大，也说明实际气体较之理想气体更难压缩；反之，若Z﹤l，则说明实际气体可压缩性大。所以Z是从比体积的比值或从可压缩性大小来描述实际气体对理想气体的偏离《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环对于无Z值曲线的气体，或者混合气体，可近似应用通用Z值曲线求取。图中的曲线是按对比态原理作成的：对多种流体的实验数据分析显示，接近各自的临界点时，所有流体都显示出相似的性质，因此产生了用相对于临界参数的对比值，代替压力、温度相比体积的绝对值，并用它们导出普遍适用的实际气体状态方程的想法。这样的对比值分别被定义为对比压力、对比温度、对比比体积=pvZRT=cccpvZRT===rrrcccpTvpTvpTvccrrcrpvpvZRTTrprTrv对于任何一种气体而言都有一个特定的温度，在该温度以上，无论怎样加压，该气体都不会液化。该温度即叫做临界温度，因此，临界温度可以这样理解，即加压方法使气体液化的最高温度；在临界温度下为使气体液化所需施加的最小压力，称为“临界压力”。《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环许多大多数气体、特别是烃类气体，临界压缩系数处于Z＝0.23~0.30，故图Z是按=0.27cZ由压缩因子Z和临界压缩因子Zcr的定义可得/===/mcmcrrcrcrmccrrpVRTpVpvZZpVRTTT根据对应态原理，上式可改写成若Zcr的数值取一定时，则进一步简化成cr()crZfpTZ、、()crZfpT、此式为编制通用压缩因子图提供了理论基础《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环但对于氢、氦、氖只有时方可应用，而且必须用虚拟的临界压力和虚拟的临界温度2.5rT''=+8=+8ccccppTT对于氨及水蒸汽，因为它们的分子非球形，正负电荷的中心并非处于分子的几何中心，因此具有极性，要产生附加的引力，不能使用此通用Z值曲线对于混合气体，其压缩性系数可按下式求取=()miiZXZ任一组分的千克分子百分比任一组分的压缩性系数《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环当量千克分子量若应用图1-1求取Zm，则需求取混合气的当量临界压力及当量临界温度。当各组分临界压力及临界比容相近，并且满足则当量临界压力及当量临界温度为而氢、氦等气体，仍应以虚拟的临界压力及温度代入《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环当任意两组分的临界压力比超过20%时，当量临界压力应以下式计算而临界温度的计算公式不变过程方程及过程功《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环应符合能量守恒定律对理想气体、实际气体以及不同的压缩过程分别进行讨论理想气体(1)绝热过程《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环=pvRT+=pdvvdpRdT-=pvCCR对于混合气体，其绝热指数可由下式求取《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环绝热过程中的外功，以压缩过程为例，并假定对气体所作之功为正值，则对于1kg气体由状态l压缩至状态2'1-1-2122111=====-=-1-1-kkkkkkadkkdvdvpvwdwpdvpvpvvvpvpvvvk对于mkg气体-1'21111=-1-1kkadpWpVkp-1'21111=-1-1kkadpwpvkp等效《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环(2)多变过程应符合能量守恒定律过程中存在热交换，热量变化可表示为=ndqCdT理想气体的焓表示为=+hupv=d++dhupdvvdpVdT-CdT=nCpdvd=udhpdvvdp=dqdupdv=pdhCdTnCdT=pCdTpdvvdppdvnCdT=pCdTvdp《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环n(-)(-)pnvCCCCdTvdpdTpdvn=npvconst多方指数多方过程功-121111=-1-1nnpotpwpvnp-=-1potnvnkqCdTCdTn多方过程的热量在压缩过程中，当1＜n＜K热量为负，即热量自系统传到外界，n＞k时，为正值，热量自外界传入系统。膨胀过程相反《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环不同热力过程热交换量在T-S图上的表示放热伴随着S的减少吸热伴随着S的增加《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环(3)等温过程=pvconst等温过程功21111112===ln=lnisvpdvwpdvpvpvpvvvp在等温过程中，全部的功变为热量传到了外界《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环实际气体理想气体的过程方程是假定气体比热与压力无关导出的，但实际气体的比热不仅与温度有关，而且还取决于压力，所以理想气体的过程方程也不能适用于实际气体实际气体的定压比热表示为大气压力下理想气体在相应温度下定压比热考虑压力、温度后的修正值实际气体的比热比可表示为00==--ppppvpppCCCCkCCCCCC《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环实际气体的绝热过程方程表示为-1'21111=-1-1vvkkadvpwpvkp实际气体绝热压缩过程的外功kv值应取相应于pl、p2时容积绝热指数的平均值，容积绝热指数是一个变化很大的数值，实际应用起来根不方便，一般是避免使用它《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环常用的几个概念外（内）止点活塞行程循环压缩机中的级压缩机级的循环活塞气缸《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环压缩机级的理论循环假设条件：1.被压缩的气体能够全部排出气缸；2.进、排气系统无阻力损失、无气流脉动、无热交换；3.压缩容积无泄漏；4.压缩过程指数为常数。建立理论循环的目的，是设置一个评价压缩机性能的标准。《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环外止点内止点PV1234行程S4－1吸气过程1－2压缩过程2－3排气过程值得注意的是压缩机的循环过程不是热力循环，只有压缩过程是热力过程理论循环P-V图级的理论循环过程指示图《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环对于理想气体：n—多变过程指数。绝热过程n＝k；等温过程n＝1。实际压缩过程指数一般介于1和k之间，接近绝热过程nppVV12112nnppTT1121212112nVVTT《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环如果是实际气体，氮气kv值(25℃、MPa)通常使用右式计算12121122112)()(1vvkkVVZZTTppVVTkTkTkppZZVVppTT11)()(2112121212《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环级的理论循环进气量行程容积活塞从外止点到内止点的一个行程中所扫过的气缸容积级的理论进气量（P1,T1)状态下，活塞在一个行程中所吸进的气体体积量hpVAS1pVAS《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环级的理论容积流量级的理论容积流量qVth为单位时间内所形成的工作容积之和，即等于压缩机级的理论进气量乘以转速。1VthqVn《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环理论循环指示功理论循环指示功压缩机完成一个理论循环所消耗的机械功。为进气过程功、压缩过程功和排气过程功之和，可用图中所示的4-1-2-3-4面积代表。活塞对气体做功为正，气体对活塞做功为负《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环4－1进气过程：21WppdV1－2压缩过程：111spSAppWV2－3排气过程：22dpWV《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环理论循环的指示功212121221121()ispdpdVdpVpdVVdp理论循环指示功是完成一次循环所消耗的最小功。Wi是压缩机性能好坏的重要特征。当压缩机的结构参数和工况确定后，功的大小就取决于压缩过程的特征。《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环三种典型过程的理论循环指示功（理想气体）压缩过程特点过程方程循环指示功Wi压缩过程功Wp等温T2=T1pV=p1V1p1V1ln(p2/p1)p1V1ln(p2/p1)绝热过程q=0pVk=C多变过程1nkpVn=C1112111kkkkppVp1112111nnnnppVp11112111kkkppVp11112111nnnppVp理论循环指示功等于压缩过程指示功的k倍《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环不同压缩过程在p-V图上的表示把相同容积的气体从p1压缩至p2，等温压缩过程最省功，绝热压缩过程耗功最多《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环实际气体理论循环指示功实际气体状态方程：实际气体多变压缩过程方程：实际气体理论循环指示功：1111()TnZpVVZppVmZRT12211111112TTnnTTnPZWVdPPVnPZ122ZZZ或12ZZZ由于压缩因子Z的假设所计算的指示功误差小于1%。《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环压缩机级的实际循环实际循环指示图与理论循环指示图的区别影响实际循环的因素实际循环指示图的作用《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环实际循环指示图与理论循环指示图的区别流动阻力导致压力损失余隙容积——膨胀过程泄漏、热交换过程指数变化《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环影响实际循环的因素——余隙容积的影响余隙容积的形成线形间隙径向间隙进排气通道余隙容积中高压气体的膨胀使进入气缸的新鲜气体量减少，即气缸的利用率降低了。《活塞式压缩机级的循环》2013.2压缩机级的循环影响实际循环的因素——压力损失的影响流动阻力自动阀原理气阀运动规律《活塞式压缩机级的循环