往复活塞压缩机热力性能计算

2.2往复活塞压缩机热力性能计算•1理论压缩循环吸气量V1、压缩功W1——计算•2实际压缩循环实际吸气量V1、实际压缩功W1——计算参考书:1.《工程热力学》2.《化工机器》——高慎琴气体热力过程——《工程热力学》（补充内容）气体热力参数：压力：p温度：T（T=t+273°K）比体积：υ内能：u气体质量：m焓：h熵：s热量：q功：W气体分子量：μ气体常数：R（R=8314/μ）气体摩尔质量：M（M=μ/1000）（一）气体状态方程式21qduwwpdvquwwpdv由：、任何气体：p、υ、T三者相互关联状态方程式：()0fpT（1）热力学第一定律：（2）理想气体（理想气体：不考虑分子所占体积和分子间相互作用力）气体状态方程：N——气体摩尔数；R0=MR——通用气体常数。（3）实际气体•状态方程式：Z——压缩性系数，与气体的性质、压力和温度有关。Z值可以查表、查图得出（如书中图1-1）。0pvRTpVmRTpVNRTpvZRTpVZmRT(二)理想气体热力过程及压缩功热力学中给出了五种计算方法：•等温过程、等熵过程、多变过程、等容过程、等压过程•(1)等温过程在压缩过程中，气体温度不变，T=常数。状态方程式：pvRTpVmRT由：、11112211221212222111;pvpvpvpvpvpvpVpVpVmRTmRTpVTppVTp常数或•等温过程功Wi膨胀过程功：21iWpdv2211112111112ln()ln()iiidvWpdvpvvpWpvJpVWmRTJVυpdυ012pkpv常数(2)绝热过程(等熵过程）气体与外界无热量交换，q=0。绝热过程方程式：υp120120sT111122111111212211211;;kkkkkkkkkpvpvpvpvpvpVmRTpVmRTpTVTpVpVTVTp导出式：•绝热过程功Wi对于理想气体，可逆的过程绝热膨胀过程功：21121111121211()111111kkikiipWpdvpvJkpvWmRTkvWmRTTJkwiυp12•（3）多变过程•非等温、非绝热下的相对较实际的压缩过程。•多变过程方程式：•多变膨胀过程功：1122(nnnnpVpVpVpVn常数多变指数）11212122121211nnnnpVTVTppVTVTp1221111111nnipWpdvpVJnp•2.2.1理论压缩循环•理论压缩的假设：①气缸内气体全部排出。②进气、排气过程中，压力温度都不变。③压缩过程指数一定，k,m值不变。④气缸无泄漏。满足上面四条的为：理论压缩循环理论压缩循环经过三个压缩过程：①进气过程：4-1线，吸气压力不变p1,最大进气量V1。②压缩过程：1-2线，压力升高，容积减少，最高压力p2③排气过程：2-3线，排气压力不变p2，缸内气体排出。VP412P23P1吸气—压缩—排气为一个循环，或一个冲程。曲轴旋转一周，活塞一个往复，完成一个理论压缩循环。•（一）理论进气量气缸直径D，冲程长度（活塞行程）SS=2r(曲柄半径）活塞行程容积：Vh,进气容积：V1一个理论循环的进气量：V1=Vh=Ap·SAp——活塞面积，①单作用气缸：②双作用气缸：2m3214pmVASDS冲322124mVDdSdm冲活塞杆直径，SD③单作用级差气缸：•每分钟理论进气量每分钟活塞冲程次数n(冲/分）=曲轴的转速n（r/min)min24min43221321msdDnVmsDnsAnVp双作用：单作用：冲3214msDV•(二）理论压缩循环功气体压缩，体积减少，温度升高，热量散发。致使这个热力过程的能量计算较复杂，热力学中压缩过程五种：等温过程、等熵过程、多变过程、等容过程、等压过程理想气体状态方程式：pvRTpVmRTkgm33mkg功Wi式中：R=8314/μ；μ—气体分子量；υ——气体比容T—绝对温度，T=t+273°KV—气体容积m—气体质量•依据热力学第一定律:循环过程功Wi进气过程功：p1V1Wi排气过程功：-p2V2压缩过程功：12340Wikpv功Wi21wpdvwpdv循环压缩功：21pdV140pvvp04321kvp0432p1v1吸气过程功压缩过程功21pdVW1kp2v2排气过程功循环过程功Wi•压缩为正功:21211221pipWpVpVpdVVdp21pipWVdpJ12340pvWivvdp(1)等温过程在压缩过程中，气体温度不变，T=常数。状态方程式：等温下:循环过程功WipV常数pvRTpVmRT由：、wi21pipWVdpJ112212pVpVpVmRTmRT11pVVp12340pvWivvdp11pVVp取外力作功为正2211112111112lnlnppippiipVWVdpdpppWpVJpVWmRTV32121,,mVVpppa进气体积、排出体积，进、排气压力，(2)绝热过程压缩过程中，气体与外界无热量交换，q=0。绝热过程方程式：k—绝热指数，只随温度变化。111212211211kkkkpTVTpVpVTVTp等容比热等压比热；vpvpCCCCkpvRTpVmRT由：、kpV常数1122111;kkkpVpVpVpVmRTpVmRT12340Wikpv单原子气体：k=1.66~1.67双原子气体：k=1.40~1.41多原子气体：k=1.10~1.30•理论循环绝热压缩过程功Wi211211111kkpippkWVdppVJkp1111kkkppVpVVVp211ikWmRTTJk功Wi（3）多变过程非等温、非绝热下的相对较实际的压缩过程。多变压缩过程方程式：11212122121211nnnnpVTVTppVTVTpnnpV常数1122(nnnpVpVpVn多变指数）•理论循环多变压缩过程功•往复活塞式压缩机常采用水冷和风冷。一般：1＜n＜k高压气缸级：n≈k211211112111111nnpipnnipnWVdppVJnppnWmRTJnp功Wi三种压缩过程比较：①等温压缩过程用功最少，采用强制冷却,保持气缸温度不变。②绝热压缩过程用功最多。③多变压缩过程用功在两者之间，较符合实际。气体压缩机采用水冷或风冷目的减少温度的变化k12340Wipvm1等温线多变线绝热线p1p2•2.2.2级的实际压缩循环气缸内实际压缩循环的示功图：实测abcd图面积为实际压缩循环功。主要特点：⑴气缸内有余隙容积V0存在V0内的剩余气体在压缩时被压缩，吸气时它先膨胀。使循环过程出现一个膨胀过程，膨胀线c—d。四个过程为一个循环：吸气—压缩—排气—膨胀缸内余隙有：①活塞与气缸端部间隙。2~3mm②活塞与气缸环形间隙。0.5~1mm③进、排气门阀通道，测压表管道。④活塞帽凹槽等。Wibc34p2p1vp0p'2ad12p'1（2）进气阀、排气阀弹簧压力，阀片振动进气时，气流需要克服阀片弹簧阻力进气压力pp1。阀片颤振，使气压线出现波动。排气时，气流需克服背压和阀片弹簧，排气压力pp2同样，阀片颤振，出现压力线波动。△p为克服气门阀片压紧弹簧所需的压力。⑶压缩过程与膨胀过程存在不稳定的热交换，使压缩曲线与膨胀曲线不是稳定的n值。（多变指数n是变化的）压缩线a—b开始段：气体吸热nk中间段：不传热n=k结束段：气体放热nk膨胀线c—dm——膨胀指数开始段：气体放热mk中间段：不传热m=k结束段：气体吸热mkmn⑷气缸内存在气体泄漏，使压缩线与膨胀线变的平坦。外泄漏：活塞环、活塞杆填料函、第一级进气阀。内泄漏：排气阀、后面各级进气阀。2.2.3级的进气量与排气量（一）实际进气量VSO活塞行程容积：Vh=VS余隙容积：Vo余隙膨胀容积：△V1按多变膨胀过程分析：1112011040310102nnnnppVVVVpVpVVpVp即：Vh=VsVs'VsV0△V1Wi1abcd34p1pv02△p1△p2p'1p2p'2svsnSssssVVppVVVVVVVV111112011'若膨胀到4点开始吸气。（n——膨胀指数）实际进气容积：λv—容积系数，表征行程容积有效利用率。Vh=VsVs'VsV0△V1Wi1abcd34p1pv02△p1△p2p'1p2p'2λv对进气量影响最大，α和ε最关键。考虑1点与a点的差异：—名义压力比。——相对余隙容积。—式中：12011120'1111ppVVppVVVVsnnsssvasassaasmRTVpmRTVpVTpaVTp'1''1'''111点参数：点参数：Vh=VsVs'VsV0△V1Wi1abcd34p1pv02△p1△p2p'1p2p'2•比值得：实际吸气量：式中：saavsaasVTTppVTTppV11'11''冲3sTpvsa11avs0smVVTTppVV''TpvsTa1Tpp1ap980920TT01980980950pp令：—温度系数。一般取—其它级—压力系数。第一级—.~..~..~.minmin33mVnzVzmVnVnsssossso个气缸同时吸气：分冲冲次数每分钟实际吸气量：min432msDnzqVV总容积流量：,:4VVqDszn工艺给定吸气量时设计气缸直径为24:minVVqrnzsD设计转速(一）实际循环功理论指示功为1234图形面积，理论参数为实际指示功为abcd图形面积，实际参数：按等功面积原理，理论吸气压力线降低成为平均实际吸气压力线；理论排气压力线升高，为平均实际排气压力线。2211;;VpVp21'2'1;;;;ppVpps1p1p2p2pVh=VsVs'Vs△V1V0Wi21abcd34p2p1p'1△p1vp0△p2p'2p'2△p20pv△p1p'1p1p243dcba12WiV0△V1VsVs'Vh=Vs实际吸入压力与实际排出压力：dsdSdspppppppppppppppppp02211222222'2111111'11111总相对压力损失：相对压力损失：);(tphVSVV忽略实际进气量取：JppVpnnWnnsi111'1'2'1实际循环指示功：代入理论参数值：上式为实际一个气缸所作功。多变指数n：低压级：n=(0.95~0.99)k高压级：n=kJppVpnnWnnhVsi111110121Wibc34p2p1vp0p'2ad12p'12.2.4压缩机实际循环功率及效率功、功率的计算是任何机器最重要参数计算理论循环功：（前面已讲）实际循环功：JppVpnnWnnhVsi111110121k12340W