項目四活塞式壓縮機的運行與維護任務(wù)3活塞式壓縮機的工作循環(huán)課程目標【知識目標】掌握活塞式壓縮機的理論循環(huán)；掌握活塞式壓縮機的實際循環(huán)；了解活塞式壓縮機的功率與效率計算?！灸芰δ繕恕磕軌騾^(qū)分活塞式壓縮機的理論循環(huán)和工作循環(huán)；能準確理解活塞式壓縮機的實際工作過程。知識點010203目錄理論工作循環(huán)活塞壓縮機的功率與效率實際工作循環(huán)一、理論工作循環(huán)活塞式壓縮機的循環(huán)，是指活塞往復運動一次，在氣缸中進行的吸氣、壓縮和排氣等全過程的總稱。所謂壓縮機的理論循環(huán)，是指對活塞式壓縮機的實際工作過程作了如下假定和簡化后的吸氣、壓縮和排氣等全過程的總稱：①氣缸沒有余隙容積，氣缸中的氣體在壓縮終了時被全部排出；②氣體在流經(jīng)吸、排氣閥時，沒有壓力降；③在吸氣和排氣過程中，氣缸內(nèi)氣體的溫度保持不變；④被壓縮氣體是理想氣體，氣體壓縮按恒定熱力指數(shù)進行，即壓縮曲線的指數(shù)m是常數(shù)；⑤氣體無泄漏。理論循環(huán)的示功圖（P-V圖）活塞壓縮機的理論循環(huán)是由吸氣、壓縮、排氣三個過程構(gòu)成的，理論循環(huán)的壓容圖見圖3-23所示?；钊幵谧笾裹c時，氣缸內(nèi)沒有氣體，容積為零。圖3-23理論循環(huán)壓容圖吸氣壓縮排氣一、理論工作循環(huán)理論循環(huán)的示功圖（P-V圖）幾個定義：內(nèi)止點：活塞運動到達主軸側(cè)的極限位置（立式壓縮機中也稱為下止點）外止點：活塞運動到達的遠離主軸側(cè)的極限位置（立式壓縮機中也稱為上止點）行程：活塞從一個止點到另一個止點的距離活塞對氣體做功為正，氣體對活塞做功為負一、理論工作循環(huán)理論循環(huán)指示功的計算一、理論工作循環(huán)（a）吸氣過程（b）壓縮過程（c）排氣過程（d）理論循環(huán)功圖3-24理論循環(huán)指示功的計算理論循環(huán)指示功的計算一、理論工作循環(huán)

理論循環(huán)總功W為：其中吸氣過程，耗功：W壓為多變壓縮過程中，活塞對氣體所做的功：排出過程所耗功：因此：(3-12)在p-V圖上表示為各個過程線所包圍的面積。理論循環(huán)指示功的計算一、理論工作循環(huán)等溫壓縮循環(huán)等溫壓縮循環(huán)是指氣體進行壓縮時，其溫度始終保持不變。Wis—每一循環(huán)所消耗的功，單位，J；

V1—每一循環(huán)的理論吸氣量，單位，m3p1、p2—名義吸、排氣壓力，單位，Pa；

ε—名義壓力比。對一定質(zhì)量的氣體來說，等溫壓縮循環(huán)功只與氣體性質(zhì)R

、壓力比ε以及進氣溫度T1

成正比關(guān)系，即氣體的吸入溫度T1

越高，壓縮機所消耗的功Wis

就越大。因此，為了提高壓縮機的經(jīng)濟性能，應(yīng)盡量降低進氣溫度。理論循環(huán)指示功的計算一、理論工作循環(huán)絕熱壓縮循環(huán)氣體在壓縮時與周圍環(huán)境沒有任何熱交換。其中，k—氣體的等熵指數(shù)，也稱絕熱指數(shù)。理論循環(huán)指示功的計算一、理論工作循環(huán)多變壓縮循環(huán)壓縮時氣體溫度有變化，且與外界有熱量交換。其中，m'—多變指數(shù)，一般按經(jīng)驗選取。一般情況下，1<m'<k

，若壓縮過程中，氣體受熱，則m'>k

。理論循環(huán)指示功的計算一、理論工作循環(huán)不同理論循環(huán)功比較從圖中可以看出絕熱循環(huán)功最大，等溫循環(huán)功最小，多變循環(huán)功則居中（即1<m’<k的情況下）。所以為了降低功耗，盡可能使壓縮過程接近等溫，并盡可能創(chuàng)造較好的冷卻條件。理論循環(huán)的理論吸氣量一、理論工作循環(huán)理論循環(huán)時，吸氣過程是沿著整個活塞行程進行的，氣體的吸入容積，就是活塞的行程容積，同時也等于氣缸的容積V1

，而且吸入氣體的量VB等于排出氣體的量Vd。理論吸氣量VB

=理論排氣量

Vd

=氣缸的容積

V1理論循環(huán)的理論排氣量一、理論工作循環(huán)壓縮機的排氣量，是指單位時間內(nèi)壓縮機最后一級排出的氣體體積，換算到第一級入口狀態(tài)的溫度和壓力時的氣體體積值，理論循環(huán)時，壓縮機的理論排氣量:Vd

—壓縮機的排氣量，m3/min；

F—活塞的橫截面積，m2；S—活塞的行程，m；

nf—壓縮機的轉(zhuǎn)速，Hz。二、實際工作循環(huán)活塞壓縮機的實際工作循環(huán)對于活塞式壓縮機的實際工作情況，可借助實際工作的p－V圖進行分析。在圖中，1－2線表示實際壓縮過程曲線，2－3線為排氣過程曲線，3－4線為膨脹過程曲線，4－1線為實際吸氣過程曲線；pl和p2分別為名義吸、排氣壓力。二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別①止點位置時活塞與氣缸蓋之間的間隙形成的容積V01，一般為1.5～4mm。②第一道活塞環(huán)前的氣缸與活塞之間的間隙形成的容積V02。③氣缸氣閥通道及氣閥內(nèi)部的剩余容積V03。④氣閥閥腔容積V04。余隙與膨脹二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別余隙與膨脹余隙容積VM的影響：VM不利的影響—殘存的氣體在活塞回行時，發(fā)生膨脹，使實際吸氣行程（容積）減小。VM有利的好處—（1）形成氣墊，利于活塞回行；（2）避免“液擊”（空氣結(jié)露）；（3）避免活塞、連桿熱膨脹，松動發(fā)生相撞。余隙容積在保證運行可靠的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減小。二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別余隙與膨脹3為膨脹開始的位置，對應(yīng)殘留余隙容積為VM，壓力為p2。膨脹過程：由于余隙容積為VM的存在，在活塞開始向右運動時，在缸內(nèi)出現(xiàn)的是氣體的膨脹。初期不能吸氣，當壓力膨脹到小于p1并有一定壓差后（達到4點），才能吸入氣體。3→4是膨脹過程。膨脹二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別吸氣、排氣通道和氣閥具有阻力因通道和氣閥不可能絕對光滑且無曲折，所以氣體通過氣閥和管道時，必然要產(chǎn)生阻力損失，因此氣缸內(nèi)的吸入壓力總是低于管路中的壓力（也稱名義吸入壓力），而吸入閥從開始開啟至全開又需克服較大的局部阻力，使壓力降得更低。二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別吸氣、排氣通道和氣閥具有阻力吸氣過程：從4點開始吸氣，當活塞行至右止點1時，壓力小于p1，并達到一定壓差時，吸氣閥關(guān)閉，4→1是吸氣過程。受到活塞速度變化和閥片動作的影響，吸氣過程線呈波浪形。ps是吸氣過程的平均壓力。吸氣二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別吸氣、排氣通道和氣閥具有阻力壓縮過程：當活塞從右止點1往左移動時，吸氣閥關(guān)閉，開始壓縮過程，到2’點時，雖然缸內(nèi)壓力等于p2，但排氣閥兩側(cè)無壓力差，所以排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，只有繼續(xù)壓縮達到足夠壓差，達到2點，頂開排氣閥，1→2是壓縮過程。壓縮壓縮過程有氣體泄漏二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別吸氣、排氣通道和氣閥具有阻力排氣過程：從2點開始排氣，直到3’點（3和3’非常接近，可不區(qū)分）。受到活塞速度變化和閥片動作的影響，排氣過程線呈波浪形。pd是排氣過程的平均壓力，2→3是排氣過程。排氣二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別壓縮和膨脹過程指數(shù)不是常數(shù)（1）在膨脹開始階段，氣缸內(nèi)氣體的溫度高于缸壁溫度，氣體放熱膨脹，膨脹過程指數(shù)m>k

.（2）隨著氣體的膨脹，氣體溫度逐漸降低，當氣體溫度低于缸壁溫度，氣體吸熱膨脹，這時m<k。二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別壓縮和膨脹過程指數(shù)不是常數(shù)（3）在壓縮開始階段，氣缸內(nèi)氣體的溫度低于缸壁溫度，氣體吸熱壓縮，壓縮過程為

m’>k，所以壓縮線在絕熱線之內(nèi)。（4）隨著氣體被壓縮，氣體溫度不斷提高，氣體與氣缸的溫差逐漸減小，到某一時刻時溫差等于零，此時氣體為絕熱壓縮

m’=k，所以壓縮線與絕熱線相交（5）當氣體溫度高于氣缸溫度時，氣體放熱壓縮，m’<k的多變壓縮過程。二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別有余隙容積壓縮后殘余氣體排氣后有膨脹過程實際進氣量減小有進排氣阻力損失及壓力脈動實際吸壓<p1實際排壓>p2進排氣壓力波動有氣體泄漏多變過程指數(shù)變化氣體缸壁熱交換二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)的差別①組成過程數(shù)②有效容積③壓力比④循環(huán)指示功⑤過程指數(shù)值⑥存在泄漏比較總結(jié)二、實際工作循環(huán)實際工作循環(huán)指示功的計算①

實際等溫理論循環(huán)功②

實際絕熱壓縮循環(huán)功③

實際多變理論循環(huán)功Z表示實際氣體偏離理想氣體的程度Z=1時，該氣體可視為理想氣體。Z>1時，表示該氣體比理想氣體難以壓縮。Z<1時，說明該氣體比理想氣體容易壓縮。二、實際工作循環(huán)實際吸氣量及其影響因素對于實際循環(huán)，余隙容積內(nèi)的氣體膨脹、吸氣閥及系統(tǒng)中的阻力損失、氣體在氣缸中被加熱等都將減少新鮮氣體的吸入量，使實際吸氣量較理論吸氣量小。現(xiàn)用吸氣系數(shù)來綜合考慮諸因素的影響，則有：二、實際工作循環(huán)實際吸氣量及其影響因素容積系數(shù)λV

反映了余隙容積內(nèi)氣體膨脹對實際吸入量VB’的影響。（1）容積系數(shù)

其中,α稱為氣缸的相對余隙容積，

m是膨脹過程指數(shù)二、實際工作循環(huán)實際吸氣量及其影響因素在壓力比和膨脹指數(shù)相同的條件下，余隙容積VM越大，相對余隙容積α就越大，容積系數(shù)就越小，表明氣缸的有效利用率就越低。①相對余隙容積α圖3-28余隙容積對氣量的影響圖3-29相對余隙容積對容積系數(shù)的影響二、實際工作循環(huán)實際吸氣量及其影響因素對于同一氣缸而言，當相對余隙容積α和膨脹過程指數(shù)m一定時，壓力比越大，容積系數(shù)就越小。當ε’增至某一定值時，λV等于零，此時的壓力比稱為極限壓力比。①壓力比ε’圖3-30壓力比對容積系數(shù)的影響二、實際工作循環(huán)實際吸氣量及其影響因素在其它條件相同的情況下，膨脹指數(shù)m越大，則容積系數(shù)λV越大。膨脹指數(shù)增大時，膨脹過程曲線變陡，膨脹所占的容積減小，即吸進的氣體量增多。①膨脹指數(shù)m二、實際工作循環(huán)實際吸氣量及其影響因素壓力系數(shù)λp反映壓力損失對對實際吸入量VB’的影響。

（2）壓力系數(shù)

二、實際工作循環(huán)實際吸氣量及其影響因素溫度系數(shù)λT反映了熱交換對實際吸入量VB’的影響。溫度系數(shù)一般取經(jīng)驗值。λT=0.94～0.98。（3）溫度系數(shù)

二、實際工作循環(huán)實際排氣量壓縮機的排氣量通常是指單位時間內(nèi)壓縮機最后一級排出的氣體體積換算到第一級進口狀態(tài)的壓力和溫度時的氣體容積值。排氣量表征壓縮機的大小，常用的單位為m3/min。在壓縮機的實際循環(huán)中，由于吸氣閥、填料函、活塞環(huán)以及附屬設(shè)備、管道不嚴密而造成氣體泄漏，使得壓縮機的每一轉(zhuǎn)的實際排氣量Vd’總是小于實際吸氣量VB’（少一泄漏損失量）。這種泄漏損失可用泄漏系數(shù)λL來表示：二、實際工作循環(huán)實際排氣量Vd'—壓縮機完成一個工作循環(huán)的排氣量，單位，m3/min。λL—泄漏系數(shù)，與氣缸的列數(shù)、壓縮機的轉(zhuǎn)速、壓力比、氣體的性質(zhì)以及安裝質(zhì)量等因素有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗一般取

λL

=0.95～0.98。λ0—排氣系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，一般取

λ0

=0.55～0.85。二、實際工作循環(huán)實際排氣量若壓縮機的轉(zhuǎn)速為

nf，則壓縮機的排氣量為：

其中，

nf—每秒轉(zhuǎn)數(shù)，單位，Hz；D1—第一級活塞直徑，單位，m。S—活塞行程，單位，m。三、活塞壓縮機的功率與效率指示功率-理論循環(huán)在理論循環(huán)中，單位時間內(nèi)所作的理論功，稱為理論循環(huán)指示功率。（1）理論等溫循環(huán)指示功率（2）理論絕熱循環(huán)指示功率三、活塞壓縮機的功率與效率指示功率-實際循環(huán)壓縮機的實際循環(huán)功稱為“指示功”，以Wi表示。單位時間內(nèi)消耗的指示功稱為‘指示功率”，以Ni表示。確定指示功率有實測法和解析法兩種方法，其中前者用于已有的機器，后者用于機器設(shè)計過程。對于單作用氣缸，指示功率按公式3-33計算。雙作用：兩側(cè)氣缸指示功率之和；多缸：各缸指示功率之和；多級壓縮機：各級氣缸指示功率之和三、活塞壓縮機的功率與效率壓縮機中的能量分配關(guān)系—電動機輸入的有效功率（驅(qū)動功率），單位，kW?！獕嚎s機輸入端的軸功率，單位，kW?！獨飧變?nèi)的指示功率，單位，kW?！Σ翐p失以及驅(qū)動