空压机工作循环原理及应用

活塞式空压机是靠活塞在气缸中往复运动进行工作的。活塞在气缸中往复运动一次，气缸对空气即完成一个工作循环。

活塞式空压机在完成每一个工作循环时，气缸内气体的变化过程是很复杂的。为了便于问题研究，简化次要因素的影响，从理论上提出几个假定条件，在假定条件下活塞式空压机完成的工作循环称为理论工作循环。

（一）假定条件

（1）气缸没有余隙容积。气缸在排气终了，即活塞移动到端点位置时，气缸内没有残留的气体。

（2）吸、排气通道及气阀没有阻力。吸气和排气过程没有压力损失。

（3）气缸与各壁面间不存在温差。进入气缸的空气与各壁面间没有热量交换，压缩过程中的压缩指数不变。

（4）气缸绝对密封，没有气体泄漏。

（二）理论工作循环

按上述假定，活塞式空压机在工作时，其理论工作循环如图10-7所示，曲轴转一周，活塞在气缸中往复运动一次，完成吸气、压缩和排气三个基本过程。当活塞自左向右移动时，气体以压力p1进入气缸，线4-1表示吸气过程；当活塞自右向左移动时，气体被压缩，线1-2表示压缩过程；当气体压力达到排气压力p2后，气体被活塞推出气缸，线2-3为排气过程。

图10-7又称为空压机理论工作循环示功图（p-V图）。值得注意的是，在空压机示功图上，其横坐标为气缸的容积V，而不能用比体积v。因为在吸气和排气过程中，气体的容积是变化的，但压力和温度不变，比体积也不变，即在吸气和排气两个过程中，气体的状态并未改变，不是真正的热力过程，因此用比体积作横坐标无法表示这两个过程。

图10-7 活塞式空压机理论工作循环示功图

空压机把空气从低压压缩至高压，需要消耗能量。空压机完成一个理论工作循环所消耗的理论循环总功W等于吸气过程功Wx、压缩过程功Wy和排气过程功Wp的总和。

在研究空压机工作循环时，通常规定：活塞对空气做功为正值，空气对活塞做功为负值。按此规定，压缩过程和排气过程的功为正，吸气过程的功为负。各功的大小为：

（1）吸气功Wx=-p1V1，相当于图10-7中线4-1下面所包围的面积41aO4。

（2）压缩功（因dV在压缩时为负值时，为使其为正，故在积分号前加负号），相当于图10-7中线1-2下面所包围的面积23Ob2。

（3）排气功Wp=p2V2，相当于图10-7中线2-3下面所包围的面积12ba1。

（4）理论循环总功，相当于吸气、压缩和排气三个过程线所包围的面积41234。

（三）不同压缩过程的空压机理论工作循环

在空压机理论工作循环中，只有压缩过程是真正的热力过程。气体在压缩时，可按等温、绝热和多变过程进行。按不同的压缩过程压缩时，空压机的循环总功、空气被压缩时放出的热量以及压缩终了时空气的温度也不相同。

1.等温压缩

在等温压缩过程中，气体的温度始终保持不变，T=C，其过程方程式为pV=C，故有p1V1=p2V2，循环总功为

或

式中　p1——吸气时的绝对压力，Pa；

p2——排气时的绝对压力，Pa；

V1——吸气终了时气体的体积，m3；

V2——排气开始时气体的体积，m3。

可见，按等温压缩时，空压机的循环总功等于压缩过程功。

根据热力学第一定律，等温压缩过程中气体的内能ΔU=0，则对气体所做的压缩功相当于气体放出的热量，此时空气被压缩时放出的热量为(www.xing528.com)

Q=W　(10-3）

压缩终了时，空气的温度为

T1=T2　(10-4）

2.绝热压缩

绝热压缩过程是不与外界进行热交换的过程。根据过程方程式pVk=C，有故循环总功为

或

可见，按绝热压缩时，空压机的循环总功等于绝热压缩过程功的k倍。

空气被压缩时放出的热量为

Q=0　(10-7）

压缩终了时，空气的温度为

3.多变压缩

多变压缩过程，其方程式pVn=C，有，故循环总功为

或

可见，多变压缩时，空压机的循环总功等于绝热压缩过程功的n倍。

空气被压缩时放出的热量为

压缩终了时，空气的温度为

图10-8 不同压缩过程的循环功

4.三种压缩过程的理论工作循环比较

1）循环总功的比较

把相同进气温度和进气压力下的容积V1的空气，按不同的压缩过程压缩到相同终了压力p2时的理论工作循环示功图画在一起，即如图10-8所示。1—2是等温压缩线，1—2′是多变压缩线，1—2″是绝热压缩线。由图10-8所示可知，等温压缩时所消耗的循环总功最小（面积1234），绝热压缩时所消耗的循环总功最大（面积12″34），多变压缩时介于二者之间（面积12′34）。因此，等温的循环总功最小。

2）压缩终了温度的比较

在空压机循环中，压缩过程所消耗的外功全部变成热量。如采用等温压缩，这些热量全部传给外界，空气的内能和温度没有改变；如采用绝热压缩，这些热量全部转换为空气的内能，使空气温度升高；如采用多变压缩过程时，这些热量的一部分传给了外界，一部分变成空气的内能，所以多变压缩终了的温度低于绝热压缩终了的温度，但高于等温压缩终了的温度。因此，等温压缩的终了温度最低，其安全性也最高。

从以上比较可知，等温压缩是最有利的压缩过程。所以，在空压机的工作中，应最大可能地提高冷却效果，使实际压缩过程接近等温压缩过程，即使多变压缩指数接近1。