两级活塞式空压机的工作循环解析

两级压缩一般是在两个气缸中完成的。

两级压缩的工作原理与单级压缩的工作原理相同，只是在高低压气缸之间加一个中间冷却器，如图10-34所示。空气经低压吸气阀进入低压缸1内，被压缩至中间压力pz，再经低压排气阀进入中间冷却器2进行冷却，同时分离出油和水。在中间冷却器内冷却后的压气，经高压吸气阀进入高压缸3内继续压缩至额定排气压力后，经高压排气阀排出。

图10-34　两级空压机简图

1—低压缸；2—中间冷却器；3—高压缸

两级空压机的理论工作循环除遵循单级压缩时的假定条件外，还假定有：

（1）各级压缩过程相同，即压缩指数n相等。

（2）在中间冷却器内把空气冷却至低压气缸的吸气温度，即T1=T2。

（3）压气在中间冷却器内按定压条件进行冷却。

图10-35所示为在上述假定条件下得出的两级空压机理论工作循环，图10-36所示为考虑各种因素后两级空压机的实际工作循环。

图10-35　两级空压机理论工作循环

图10-36　两级空压机实际工作循环(www.xing528.com)

具有中间冷却器的两级压缩，与在同样条件下获得相同终压力的单级压缩相比，有以下优点：

（1）节省功耗。从图10-35中可以看出，当压力由p1直接压缩到p2时，其示功图面积为012′3，而采用两级压缩时，第Ⅰ级压缩到某一中间压力pz后，排入中间冷却器进行冷却，故第Ⅰ级的示功图面积为01z′4。在中间冷却器内冷却至初始温度T1时，气体体积就由减小至Vz，然后再进入第Ⅱ级气缸压缩至终压力p2。图10-35中点z表示第Ⅱ级气缸的进气终了状态，它与点1在同一等温线上（图中虚线）。第Ⅱ级气缸示功图面积为4z23，两级压缩总功为01z′4+4z23，它比单级压缩节省面积为zz′2′2的功耗。

实现两级压缩之所以省功，主要是进行了中间冷却。从图10-35中还可看出，若不进行中间冷却，从第Ⅰ级气缸排出的压气体积，就不会由减小为Vz，并仍以的体积进入第Ⅱ级气缸，这样，两级压缩与单级压缩的功耗相同。

（2）降低排气温度。由式（10-12）知，压气的终温不仅与初始温度成正比，而且和压缩比有关，即与ε[（n-1）/n]成正比。显然，在初始状态和终压相同的条件下，两级压缩比单级压缩的终温有明显下降。

（3）提高容积系数。随着压缩比的上升，余隙容积中压气膨胀所占的容积增大，使得气缸的进气条件恶化。采用两级压缩后，降低了每一级的压缩比，从而提高了气缸的容积系数，增大了空压机的排气量。

（4）降低活塞上的作用力。在转速、行程和气体初始状态及终压力相同的条件下，采用两级压缩时，低压缸活塞面积A1虽与单级压缩时的活塞面积相等，但高压缸活塞面积A2比A1要小很多（一般A2≈A1/2）；又因为每一级气缸的压缩比均小于单级压缩的压缩比，故两级压缩时，两个活塞所受到的总作用力小于单级压缩时一个活塞上的作用力。如p1=1×105Pa，p2=9×105Pa，pz=3×105Pa，低压缸活塞面积为A1，高压缸活塞面积为A2，若不考虑活塞杆的影响，则有：

单级压缩时的活塞力

F1=(9-1）×105A1=8×105A1

两级压缩时的总活塞力

F2=(3-1）×105A1+(9-3）×105A2

取A2=A1/2，则有

F2=2×105A1+6×105A1/2=5×105A1

可见，两级压缩时的活塞力远小于单级压缩时的活塞力。由于活塞力减小，故活塞的质量和惯性也减小，机械强度和机械效率得以提高。