活塞式压缩机的工作原理解析

气体压力p是指气体分子对单位面积器壁撞击次数和撞击强度。其大小由单位容积内分子数目n₀、相对分子质量m以及分子速度的平方均值v²决定，即

由式（2-1）可知，要提高气体压力有两个途径：一个是增加单位容积内气体分子的数目n₀，另一个是提高气体温度以提升气体分子运动速度v。基于工作条件限制等原因，一般不采用后者。因此，活塞式压缩机的工作原理主要是通过增加单位容积内气体分子的数目来提升气体压力的。

压缩机的活塞往复运动一次，气缸中所进行的各过程总和为一个循环，称为工作循环。工作循环有理论工作循环和实际工作循环之分。

（一）理论循环功

为了便于分析压缩机的工作状况，通常做下述简化和假定：

1）循环过程中气体没有丝毫泄漏。

2）气体在通过阀时不受阻力。

3）排气过程结束时，气缸中的气体被全部排出。

4）气体在吸气与排气过程中始终保持恒温。

5）压缩过程中，气体热力指数为常数。

符合以上假设的压缩机工作循环称为理论工作循环（简称理论循环），可用压容图表示，如图2-1所示。压缩机的理论循环由吸入、压缩和排出三个过程构成，除压缩过程具有热力过程的性质，其余两个过程仅仅是气体的流动过程，不涉及状态变化。

（二）实际循环功

在实际的压缩机工作循环中，热力状况较为复杂，故常用示功仪测量气缸内气体体积与压力的变化关系，来得到实际示功图，如图2-2所示。

图2-1 理论循环压容图

P—压力 V—容积(www.xing528.com)

图2-2 实际示功图

通过比较可以发现，理论示功图与实际示功图有比较大的差别，其原因如下：

1.余隙与膨胀

在实际工况中，压缩机必然会存在一定的余隙容积，包括活塞在运动到止点时与缸盖之间的间隙及阀座下方的空间和其他死角。活塞外止点与缸盖之间所留间隙一般为1.5～4mm，其目的是为了避免因活塞杆和活塞的热膨胀和弹性变形而引起活塞与缸盖发生碰撞，也能防止气缸内气体夹带液体而发生事故。

因为有余隙存在，气缸内的气体是不能完全排出的。当活塞离开外止点返回时，余隙中残留的那部分气体开始膨胀，直到其压力数值降至与吸气压力大小相等时，新鲜气体才能进入气缸中。由此可见，余隙的存在降低了气缸的实际吸气量，降低了生产能力，故在能够保证运行可靠性的情况下，应尽可能减小余隙容积。

2.气阀的阻力损失

气阀和管道不可能绝对光滑无曲折，所以当气体通过气阀和管道时必然会产生阻力损失，故气缸内的吸气压力总是低于名义吸气压力。吸气阀从开启到完全打开的过程中也需要克服较大的局部阻力，这也使得压力下降。同理，气缸内的排气压力也总是高于排气管道内的名义排气压力。

在示功图上，之所以吸入线和排出线会呈波浪形，是由于气流速度随活塞运动发生的变化以及阀片的振动导致阻力损失不稳定引起的。

3.热交换的影响

在工作一段时间以后，压缩机气缸各部分的温度基本上是一个稳定值，高于吸气温度，低于排气温度。在每一个循环中，气体的传热情况是不断变化的。在压缩过程开始时，气体温度低于气缸温度，所以气体从气缸吸收热量以提高温度，此时为多变压缩过程；随着气体温度不断提高，与气缸的温差越来越小，直到某一瞬间，温差为零，此时为绝热压缩过程；之后，气温会逐渐超过气缸壁温，此时为多变压缩过程；当活塞离开外止点时，气缸内气体的膨胀过程与压缩过程相仿。

由于在实际工作过程中压缩机热交换的复杂性，示功图上的曲线指数并不是常数，实际压缩曲线的开始阶段是处在理论压缩循环绝热线以外，而结束阶段则是处在理论绝热线以内。

（三）实际气体的影响

在中、低压范围内，当气体温度远高于临界温度时，大部分气体都可以当做是理想气体。如果气体温度接近或低于临界温度，那么即使压力不高，在分子间相互作用力及分子体积的影响下，理想气体的状态方程pV=mRT就不再适用。在工程上一般是引入可压缩性系数Z来进行修正，如式（2-2）所示。

pV=ZRT （2-2）

气体的可压缩性系数Z与气体的性质、压力和温度有关，可在相关手册上Z值曲线图查取相应数据。当可压缩性系数Z接近于1时，实际气体可按理想气体处理。