单级活塞式压缩机的机械功和容积效率消耗

一、压缩机工作过程的作功分析

为分析研究压气机压缩气体所需要的功，我们取压气机气缸和其中的工质作为研究对象。这是一个开口热力系统，有工质的流进、流出，并且工质在气缸中被压缩，经历了一个压缩过程。

前已分析，开口热力系统对外界作的功是技术功，在图9-1（b）中以面积f12gf表示。由于气体被压缩后压力是升高的，dp＞0，而V是正值，可见这时技术功为负值，即意味着压缩气体需要消耗外功。通常我们把压缩气体消耗功的大小称为压缩机所需的功，用符号Wc表示。

所需功的多少因压缩过程性质不同而异，它是压缩机性能优劣的主要指标。下面对三种不同压缩过程分别计算压缩mkg气体时所需的功。

1.可逆定温压缩

2.可逆绝热压缩

3.可逆多变压缩

对压缩1kg气体，则可分别写为

从图9-2（a）可以看出，定温压缩时所消耗的机械功最小（以面积12′gf 1表示），绝热压缩时所消耗的机械功最大（以面积12″gf1 表示），多变压缩时所消耗的机械功介于两者之间（以面积12gf1表示）。因此，对压缩机气缸加强冷却，使实际的压缩过程尽量接近于定温压缩，能够减少压缩机所需机械功，而且可以保证活塞环在气缸壁上得到正常的润滑条件。

二、容积效率

当活塞到达上止点时，为了保证活塞在运动中不致碰撞气缸等原因，在活塞与气缸盖之间留有一个很小的余隙，由这一余隙所形成的体积，用符号V0表示，称为“余隙容积”。残存在余隙容积V0内的空气压力大于外界大气压力。因此活塞自上止点向下止点移动时不能立即从大气中吸入新鲜空气。只有残余的高压气体在气缸内进行膨胀至压力低于大气压力时，进气阀才在大气压力与气缸内的气体压力差的作用下开启，吸气过程才能开始。

图9-3 具有余隙容积的活塞式压缩机示功图

上面所讨论的是理想压缩机，即没有余隙容积时的耗功情况。下面将讨论，当有余隙容积存在时，它对压缩机消耗的功和压缩气体的供气量将有何影响。(www.xing528.com)

由图9-3可见，此压缩机所消耗的总功应等于压缩过程的技术功Wt，1-2与余隙容积中剩余的高压气体膨胀过程的技术功Wt，3－4的代数和。设压缩与膨胀两过程是个多变过程，且多变指数相同，则压缩机所消耗的功为

因为p1＝p4，p2＝p3以及＝，上式经整理可得

式中，V1－V4＝m′υ1，m′为有余隙容积时进入气缸的气体质量。

可见，有余隙容积存在时压缩机的供气量减少了，从而所消耗的功也减少了。但对于压缩1kg气体所消耗的功仍为

可见，有余隙容积和没有余隙容积时，对于压缩1kg气体压缩机所消耗的功是相同的。

活塞式压缩机的余隙容积只是在理论上不影响压缩1kg气体所消耗的功，实际上由于摩擦阻力而多耗功。按图9-3所示的压缩机示功图中，由于余隙容积中残余高压气体的膨胀，在进气过程中吸入的气体体积为V1－V4，称之为“有效吸气体积”，它总是小于气缸工作体积Vs,因而造成气缸工作体积或活塞排量利用不充分。有效吸气体积（V1－V4）与气缸工作体积Vs之比称为“容积效率”，用ηv表示，即

设余隙中残余气体的膨胀过程3—4是一个多变过程，且V3＝V0，可得V4＝V0（p2/p1）1/n于是容积效率为

式中，δ＝V0/Vs称为压缩机的余隙比，β＝p2/p1称为压缩机的增压比。

由式（9-8）可以看出，余隙比增大时，容积效率降低，增压比提高时，容积效率也降低。

图9-4所示为相同余隙容积的增压比提高对容积效率的影响，由图可见，压缩终点气体的压力由p2提高到p2′，则有效吸气体积将由V1－V4缩小为V1－V4。当p2不高时，余隙容积对压缩机气缸的供气量（容积效率）的影响较小，但当p2较高时，影响就大了。当p2提高到某一数值（如图中的p2′）时，V0中的残余气体经膨胀后的体积甚至达到V1而完全不允许进气，因而容积效率ηv＝0c此外，p2越高，压缩终点的气温也越高，当温度超过滑油的自燃点（300～350℃）时，滑油就会自燃。压缩终点的气体温度一般不超过160℃，以保证正常的润滑条件。

图9-4 增压比对容积效率的影响

为了提高压缩机的容积效率和保证正常润滑条件，一方面应尽量减小压缩机的余隙容积，即降低余隙比δ＝V0/Vs，一般为2％～6％，另一方面单级压缩机的增压比β＝p2/p1不宜过高，一般β≤7为宜。当超过这个增压比时，应采用多级压缩机。船上起动主机用的压缩空气压力通常为3MPa左右。若采用单级压缩，不但容积效率很低，而且压缩终点的温度很高（按绝热过程的压缩终温高达370℃），因此必须采用双级压缩和中间冷却。