3.5.1 多级压缩（多级压缩的理由）在线视频

同学

你好

今天我们开始学习新的一节

3.5节多级压缩

其中的第一小节多级压缩的理由

什么是多级压缩呢

前面我们已经讲过什么是级

压缩机的级

是指连续完成吸气压缩排气

一个循环的工作单元

多级压缩呢就是将气体依次引入多个气缸中

相继压缩

并且在进入下一级前

必须经过级间冷却器进行冷却

这就是多级压缩的概念

我们来看一下这个示意图

进来的气体经过一级气缸以后

通过排气阀排出去

经过级间冷却器进入到二级气缸

然后压缩以后经过排气阀再排出去以后

经过级间冷却器

再进入到三级气缸

最后通过排气阀排出到达用户

这就是一个三级压缩的一个压缩机

下面我们就以两级压缩为例

看看多级压缩在PV图中的表示

我们假设进气压力是P1

排气压力是P2

那么对于单级压缩 压缩过程是绝热过程中的

理论循环

也就是我们不考虑流动阻力损失

泄漏传热这些实际因素

那么这个指示图是什么样的呢

那么进来的气体经过绝热压缩走n等于K的过程

然后排气这是单级压缩机的指示图

那么如果采用两级压缩

假设这是一个级间压力

两级压缩的话

第一级从1点压缩到a点

然后经过级间冷却器

进行一个降温 温度降低

那么我们假设

第二级的进气温度和第一级的进气温度相同

那么这种情况我们称为回冷完善

那么从a点冷却到a'点以后再继续压缩

还是一个绝热过程

然后再排气

这就是两级压缩的指示图

那么从指数图上我们很显然的能够看到

就是两级压缩的指示功的面积

比单级压缩的时候要小

少耗了什么功呢

就少耗了这一部分的气体压缩的功

这个功是我们由于采用多级压缩以后

所减小的耗功

a点到a'点这个过程

是在级间冷却器里边完成的

那么级间冷却器冷却的效果越好

那么a'点的温度就越低

那么这个的话

阴影所包围的面积也就越大

压缩机就越省功

这就说明什么呢

就是多级压缩必须要进行级间冷却

如果没有级间冷却

那么一级排出这个气体

直接进到二级气缸进行压缩的话呢

那么理论上它就会跟单级压缩的指示图是相同的

就不会有省功的这种情况

下面我们来看一下采用多级压缩的理由

那么我们前面已经介绍过

采用多级压缩的第一个原因

是省功

多级压缩

通过级间冷却的措施

它可以使得压缩过程实际上是更加接近等温过程

我们来看就是从这儿冷却以后再进行压缩

是不是比单级压缩过程线

更加接近等温过程线

对吧

那么使压缩过程更加接近等温过程的话

就会使得指示功减小

如果不考虑流动阻力损失这些实际因素

那么理论上级数越多越接近等温过程

压缩机越省功

当级数趋近于无穷多的时候

压缩过程就是一个等温过程了

那么理论循环指示功

就等于等温过程的理论循环的指示功

多级压缩省功这个程度

跟级间冷却器的冷却效果有关

我们给出回冷完善的概念

所谓回冷完善 回冷完善就是指

进入下一级的气缸的气体的温度

等于第一级的进气温度的话

我们称为回冷完善

进入第二级气缸的a'点温度和处在等温线上

和一级的气缸的温度 进气温度是相等的

那么这个就叫做回冷完善

回冷不完善是指进入下一级的气体的温度

高于第一级的进气温度

如果回冷不完善度是三度

也就说下一级的进气温度

比第一级的进气温度要高三度

从这一点a点冷却

并没有冷却到等温过程线上

而是冷却到中间某一点

温度比第一级的进气温度要高

这就是回冷不完善的概念

对大多数压缩机级间冷却以后的气体

一般比第一级的进气温度会高一些

高5到10度

理论上如果回冷不完善每增加三度

也就是这一点开始压缩的这一点的话

这点的温度比一级气缸的进气温度

如果高三度的话

那么压缩机的耗功会增加大概百分之1

那么采用多级压缩的第二个理由是可以降低

排气温度

那么前面我们学习了压缩过程的过程方程

我们也知道压缩机的排气温度与压比有关

排气温度和压比是n分之n-1次方这个关系

而压缩机的排气温度它是有限制的

排气温度过高

会造成什么

会造成润滑油的粘度会降低

性能也会恶化

比如说润滑油会出现氧化积炭这些现象

如果是无油的压缩机

那么如果排气温度过高

也会使得像聚四氟乙烯这些自润滑密封材料

磨损加剧和失效

另外对于一些易燃易爆的气体

排气温度也要求不能超过允许的安全工作温度

所以我们要限制各级的压力比

控制各级的排气温度

对空气压缩机来说

我们的排气温度要求它是不高于180度的

采用多级压缩的

第三个原因

是多级压缩可以提高压缩机的容积效率

前面我们已经分析过

压比增加

那么容积系数λV是降低的

压缩机的进来的新鲜的气量就会减少

甚至如果压比过高

进气量有可能为零

比如说这种情况

当α等于0.1

膨胀过程指数m等于1.2的时候

如果压比达到了17.8

那么进气量就会为0

进气量到这个压比的时候它就会为零了

实际上一般压缩机还没有达到这么大的压比

排气温度就首先受到了限制

所以单级压缩无法达到较高的压力

那么只有采用多级压缩

才能够发挥活塞式压缩机

它能够达到极高气体压力的特点

采用多级压缩的第四个原因是可以降低气体的作用力

作用在活塞上的气体力

为了解释这一点

我们先看一个例子

两台相同容积流量的空气压缩机

假设它们的转速和行程都相同

那么进气压力是0.1

然后排气压力是0.9兆帕

进气压力是0.1兆帕

那么一台是这种单级压缩

另一台是两级压缩

那么一级和二级的压比按照等压比分配

两级的压比都是3

假设两级压缩的级间回冷是完善的

也就是说第二级的进气温度

就等于第一级的进气温度它俩相等

那么我们就分别来计算一下活塞上的受力

对于单级压缩机活塞上的受力

大家注意这一面是作用的气体压力

那么轴侧的话也作用有气体压力

那么活塞上的受力

实际上就是两边的气体压力的差

因为排气的时候受的压力最大

我们看看排气的时候

盖侧的压力是0.9兆帕

那么轴侧的压力是多少

对空压机来说

它就是大气压0.1兆帕就一个大气压

因此活塞受到的作用力是多少

那么我们就可以写成这个式子

活塞上的受力就等于

0.9减去0.1乘以10的六次方

再乘以Ap1

Ap1是谁呢

Ap1就是活塞的面积

对于级差式活塞

我们来看看它的受力

级差式活塞的话

那么分别受到这是二级的气体力

这是一级的气体力

那么轴侧的话还受到曲轴箱内气体的压力

那么也是排气的时候活塞的受力最大

排气的时候

因为两级压缩是按照等压比分配的

压比都是3

所以排气的时候一级的压力是0.3兆帕

那么二级的压力是0.9兆帕

那么曲轴箱压力还是一个大气压

那么级差式活塞受到的气体力是什么

我们就可以写成下面这个式子

那么就是0.3减去

0.1

乘以 面积Ap1再加上

0.9减去0.1×10的六次方

再乘以这个活塞面积

Ap2

这里边Ap1是一级气缸的有效活塞面积

Ap2是二级气缸的有效活塞面积

为了和单级压缩的情况对比

那么我们需要知道Ap1和Ap2

就是两个活塞的面积的关系

它俩之间的关系

可以通过回冷完善的条件得到

因为两级的进气温度是相等的

所以

第一级的压力乘以容积

等于第二级的压力乘以容积

等于P2V2

那么因为它们的行程也相等

所以这两级的面积比就等于谁呢

就等于

压比 就等于3

也就是说Ap2等于3分之1的Ap1

那么我们把这个关系带到受力这个方程里面

我们就可以推导得到

对于级差式活塞它受到的合力最终是4又2/3乘以10的五次方Ap1

而对于单级机器的话

它的活塞的受力是8乘以10的五次方的Ap1

可以看出来级差式活塞受到的合力

比单级活塞受到合力减少了大概百分之40

所以活塞上的受力是减少的

那么减少活塞上的气体力

它会带来一系列的好处

一个是活塞受到的气体力减少了

也就减少了作用在运动机构上的力

使得运动机构的尺寸和重量可以减轻

二就是运动机构的重量减轻以后

后面会讲

那么它就会减小压缩机的往复的惯性力

往复惯性力是引起压缩机振动的主要原因

那么往复惯性力减小的话

压缩机的振动也会减小

可靠性提高

另外运动机构受力的减小的话

也会使相应的摩擦磨损降低

机械效率提高

那我们就有一个问题了

那是不是级数越多越好

其实显而易见不是级数越多越好的

那么因为多级压缩也会带来一些问题

比如说它的结构复杂

制造成本增加

另外由于每一级都会有气阀活塞环这些易损件

那么易损件的数量也是增加的

那么也就带来了压缩机可靠性降低的问题

那么从省功的角度来讲

是不是级数越多越好

因为级数越多越接近等温过程

其实也不是的

因为级数的增加

它实际上会带来级间管路的增加

那么也会带来气体的流动阻力损失的增加

所以就存在一个最佳的压比

使得指示功是最小的

最佳压比的概念

我们会在下节进行讲解

好

我们下面进行一下这次课的小结

首先我们讲述了多级压缩的概念

以及为什么要采用多级压缩的原因

多级压缩主要基于以下几个方面的原因

第一是省功

节省的指示功的大小

还与回冷的完善度有关系

第二是可以降低排气温度

第三是可以提高压缩机的容积效率

那么气量就增大了

第四是可以降低作用在活塞上的气体力

从而也降低作用在其他运动机构上的受力

好

我们这节课的内容就讲到这里

谢谢