2023年热工学实践实验

实验5 压气机性能实验。

活塞式压气机是通用的机械设备之一，其工作原理是消耗机械能（或电能）而获得压缩气体。压气机的压缩指数和容积效率等都是衡量其性能先进与否的重要参数。本实验是利用微机对压气机的有关性能参数进行实时动态采集，经计算处理、得到展开的和封闭的示功图。

从而获得压气机的平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。

一、实验目的。

1．掌握指示功、压缩指数和容积效率的基本测试方法；

2．对使用微机采集、处理数据的全过程和方法有所了解。

二、实验装置及测量系统。

本实验仪器装置主要由：压气机、电动机及测试系统所组成。

测试系统包括：压力传感器、动态应变仪、放大器、计算机及打印机，见图5—1。

压气机型号：z—0.03/7

汽缸直径：d=50mm 活塞行程： l=20mm

连杆长度：h=70mm，转速：n=1400转/分。

图5—1 压气机实验装置及测试系统。

为了获得反映压气机性能的示功图，在压气机的汽缸头上安装了一个应变式压力传感器，供实验时汽缸内输出的瞬态压力信号。该信号经桥式整流后，送至动态应变仪放大。对应着活塞上止点的位置，在飞轮外侧粘贴着一块磁条，从电磁传感器上取得活塞上止点的脉冲信号，作为控制采集压力的起止信号，以达到压力和曲柄传角信号的同步。

这二路信号经放大器分别放大后，送入a/d板转换为数值量，然后送至计算机，经计算处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开的示功图和封闭的示功图。见图5—2及图5—3。

图 5—2 封闭的示功图图 5—3 展开的示功图。

根据动力学公式，活塞位移量x与曲柄转角a有如下关系：

式中：=r/l

r——曲柄半径；

h——连杆长度；

a——曲柄转角。

三、实验原理。

1．活塞式压气机的理论工作原理。

a. 单级压气机理论工作过程（如右图）；

4－1：气体引入气缸。

1－2：气体在气缸内进行压缩。

2－3：气体流出气缸，输向储气筒。

4-1和2-3过程不是热力过程，只是气体。

的移动过程，气体状态不发生变化，缸内气体。

的数量发生变化。

单级活塞式压气机一个循环的工作过程可分为吸气、压缩、排气（如下图）三个阶段（设均为可逆过程）。

吸气：压缩：

排气：b. 存在余隙容积的理论工作工程；

1）活塞式压气机的余隙：为了安置进、

排气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞，在汽缸端盖与活塞行程终点间留有一定的。

余隙，称为余隙容积，简称余隙。(如右图)

1-2 压缩过程。

2-3 排气，状态未变。

3-4 残留气体膨胀。

4-1进新气，状态未变。

2)对耗功和产气量的影响： (如右图)

活塞排量。有效吸气容积。

m：新气量，产气量。

3）余隙容积对理论压气功的影响(如右图)

功的绝对值＝面积12341＝面积12561－面积43564

设1-2和4-3两过程n相同。

4)余隙对单位产气量耗功不影响(如右图)

5）容积效率。

在实际循环中，余隙容积使实际吸气量（产气量）减少，气缸的有效利用率降低，用容积效率表示气缸容积的利用程度。

容积效率=实际吸气量/ 理论吸气量。

余隙比：增压比：

结论：压力比/和多变指数n 一定时，余隙容积越。

大，容积效率越低；

余隙容积和多变指数n一定时，压力比/越。

大，容积效率越低；压力比/达到一定值时，容积效率。

为零，产气量为零；

余隙容积对生产1 kg压缩气体的理论耗功量没有影。

响，但实际耗功量增加；而且压气机的无用体积增加，设计。

时应尽量减小余隙容积。余隙容积vc的存在：理论耗功不。

变，容积效率下降（压缩同量气体气缸变大）。

c. 调节排气压力对压气机产生的影响；

1＇提高压力至２＇，a由p—v图中浮动面。

积41234提高至。

排气压力２增至，则排气温度应增至。

再提高排气压力至达到加气机的极限值，成为一个点，没有2。

结论：排气温度高于润滑油的结碳温度时压。

气机会被烧毁，所以排气温度不得超过150℃。

d. 压气机耗功公示的推导过程；

吸气过程中气缸吸入压力为的气体，气体的质量和容积v 不断增加，而气体的状态(,)不变，相当于气体定压膨胀，该过程中系统作正功；

压缩过程中气体的量不变，而气体的压力不断增加，该过程中外界对系统作压缩功（负功）为：

排气过程中气体的质量不断减少，气体的状态不变，相当于气体被定压压缩，因此该过程系统作负功。

压气机所消耗的功为上述三项功的代数和。即。

压气机耗功为负的技术功。

压缩1kg气体，压气机耗功为：

2. 压气机的热力学分析；

a. 三种理想压缩过程的热力学参数；

压气机简化物理模型为：稳流、可逆。

根据其工作条件不同，可能存在 3 种压缩过程：

1)等熵压缩：特别快，来不及换热n=k；

2)多变压缩：实际压气过程13)等温压缩：特别慢，热全散走n=1。

b. 三种理想压缩过程的耗功量；

定温压缩过程最理想（省功、安全、体积小）。应采用良好的冷却措施，使过程尽量接近于定温过程。

在t—s图上，不同过程线以下的面积代表压缩过程中单位质量工质的放热量：

设压气机的质量流量为qm kg／min，其耗功率为：

3.多级压缩及级间冷却（压比较高时采用）

多级压缩是把气体的压缩过程分为多个阶段，分别在多个气缸中依次压缩，每两个气缸之间有级间冷却器对气体进行冷却（两级或两级以上称为多级）。

采用多级压缩及级间冷却的优点：

压气机耗功减少（在总压比一定的条件下，级数越多，级间冷却越充分，功耗越少；理论上，级数→∞，过程→等温过程）；

排气温度低（热负荷小，有利于润滑）；

容积效率高（每级压比较小）。

缺点：结构复杂，造价高，运行可靠性降低（分级不宜太多）

最佳级间压力和压力比确定原则：功耗最小原则。

以两级压缩为例，可推得。

最佳级间压力为：

最佳压力比为：

级压缩、级间冷却相同时，每级压力比相同。即：

最佳压力比为：

选择最佳压力比的其它好处：

各级压缩功耗相同(动力具有通用性和互换性)；

各级气缸排温相同；

各级间冷却热负荷相同。

4.绝热过程。

可逆绝热过程是定熵过程，但在热力学第二定律中，定熵过程未必就是可逆绝热过程。

过程方程可由下式导出。

可逆绝热过程方程为指数方程。

5．指示功和指示功率。

指示功：活塞压气机进行一个工作过程，活塞对气体所作的功，记为li。显然功量就是p—v图上工作过程线所包围的面积。

其纵坐标是以线段长度表示的压力值，而横坐标则表示活塞的位移量，经测面仪测量和计算才能得到功的数值，即：

li=s×k1×k2×10-5kgf-m5-2）

式中：s ——由测面仪测定的面积值（mm2）;

k1——单位长度代表的容积 (mm3/mm) ；

式中： l——活塞行程（mm）；

—活塞行程的线段长度（mm）；

k2——单位长度代表的压力 (at/mm);

式中： p ——工作时的表压力(at);

—表压力在纵坐标图上对应的高度(mm);

指示功率：单位时间内活塞对气体所作的功，记为ni。用下式表示：

ni=li×n/102×60 (kw5-3）

式中：n ——转速(转/分)

6.平均多变压缩指数。

压气机的实际压缩过程介于定温压缩与定熵压缩之间，过程指数在压缩过程中不断变化，根据压气机的理论轴功和气体压缩功的关系，可以求得平均的多变指数，记为n0。

在ｐ—ｖ示功图上：即为压缩过程线与纵坐标围成的面积同压缩过程线与横坐标围成的面积之比。即：

7. 容积效率（）

根据热力学定义5-6）

在ｐ—ｖ示功图上：即为有效吸气线段长度与活塞行程线段长度之比。即：

四、实验步骤。

1. 接通所有测试仪器设备的电源。

2. 把采集、处理数据的软件调入计算机。

3. 启动压气机，调好排气量，待压气机工作稳定后，计算机开始采集数据，经过计算机处理，得到了展开的和封闭的始功图。

4. 用测面仪测量封闭示功图的面积。

5. 分别测量压缩过程线与横坐标及纵坐标包围的面积。

6. 用尺子量出有效吸气线段的长度和活塞行程线段的长度。

五、实验报告要求。

1. 简述实验目的与原理。

2．记录计算机采集各种数据的理论值，填入在表5-1中。

2. 根据示功图，得到示功图上的三个面积值及压力pd值。

3. 计算指示功、指示功率、平均多变压缩指数、容积效率等实际值（要求计算过程）。

六、思考题。

1. 为什么压缩过程的多变指数与膨胀过程的多变指数不相等？对于同一个过程（压缩或膨胀过程）的不同区段，为什么多变指数也不一样？

2. 当压气机工作时，其压缩指数变化范围是多少？在什么情况下，压气机耗功最省？

3．分析压气机工作压力的改变将对容积效率有何影响。

表5-1压缩机性能实验记录。

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