压气机性能实验报告

热工基础与应用--综合实验报告

天津市高等教育自学考试 模具设计与制造专业

热 工 基 础 与 应 用

综合实验报告

（一）压气机性能实验

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热工基础与应用--综合实验报告 一、活塞式压气机概述

1.活塞式压气机结构及工作原理 （1）活塞式压气机结构

压气机在现代工业以及现代人的生活中被越来越多的广泛应用，不论是汽车上的涡轮增压系统还是航空航天发动机中的涡喷应用，随着技术的不断革新，其结构、性能也在不断的优化、提高。本实验旨在通过对简单形式的压气机，进行结构、工作原理以及性能的实验，以达到验证并深刻理解、掌握热工学课程中所学得的知识并应用于实际生产实践中。

本次实验所用压气机为“活塞式压气机”，现就其结构及特点作简要说明。 活塞式压气机是通用的机械设备之一，是一种将机械能转化为气体势能的机械。

图1.1 活塞式压气机机构简图

图1-2 三维仿真示意图

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（2）活塞式压气机工作原理：

电机通过皮带带动曲柄转动，由连杆推动活塞作往复移动，压缩汽缸内的空气达到需要的压力。曲柄旋转一周，活塞往复移动一次，压气机的工作过程分为吸气、压缩、排气三步。

具体为：在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa ，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。

这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。特别的是，单级活塞式空压机，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 压力范围的系统。压力超过 0 . 6MPa ，各项性能指标将急剧下降。故当输出压力较高时，应采取分级压缩。分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。

活塞式空压机有多种结构形式。按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。按压缩级数可分为单级式、双级式和多级式三种。按设置方式可分为移动式和固定式两种。按控制方式可分为卸荷式和压力开关式两种。其中，卸荷式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机不停止运转而通过打开安全阀进行不压缩运转。这种空转状态称为卸荷运转。而压力开关式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时，空压机自动停止运转。

二、实验内容

1.实验目的

（1）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。

（2）掌握指示功、压缩指数和容积效率的基本测试方法。 （3）对使用电脑采集、处理数据的全过程和方法有所了解。

2.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， 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

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图2-1 压气机实验装置及测试系统

图2-2 实验设备

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。

图2-3 封闭的示功图 图2-4 展开的示功图

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热工基础与应用--综合实验报告 根据动力学公式，活塞位移量x与曲柄转角a有如下关系：

xR(1cosa)4(1cos2a)

式中：λ=R/L

R——曲柄半径； H——连杆长度； a——曲柄转角。

3.实验原理

（1）活塞式压气机的详细工作原理如前所述，现详细分析其工作过程 1）单级压气机理论工作过程（图2-5） 其中：①4－1过程为，气体引入气缸

②1－2过程为，气体在气缸内进行压缩 ③2－3过程为，气体流出气缸，输向储气筒

特别注意的是，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。

图2-5 活塞式压气机工作P-V曲线图 2）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。(图2-6)

①1-2过程为压缩过程

②2-3过程为 排气，状态未变 ③3-4过程为残留气体膨胀 ④4-1过程为进新气，状态未变

图2-6

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热工基础与应用--综合实验报告 <2>VC对耗功和产气量的影响: (图2-7)

VVV 活塞排量 h14VVV 有效吸气容积 C14pVmRT 1C1m：新气量，产气量

图2-7

<3>余隙容积VC对理论压气功的影响(图2-8) 功的绝对值＝面积12341＝面积12561－面积435 设1-2和4-3两过程n相同

n-1n-1pnpnnn2 Wpv1-pV1-2tn-111p14n-1p11pp

23pVmRT 1111pp 14 图2-8

<4>余隙对单位产气量耗功不影响(图2-9)

n-1n-1pnpnnn WpV1-2pV1-2tn-114p1Cn-1p11n-1pnWnt WRT1-2tmn-11p1

图2-9

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热工基础与应用--综合实验报告 <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

Vp2余隙比： 增压比:π28 VVp131VVVe14 VVVVh13结论：

V31VV131pn21 p1①压力比p2/p1和多变指数n 一定时，余隙容积越大，容积效率越低； ②余隙容积和多变指数n一定时，压力比p2/p1越大，容积效率越低； ③压力比p2/p1达到一定值时，容积效率为零，产气量为零；

故，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）。

3） 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４＇１２＇３＇４＇：

2vdpWW c f1＇2vdp2＜1vdp 1＂2排气压力２增至2＇，则排气温度应增至Ｔ再提高排气压力至达＇，２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℃。

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热工基础与应用--综合实验报告 4） 压气机耗功公示的推导过程； 吸气过程中气缸吸入压力为 p1的气体，气体的质量qm和容积V 不断增加， 而气体的状态(p1 ,

v1)不变，相当于气体定压膨胀，该过程中系统作正功 p1v1；

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：

2pdv2pdVWq11m负功 p2v2。

压气机所消耗的功为上述三项功的代数和。即

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

2pdvpVWWpVq1c11m22t

压气机耗功为负的技术功。

压缩1kg气体，压气机耗功为：

2vdpw1 c（2） 压气机的热力学分析；

1） 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：

a.等熵压缩：特别快，来不及换热n=k； b.多变压缩：实际压气过程12) 三种理想压缩过程的耗功量；

n-1pnn WWRT1-2tntn-11p1

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热工基础与应用--综合实验报告 k-1pkk WRT1-2tsk-11p1pWRTln1 tT1p2wtsww,TTTT

tntT12T2n2Sv2Tv2nvqqq0

2s，Tns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：

1Pqw

60mt3)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：p2pp 13p1

最佳压力比为：p3Ｚ级压缩、级间冷却相同时，每级压力比相同。即： 最佳压力比为：

Z

pz1p1

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热工基础与应用--综合实验报告 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。 q0revqds0s定值 dsrevT过程方程可由下式导出

dscdvdpc0 pvVpdvdp0 vplnvlnpconst lnpvconst pvconst

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：

-5

Li=S×K1×K2×10 (kgf-m) （5-2） 式中：

2

S ——由测面仪测定的面积值 （mm）;

3

K1——单位长度代表的容积 (mm/mm) ；

k1LD24gb

式中： L——活塞行程（mm）；

gb——活塞行程的线段长度（mm）；

K2——单位长度代表的压力 (at/mm);

k

2pd1fe

式中： p ——工作时的表压力(at);

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热工基础与应用--综合实验报告 fe——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 (KW)

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。

2vdp1 n0

2pdv1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：

n0由cdefc围成的面积

由cdabc围成的面积7) 容积效率（c）

根据热力学定义： c有效吸气容积

工作容积在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：

c

hb gb

4、实验步骤

1. 检查各实验仪器连线是否接好，所有压气机相关气路接口是否紧固，接通所有测试仪器设备的电源。

2. 打开计算机把采集、处理数据的软件调入计算机。

3. 启动压气机，调整排气量至合适，待压气机工作稳定后，计算机开始采集数据，经过计算机

处理运算，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hb的长度和活塞行程线段gb的长度。 7.调节调节阀7，改变排气压力P，并重复以上2~3实验步骤

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热工基础与应用--综合实验报告 5.实验数据

压缩机性能实验记录

大气压力--bar 室温--℃ 2 输入 电功率 3 电动机效率 4 湿度--％ 5 示 功 图 面 积 排气管内径--cm 6 压 气 机 转 速 7 活 塞 排 量 项 目 1 储气罐压力 压气机生产量 吸气状态生产量 符号 单位 ηg bar kW ％ P2 Ng V3 m3/min f n Vh cm2 r/min m3/min

三、实验讨论

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？

答：热力工程中常遇到理想气体定容变化、定压变化、定温变化、绝热变化（定熵）四个变化过程。 在上述四种典型热力过程的特征是，某一个状态参数保持不变（例如v=定值、p=定值等），或在过程中热力系与外界没有热量交换（绝热过程）。实际的过程往往是所有的参数都在变化，并且也不完全绝热。例如，活塞式压气机中气体被压缩，同时被冷却，因而压缩过程中气体的压力、比体积及温度都在变化，并且气体与外界有功量和热量的交换。

但在一般的实际过程中，气体的状态变化往往遵循一定的规律。此时，可通过实验，测定过程中一些状态点的p、v值而近似整理成：“PVn常数”的形式。这样的过程称为多变过程，式中指数n 叫作多变指数。

在某一多变过程中，n为一定值，但不同多变过程的n值各不相同。对复杂的实际过程，可把实际过程分作几段不同多变指数的多变过程来描述，但每一段中的n值保持不变。由此可见，多变过程是一些有规律的过程的总称。这些过程的特征是：在整个过程中，pv=定值，n为常数。多变过程中的多变指数n具有不同数值时，过程就表现出不同的特性。那么定压、定温、绝热和定容四种典型热

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热工基础与应用--综合实验报告 力过程，可视为多变过程的特例之一即： n=0：P=常数，定压过程；n=1：PV=常数，定温过程； n=k：PVx=常数，绝热过程；n=：V=常数，定容过程；

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？

答：当压气机工作时，其压缩指数在0.95~1.02之间变化或者在压缩范围内保持一定的恒定。采用定温压缩条件下，压气机耗功最省，因为从示功图上看，压缩过程可看做稳定流动过程，不是闭口系统，在p-v图上看吸气、压缩和排气过程和P轴围成的面积大小， 3.分析压气机工作压力的改变将对容积效率有何影响。

答：压气机进气压力降低（或升高），则活塞缸内被吸入的气体密度减小（或增大），而活塞缸容积没有变化，所以吸入气体的质量要减小（或增大），从而使压气机最后排出的气体质量也相应减小（或增大），从而影响容积效率。

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