往复活塞式压缩机的实际工作循环

分析活塞式压缩机工作过程的目的在于研究其主要工作参数，如排气量、功率、压力、温度之间的关系，从而解决排气量、功率和温度的计算问题。

进行压缩机热力计算的任务是根据要求的排气量和工作压力来确定所需的功率、气缸直径、行程和转速等，或是对已有压缩机进行改造，确定其所能达到的排气量和消耗的功率。

压缩机的实际工作循环

实际压缩机中，为避免活塞与缸盖相撞，以及考虑气阀结构、气阀安装的需要，在气缸端部都留有一定的空隙，称为余隙容积。此外，在压缩机吸气、排气过程中有阻力损失，这些因素都使实际工况比理论工况复杂。

图1表示压缩机一个单作用级气缸的实际工作循环。由于存在余隙容积，排气终了时缸内还有气体残留在余隙内，当活塞自外止点右行时，缸内工作容积增大，残留气体的容积随之增大而压力降低，这个过程为膨胀过程，膨胀线为cd。由于气阀主要依靠缸内外气体压力差控制启闭，只有当缸内气体膨胀到压力低于吸气管内压力p1并且两压力差足以克服气阀自身的流动阻力时，才能顶开吸气阀，开始吸气过程。在吸气过程中缸内压力有波动，活塞到内止点a时吸气终了，吸气阀关闭。活塞自内止点回行时，缸内容积减小，气体进行压缩过程，压缩线为ab。当缸内压力p高于排气管内压力p2并足以克服阻力而顶开排气阀时，才开始排气过程，当活塞回到外止点时，排气过程终了，完成一个工作循环。

图1 活塞式压缩机工作原理示意图

在p-V图上表示的实际循环称为实际指示图。利用示功仪器可实测出压缩机的指示图，指示图上a一b—c—d—a所包围的面积代表压缩机每个实际工作循环所需的指示功。

压缩机工作时，缸内气体的温度在不断变化，图2所示为某压缩机Ⅱ级缸的膨胀和压缩过程温—熵图。由于气体的热力性质，一般在压缩终了时温度最高，膨胀终了时温度最低，气缸壁面温度则由于热惰性及缸外冷却而保持基本稳定，大约处于吸气、排气温度的平均值。因此，如图2所示，在膨胀开始阶段，缸内残留气体的温度高于缸壁温度，气体把热量传给缸壁，这个阶段是放热膨胀，膨胀过程指数m'>k；随着膨胀过程的进行，气体温度逐渐降低，到了后期，气体温度低于缸壁温度，气体从缸壁吸热，成为吸热膨胀 m'<k。一般情况下吸热膨胀部分是主要的，如图2中cd所示。压缩过程则相反，开始阶段是吸热压缩，压缩过程指数m>k；到后期则成为放热压缩m<k。一般放热压缩部分是主要的，如图2中ab所示。

图2 压缩机实际循环温—熵图

实际循环与理论循环的区别是：

（1）由于存在余隙容积，实际工作循环由膨胀、吸气、压缩和排气四个过程组成，而理论工作循环无膨胀过程，这就使得实际吸气量比理论值少。

（2）实际吸、排气过程存在阻力损失，使气缸内的实际吸气压力低于吸气管内压力p1，而实际排气压力高于排气管内的压力p2。吸、排气管内的压力取决于外界系统压力，与缸内过程无关，此压力是在压缩机标准吸、排气位置上测得的压力，称为标准吸、排气压力，也称为名气压力。而气缸气体的瞬时工作压力p是周期性变化的。

（3）压缩机工作中，活塞环、填料和气阀等不可避免会有泄漏。

（4）在膨胀和压缩过程中，气体与缸壁间的热交换使膨胀过程指数 m'和压缩过程指数 m不断变化。为计算方便，工程上常把过程指数简化成常数。常用的方法有两种。

一种是等端点法。如图3所示，保持指示图上各端点的位置不变，用假想的m等于常数的过程线来代替实际过程线，这样得出的过程指数称等端点过程指数。这种方法是维持简化前后的端点位置不变，但指示图的面积略有减少，故适用于计算吸气量。

另一种是等功法。如图 3 所示，简化的原则是维持指示图的面积不变。假想从膨胀过程始点3（或压缩过程始点1）出发，作m等于常数的膨胀线（或压缩线）。此线代替实际的过程线而保持指示图的面积不变，这样过程指数称为当量过程指数，过程线称为当量过程线，因它保持指示图面积不变，常用来计算指示功。

图3 过程指数简化图