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）压气机性能实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：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（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 展开的示功图根据动力学公式，活塞位移量x 与曲柄转角a 有如下关系：-=1(R x )2cos 1(4)cos a a -+λ式中：λ=R/LR ——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<2>C V 对耗功和产气量的影响: (图2-7)41h V V V -= 活塞排量 41V V C V -= 有效吸气容积 1m 1p RT C V = m ：新气量，产气量图2-7<3>余隙容积C V 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43564设1-2和4-3两过程n 相同⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n 1-n 1p 2p -141p 1-n n n 1-n 1p 2p -11v 1p 1-n n t V W 3p 2p = 11m 11p RT V = 4p 1p = 图2-8<4>余隙对单位产气量耗功不影响(图2-9)⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n 1-n 1p 2p -11p 1-n n n 1-n 1p 2p -141p 1-n n t C V V W ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==n 1-n 1p 2p -111-n n m t t RT W W图2-9<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：312V V V - 增压比:81p 2p ≤=π ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--==111231313141n p p V V V V V V V h V e V V η 结论： ①压力比2p /1p 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2p /1p 越大，容积效率越低；③压力比2p /1p 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＇：⎰=-=21vdp f W c W ⎰⎰＇＜21vdp 21vdp 排气压力２增至＇2，则排气温度应增至＇２Ｔ，再提高排气压力至＂2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℃。

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 1p 的气体，气体的质量m q 和容积V 不断增加， 而气体的状态(1p , 1v )不变，相当于气体定压膨胀，该过程中系统作正功 11v p ；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：⎰⎰==2121pdV pdv mq W 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 22v p 。

压气机所消耗的功为上述三项功的代数和。

即 t W V p pdv m q V p c W ⎰-=--=212211压气机耗功为负的技术功。

压缩1kg 气体，压气机耗功为：⎰=21vdp cw （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1<n<k ；c.等温压缩：特别慢，热全散走n=1。

2) 三种理想压缩过程的耗功量；⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==n 1-n 1p 2p -111-n n t tn RT W W⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=k 1-k 1p 2p -111-k k ts RT W 2p 1p ln 1t RT T W = ST n T T T T T w n w s 2221,t t t w <<=>> 0sq n q q s 2v n 2v 2v =>><<T T ， 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：tw m q P ⋅=601 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：312p p p ⋅= 最佳压力比为：13p p =π Ｚ级压缩、级间冷却相同时，每级压力比相同。

即：最佳压力比为：Zp z p 11+=π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。

定值==⎪⎭⎪⎬⎫==s ds T rev q ds rev q 00δδ过程方程可由下式导出0=+=pdp V c v dv p c ds 0=+pdp v dv κ const ln ln =+p v κconst ln =κpvconst =κpv可逆绝热过程方程为指数方程。