1、天津市高等教育自學考試熱工基礎與應用-綜合實驗報告天津市高等教育自學考試模具設計與制造專業熱 工 基 礎 與 應 用綜合實驗報告（一）壓氣機性能實驗主考院校: 專業名稱： 專業代碼： 學生姓名： 準考證號： 1、 活塞式壓氣機概述1. 活塞式壓氣機結構及工作原理（1）活塞式壓氣機結構 壓氣機在現代工業以及現代人的生活中被越來越多的廣泛應用，不論是汽車上的渦輪增壓系統還是航空航天發動機中的渦噴應用，隨著技術的不斷革新，其結構、性能也在不斷的優化、提高。本實驗旨在通過對簡單形式的壓氣機，進行結構、工作原理以及性能的實驗，以達到驗證并深刻理解、掌握熱工學課程中所學得的知識并應用于實際生產實踐中。 本

2、次實驗所用壓氣機為“活塞式壓氣機”，現就其結構及特點作簡要說明。 活塞式壓氣機是通用的機械設備之一，是一種將機械能轉化為氣體勢能的機械。圖1.1 活塞式壓氣機機構簡圖 圖1-2 三維仿真示意圖 （2）活塞式壓氣機工作原理：電機通過皮帶帶動曲柄轉動，由連桿推動活塞作往復移動，壓縮汽缸內的空氣達到需要的壓力。曲柄旋轉一周，活塞往復移動一次，壓氣機的工作過程分為吸氣、壓縮、排氣三步。具體為：在氣缸內作往復運動的活塞向右移動時，氣缸內活塞左腔的壓力低于大氣壓力pa ，吸氣閥開啟，外界空氣吸入缸內，這個過程稱為壓縮過程。當缸內壓力高于輸出空氣管道內壓力p后，排氣閥打開。壓縮空氣送至輸氣管內，這個過程稱為

3、排氣過程。這種結構的壓縮機在排氣過程結束時總有剩余容積存在。在下一次吸氣時，剩余容積內的壓縮空氣會膨脹，從而減少了吸人的空氣量，降低了效率，增加了壓縮功。且由于剩余容積的存在，當壓縮比增大時，溫度急劇升高。特別的是，單級活塞式空壓機，常用于需要 0 . 3 0 . 7MPa 壓力范圍的系統。壓力超過 0 . 6MPa ，各項性能指標將急劇下降。故當輸出壓力較高時，應采取分級壓縮。分級壓縮可降低排氣溫度，節省壓縮功，提高容積效率，增加壓縮氣體排氣量。活塞式空壓機有多種結構形式。按氣缸的配置方式分有立式、臥式、角度式、對稱平衡式和對置式幾種。按壓縮級數可分為單級式、雙級式和多級式三種。按設置方式可

4、分為移動式和固定式兩種。按控制方式可分為卸荷式和壓力開關式兩種。其中，卸荷式控制方式是指當貯氣罐內的壓力達到調定值時，空壓機不停止運轉而通過打開安全閥進行不壓縮運轉。這種空轉狀態稱為卸荷運轉。而壓力開關式控制方式是指當貯氣罐內的壓力達到調定值時，空壓機自動停止運轉。2、 實驗內容1. 實驗目的（1） 壓氣機的壓縮指數和容積效率等都是衡量其性能先進與否的重要參數。本實驗是利用微機對壓氣機的有關性能參數進行實時動態采集，經計算處理、得到展開的和封閉的示功圖。從而獲得壓氣機的平均壓縮指數、容積效率、指示功、指示功率等性能參數。（2） 掌握指示功、壓縮指數和容積效率的基本測試方法。（3） 對使用電腦采

5、集、處理數據的全過程和方法有所了解。 2.實驗裝置及測量系統 本實驗儀器裝置主要由：壓氣機、電動機及測試系統所組成。測試系統包括：壓力傳感器、動態應變儀、放大器、計算機及打印機， 壓氣機型號：Z0.03/7汽缸直徑：D=50mm 活塞行程: L=20mm 連桿長度：H=70mm， 轉速：n=1400轉/分 圖2-1 壓氣機實驗裝置及測試系統 圖2-2 實驗設備為了獲得反映壓氣機性能的示功圖，在壓氣機的汽缸頭上安裝了一個應變式壓力傳感器，供實驗時汽缸內輸出的瞬態壓力信號。該信號經橋式整流后，送至動態應變儀放大。對應著活塞上止點的位置，在飛輪外側粘貼著一塊磁條，從電磁傳感器上取得活塞上止點的脈沖信

6、號，作為控制采集壓力的起止信號，以達到壓力和曲柄傳角信號的同步。這二路信號經放大器分別放大后，送入A/D板轉換為數值量，然后送至計算機，經計算處理便得到了壓氣機工作過程中的有關數據及展開的示功圖和封閉的示功圖。 圖2-3 封閉的示功圖 圖2-4 展開的示功圖根據動力學公式，活塞位移量x與曲柄轉角a有如下關系： 式中：=R/L R曲柄半徑； H連桿長度； a曲柄轉角。3. 實驗原理（1）活塞式壓氣機的詳細工作原理如前所述，現詳細分析其工作過程  1）單級壓氣機理論工作過程（圖2-5）  其中：41過程為，氣體引入氣缸  12過程為，氣體在氣缸內進行壓縮 

7、23過程為，氣體流出氣缸，輸向儲氣筒  特別注意的是，4-1和2-3過程不是熱力過程，只是氣體的移動過程，氣體狀態不發生變化，缸內氣體的數量發生變化。 圖2-5 活塞式壓氣機工作P-V曲線圖 2）存在余隙容積的理論工作工程； <1>活塞式壓氣機的余隙：為了安置進、排氣閥以及避免活塞與汽缸端蓋間的碰撞，在汽缸端蓋與活塞行程終點間留有一定的余隙，稱為余隙容積，簡稱余隙。(圖2-6)1-2過程為壓縮過程2-3過程為 排氣，狀態未變3-4過程為殘留氣體膨脹4-1過程為進新氣，狀態未變 圖2-6 <2>對耗功和產氣量的影響: (圖2-7) 活塞排量 有效吸氣容積 m：新

8、氣量，產氣量 圖2-7<3>余隙容積對理論壓氣功的影響(圖2-8)功的絕對值面積12341面積12561面積43564設1-2和4-3兩過程n相同 圖2-8<4>余隙對單位產氣量耗功不影響(圖2-9) 圖2-9<5>容積效率在實際循環中，余隙容積使實際吸氣量（產氣量）減少，氣缸的有效利用率降低，用容積效率表示氣缸容積的利用程度。容積效率=實際吸氣量/ 理論吸氣量余隙比： 增壓比: 結論：壓力比/和多變指數n 一定時，余隙容積越大，容積效率越低；余隙容積和多變指數n一定時，壓力比/越大，容積效率越低；壓力比/達到一定值時，容積效率為零，產氣量為零；故，余隙容積

9、對生產1 kg壓縮氣體的理論耗功量沒有影響，但實際耗功量增加；而且壓氣機的無用體積增加，設計時應盡量減小余隙容積。余隙容積VC的存在：理論耗功不變，容積效率下降（壓縮同量氣體氣缸變大）。3） 調節排氣壓力對壓氣機產生的影響；1提高壓力至，a由PV圖中浮動面積41234提高至： 排氣壓力增至，則排氣溫度應增至，再提高排氣壓力至達到加氣機的極限值，成為一個點，沒有2。結論：排氣溫度高于潤滑油的結碳溫度時壓氣機會被燒毀，所以排氣溫度不得超過150。4） 壓氣機耗功公示的推導過程；吸氣過程中氣缸吸入壓力為 的氣體，氣體的質量和容積V 不斷增加， 而氣體的狀態( , )不變，相當于氣體定壓膨脹，該過程中

10、系統作正功 ；壓縮過程中氣體的量不變，而氣體的壓力不斷增加，該過程中外界對系統作壓縮功（負功）為：排氣過程中氣體的質量不斷減少，氣體的狀態不變，相當于氣體被定壓壓縮，因此該過程系統作負功 。壓氣機所消耗的功為上述三項功的代數和。即壓氣機耗功為負的技術功。壓縮1kg氣體，壓氣機耗功為：（2） 壓氣機的熱力學分析；1） 三種理想壓縮過程的熱力學參數：壓氣機簡化物理模型為：穩流、可逆根據其工作條件不同，可能存在 3 種壓縮過程：a.等熵壓縮：特別快，來不及換熱n=k；b.多變壓縮：實際壓氣過程1<n<k； c.等溫壓縮：特別慢，熱全散走n=1。2) 三種理想壓縮過程的耗功量；定溫壓縮過程

11、最理想（省功、安全、體積?。?。應采用良好的冷卻措施，使過程盡量接近于定溫過程。在Ts圖上，不同過程線以下的面積代表壓縮過程中單位質量工質的放熱量：設壓氣機的質量流量為qm kgmin，其耗功率為：3)多級壓縮及級間冷卻（壓比較高時采用）多級壓縮是把氣體的壓縮過程分為多個階段，分別在多個氣缸中依次壓縮，每兩個氣缸之間有級間冷卻器對氣體進行冷卻（兩級或兩級以上稱為多級）。采用多級壓縮及級間冷卻的優點：壓氣機耗功減少（在總壓比一定的條件下，級數越多，級間冷卻越充分，功耗越少；理論上，級數，過程等溫過程）；排氣溫度低（熱負荷小，有利于潤滑）；容積效率高（每級壓比較?。?。缺點：結構復雜，造價高，運行可靠

12、性降低（分級不宜太多）最佳級間壓力和壓力比確定原則：功耗最小原則以兩級壓縮為例，可推得最佳級間壓力為：最佳壓力比為：級壓縮、級間冷卻相同時，每級壓力比相同。即：最佳壓力比為：選擇最佳壓力比的其它好處：各級壓縮功耗相同(動力具有通用性和互換性)；各級氣缸排溫相同；各級間冷卻熱負荷相同。4)絕熱過程可逆絕熱過程是定熵過程，但在熱力學第二定律中，定熵過程未必就是可逆絕熱過程。過程方程可由下式導出可逆絕熱過程方程為指數方程。5)指示功和指示功率指示功：活塞壓氣機進行一個工作過程，活塞對氣體所作的功，記為Li。顯然功量就是PV圖上工作過程線所包圍的面積。其縱坐標是以線段長度表示的壓力值，而橫坐標則表示活

13、塞的位移量，經測面儀測量和計算才能得到功的數值，即： Li=S×K1×K2×10-5 (kgf-m) （5-2）式中：S 由測面儀測定的面積值 （mm2）;K1單位長度代表的容積 (mm3/mm) ； 式中： L活塞行程（mm）；活塞行程的線段長度（mm）；K2單位長度代表的壓力 (at/mm); 式中： p 工作時的表壓力(at);表壓力在縱坐標圖上對應的高度(mm);指示功率：單位時間內活塞對氣體所作的功，記為Ni。用下式表示：Ni=Li×n/102×60 (KW) 式中：n 轉速(轉/分)6)平均多變壓縮指數壓氣機的實際壓縮過程介于定溫壓

14、縮與定熵壓縮之間，過程指數在壓縮過程中不斷變化，根據壓氣機的理論軸功和氣體壓縮功的關系，可以求得平均的多變指數，記為n0。 在示功圖上：即為壓縮過程線與縱坐標圍成的面積同壓縮過程線與橫坐標圍成的面積之比。即： 7) 容積效率（）根據熱力學定義： 在示功圖上：即為有效吸氣線段長度與活塞行程線段長度之比。即： 4、實驗步驟1. 檢查各實驗儀器連線是否接好，所有壓氣機相關氣路接口是否緊固，接通所有測試儀器設備的電源。2. 打開計算機把采集、處理數據的軟件調入計算機。3. 啟動壓氣機，調整排氣量至合適，待壓氣機工作穩定后，計算機開始采集數據，經過計算機處理運算，得到了展開的和封閉的始功圖。4. 用測面

15、儀測量封閉示功圖的面積。5. 分別測量壓縮過程線與橫坐標及縱坐標包圍的面積。6. 用尺子量出有效吸氣線段的長度和活塞行程線段的長度。7.調節調節閥7，改變排氣壓力P，并重復以上23實驗步驟 5.實驗數據 壓縮機性能實驗記錄 大氣壓力-bar室溫-濕度-排氣管內徑-cm1234567項目儲氣罐壓力輸入電功率電動機效率壓氣機生產量示功圖面積壓氣機轉速活塞排量吸氣狀態生產量符號P2NggV3fnVh單位barkWm3/mincm2r/minm3/min 三、實驗討論1. 為什么壓縮過程的多變指數與膨脹過程的多變指數不相等？對于同一個過程（壓縮或膨脹過程）的不同區段，為什么多變指數也不一樣？ 答：熱力

16、工程中常遇到理想氣體定容變化、定壓變化、定溫變化、絕熱變化（定熵）四個變化過程。 在上述四種典型熱力過程的特征是，某一個狀態參數保持不變（例如v=定值、p=定值等），或在過程中熱力系與外界沒有熱量交換（絕熱過程）。實際的過程往往是所有的參數都在變化，并且也不完全絕熱。例如，活塞式壓氣機中氣體被壓縮，同時被冷卻，因而壓縮過程中氣體的壓力、比體積及溫度都在變化，并且氣體與外界有功量和熱量的交換。 但在一般的實際過程中，氣體的狀態變化往往遵循一定的規律。此時，可通過實驗，測定過程中一些狀態點的p、v值而近似整理成：“”的形式。這樣的過程稱為多變過程，式中指數n 叫作多變指數。 在某一多變過程中，n為一定值，但不同多變過程的n值各不相同。對復雜的實際過程，可把實際過程分作幾段不同多變指數的多變過程來描述，但每一段中的n值保持不變。由此可見，多變過程是一些有規律的過程的總稱。這些過程的特征是：在整個過程中，pv=定值，n為常數。多變過程中的多變指數n具有不同數值時，過程就表現出不同的特性。那么定壓、定溫、絕熱和定容四種典型熱力過程，可視為多變過程的特例之一即： n=0：P=常數，定壓過程；n=1：PV=常數，定溫過程； n=k：PVx=常數，絕熱過程；n=：V=常數，定容過程；2.當壓氣機工作時，其壓縮指數變化范圍是多少？在什么情況下，壓氣