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2024年3月14日发(作者：)
54
FLUIDmACHINEＲYNo．11，2014Vol.42，
文章编号
：1005－0329（2014）11－0054－05
分析法解析空气压缩能量过程
孙晓明
，
林子良
（
合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室
，
安徽合肥
230031）
摘要
：
用热力学第二定律
，
分析了空气被压缩和压缩空气做功的能量转换
；
说明了空气压缩机工作是压缩功置换为
（
有效能
）
的过程
，。
改变了空气能量的
“
质
”
；
A
；
输功效率
doi：10．3969/j．issn．1005－0329．2014．11．012TH45
文献标志码
：
空气压缩机组
；
压缩空气
；
压缩
；
压缩空气能量
关键词
：
中图分类号
：
AnalysistheEnergyProcessoftheAirBeingCompressedbytheMethodofExergy
SUNXiao-ming，LINZi-liang
（StateKeyLaboratoryonCompressorTechnology，HefeiGeneralMachineryＲesearchInstiute，Hefei230031，China）
Abstract：Withthesecondlawofthermodynamics，theenergytransformationintheprocessofairbeingcompressedandcom-
pressedairworkingwereanalyzed．Telltheairbeingcompressedisthatcompression-workreplacementforthecompressedairin
theexergy．Toimprovethequalityoftheairenergy．
Keywords：aircompressor；compressedair；compress；exergy；anergy；outputpowerefficiency
符
T———
空气的绝对温度
p———
空气的绝对压力
V———
空气的体积
h———
空气的比焓
s———
空气的比熵
e———
空气的比
Ｒ———
空气的气体常数
c
p
———
空气的定压比热容
k———
空气绝热指数
n———
空气的多方指数
w
c
———
压缩功
w
e
———
膨胀功
q———
空气与外界换热量
C———
常数
号
工作中
，
压缩空气动力能量转换及其效率受到人
们重视
。
压缩空气动力能量过程为
：
压缩机消耗电能
再由压缩空气驱动气动或机械能生产压缩空气
，
设备输出动能
。
现在压缩机
、
气动行业
，
普遍对空气压缩过程
能量转换存在一些错误认识
，
如
：
（1）
关于压缩机的效率的多种错误说法
。
；“
空压机所消耗如
：
压缩机的效率只有
10%
左右
的电能
，
仅有
19%
转化成压缩空气
，
剩下的
81%
［1］
转化为热能
”
。
（2）
压缩过程能量转换理论认识错误
。
空气
被压缩时
，
温度升高
，
压缩机组会产生大量的热
有人错误的认为
：
压缩功转换为热量散发了
；
量
，
：“
在等温压缩过程中
，
也有教科书说外功全部变
［2］
成热量传至外界
”
。
上述这些错误
，
都是单纯基于热力学第一定律
原理产生的粗略认识
，
认为
：
压缩空气能够做功
，
肯
定是空气在被压缩过程
，
能量增加了
，
获得了做功
能力
；
没有用热力学第二定律去分析
，
空气被压缩
，
1
引言
压缩空气是现代工业广泛使用的四大动力之
一
，
生产压缩空气过程
，
消耗大量能源
，
在其节能
收稿日期
：2014－08－21
修稿日期
：2014－10－16
2014
年第
42
卷第
11
期流体机械
55
改变了空气能量的质
，
使得压缩空气获得了有效
——，
能
—
才有了做功能力
，
并没有增加能量
。
本文以容积式压缩机工作模式进行分析
。
通
压缩过程能量的焓
、
熵
、、
过研究压缩空气做功
、
量的变化
，
解析压缩空气气动系统中机械能
（
压缩功
）
转换为空气焓
（
有效能
），
再生成机械
能的能量过程
，
及其能量转换的效率
。
2“
质
”———
压缩空气的能量的
、
程分为
：
空气压缩过程和冷却过程
。
下标过程状
态
：
环境空气状态用
0
表示
，
空气压缩终了状态用
x
表示
，
压缩机组出口压缩空气
（
冷却终了
）
状态
用
1
表示
。
一般动力用压缩空气物性接近理想气体
，
本
文在分析中将压缩空气作为理想气体
。
本文以容
积式压缩机为例分析
，
一般空气压缩过程
，
压缩空
［5］
气进出口动能
、
位能差均可忽略
。
空气压缩过程
，
机械能对空气做功
，
空气获得
能量
，
压力升高
，
向外界散发热量
，
如图
1。
压缩空气动力的过程属于热力学范畴
。
2．1
热力学定律
热力学第一定律
，
即能量守恒定律
，
人们广泛
熟悉
。
热力学第二定律
，
开尔文
－
普朗克对其表
“
不可能从单一热源取热
，
述为并使之完全变为
［3］
有用功而不引起其他变化
”
。
这段话揭示了能
“
质
”
量有的区别
。
［3，4］
：
“
质
”
区别的能量有
3
种
（1）
可无限转换的能量
。
它的
“
量
”
和
“
质
”
相统一
。
如
：
机械能
、
电能
、
技术功等
；
（2）
可有限转换的能量
。
如
：
热能
、
内能
、
焓
等能量
，
可部分转换为有用功
；
（3）
不可转换的能量
。
环境条件下
，
不可能
转换成有用功的能量
，
如环境的内能
、
焓等
。
［3］
流动的压缩空气能量用焓表示
，
为可有限
转换的能量
。
关于能量热
、
焓的质
，
热力学定义
：
“
当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境
理论上可以无限转换为任何其相平衡的状态时
，
；“
与此相应
，
称为
”
它能量形式的那部分能量
，
［3］
一切不能转换为的能量
，
称为
”
。
能够
做功
，
转换为机械能
，
通常称为有效能
。
不能转
图
1
空气压缩过程示意
压缩空气的能量焓计算公式为
：
h=c
p
T（
理想气体
c
p
为常数
）
（1）
空气压缩前后能量大小
因压缩机进口空气温度
T
0
等于出口压缩空
气温度
T
1
，
即
T
1
=T
0
，
则
：h
1
=h
0
，
即
：
压缩机组
进口空气的能量与出口压缩空气的能量相同
，
也
就是压缩机组工作过程没有给压缩空气增加
能量
。
空气压缩过程能量方程为
：w
c
+h
0
=q+h
1
，
则
：w
c
=q，
即
：
压缩机对空气所做压缩功与其向
外散发的热量相等
。
（2）
空气压缩前后能量的
“
质
”
根据热力学原理
，
环境中的空气没有
无做功能力
。
空气熵计算公式
：
s=c
P
lnT－Ｒlnp+C
空气压缩后熵增为
：
Δ
s
0－1
=s
1
－s
0
=Ｒln
p
0
p
1
［6］
，
变为有用功
，
也称为无效能
。
由热力学第二定律
，
可知压缩空气的能量焓
由
和
2．2
组成
：
焓
（H）=
“
质
”。
区别其能量
和
压缩空气能量
（E）+
4］
（A）
［3，
，
在压缩空气动力过程中
，
压缩空气经压缩机的
后冷
、
后处理净化
、
储气
、
传输等过程
，
供给到使用
点时
，
可以认为其温度降至与环境温度相等
，
即与
压缩机吸气温度相同
；
后冷却充分的水冷机型
，
也
可以将压缩机组排气温度降至与环境温度相等
。
本文设定
：
空气压缩机工作环境与用户环境
的温度
、
压力状态相同
，
压缩机组输出压缩空气温
度与进口空气的温度相等
。
将压缩机组的工作过
空气压缩后增为
：
Δ
e
0－1
=（h
1
－h
0
）－T
0
Δ
s
0－1
=ＲT
0
ln
p
1
p
1
=p
0
v
0
ln
p
0
p
0
式中
，
Δ
s
0－1
值小于零
，
即熵减少
。
Δ
e
0－1
值大
说明压缩空气具有了
。
因此可看出
，
空气于零
，
压缩后
，
能量
（
焓
）
没有增加
，
能量中的从无到
56
FLUIDmACHINEＲY
量又全部变成
是
中的
No．11，2014Vol.42，
。
过程中从环境吸收的热量全部
有
，
能量的
“
质
”
发生了变化
，
压缩空气具有了有
——，
值为
：
效能
—
e
1
=p
0
v
0
ln
p
1
p
0
，
由热力学原理可知这部分能量是不能转换
转换为机械功
，
不是从环境吸收的热量转
等温膨胀过程是理想的做功过程
，
百分之
做出机械功的
。
因此
，
压缩空气做功是其能量焓
换做出机械功
。
3
压缩空气做功能力
压缩空气作为动力用
，
其具有多少做功能力
是大家所关注的
。
下面分析压缩空气膨胀时的做
功能力
。
本文设定膨胀过程状态下标
：
环境状态表示
为
0，
压缩空气状态表示为
1，
膨胀做功结束状态
表示为
2。
膨胀过程
，
压缩空气消耗自身能量
，
向外做机
械功
，
压力降低
，
从环境吸热
，
如图
2。
百转换成膨胀功
。
（2）
绝热膨胀过程
为等熵绝热过程压缩空气与外界没有热交换
，
过程
，
压缩空气膨胀做功
，
温度降低
，
参数关系为
：
T
1
=T
0
p
2
=p
0
T
2
p
2
k
=T
1
p
1
k
s
2
=s
1
绝热膨胀过程是等熵过程
，
熵增为零
，
Δ
s
1－2
=0。
值变化
：
Δ
e
1－2
=（h
2
－h
1
）－T
0
Δ
s
1－2
=h
2
－h
1
=ＲT
0
1－k1－k
图
2
空气膨胀过程示意
=p
0
v
0
绝热膨胀功为
（1）
等温膨胀过程
压缩空气等温膨胀做功
，
从环境等温过程中
，
等温吸收热量
。
T=T
0
，p=p
0
，
等温膨胀过程中
，
即
：h=
h
0
=h
1
=h
2
。
能量关系为
：
h
1
=h－w
e
+q
压缩空气等温膨胀值变化
：
Δ
e
1－2
=（h
2
－h
1
）－T
0
Δ
s
1－2
p
2
=ＲT
0
ln
p
1
=－ＲT
0
ln
p
1
p
0
[
kp
（
k－1
[
p
）
1
0
kp
1
（
k－1
p
0
）
1－k
k
1－k
k
]
－1
]
－1
－1）
［2］
：
1－k
k
w
e
=p
0
v
0
p
1
k
（（）
k－1p
0
w
e
=
Δ
e
1－2
h
2
=h
1
－w
e
由此可以看出
，
膨胀功等于
耗自身的能量
，
消耗的是焓中
。
值减少
。
压缩
空气膨胀过程
，
自身能量降低了
，
其对外做功是消
绝热膨胀过程
，
空气温度降至低于环境
，
气动
将空气排出
，
膨胀后的冷空气带设备在膨胀结束
，
走了剩余在其能量中的
能量称为冷量
做功
，
均伴随
），
产生了
（
绝热膨胀结束的空
损失
。
减少值
，
说明压
为零
，
全部是
能
若吸收环境热
，
依然可以对外做功
，
这种做功气
，
从上述
2
个过程均可以看出
，
压缩空气对外
值减少
，
且等于
缩空气做功是其能量中的在做功
。
环境中的空
等温膨胀过程
，
压缩空气对外所做膨胀功为
：
p
1
w
e
=p
0
v
0
ln
p
0
w
e
=
Δ
e
1－2
等温膨胀过程中
，
压缩空气温度始终与环境
相等
，
能量焓值不变
，
其在向外做功时
，
从外界吸
收与所做功等量的热
，
单元的空气由压缩状态回
到原始环境状态
（
未压缩前
）；
压缩空气减少
，
增加
，
在膨胀做功终了
，
减少至零
，
空气中能
气没有做功能力
，
因其能量焓中
；
压缩空气具有做功能力
，
是其焓中具有的
够做功
。
空气压缩后
，
能够做功
，
是因为空气被压
“
质
”
缩后能量的改变产生能力
。
2014
年第
42
卷第
11
期流体机械
57
值减少
。
4
空气压缩过程能量转换
空气熵的变化
：
Δ
s
0－x
=s
x
－s
0
=0
Δ
s
1－0
=s
1
－s
0
=Ｒln
p
0
p
1
空气被压缩过程
，
机械对空气做功
，
使空气得
到了做功能力
。
下面对几种典型的压缩过程能量
转换过程进行分析
。
（1）
等温压缩过程
等温压缩是理想过程
，
在过程中
，
空气充分与
外界热交换
，
温度不变
，
即
：
T=T
0
等温压缩功
［2］
绝热压缩是等熵过程
，
熵不变
，
后冷却时
，
熵
减少
。
空气变化
：
Δ
e
x－0
=（h
x
－h
0
）－q=h
x
－h
0
=ＲT
0
=p
0
v
0
：
p
w
c
=p
0
v
0
ln
p
0
空气焓值变化
：
Δ
h=h－h
0
=c
p
T－c
p
T
0
=0
焓值不变
，
即空气的能量大小不变
。
空气熵的变化
：
p
0
Δ
s=Ｒln
p
熵增Δ
s
为负值
，
熵减少
。
空气能量中的变化
：
Δ
e=（h－h
0
）－T
0
Δ
s=ＲT
0
ln
由上式可知是增加的
。
pp
=p
0
v
0
ln
p
0
p
0
[
kp
（
[
k－1
p
）
1
0
kp
1
（
k－1
p
0
）
k－1
k
k－1
k
]
－1
]
－1
p
p
0
Δ
e
1－0
=（h
1
－h
0
）－T
0
Δ
s
1－0
=ＲT
0
ln
=p
0
v
0
ln
p
p
0
空气压缩过程
，
增加
；
压缩空气冷却过程
，
向外散发热量
，
减少
；
冷却终了
，
值降至与等
温压缩过程相同
。
绝热压缩过程能量没有损失
，
压缩功全部变
使得空气能量焓值增加
；
压缩空气焓为空气的焓
，
增等于增
，
即压缩功全部转换为压缩空气中的
。
后冷却过程
，
空气向外散发热量
，
散发的热量
等于压缩过程增加的能量
，
即等于压缩功
，
压缩空
气焓值下降
；
散发的热量
，
一部分是
是
，
另一部分
值相等
。
。
冷却终了
，
此时压缩空气的焓值与压缩前
（3）
多方压缩过程
压缩机实际工作的压缩过程是有散热的多方
过程
，
介于绝热与等温压缩之间
。
多方压缩过程
，
压缩空气值增加
，
焓值增
加
。
空气被压缩时
，
温度升高
，
通过机体向外散热
（
或者同时向内冷冷却液散热
）；
压缩空气后冷过
程
，
压缩空气向外散发热量
。
后冷终了
，
温度将至
与环境温度相同
，
即
：
压缩空气焓值下降至与未被
压缩前相等
。
过程中
，
压缩功使得压缩空气
发热量中有
，
也有
值增加
，
所散
。
此过程
，
压缩功大小介于
等温压缩过程
，
增等于压缩功
。
过程中
，
空
气是等温向外散发热量
，
由卡诺定理
（w
≤
Q（1－
T
2
/T
1
）），
可以看出这个热量做功能力是零
，
全部
是
。
因此得到
：
在等温压缩过程
，
压缩功向空气
中注入
没有
，
且百分之百转换成
，
替换了空气中的
，。
等温压缩
，
全部用于改变空气能量的
“
质
”
损失
，
效率最高
，
是理想过程
。
（2）
绝热压缩过程
相等
，
值与等温压缩终了压缩空气的
是等熵过程
，
压缩过绝热压缩也是理想过程
，
程中
，
空气与外界没有热传递
，
温度升高
，
后冷却
后
，
压缩空气温度降至与环境温度相等
。
即
：
T
x
p
x
1－k
k
=T
0
p
0
k
1－k
T
x
＞T
0
T
1
=T
0
p
x
=p
1
空气焓值变化
：
Δ
h
0－x
=h
x
－h
0
=p
0
v
0
kp
x
（
k－1
p
0
）
[
k－1
k
－1
]
绝热压缩过程与等温压缩之间
，
散热量较绝热过
较等温过程大
，
散热越充分
，
压缩功越接近程小
，
等温压缩功
，
压缩机效率相对较高
。
压缩空气的焓
、
都是状态参数
，
与压缩过
程
、
方式无关
，
压缩机组出口的压缩空气压力等状
Δ
h
0－1
=h
1
－h
0
=0
压缩过程
，
空气的能量焓值增加
，
后冷却
，
焓
58
态确定
，
其的能量及其质
（
FLUIDmACHINEＲY
）
就是一定的
。
6
过
结语
等量置换
No．11，2014Vol.42，
空气压缩的过程
，
压缩机对空气做功
，
是将
注入空气的过程
。
等温压缩
，
是
压缩空气能量得到增程
；
绝热和多方压缩过程
，
加
，
但在经过后冷却到实际所需状态时
，
能量值又
降至与初始状态相等
，
但能量中获得了
质获得了提升
。
所以可总结出以下两点
：
（1）
空气压缩过程是能量的一种置换过程
，
机械能转换为压缩空气的
换
；
（2）
压缩过程
，
压缩机对空气做的压缩功不
是变成了热散发了
。
5
空气压缩过程的能源效率
在工业生产中
，
压缩空气系统消费能源很大
，
压缩机组能源方面的效率受到关注
。
一直以来
，
教科书给出了用于压缩机研究
、
设计计算的
：
机械
效率
、
绝热效率
、
等温效率
、
多方效率
，
却没有关于
输出压缩空气做功能量与消耗能量的效率
。
作者
5］
在文献
［
提出输功效率
（
或输出功效率
），
作为
反映动力用空气压缩机消费能量转化为压缩空气
做功能力之间的能源效率
。
下面简单介绍压缩机的输功效率
。
（1）
以热力学第一定律
（
能量守恒
）
原理分析
压缩机组对空气做功
，
应该是压缩空气获得
若确定其效率为
：
能量增加作为收益
，
h
1
－h
0
η
=
w
c
因为使用的压缩空气温度与环境相同
（
即使
压缩机输出压缩空气温度高于环境温度也没有意
义
），
压缩空气能量焓没有增加
（
且与压缩方式无
关
），
这个效率为零
，
即η
=0，
因此这种定义的效
率没有意义
。
（2）
以热力学第二定律原理分析
——
压缩机做功
，
压缩空气收益的是有效能
—
，
压缩空气获得做功能力
，
那么其效率是
：
Δ
e
0－1
η
=
w
c
这就是输功效率
，
这个效率也是工程热力学
上所称的效率
［8］
，
正确认清压缩空气能量中的
“
质
”
有利于在
节能工作中
，
准确评价压缩空气系统能量
，
合理
、
高效地使用压缩空气
，
节约能源
。
过去一段时间
，
行业上普遍从热力学第一定
律能量守恒原理去分析
，
认为压缩空气能够做
功
，
是其能量增加了
，
又因为压缩热量占耗能比
例很大
，
得出了多种关于压缩机效率很低的错
误说法
；
没有从
“
质
”
的方面看待压缩空气能
量
，
认为压缩功全部转换为散发热量的观点
，
显
误导了对压然也是错误的
。
这些错误的观点
，
不利于提高压缩空气缩空气做功能力的认识
，
能量使用效率
。
将输功效率作为考核压缩机能源效率
，
能够
准确反映空气压缩机组工作
，
压缩空气获得做功
揭示空气压缩能力与消耗的能量之间量的关系
，
动力能转换
、
利用和损耗的关系实质
，
是大家所关
注效率
。
输功效率作为考核动力用空气压缩机的
能效指标
，
是很准确
、
实用的
；
输功效率还能够使
大家认识到压缩空气的做功能力
，
从而关注提高
其气动设备的效率
。
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分析基础
，
能量的
，
将空气中部分置
。
文献
［5］
给出了输功效率的
作者简介
：
孙晓明
（1963－），
男
，
研究员
，
主要研究方向为压
缩机
，
压缩空气系统运行及节能技术
，
试验检测技术
，
通讯地址
：
230031
安徽合肥市长江西路
888
号合肥通用机械研究院
。
常用计算方法
。
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