空压机原理详解：探究容积式与动力式压缩的异同

空压机，作为工业领域中广泛应用的设备，其核心原理主要基于两种压缩方式：容积式压缩与动力式压缩。这两种空压机原理不仅决定了空压机的运行效率和性能，还广泛应用于不同工业场景中，满足多样化的气体压缩需求。以下内容将深入探讨这两种压缩原理，并通过容积式压缩机与动力式压缩机的具体实例，揭示空压机原理及其在实际应用中的表现。

首先，压缩空气（或气体）有两个方法：容积式压缩和动力式压缩。例如，容积式压缩机包括往复（活塞）式压缩机、轨道（滚动）式压缩机和不同类型回转式压缩机（螺栓、齿、叶片）。

在容积式压缩中，空气进入一个或多个压缩室，然后由进气道进入压缩室的通口关闭。每个压缩室的容积渐渐减小，空气在内部被压缩。当压力达到了设计指定的压缩比时，室门或气阀打开，压缩空气便进入了排气系统，压缩室的容积会继续减小。

在动力式压缩过程中，空气在快速旋转的压缩叶轮的叶片与加速器之间流动以达到较高的流速。然后气体通过扩散器排出，此时气体动能被转化为静态压力。动力最好的压缩机是涡轮增压压缩机，此种压缩机具有轴向或径向流型方式。这些都应用于大流量功率的压缩机。

空压机原理之容积式压缩机

自行车打气筒是一个最简单的容积式压缩机，空气进入打气筒“气缸”后被移动的“ 活塞”压缩。活塞式压缩机的操作原理也是这样，活塞前进和后退的运动由连杆和旋转 的曲轴来带动。如果活塞只有一侧起压缩作用，那么这种压缩机叫做单作用压缩机。如果活塞的顶部和底部都起压缩作用，那么这种压缩机就叫做双作用压缩机。

压力比指的是进排气道处气体绝对压力之间的关系。因此，若某台机器进气压力是一个大气压（1bar（a）），然后把气体压缩到7bar， 那么这时此压缩机的压缩比就是（7+1）/1=8。 

图1:15说明压缩机理论上压力与体积之间的关系；

图1:16说明了活塞式压缩机较接近现实的压缩机图。

冲程容积就是汽缸活塞容积，活塞在吸气阶段在汽缸内移动。余隙容积指的是进气阀排气阀与活塞之间的体积， 由于机械原因它处于活塞顶部的空间。

冲程容积与吸入体积之间的不同之处在于留在余隙容积中的气体在吸气之前就可以开始。理论p-V图与实际p-V图之间的不同在于压缩机的实用设计，例如活塞式压缩机。气阀密封从来不完全，在活塞裙部与汽缸壁之间总存在泄漏。另外，气阀也不能实现没有延迟的完全打开与完全关闭，这就会造成气体通过输送管道时压力会下降。这种设计也会使气体进入汽缸时会被加热。

这些关系表明，等熵压缩所需要的功比等温压缩要多。

空压机原理之动力式压缩机

动力式压缩机，气体流动的同时压力也在增加。由于叶轮中旋转叶片的转动，气体流动加速到很高的速度。然后气体在扩散器中膨胀减速，其速度转化为静态压力。气流的主要流向决定压缩机的属性，即径向压缩机还是轴向压缩机。

与容积式压缩机相比，动力式压缩机有这么一个特性：工作压力的较小变化会引起气体流速的较大变化。请见下图1:19。 

每个叶轮的速度都存在一个上限流量速度和一个下限流量速度。上限指的是气体流速到达声速，下限指的是反压力大于压缩机设计压力，这时回流进入压缩机内部，这就会产生爆震、噪音和机械性损坏的危险。

空压机原理之多级压缩

从理论上讲，空气或气体可以等熵压缩（按 熵不变）或者等温压缩（按温度不变温）。这两种压缩过程可能只是理论上可逆循环的一部分。如果压缩气体在压缩后达到的温度时可以立即使用，等熵压缩过程就会有一定的优势。在现实中，空气或气体几乎不能压缩后就立即使用，通常是它们被使用前就冷却到环境温度了。因此，等温压缩过程是首选，因为它需要较少的功。

一种执行等温压缩过程的常见实用方法是在压缩过程中冷却气体。若有效工作压力为 7bar，等熵压缩理论上需要的能量比等温压缩要多37%。 一种降低气体热量的实用方法是把压缩过 程分成几个阶段。在气体进入下一步压缩之前就冷却，直到最后的压缩。当每一步压缩的压缩比相同时，压缩过程会实现最好的效果，这样做也会增加能量的利用效率。通过增加压缩级数，整个过程就会接近等温压缩。但是，压缩的分级数量会受到经济和安装设计的限制。

通过以上对空压机原理的解析，大家不难发现，容积式压缩机与动力式压缩机作为空压机的两大核心原理，各自具有独特的优势和适用场景。而在实际应用中，通过合理选择压缩机类型、优化压缩级数以及采取有效的冷却措施，可以进一步提升空压机的能效和可靠性，为工业生产提供更加高效、稳定的气体压缩解决方案。相信不久的将来，随着技术的不断进步和创新，空压机原理和应用范围也将不断拓展，为各行各业的发展注入新的动力。