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科学系机器之——压缩机
Hello 大家好，欢迎光临定期拖更的皮皮的正经科普，今天的主角是格雷科技中的压缩机，一个存在感似乎不是很强，却又在很多地方不可或缺的一台机器。 首先我们来看看Wikipedia里面给出的关于压缩机的定义吧： A compressor is a mechanical device thatincreases the pressure of a gas by reducing its volume. An air compressor is aspecific type of gas compressor. Too simple。。。压缩机是一种增加气体压力并减小其体积的机器。空气压缩机之一种特殊形式的压缩机。 Compressors are similar to pumps: bothincrease the pressure on a fluid and both can transport the fluid through apipe. As gases are compressible, the compressor also reduces the volume of agas. Liquids are relatively incompressible; while some can be compressed, themain action of a pump is to pressurize and transport liquids. 此外，Wikipedia上面还附带了一段，我觉得挺有意义的给大家翻译一下：压缩机和泵类似，都是增加流体的压力并将其转移通过一条管道。因为气体是可压缩的，所以压缩机在提高压力的同时也会使得气体体积减小；而液体相对来说无法或者难以被压缩（尽管有些液体也能够被压缩），所以泵的主要功能就是加压和传输液体。 ※：这也难怪有的时候空气压缩机也被我们称为气泵了。 压缩机的分类： 我们一般按照大体上的运作原理将压缩机分为两大类： 1. 利用压缩密闭空间内的气体，强制使其分布体积减小而增大其气压，这种方式我们将其称为：容积式压缩机（Positive Displacement Compressor）： 2. 利用转轮强制使得气体的流动加快，从而获得较大的动能，再在通过升压环（diffuser）的过程中，断面的面积增大，导致气体流速减小，气体的动能转化成为压力能而使压力上升。气体动力式压缩机(Dynamic Compressor) 而容积式压缩机又可以细分为： 往复式，回转式，涡卷式等 气体动力式又可以分为： 离心式，轴流式。 那么这些不同工作方式的压缩机各自都有一些什么样的区别呢，我们来谈一谈。 首先我们从简单的容积式（活塞式）压缩机说起吧： 这种压缩机的原理我们刚刚有提到过，那就是通过强制压缩气体的体积导致气体的压力增大，这个原理可以通过理想气体方程PV=nRT（P是密闭空间内压强，V是空间体积，n是空间内的气体分子物质的量，T空间内的绝对温度，R是热力学常数）得到，在密闭系统内的分子数，温度都不变的情况下，P和V是成反比的。 如果对上面这段话理解不了的话我可以简单介绍一下气体压强的产生，当然能懂的同学可以不用阅读这一小段了： 我们把气体分子看成一个个做无规则运动（布朗运动），也就是完全没有规律地到处乱跑的刚性小球，当小球之间发生碰撞的时候小球就会互相弹开，小球碰到容器壁的时候也会弹回来。当一个密闭容器里面的分子数一定的时候，这个空间越大，则小球之间碰到的概率也就越小，小球打到容器壁上面的概率也越小；如果我们不断把这个容器缩小，那么这个容器里的分子能够活动的范围也就越来越小，分子之间越来越拥挤，但是它们还是要到处乱跑啊，那么它们就会更容易撞在一起，也更容易撞在容器壁上。在单位时间内撞在容器壁上面的分子的多少，就决定了这个容器内部的气压有多大。 那么怎么强制让气体体积减小呢，最直接的方法就是用机械能来挤压它，我们生活中最常见的就是打气筒和注射器了。其实这两者本质上就是一个带有出口的活塞，如果我们将打气筒或者注射器的口堵上并且缓慢推动打气筒的手柄的时候，会发现随着推进的进行，推动它会越来越难，这就是因为里面的气体被压缩而导致的压强增大，当活塞内部的压强增大之后，我们为了克服内部的压强和我们所在的大气环境的压强差，就必须加大力度才能继续对其进行压缩。同时，如果我们松开手不再对其施加压力，它就会缓慢被里面已经压缩的空气推回到最初未压缩的位置，直到内外压强达到平衡。 压缩机里的往复式压缩机（又称活塞压缩机）其实就和这个是完全一样的原理。我们以这个gif图中的活塞为例：当活塞头在活塞最右侧的位置时，进气阀门打开，排气阀门关闭； 活塞头被曲轴拉向左边的时候，常压的空气被吸入到活塞内部； 当活塞头运动到最左侧的时候，进气阀门和排气阀门都关闭； 紧接着活塞开始压缩气体，接着打开排气阀门将压缩完毕的气体排出。以上步骤不断循环就可以实现连续的压缩工作了。 其制造工艺相对简单，成本也是所有压缩机里比较低廉的，并且压缩比可以在很大范围内进行变动，所以是所有压缩机里面应用最广泛的。从家庭用的微型气泵，大型石化厂用来产生高压空气，到PET塑料饮料瓶的压缩空气吹制，都有这种压缩机的一席之地。但是其也存在占地面积大，噪音大的缺陷。 另外在汽车里有一种小型压缩机叫做斜盘压缩机，其和往复式压缩机的原理基本相似，但是是用一个斜盘来驱动活塞，如下图所示。但是这种传动装置能够提供的动力较小，所以只能用来干一些比较轻的任务，比如汽车空调的压缩。 滑片回转式压缩机 这种压缩机看上去会有点奇怪的感觉，但是我相信我一解释你一定能理解。 这个杆子是一块滑片，中间有一个弹簧，滑片的两端都可以在弹簧和旋转产生的离心力作用下保持随时与这个圆形的腔内壁是紧密连接的，也就是保证了每个部分的气密性是良好的。 我们取一个滑片是处在垂直位置稍稍顺时针转动一个小角度的位置的时刻作为起点： 这时候，滑片和上方的圆形障碍物将整个空腔分为三个部分，通过观察我们可以得知： 左边的这个部分随着滑片的继续顺时针转动体积会越变越小，也就是被压缩，当压缩到指定的压力和体积时，排气口打开放出高压气体； 靠近进气口的这个小部分会逐渐变大，这时候因为内部空间增大导致这个空腔内气压降低，外部的空气会被自动吸入； 滑片之间的这个部分相当于是被两个滑片推着顺时针走，当滑片下一次处在垂直位置时，其被推送到了左边部分，进行下一次压缩过程。 以上的：吸气-运送-压缩-放气，这个过程反复进行，就可以实现连续的压缩气体制造了。这种压缩机的噪音小，压制出来的气体含油量低，使用寿命长，是一种很不错的压缩机设计。 当然，我们也可以增加多个滑片，就如同下图这样子。 涡旋盘压缩机 这个压缩机一定看上去比上面这个还要奇怪，但是我们可以通过观察下面这个动图来解决它的原理问题。 首先我们以这个涡旋盘吸入一次气体作为例子，我们可以发现，随着这个驱动涡旋盘每做一次周期运动，这一截气体就被压缩得往圆心走了一步，层层压缩下来气体的体积逐渐变小，压力也就逐渐变大，最终由中心的排气口排出。（以下GIF建议不要长期观看否则会头晕）这个过程不断进行的话，就会有气体源源不断地被吸入其中，那么就可以很轻松地做到连续运行了。 这种压缩机因为运动平滑，速度较低，涡旋盘之间的接触是借助油膜滑动而不是冲击，所以运行起来很稳定，噪音也是所有压缩机中最小的，能效比也高，是压缩机之鉴（确信）。 因为采用的是涡旋盘设计，在面对高输出压强的气体时因为涡旋盘强度不够往往会力不从心，所以输出气体的压力有限，而且为了要满足涡旋盘之间的配合需要很高的加工精度，故成本很高而且很难量产。加上这种设计对于腔内热量的排出比较困难，所以容易导致腔内以及排出的气体的温度升高，而气体温度升高又会影响压缩的效率，所以其目前应用的领域还比较有限。但是这种设计本身就是很美的，不是吗？ 然后咱们介绍一下气体动力式压缩机，我已经试图向一些机械方向的同学请教可惜没人回复我，所以这两种压缩机我因为不甚了解所以只能按照找到的资料配合自己的理解简略地介绍一下。如果有误请及时指出，不胜感激！ 离心压缩机 单级离心压缩机的结构其实约等于一个离心机加上一个扩压管：离心机的旋转导致周围流速比空气中的流速大，空气被吸入到离心机内，并在高速旋转的离心叶轮作用下做离心运动，就如同被甩出去一样。所以在这个离心叶轮的外侧，气体的流速是很高的，然后这部分气体进入到离心机部分外围的管道中并进入扩压器。 扩压器是一个管径不断增大的管道，根据伯努利方程推导，等高流动中，流速越大的地方压强越小，流速越小的地方压强越大，因此在气体通过这一段扩压器的过程中，气体的动能逐渐转化成为压力能，压力得到提高。如果一次升压不足以满足我们对于气压的要求的话，要将这一“离心-升压“步骤重复进行多次，也就是多级升压。 轴流式压缩机 这种压缩机和离心式压缩机的区别在于，离心式压缩机的流动方向是径向的也就是顺着半径远离圆心的方向，而轴流式压缩机则是采取轴向流动的方式。同样的，我们以单级轴流式压缩机为例，气体进入到轴流式压缩机的叶轮并被叶轮带着进行高速转动，这时气体流速增大动能增大。经过动叶轮加速的气体再经过静叶轮，此时气体的流动方向由被叶轮叶片排布确定的方向转为轴向流动，之后经过一个扩压器达到增压的效果。同样的，如果这种一次增压的效果不能达到我们的要求的话，我们可以在增加多级的“动叶轮-静叶轮-扩压器”结构来达到多次升压的效果。 这种结构的优势在于相对于离心压缩机，轴流式压缩机的排布会更加紧凑，因为所有的部件都处在轴向的一个筒状的腔内，而离心式压缩机还需要在轴向上面增加导流管和扩压器，就相当于突出来一块。 介绍了这么多，那么GT中的压缩机的合成配方是否和现实中的压缩机是匹配的呢，我们来看看他的合成表： 这个是压缩机的蒸汽版本，唔，两个活塞加上两排蒸汽管道，应该算是比较科学的合成了吧。 这个是压缩机的电力版本，两个电动活塞提供动力，啊，看来这个属于往复式的压缩机了！ 那么压缩机能够执行的合成配方呢，让我们来看看： 压缩空气，恩，这个属于一个比较科学的合成√ 把水单元压缩成雪块。。。（草） 压缩耐火黏土变成砖。。。× 把Pu239和U235小撮粉压成金属粒。。。× 把一些小撮粉压缩成粉末。。。× 把锭和宝石压缩成块？？？喵喵喵× 把植物压缩成植物球。。。x 压缩高级合金板。。。× 把煤球压缩成高级煤球，把煤炭块压缩成工业钻石！！！× 拜托压缩机只能压气体啊(╯‵□′)╯︵┻━┻ 你压个植物球就算了你为什么还能压砖头啊(╯‵□′)╯︵┻━┻ 你压砖头就算了你为什么还能压那么强大的高级合金啊(╯‵□′)╯︵┻━┻ 你压高级合金就算了你怎么还能压钻石啊(╯‵□′)╯︵┻━┻ 你们压，naïve！ 大概这是泛银河格雷科技有限公司的先进技术吧。。。 所以我们喜闻乐见的打分环节： 机器合成配方科学性：★★★★ 机器处理配方科学性：★ 机器实用性 ：★★
这一期写死我了。。。光找资料加弄懂机理就花了好几天的时间，希望大家会喜欢 咱们下期见！
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