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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。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。
图 1 为单级活塞式空压机，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 压力范围的系统。单级活塞式空压机若压力超过 0 . 6MPa ，各项性能指标将急剧下降，故往往采用多级压缩，以提高输出压力。为了提高效率，降低空气温度，需要进行中间冷却。图 2 (a) 为二级压缩的活塞式空压机设备示意图。如图 2 (b) 所示，空气经低压缸后压力由 p 1 提高至 p 2 ，温度由 T l 升至 T 2 ；然后流入中间冷却器，在等压下对冷却水放热，温度降为 T l ；再经高压缸压缩到所需要的压力 p 3 。并由该图可见，进入低压缸和高压缸的空气温度 T l 和 T 2 ，位于同一等温线 12 ′ 3 ′ 上，两个压缩过程 12 、 2 ′ 3 偏离等温线不远。同一压缩比 p 3 / p 1 的单级压缩过程为 123 ″ ，比两级压缩偏离等温线 12 ′ 3 ′ 远得多，即温度要高许多。且单级压缩消耗功相当于图中面积 613 ″ 46 ，两级压缩消耗功相当于图中面积 61256 和 52 ′ 345 之和，节省的功相当于 2 ′ 23 ″ 32 ′ 。可见，分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高效率。
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