往复活塞压缩机热力性能计算.ppt

2.2 往复活塞压缩机热力性能计算,1 理论压缩循环 吸气量V1 、压缩功W1计算 2 实际压缩循环 实际吸气量V1、实际压缩功W1 计算 参考书: 1. 工程热力学 2. 化工机器高慎琴,气体热力过程工程热力学 （补充内容）,气体热力参数： 压力：p 温度：T （T= t+273 K） 比体积： 内能：u 气体质量：m 焓：h 熵：s 热量：q 功：W 气体分子量： 气体常数：R （R=8314/） 气体摩尔质量：M （M=/1000）,（一） 气体状态方程式,任何气体：p、T 三者相互关联 状态方程式：,（1）热力学第一定律：,（2）理想气体 （理想气体：不考虑分子所占体积和分子间相互作用力） 气体状态方程： N气体摩尔数； R0=MR通用气体常数。 （3）实际气体 状态方程式： Z压缩性系数，与气体的性质、压力和温度有关。 Z 值可以查表、查图得出（如书中图1-1）。,(二) 理想气体热力过程及压缩功,热力学中给出了五种计算方法： 等温过程、等熵过程、多变过程、等容过程、等压过程 (1) 等温过程 在压缩过程中，气体温度不变，T=常数。 状态方程式：,等温过程功Wi 膨胀过程功：,p,d,0,1,2,p,(2) 绝热过程(等熵过程） 气体与外界无热量交换，q=0 。,绝热过程方程式：,p,1,2,0,1,2,0,s,T,导出式：,绝热过程功 Wi 对于理想气体，可逆的过程 绝热膨胀过程功：,wi,p,1,2,（3）多变过程 非等温、非绝热下的相对较实际的压缩过程。 多变过程方程式： 多变膨胀过程功：,2.2.1 理论压缩循环 理论压缩的假设： 气缸内气体全部排出。 进气、排气过程中，压力温度都不变。 压缩过程指数一定，k , m 值不变。 气缸无泄漏。 满足上面四条的为：理论压缩循环,理论压缩循环经过三个压缩过程： 进气过程：4-1线， 吸气压力不变 p1 , 最大进气量V1 。 压缩过程：1-2 线， 压力升高，容积减少，最高压力 p2 排气过程：2-3 线， 排气压力不变 p2 ，缸内气体排出。,V,P,4,1,2,P2,3,P1,吸气压缩排气 为一个循环，或一个冲程。 曲轴旋转一周，活塞一个往复， 完成一个理论压缩循环。,（一）理论进气量 气缸直径 D，冲程长度（活塞行程）S S=2r ( 曲柄半径） 活塞行程容积：Vh , 进气容积：V1 一个理论循环的进气量： V1= Vh = ApS Ap 活塞面积， 单作用气缸： 双作用气缸：,S,D, 单作用级差气缸： 每分钟理论进气量 每分钟活塞冲程次数 n (冲/分）= 曲轴的转速 n （r/min),(二）理论压缩循环功 气体压缩，体积减少，温度升高，热量散发。致使这个热力过程的能量计算较复杂，热力学中压缩过程五种： 等温过程、等熵过程、多变过程、等容过程、等压过程 理想气体状态方程式：,功 Wi,式中： R=8314/； 气体分子量；气体比容 T绝对温度， T= t+273 K V气体容积 m气体质量,依据热力学第一定律: 循环过程功Wi 进气过程功：p1V1 Wi 排气过程功：- p2V2 压缩过程功：,功 Wi,循环过程功Wi 压缩为正功:,(1) 等温过程 在压缩过程中，气体温度不变，T=常数。 状态方程式： 等温下: 循环过程功Wi,wi,取外力作功为正,(2) 绝热过程 压缩过程中，气体与外界无热量交换，q=0 。 绝热过程方程式： k绝热指数，只随温度变化。,单原子气体：k=1.66 1.67 双原子气体：k=1.40 1.41 多原子气体：k= 1.10 1.30 理论循环绝热压缩过程功 Wi,功 Wi,（3）多变过程 非等温、非绝热下的相对较实际的压缩过程。 多变压缩过程方程式：,理论循环多变压缩过程功 往复活塞式压缩机常采用水冷和风冷。 一般： 1nk 高压气缸级：nk,功 Wi,三种压缩过程比较： 等温压缩过程用功最少，采用强制冷却,保持气缸温度不变。 绝热压缩过程用功最多。 多变压缩过程用功在两者之间，较符合实际。 气体压缩机采用水冷或风冷目的减少温度的变化,2.2.2 级的实际压缩循环 气缸内实际压缩循环的示功图： 实测 abcd 图面积为实际压缩循环功。 主要特点： 气缸内有余隙容积 V0 存在 V0 内的剩余气体在压缩时被压缩，吸气时它先膨胀。使循环过程出现一个膨胀过程，膨胀线 cd 。 四个过程为一个循环：吸气压缩排气膨胀 缸内余隙有： 活塞与气缸端部间隙。23 mm 活塞与气缸环形间隙。0.51mm 进、排气门阀通道，测压表管道。 活塞帽凹槽 等。,（2）进气阀、排气阀弹簧压力，阀片振动 进气时，气流需要克服阀片弹簧阻力 进气压力 pp2 同样，阀片颤振，出现压力线波动。 p 为克服气门阀片压紧弹簧所需的压力。, 压缩过程与膨胀过程存在不稳定的热交换，使压缩曲线与膨胀 曲线不是稳定的 n 值。（多变指数n是变化的） 压缩线 ab 开始段：气体吸热 nk 中间段：不传热 n=k 结束段：气体放热 nk 中间段：不传热 m=k 结束段：气体吸热 mk mn 气缸内存在气体泄漏，使压缩线与膨胀线变的平坦。 外泄漏：活塞环、活塞杆填料函、第一级进气阀。 内泄漏：排气阀、后面各级进气阀。,2.2.3 级的进气量与排气量 （一）实际进气量 VSO 活塞行程容积： Vh = VS 余 隙 容 积： Vo 余隙膨胀容积：V1 按多变膨胀过程分析：,若膨胀到4点开始吸气。（n膨胀指数） 实际进气容积：,v 容积系数， 表征行程容积有效利用率。,v 对进气量影响最大， 和最关键。 考虑1点与 a点的差异：,比值得： 实际吸气量： 式中：,(一）实际循环功 理论指示功为 1234 图形面积，理论参数为 实际指示功为 abcd 图形面积，实际参数： 按等功面积原理，理论吸气压力线 降低 成为平均实际 吸气压力线；理论排气压力线 升高 ，为平均实际排气压力线。,实际吸入压力与实际排出压力：,代入理论参数值： 上式为实际一个气缸所作功。 多变指数 n： 低压级：n=(0.950.99) k 高压级：n= k,2.2.4 压缩机实际循环功率及效率,功、功率的计算是任何机器最重要参数计算 理论循环功：（前面已讲） 实际循环功：,（二）功率 （1）指示功率 单缸单作用气缸： n曲轴转速，r/min 。,Ni,双作用气缸： 多级气缸：,N左,N右,（2）轴功率 压缩机 输入轴上的功率为输入功率（即轴功率）。 包括：压缩气体的指示功率 Ni ；压缩机总机械摩擦损失功率 Nm 轴功率： 摩擦损失功率 Nm 不易计算，一般用机械效率来解决。,m压缩机总的机械效率，考虑各机械摩擦损失。 常见压缩机摩擦点： 活塞与气缸；活塞杆与填料函；十字头与滑道；连杆与十字头销；连杆与曲轴瓦；曲轴与轴瓦 等。 大、中型压缩机： m= 0.90.96 小型压缩机（无十字头）：m= 0.85 0.92 高压循环压缩机： m= 0.80 0.85,多级压缩的总轴功率： 比功率：单位排气量所消耗的功率。 反映压缩机的经济性，功率利用率的指标。 Vd压缩机实际排气量。 比功率越小，压缩机经济性越好，单位功率对气体作功越多。,（3）驱动机输出功率 Ne 驱动机（原动机）：电机、柴油机、汽轮机。 传动方式：三角带；齿轮减速器；弹性联轴节。 一般驱动机要有 （515)% 的功率储备（富裕量）。 电机功率： N= （1.051.15)Ne W 此计算结果经圆正后成为选择电机功率的最终结果。,2.2.5 排气压力与排气温度,（一）排气压力 压缩机最终排气压力的大小由系统和管路的背压决定。 压缩机排出压力=系统压力+管路阻力 压缩机铭牌上压力为额定工况下的压力，即额定转速、额定流量、设计系统压力及管路阻力下。,（1）多级压缩 往复式压缩机一般为多级气缸串联组成，逐级增压，最终使排出压力达到某一较高压力。 采用多级压缩的原因： 降低排气温度。气体压缩后升温，采用级间冷却。 降低功率消耗。级数越多，越省功。 提高气缸容积系数。 V 降低活塞受力，使各级活塞受力均匀。,（2）级数 z 的选择原则 原则：节省功率，结构简单，满足工艺特殊要求。 级数 z 选择见表2-2。,级数的选择主要取决于每级所允许的排气温度。 级数少，压比大，排气温度高。,（3）压力比的分配 级数 z 选定后，各级压力比分配按等压比为最省功。 总压力比：,（二）排气温度 气体受压缩后，体积减少，但温度升高。温升与压力比有关。 排气温度计算： 每一级的排气温度限制见表2-1。 如： 空气压缩机：T2 160180 石油气压缩机：T2 90100 主要考虑介质的闪点温度，出现“积碳”、氧化爆炸等因素。 压缩机的温度控制一般较严格，温度是检测压缩机正常工作的敏感参数，很多隐患可以从温度中得到。 排气温度问题： 机械温度问题：,（三）热效率 气体在气缸内压缩也存在一个效率问题，此效率为热效率。 热效率：用来反映实际循环指示功与理论循环指示功之间的差异， 差别越大，效率越低。由热力过程可分为： 等温热效率： 等温循环理论功率； 实际循环功率。 等温循环理论功率： 实际循环功率：,压缩机一级等温指示效率：,压缩机总效率：,2.2.6 实际气体下的各参数计算,理想气体、单分子气体状态方程式。 满足： pv=RT PV=mRT 实际气体：指高分子气体；石油气；化工气体； 混合气体等。 大多数工业气体皆为高分子气体，即实际气体。,（1）实际气体的状态方程式： Z压缩性系数，与气体的性质、压力和温度有关 用来表征实际气体偏离理想气体的程度。 Z 值可以查表、查图得出。 （2）实际气体的过程方程式： 等熵下：,（3）实际气体的容积系数 第一级实际排气量： 容积流量： （体积流量）,最后一级排气量： （4）实际气体的功、功率,2.3 往复活塞式压缩机动力学计算,压缩机工作时，作用力有三种： （1）压缩气体的作用力。 （气体力） （2）运动件的惯性力。 （往复惯性力和旋转惯性力） （3）摩擦力。 （往复摩擦力和旋转摩擦力） 压缩气体力为作功力，是有用力。 惯性力和摩擦力是无用力，有害力。 2.3.1 气体力 气体力：气缸内气体受活塞压缩时所产生的作用力叫气体力,压缩气体力,2.3.1 气体力 气体力：气缸内气体受活塞压缩时所产生的作用力。,AP,实际压缩过程：,吸气过程 PS 2. 压缩过程 Pi 3. 排气过程 Pd 4. 膨胀过程 Pi,pi,Pd,pi,PS,计算活塞任意位置的气体力（某瞬时位置）： 气缸内压力变化：,活塞的位移： 气体力受力图：（以活塞杆皆受压力）,Fg,Fg= piAp,最高排气压力为 pd 时：,2.3.2 惯性力计算 往复惯性力： 旋转惯性力： （1）活塞往复运动的速度与加速度 结构尺寸： 曲轴转角： 连杆摆角： 曲轴转速： 曲轴连杆长度比：= r/L 一般： 0.250.2 活塞上死点：= 0 活塞下死点：= 180 活塞位移：,上式整理得： (2-47) (2-48) (2-49) 速度方程为正弦曲线， 加速度为余弦曲线。,v,a,2,2,利用活塞面积与速度求瞬时排量： 线速度的利用：,速度的利用,（2）往复运动件的质量 活塞、活塞杆、十字头的总质量：mp 连杆，可分解为：直线运动质量： 旋转运动质量： 连杆总质量： 或：,连杆的重量分配,曲轴偏心质量（偏心质量向 集中）,mc,0,0,综合质量转化为两部分,旋转运动质量,水平运动质量,(3)往复惯性力 I 惯性力=质量+加速度 力的方向：使活塞杆拉为正；压为负。,分解式：,往复惯性力图：,（4）旋转惯性力 Ir 旋转惯性力：Ir=旋转质量向心加速度=mrar 当一定时，旋转惯性力大小一定。 惯性力方向沿曲柄半径向外，即始终为拉力作用。 由于旋转质量都集中在曲轴上， 旋转惯性力只发生在曲轴上。 旋转惯性力可以用曲轴配重来平衡。,FI r,mr,2.3.3 摩擦力 摩擦力又分为：往复摩擦力和旋转摩擦力。 （1）往复摩擦力 FfS 主要发生在：活塞与气缸、活塞杆与填料函、十字头与滑道等。 往复摩擦力所消耗的功率占总往复摩擦功率Nm的（60%70%） 往复摩擦功率： 当=0180，摩擦力为正值，连杆受拉力。 当=180 360，摩擦力为负值，连杆受压力,(2) 旋转摩擦力 Ffr 主要发生在：十字头销、连杆瓦、主轴瓦、轴承等。 旋转摩擦力所消耗的功率占总摩擦功率 Nm 的40%30%。 旋转摩擦力设定位于曲轴连杆瓦处，摩擦力方向与转向相反。 旋转摩擦力产生旋转摩擦力矩，Mr = Ffrr,2.3.4 主要构件受力分析 （一）综合活塞力 综合活塞力=气体力+往复惯性力+往复摩擦力 (N) (书中公式） 式中：,（二）.压缩机主要构件受力分析 受力分析原则： .二力杆简化。 .力图要封闭。 (1)各部件受力,部件受 力分析, 活塞杆受力 取排气过程最高工作压力时： (N) F P FP 活塞杆受力为综合力，活塞杆为二力杆。 十字头受力 有三个力：活塞杆作用力 Fp 、 连杆力 FL、十字头侧向力 FN 十字头力图三角形：,十字头,Fp 分解为FL和 FN （连杆力和支反力）, 连杆上受力 连杆为二力杆，所受力为： FL,FL,FL,FL,FL, 曲轴受力 (2) 工作力矩（阻力矩）,工作力矩与驱动力矩平衡（理论上） MY = Md ( Md驱动力矩） 实际中： MY 工作力矩随气体压力变化而变化， 即： Md MY 差值： Md - MY = J. J 全部旋转质量的惯性矩， 曲轴的角加速度，,由于工作力矩有大有小，使曲轴的转速出现加速和减速现象，加速时 为正；减速时 为负。则： 惯性力矩为 J 值。 当： Md MY 时，驱动功富裕， J 为正值，曲轴加速。 Md MY 时，驱动功不足， J 为负值，曲轴减速。 任何机器的曲轴在旋转中一会加速、一会减速，都不能正常工作，必须尽可能的减少这一速度波动。,（3）飞轮的惯性矩计算 解决速度波动的最简单有效的方法是加一个飞轮，原理是：增大惯性矩 J ，从而降低角加速度 。 飞轮具有储存能量和释放能量的功能。 飞轮的惯性矩： G 轮缘部分的质量， kg D 轮缘质心直径， m 速度波动产生的最大动能变化量E,m 平均角速度。 由G、D来设计计算飞轮尺寸。 加飞轮的目的： 解决驱动力矩与工作力矩不均衡问题，使压缩机转速均匀，减小电机电流和电压的波动幅度。,（4）侧向力矩（侧覆力矩） 在十字头与曲轴上各存在一个侧向力 FN，形成了一个力偶MN。 两侧向力 之间距为 b , 侧覆力矩周期性变化，机器自身无 法平衡，造成机器震动、摇摆，满载荷、 立式机更明显。 措施 ：机体、基础加大，提高稳定性。,2.3.5 惯性力平衡 往复式压缩机存在两种惯性力：往复惯性力 I 和旋转惯性力 Ir （一）旋转惯性力的平衡 旋转惯性力： 平衡方法：曲柄反方向加平衡重，质量为 m0 ，旋转半径 r0 平衡时： 平衡重的质量：,曲轴配重旋转惯性力的平衡,配重,m0,mr,(二）往复惯性力的平衡 往复惯性力： 平衡方法：采用双列气缸或对称布置气缸来平衡部分惯性力。,（1）双列立式压缩机 两缸曲柄错角：=180 2 = 1 +180 当两列气缸的往复质量 和旋转质量相同时：,往复惯性力：惯性力平衡为： 惯性力平衡为：,同时产生惯性力力矩： 惯性力平衡的有：II 、Ir 、M 惯性力没有平衡的有：I 、M 、MI r 双列立式压缩机无法达到惯性力完全平衡。,(2) 对称平衡型压缩机 曲柄错角 180，两缸对称布置，运动方向相反，惯性力方向也相反，两缸同时吸气或同时排气。,对称