（化工过程机械专业论文）活塞式压缩机排气量全量程无级调节系统的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 活塞式压缩机在国民经济的支柱产业石化行业有广泛的应用。随着石油化工 工艺的不断变化和世界能源的曰益紧张，不仅要求活塞式压缩机的排气量能够在 更大的范围内连续调节，而且要求压缩机功耗随排气量降低而成比例下降，实现 节能。全量程气量无级调节是活塞式压缩机气量调节方法中的一种，具有经济、 安全及维修方便等特点。 从活塞式压缩机的实际工作循环入手，分析了全量程气量无级调节的基本原 理，建立了全量程气量无级调节热力计算的数学模型，推导了变工况下的多级压 缩机状态参数与压开进气阀时间的数学关系。 整个系统由执行机构和监控系统两部分组成，主要实现液压分配器和压缩机 的同步运转功能与排气量、级间压力的调节功能。液压分配器是执行机构的核心 部件。监控系统由上下位机构成，伺服电机与控制器构成下位机，p c 机配以组 态软件m c g s 构成上位机。 在实验室搭建无级调节系统，应用到3 l 1 0 8 - y l j - 级双缸作用l 型空气压 缩机。初步实现压缩机与液压分配器的同步运转以及排气量、级间压力、排气温 度的调节控制。分析不同压开时间，排气量、级间压力和排气温度的变化规律， 并与理论计算值比较，得到实验结论。 总结研究工作，提出进一步的研究展望。 关键词： 活塞式压缩机无级调节排气量级间压力液压分配器 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sh a v ew i d e l ya p p l i e di nt h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e s w h i c ha r et h en a t i o n a le c o n o m y sp i l l a ri n d u s t r i e s w i t ht h ec o n s t a n tc h a n g i n gi n p e t r o c h e m i c a lp r o c e s s e sa n dt h eg r o w i n gt e n s i o n se n e r g yi nt h ew o r l d ，t h ec a p a c i t y r e g u l a t i o ni sn e e d e d ，m o r e o v e rt h er e d u c i n ge n e r g yi sn e e d e db a s e do i lt h ec a p a c i t y d e c r e a s e dr a t i o f u l l - r a n g ec a p a c i t ys t e p l e s sc o n t r o li so n eo ft h em e t h o d so fc a p a c i t y r e g u l a t i n g f o r r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , a n d i t p o s s e s s e se c o n o m i c ，s a f ea n d w e l l f i x i n gc h a r a c t e n f r o mt h e r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sc y c l ew i t ht h ea c t u a lw o r k ，t h eb a s i c p r i n c i p l eo ff u l l - r a n g ec a p a c i t ys t e p l e s sc o n t r o li sa n a l y s e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l s o ft h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n so ff u l l r a n g ec a p a c i t ys t e p l e s sc o n t r o li se s t a b l i s h e d t h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n sb e t w e e ns t a t ep a r a m e t e r so fm u l t i l e v e lc o m p r e s s o r sa n d t i m e so fp r e s s i n g o f fi n l e tv a l v ea r ec a i c u l a t e d t h ee n t i r es y s t e m ，w h i c ha c h i e v e ss y n c h r o n o u so p e r a t i o nf u n c t i o nb e t w e e n r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ra n dh y d r a u l i cd i s t r i b u t o ra n dr e g u l a t o r yf u n c t i o no fc a p e c i t y a n dl e v e l 。p r e s s u r e ，i sc o m p o s e do ft h e a c t u a t i n gm e c h a n i s ma n dt h em o n i t o r i n g s y s t e m h y d r a u l i cd i s t r i b u t o ri st h ec o r eo ft h ea c t u a t i n gm e c h a n i s m t h em o n i t o r i n g s y s t e mi sc o m p o s e do fh o s tc o m p u t e ra n ds l a v ec o m p u t e r s e r v o - m o t o ra n dc o n t r o l l e r m a k eu ps l a v ec o m p u t e r p ca n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em a k eu ph o s tc o m p u t e r s t e p l e s sc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h el a ba n da p p l i e dt oa3 l 1 0 8l t y p e a i r c o m p r e s s o r s s y n c h r o n o u so p e r a t i o n b e t w e e n h y d r a u l i c d i s t r i b u t o ra n d r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ra n dr e g u l a t i o nc o n t r o l o fc a p a c i t y , l e v e l - p r e s s u r ea n d e x h a u s tt e m p e r a t u r ea r ei n i t i a l l ya c h i e v e e d t h ec h a n g e i n gt i m eo fp r e s s i n g - o f fi n l e t v a l v e ，c a p a c i t y , l e v e l p r e s s u r ea n de x h a u s tt e m p e r a t u r ei nv a r i o u ss t a t u sa r ea n a l y s e d a n dc o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sb a s e do nl a be x p e r i m e n tr e s u l t s t h e c o n c l u t i o ni sf o u n d r e s e a r c hw o r ki sc o n c l u s e da n dt h ef u t u r es t u d yi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rs t e p l e s sc o n t r o lc a p a c i t y l e v e l p r e s s u r e h y d r a u l i cd i s t r i b u t o r i i 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章前言 活塞式压缩机是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的通用机械，广 泛应用于国防、机械、冶金、化工、炼油等领域，按其用途可分为用于气动设备 的动力压缩机和用于工艺流程的流程压缩机。前者主要用于风镐、风钻、风动砂 轮、风动敲击器等气动设各，一般以小型压缩机为主；后者用于分离、合成、反 应、输送等工业流程中，通常为大型往复压缩机。 活塞式压缩机作为流程压缩机在国民经济支柱产业石油化工行业有着广泛 的应用。压缩机的额定排气量由设计时所确定，然而化工、炼油生产过程中由于 工艺流程的变化、原料种类的变更以及市场需求的变化都要求活塞式压缩机的排 气量能在较大的范围内进行无级调节。目前国内炼油厂普遍采用的是旁路节流调 节方法，虽然这种调节方法简单可靠，但压缩机始终处于满负荷工作，因此能耗 巨大。在能源紧张的今天，对于气量调节频繁、压缩机原动机功率在数百甚至数 千千瓦的炼油生产流程来说，如何节能增效已经引起企业的高度重视。如中石化 天津炼油厂，在2 9 0 0 k w 的4 m 5 0 活塞式压缩机上安装了一套奥地利贺尔碧格 ( h o e r b i g e r ) 公司开发的气量调节系统h y d r o c o m 1 】【2 【3 】，气量调节到4 0 6 0 负荷时，每小时节电达1 2 0 0 k w ，按照0 , 5 元度计，一年正常运转可节约人民 币5 0 0 多万元，节能效果十分明显。但由于价格昂贵和可靠性方面存在缺陷， h y d r o c o m 气量调节系统在国内的推广受到限制。因此，现在石化企业急需价格 符合我国国情的、既可调节气量又节能的气量调节系统。 本课题正是从这一实际情况出发，研制开发出一套在关键技术执行机构 上不同于h y d r o c o m 系统的、可靠性更高的、具有国内自主知识产权的、适合 我国国情的气量无级调节系统，使压缩机仅仅压缩需要压缩的气体，排气量理论 上实现o 1 0 0 范围内无级调节。既达到了气量调节的目的，又达到了节能的效 果，并在技术指标上同h y d r o c o m 气量调节系统相当，以满足国内石化行业的 需求。全国现有与天津炼油厂规模相当的石油炼化企业近3 0 家，每个企业使用 大型活塞式压缩机约2 0 台，该无级调节系统开发成功后若能在全国推广，炼化 浙江大学硕士学位论文 企业新增利润将达3 亿年，具有十分显著的经济效益和社会效益。 1 2 活塞式压缩机排气量调节概述1 4 1 1 5 1 1 6 i 通常，压缩机的用户总是根据最大耗气量来选用压缩机。然而，在使用过程 中，由于种种原因用户的耗气量是变化的。若排气量供过于求，排气系统压力上 升，最终会超过安全上限，使压缩机和耗气机械的零件载荷过大，并有发生爆炸 的危险；反之，供不应求，又会使排气系统压力下降，最终导致不能满足生产工 艺的要求。因此压缩机排气量需要在一定范围内加以调节。排气量调节一般应满 足以下条件 4 1 1 7 ： ( 1 ) 压缩机排气量在所调范围内可以连续改变，以使排气量和进气量时时 相等，即所谓连续调节； ( 2 ) 调节工况经济性好，即调节时单位排气量功耗要小； ( 3 ) 调节系统投资小： ( 4 ) 调节系统机构简单，安全可靠，并且操作维修方便。 压缩机排气量调节方法的分类是以调节机构在机器上作用的部位来划分，下 面比较分析几种常见的调节方法对压缩机性能的影响。 1 2 1 转速调节 转速调节通过改变压缩机的转速，使压缩机排气量随之改变，按照驱动机转 速变化的特点可得连续调节、分级调节、间断调节。 1 ) 、连续转速调节 内燃机和蒸气机驱动的压缩机，因为原动机的转速是可以连续改变的，所以 可以比较方便的实现连续的排气量调节。这种调节方式的优点除了气量连续调节 外，还有调节工况比功率消耗小，压缩机机械摩擦损失小，压缩机各级压力比保 持不变，压缩机上不需设专门的调节机构等。缺点是受原动机本身性能的限制， 如内燃机只能在1 0 0 6 0 转速范围内变化，如若再想降低气量，需采取其他 辅助措旋，且低于额定转速时，发动机经济性降低，此外在低转速下因为压缩机 进气速度降低，压缩机气阀工作可能出现不正常。 2 ) 、间断停转调节 浙江大学硕士学位论文 当采用交流电动机等不变转速原动机驱动时，可采用压缩机暂时停止运动的 方法来调节气量。停转调节的一种方式是使压缩机和驱动电机同时停转，这种调 节方法的优点是压缩机停止工作后不再消耗动力，压缩机本身也无需设置专门的 调节机构。缺点是频繁的启动和停机会增加摩擦零件的磨损；启动时消耗的电能 一般比运行状态要大；要求启动设备简单，操作方便，启动时间短；要求有较大 的储气罐，以便储存较多的气体，借以减少启动的次数。由于存在上述缺点，这 种调节方法一般只适用于微型压缩机，或者极少进行调节的场合，因此应用不是 非常广泛。另外一种方式是使压缩机和驱动电机脱开，其优点是避免了频繁的启 动电机，缺点是机构比较复杂，这种方法用于中等功率的压缩机上。 3 ) 、分级调节 在化工企业中或者空气压缩机站，一般是多机配置，完全可能停止部分压缩 机的运转来调节系统的供气量，如果配置的压缩机排气量相同时，就可以实现成 比例的分级调节( 如7 5 、5 0 、2 5 等等) 1 2 2 管路调节 管路调节是利用进气管阻塞的程度或进、排气管旁通的程度，改变压力系数 厶，或泄漏系数山，或者不进气，达到连续、分级或间断调节。 1 ) 、节流进气 在压缩机进气管路上安装节流阀。调节时节流阀逐渐关闭，进气受到节流压 力降低，以致压力系数l 减小，从而降低排气量。因为节流进气可以使进气压 力连续的变化，故可实现连续的排气量调节。 进气节流的经济性问题由具体隋况决定。单级压缩时，由图1 1 所示，当排 气压力不变，进气压力变化时，功耗在某进气压力只时最大，此时取功耗对进 气压力的导数为零。 对理想气体的绝热压缩过程，压缩机做的功w 为： = 吉n 吒忙川 m ， 其中七一多变指数 浙江大学硕士学位论文 一名义吸气压力，岛 如名义进气压力，只 一压缩机开始压缩时缸内气体容积，m 3 b 功消耗的变化 署= 二刍 i 圭i p ，k ( 尝 譬一， = 。 c - - ：， ，、竽 毗佩露1 1 _ 。 因此，s ：盟：矗竿 ps ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 当k = - i 4 时，g = 3 2 4 ；k = 1 4 时e = 2 9 9 ，功耗最大。 当存在余隙容积时，功的最大值将在小于上述压力比时达到。一般压缩机中， 各级的压力比大于上述数值，故每一循环的指示功是下降的，但是，比功率消耗 仍要比正常工况大，因为气量的减少与功耗的减小不成正比。 节流进气手动调节结构简单，常用于不频繁调节的中、大型压缩机装置中。 2 ) 、切断进气调节 关闭进气管路的进气阀，气体吸入量减少，从而达到调节的目的。由于是切 断进气，所以属于间断调节。切断进气后压缩机空运行，功耗大约为额定功率的 2 3 。目前在中小型压缩机上应用比较广泛。但其存在许多不可避免的缺点： 首先，截断进气后末级压力比增加。末级若为双作用气缸，由于一端气体推力消 失，活塞力会急剧增加，特别是对排气压力较高的压缩机，活塞力将远远超出设 浙江大学硕士学位论文 计值。其次，调节过程中，排气温度会急剧升高。还有，气缸中会出现真空度， 对一些不允许和空气混合的压缩机，不宜采用此种调节方法。此外，真空度能使 曲轴箱中的油雾沿活塞杆或活塞窜向气缸，增加耗油量。 3 ) 、进排气管连通 排气管经由旁通管路和旁通阀门与进气管连接。调节时，只需打开旁通阀， 排出的气体便又回入进气管路中。按照旁通阀们开关的方式不同，旁通调节又可 分为节流连通和自由连通。 ( 1 ) 节流连通 调节时阀门根据需要调节的气量开至适当程度，让一部份气体通过旁路阀节 流后进入进气管路，属于连续调节。这种调节的优点是结构简单，气量可以连续 变化；但是回流的部份气体经过压缩，功耗太多，经济性差。所以这种方式只适 用于偶尔调节和调节幅度较小的场合。 ( 2 ) 自由连通 调节时旁路阀门完全打开，压缩机排出的气体可自由的仅克服连通管路 及旁通阀阻力流入排气管路。为防止管系中原有的高压气体倒流进进气管， 故在旁通管路之后的排气管路上应安装逆止阀。自由连通只能得到问断调节，调 节机构也很简单，且调节的经济性比较好，适用于大型压缩机启动释荷。 1 2 3 余隙调节 压缩机气缸上，除固有的余隙容积外，还设有一定的空腔。调节时，接入气 缸工作腔，使余隙增大，从而降低了容积系数，减小了排气量，这些空腔称为补 充余隙容积。补充余隙容积分为固定容积式( 通过余隙阀与气缸相连) 及可变容 积式两种。由于补充余隙容积调节需要改造气缸，而且会造成比功率的上升，所 以一般在大型压缩机组不宜采用。其示功图如图1 2 所示( 圪为余隙容积) 。 浙江大学硕士学位论文 一 - p 。?薯。沟： - i t 、 l - i “ _ - 一- 0i = 一o i 一、v c r攀灌羹 譬，。“、一一 1 ： j ”1 _ 。1 = 1 。一 ? w 一 。岔p 已 7 ： u 。1 图1 2 补充余隙容积调节示功图 1 2 4 压开吸气阀调节 压开吸气阀调节可以分为两种方式：全行程压开吸气阀调节与部分行程压开 吸气阀调节。 1 ) 、全行程压开吸气阀 调节时，在全部行程中吸气阀始终处于强制压开状态，吸进的气体全部自吸 气阀回流出去，故排气量为零，常用于压缩机空负荷启动。 压开吸气阀时，压缩机属于空运行状态，其示功图由图1 3 所示8 1 ，因为仅 需克服压开吸气阀阻力造成的功耗，故调节的经济性比较好。但是由于属于间断 调节，造成整个气路的压力波动较大。 p 图1 3 全行程压开吸气阀调节示功图 浙江大学硕士学位论文 2 ) 、部分行程压开吸气阀调节 当进气行程结束时，迸气阀仍被强制顶开，在进入压缩行程后，气体从气缸 中返回进气管路，但到一定时候强制作用取消，吸气阀关闭，在剩余行程中气体 受到压缩并排出。按照吸气阀在压缩行程中压开时间的长短，可以得到连续的调 节。由于每个循环都发生回流，因此整个管网的压力不会波动太大。其示功图如 1 4 所示。 图1 4 部分行程压开吸气阀调节示功图 顶开进气阀的活塞压缩机排气量无级调节技术可以很好地满足上述排气量 可调的一般要求，而且其卓越的节能效果，在众多调节方法中显得特别突出。是 目前活塞式压缩机排气量调节的发展趋势。 1 3 国内外压缩机气量调节研究动向 早在上个世纪3 0 年代，人们就已经发现了通过延迟关闭气阀可以调节压缩 机的排气量。上世纪八、九十年代【i 界上普遍应用的是被动式顶开进气阀气量调 节系统，它以成本低，能够在一定范围内( 5 0 1 0 0 ) 调节气量的特点，受到 石油和天然气企业的欢迎。但从上世纪末本世纪初开始，世界原油日趋紧张，石 化行业炼油厂的原油来源也不断更换，要求流程工艺用压缩机能够在更大范围内 调节气量。所以主动式顶开进气阀气量调节系统的研究愈来愈得到重视，全量程 浙江大学硕士学位论文 气量调节装置也愈来愈受到石化企业的青睐。 目前，最为成熟的技术是著名气阀厂商贺尔碧格在1 9 9 7 年开发成功的采用 电磁阀和液压系统的气量无级调节技术【1 1 1 2 1 1 3 9 1 。该技术中最核心的是三个部分， 即电磁控制阀、液压系统及机械执行机构( 如图1 5 所示) ，其中电磁阀和液压 系统是最重要的。该系统的主要工作原理是计算机实时处理压缩机运行过程中的 状态数据，并将信号反馈至执行机构的电子模块，通过液压传动来控制气阀的开 启与关闭时间，实现压缩机排气量0 - 1 0 0 全量程范围无级调节。由于吸气阀的 延迟关闭，可以使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管，循环周期里只 压缩了需要压缩的气量，从而大大节省了压缩机能耗，降低了压缩机运行期的总 费用。液压气量调节系统如下：( 图1 6 以二级压缩机为例) 。 图1 5h y d r o c o m 系统核心机构 浙江大学硕士学位论文 图1 6 液压气量调节系统图 压缩机的任一工艺参数( 如排气量，排气压力，进气压力等) 可被选为控制 变量，其数值经d c s p l c 或h g 控制器转化成标准的4 2 0 m a 电流信号( 对应 0 - - 1 0 0 排气量) 传递到接口控制中枢c i u 中，c i u 比较所要求的设定值，计算 出吸气阀延迟关闭的时间及此时的对应活塞位置；同时t d c 传感器通过探测飞 轮上的特定标识，经c i u 推断出气缸中的实际活塞位置。通过对这两信号的比 较，来指令执行机构连同卸荷器的运作( 液压装置提供所需要的液压源) ，使吸 气阀的启闭始终处于有效的控制状态，从而无需停机就能快速平衡后续工艺对排 气量的不同要求。近三年，国内在中石化天津炼油厂和燕山炼油厂已安装了两套 贺尔碧格的气量调节系统h y d r o c o m ，节能效果十分明显。 国内这方面的研究开展得较晚。浙江大学化工机械研究所受镇海炼油厂委 托，为该厂开发了部分行程压开吸气阀无级调节系统【l ，本系统在镇海炼化二 重整车间的2 d 一2 0 9 2 1 1 5 1 b x 型氢气压缩机上进行了安装调试，随着排气 量的下降，功率也随之下降，而作为衡量节能效果的比功率几乎保持定值，经长 期运行，节能效果非常显著。图1 7 为该系统的现场图。 9 浙江大学硕士学位论文 图1 7 无级可调气阀现场图 在此基础上浙江大学化工机械研究所在2 0 0 4 年与温州建庆实业有限公司、 镇海炼化合作开发压缩机排气量全量程无级调节系统，在实验室初步实现了气量 无级调节。部分行程压开吸气阀无级调节和全量程压开进气阀无级调节方法比较 如下( 图1 7 是两种调节方法的原理图) ： 1 ) 、部分行程压开吸气阀无级调节系统【1 1 】【1 2 】 该调节方式中，卸荷力f ，是大小可调的外加力，它一直作用在压叉上；而 气体力则随气缸内压力动态改变。因此，当r = o 时，压缩机全负荷工作；当 f 。 卜、所 - d 二 j 。一。 ? _ ：。 矿：、i o 彳。u _ ： 矽 、 一i 囊r _ 二o 一 i 。 进气系数的定义式可写成 = 鲁= 专号茜 其帱积系孰九= 鲁= 半小等 z ，2 k ”= p 1 ( v o + k ) ” 晔惝一 将式( 2 7 ) 代入( 2 6 ) ，则得 - = 一鲁 尝 去一t 1 = 一c s 去一， 其中 。= 鲁一相对余隙容积 铲鲁一微蜊b 从容积系数的推导中可以看到影响l 的因素有： ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 1 7 浙江大学硕士学位论文 ( i ) 相对余隙容积。当s 、r l l 一定时，丑随a 的增加而减小。为提高容积效 率，设计时应尽量减小余隙容积。 ( 2 ) 压力比。当1 1 1 、a 一定时，压力比s 增加，则容积系数凡值减小。为 了提高容积系数，当压力比变化时，要严格控制在允许的范围。 ( 3 ) 膨胀指数1 i - 1 。当a 、s 一定时，m 越大，则凡越大。因为r l l 越大，气 体膨胀线越陡直，气体膨胀后占据的容积越小，故几越大。热交换作为影响膨 胀指数的主要因素起决定作用，另外气体的泄漏也影响m 的大小。 考虑到回流过程的影响，将实际压缩容积矿矗代入到式( 2 8 ) 得容积系数为： 一兹v l _ 1 ) - 1 _ 专( 正1 1 h i s 吣击_ 1 ) ( 2 _ 9 ) s “ 则l 是压开时间f 的函数。 2 2 3 回流过程对压力系数的影u 向1 4 1 1 6 】1 2 1 】 ( 2 1 0 ) 由点a 至点1 压缩过程可得 吲半，= 彭= 哔声 陪 又因 将其代入( 2 一1 1 ) n 得 将式( 2 - 1 0 ) 代入( 2 - 1 2 ) 可得 圪蜘哪删= 半 一等击= 口均 川w 击= 于是 因为在压缩的初始阶段n k ， ( 2 1 3 ) 且e = 3 4 、a = o 1 、 1 8 黼善k 蝴 无行进来机缩压 塑翌查兰堡主兰垡堡苎 a 卢( o 8 o 9 ) ，式( 2 1 3 ) 可近似写成k = l 一等。鲁 ( 2 。1 4 ) 影响2 p 的因素有：( 1 ) 气阀弹簧力；( 2 ) 进气管中的压力波动。一般情况 下，对于进气压力等于或接近大气压力的第一级，取砧= o 9 5 o 9 8 ，弹簧力较强、 气阀流通面积较小时偏于下限；其余各级进气压力逐级提高，故p p ，值也逐级 提高，则6 = 0 9 8 1 ；高压级的如值可近似认为是1 。 考虑到回流过程的影响，活塞开始压缩时，气阀被强制顶开，空气通过进气 阀被排到气缸外，这个过程可以看成排气过程。回流结束时的压力可以根据实际 排气压力公式计算 p = # ( 1 + 屯) ( 2 1 5 ) 相对压力损失j 一般通过查文献【2 l l 中图得到。需要注意的是j 根据空气以及 密度接近于空气的气体，在活塞平均线速度为3 s m s 的机器绘制出的。当应用 于别的气体及别的活塞平均速度时，应考虑修正如下： 也= 6 岛) 2 唔声 ( 2 _ 1 6 ) 压开时间t 内，实际活塞平均线速度g 计算如下： c m ：s _ - x ( 2 - 1 7 ) 以上玉修正排气过程的相对压力损失： g r _ 一实际活塞平均线速度； 卜活塞行程； p 、口l 一空气及所压缩气体密度。 因此，考虑回流过程时，将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 4 ) 得： 九p = 去= ( 1 + f i d ) ( 2 1 8 ) 则l 是压开时间t 的函数。 2 2 4 回流过程对温度系数的影晌川6 1 口1 1 温度系数表示气体在进气过程中热交换对气缸行程容积利用程度的影响。它 1 9 浙江大学硕士学位论文 的大小取决于进气过程中加给气体的热量，进入气缸中的气体吸热越多，则如 值越小，反之则) - r 越大。因此讨论如首先需要分析热交换。 使气体加热的热源有两个： ( 1 ) 具有较高温度的进气腔及进气通道壁面、气阀通道表面、气缸壁面及 活塞顶端面； ( 2 ) 进气过程中由于压力损失所消耗的功转变为热量传给气体。 影响如的因素有很多，主要考虑一下几个因素： ( 1 ) 对于导热性良好的气体会促进热交换的进行，故打值略低； ( 2 ) 压缩机压力比较高时，相应的排气量温度就高，导致缸壁与新鲜气体 间有较高的温差，故热交换强烈使抽值偏低； ( 3 ) 气缸冷却状况良，尤其是进气腔附近冷却好，就会使缸壁、阀腔壁温 度偏低，传给气体的热量就少，则b 高； ( 4 ) 高转速的压缩机由于转速高，使得热交换不充分，所以b 值高： ( 5 ) 气缸的结构尺寸也影响热交换。活塞行程s 与气缸直径d 之比s d 值 一定是，气缸直径d 越大，则打越大。 由于影响打的因素较多，目前没有精确的计算公式定量的表明这些因素问 的关系，一般建议用文献 2 1 关系图查取 r 值。该图是按温度系数z ，与压力比s 的关系制成。 从以上几个因素看出，回流过程对温度系数的影响较小，可认为无级调节前 后温度系数不变。 2 3 压缩机变工况热力计掣1 8 1 1 1 9 1 压缩机的热力计算有两种类型：一种是根据要求的排气量、排气压力，以及 已知的进气压力、温度、湿度，确定压缩机的级数、各级压力比分配、气缸工作 容积、功率和效率，同时验算各级的排气温度；并且根据压缩机选定的结构型式、 转速、行程或活塞平均速度，进步确定气缸直径。这种计算称为正常工况计算。 另一种是已知一台压缩机的级数、各级工作容积，求在给定的进、排气压力及进 气温度下，各级压力比的分配、排气量及功率。这一种计算称为变工况计算。 浙江大学硕士学位论文 2 3 1 排气量与气缸行程容积的关系4 i 1 2 1 1 压缩机的排气量，通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的气体，换算到 第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值。排气量的计算公式如下： q 0 = 协q 百e 4 万r , 云z , + g + q o ( 2 _ 1 9 ) 式中q r 末级排除的气体容积； n 、乃及p 卜乃所测幽时的压力和温度以及第一级进口状态的压力和温度； 乃、历目应于p j 、乃及乃、乃时的压缩性系数： 绋一分离的水分换算到第一级进口状态的容积； g r 中途清除掉的气体换算到第一级进口状态的容积，若为中途 加进的气体，则应折算后以负值代入。 影响压缩机排气量的因素有：进气系数、泄漏系数、析水系数、净化系数等。 对于实际气体，换算时还应顾及气体压缩因子的影响。 1 ) 、排气量与第一级气缸行程容积的关系 按照排气量的概念，气体从第一级吸进到最终排出，要是中途不存在任何气 量损失，那么排气量等于进气量。实际上确存在泄漏，则在一转之中排出的气量 总比吸进的气量以少，即 屹2 ，( m j ) ( 2 - 2 0 ) 式中a ，广一泄漏系数 考虑到进气量k 与气缸行程容积圪，的关系 k 。2 凡。九。，圪。 ( m )( 2 2 1 ) 当压缩机每分钟转速为r i 时，则排气量 q 0 2 凡九1 l l k l n ( m 。r a i n ) ( 2 2 2 ) 2 ) 、多级压缩机中，任意一级气缸行程容积与排气量的关系 多级压缩机中，当把排气量换算到各级进气状态之后，对任意一级气缸行程 容积也可以写出式( 2 2 2 ) 相类似的关系式。但换算时不但要考虑压力与温度的影 响。而且要考虑在该级之前的中间冷却器中因水分析出和气体净化对其吸入容积 的相对变化。若分别用析水系数厶和净化系数l 表示之，并用角标j 表示任意 浙江大学硕士学位论文 一级的缴次，则： q 0 鲁事九，= 九k h 九n ( 2 - 2 3 ) 因此第j 级行程容积 恸芎暑热吉c 矗， p 2 。， 当要考虑气体的压缩性因素时，应按照下式计算： 嘲暑詈拣云吉 p 2 s ， 式中z l 、黟一1 级和j 级气体在p 卜乃及b 、乃时的压缩性系数； 由此可知，任意一级的析水系数幻表示该级前所有的冷却器中因水分析出 而引起该级进气量的相对减少；任意一级的进化系数b 是表示该级前由于气体 净化( 或加入) 所引起该级进气量的相对减少( 或是相对增大) ；任意一级的泄 漏系数表示补偿该级以及该级之后的有关级，因气体泄漏所需该气体吸进量的相 对增大。 2 3 2 多级压缩机级问压力的复算h l 多级压缩机末级以前各级的排气压力称为级间压力，前一级的排气压力就是 下一级进气压力。活塞式压缩机中级间压力变化往往是系统气量供求变化的反 映。容积式压缩机排气压力的高低并不取决于压缩机本身，而是由压缩机排气系 统内的气体压力，即所谓的“背压”决定，而排气系统内的气体压力，又取决于 压缩机对排气系统输入的气体量与从排气系统向用户输出的气体量之间的平衡 关系供求平衡关系。若排气系统中的输入与输出的气量相等，则“背压”就稳 定在某一数值上，压缩机也就在某个稳定的排气压力下工作；若排气系统中输入 大于输出气体量，即“供大于求”，系统内的气体量就不断增加，“背压”便不断 提高，于是压缩机的排气压力也相应提高；反之若“供不应求”，则系统内的气 体量逐渐减少，“背压”就降低，于是排气压力相应降低，直到在新的压力下达 到新的供求平衡。 多级压缩机的级间压力也服从上述规律，压缩机的设计，就是按照前一级排 2 2 浙江大学硕士学位论文 出的气体在某一特定压力和温度下为后一级全部吸进的原则来确定后一级气缸 行程容积的。因此对于任何一台压缩机，若压缩机运行中前一级排出的气量改变， 或者后一级所能吸进的气量改变，都会引起级间压力的改变。但是，如果这两个 气量同时改变，且变化的数值也相等，则它们之间的级问压力不变。 由式( 2 2 5 ) 可写出两相邻级的气缸行程容积的关系如下： 专等籍丢t 警等毒专陋z s ， 由式( 2 2 6 ) 女h ，只要改变等号右边每一项比值，就会引起级间压力改变，或 者说相邻的气缸气量供求关系的改变，最终反映到级间压力的改变。 对于z 级压缩机，己知各级行程容积确，、圪? p k 、p k ，进气压力尸j ， 进气温度乃，排气压力p d ，求各级间压力。根据压缩机各级的行程容积和排气 量的关系阻及压缩机前一级排出的气体在某一特定压力和温度下为后一级全部 吸