第二章 容积式压缩机_2.ppt

容积式压缩机 机械设备 第2章容积式压缩机 往复式压缩机基本构成和工作过程 2 1 往复式压缩机的热力性能及动力性能 2 2 往复式压缩机的气阀与密封 2 3 往复式压缩机的调节与控制 2 4 往复式压缩机的选型与结构实例 2 5 菜单 2 6 回转式压缩机 1 级的理论循环吸气量 理论循环指示功 计算 2 级的实际循环实际吸气量 实际循环指示功 计算参考书 1 工程热力学 2 活塞式压缩机 西安交通大学郁永章 2 1 2压缩机级的工作过程 2 1 2压缩机级的理论循环 假设 工作腔内无余隙容积 汽缸内气体全部排净 气体通过进 排气阀时无压力损失 且没有压力波动 无热交换 吸气和排气为定值 压缩过程和排气过程气体无泄漏 压缩气体为理想气体 压缩过程指数为定值 压缩过程为等温或绝热过程 满足上述四点要求即为理论循环 菜单 压缩机级的理论循环 吸气 压缩 排气 为一个级的理论循环 压缩机在一个循环中所经历的4 1 2 3 4过程称为一个理论工作循环 只有压缩过程是真正的热力学过程 压缩机级的理论循环 内止点 下止点 活塞运动到达接近主轴侧的极限位置外止点 上止点 活塞运动到达远离主轴侧的极限位置进程 由内止点向外止点运动回程 由外止点向内止点运动行程 活塞由一个止点到另外一个止点所走的距离 S 活塞行程S S 2r 曲柄半径r 外止点 内止点 压缩过程 吸气过程 7 压缩过程是一定量气体的热力过程 压缩线决定于过程指数m 压缩机级的理论循环 线 活塞压缩机中 压缩机级的理论循环 1 理论进气量活塞直径D 活塞行程S S 2r 曲柄半径r 活塞行程容积 Vs进气容积 V1一个理论循环的进气量 V1 Vs Ap SAp 活塞面积 S D 压缩机级的理论循环 V1 Vh Ap S 单作用气缸 双作用气缸 理论进气量 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 2 理论压缩循环指示功等温过程 等熵过程 绝热过程 多变过程 依据热力学第一定律 理论循环指示功Wi进气过程功 p1V1排气过程功 p2V2压缩过程功 功的符号定义 活塞对气体做功为正 如压缩 排气过程 理论循环指示功Wi压缩为正功 P V图称为示功图 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 循环指示功Wi wi 等温过程的指示功 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 wi 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 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 wi 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 1 m k 三种压缩过程理论功比较 等温压缩过程用功最少 强制冷却 保持气体温度不变 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 为什么要对压缩机的汽缸进行冷却 Wi 压缩机汽缸采用水冷或风冷目的之一 使压缩过程趋近于等温过程 耗功最小 2 1 3压缩机级的实际循环 实际循环与理论循环的差别 1 存在余隙容积 使压力指示图出现膨胀过程 活塞在止点时无法到达的气缸剩余容积 余隙容积 Vc 余隙容积由三部分组成 气缸盖端面与活塞端面所留必要的安全间隙而形成的容积 进气 排气阀与气缸相联通部分的容积 第一道活塞环到活塞顶部在活塞与气缸的径向间隙间形成的环状容积 余隙容积大小 活塞端面与汽缸盖的间隙Vc1 2 3mm 活塞侧面与第一道活塞环之间Vc2 0 5 1mm 余隙容积的影响 余隙容积存在使得吸气过程推迟 吸气量减少 因而压缩机的排气量减少 压缩机的生产能力下降 压缩机对余隙容积内的气体做无用功 机器的效率下降 余隙容积不能过小 否则会发生活塞与汽缸盖相撞的事故 影响压缩机的安全运行 ps pi Fs 2 进 排气通道及气阀具有阻力 ps p1 pd p2 实际吸气压力低于名义吸气压力实际排气压力高于名义排气压力 实际压缩比大于名义压缩比 实际循环与理论循环的差别 实际进气过程是由d点而不是4点开始 整个进气过程中气缸内的实际压力一般也都低于进气管道中的名义进气压力p1 排气过程自b点开始实际排气压力也高于排气管中名义的压力p2 3 实际吸 排气过程呈波浪线 实际循环与理论循环的差别 吸入过程中气体一般比壁面温度低 因此气体会被加热 排出过程中气体一般会比壁面温度高 因此气体会放出热量 4 实际压缩和膨胀过程线并非定值 在膨胀和压缩过程中 因为气体与气缸壁之间存在热交换 使得压缩过程指数与膨胀过程指数不断变化 并非常数 5 存在泄漏 吸气管道 缸盖 吸气阀 气缸 排气阀 缸盖 排气管道 压缩机中气体流程为 气缸容积不可能绝对密封 气缸的工作腔部分依靠气阀与进 排气系统相隔离 依靠活塞环等零件来密封活塞与气缸的间隙 依靠填料来密封活塞杆与气缸座的间隙 这些部位不能做到完全密封 因此必然有气体自高压区向低压区泄漏 由于泄漏 压缩和膨胀过程便会变得比较平坦 实际过程与理论过程的区别及引起后果 由于余隙容积的存在 实际工作循环由膨胀 吸气 压缩 排气四个过程组成 而理论循环无膨胀过程 实际吸 排气过程中存在阻力损失 使实际气缸内吸气压力小于吸入管路内气压 实际气缸内排气压力高于排出管路内气压 吸 排气过程中有压力波动 温度变化 在膨胀和压缩过程中 因为气体与气缸壁之间存在热交换 使得压缩过程指数与膨胀过程指数不断变化 并非常数 压缩机工作过程中活塞环 填料 气阀不可避免存在泄露 使指示功图面积变小 由于实际循环和理论循环的上述差异 必将影响压缩机各方面的性能 实际循环的吸气量不但受余隙容积中高压气体膨胀的影响 还受进气阻力和进气被加热的影响 实际循环的排气量还受泄漏的影响 后述 2 1 4级的实际循环进气量 1 余隙的影响 余隙存在使得气缸内实际可吸入的气体由Vs减小到Vs1 表示余隙对气缸利用率的影响 级的实际循环进气量 由于进气阻力和压力波动 使进气终了压力降低为pa pa p1 将气缸工作容积内压力为pa的吸气量折合到名义进气压力p1下 则吸气量减少 V2 使得气缸内实际可吸入的气体由Vs减小到Vs2 2 压力的影响 级的实际循环进气量 由于进气被加热 使进气终了温度升高为Ta Ta T1 将温度高于Ta的气体冷却到T1 气缸内实际可吸入的气体由Vs2减小到Vs3 3 温度的影响 级的实际循环进气量 综合上述分析 将受余隙 阻力和加热影响后的气体折合到名义吸气状态 p1 T1 的进气量为Vs3 级的实际循环进气量 称为压力系数 称为温度系数 均是影响吸气量的系数 表示进气阻力对气缸利用率的影响 表示进气被加热对气缸利用率的影响 级的实际循环进气量 1 容积系数 v m 膨胀过程系数 相对余隙 压力比 膨胀过程为一气体热力学过程 影响因素 m 气缸余隙容积的存在使得 v 1 3 13 相对余隙容积 活塞止点间隙活塞环间隙气体通道 阀窝容积 气阀内部容积 1 容积系数 v 压力比 大 残余气体膨胀后所占容积大 v小 极限压力比 残余气体膨胀后占据整个工作容积Vh 压力比对容积系数影响 1 容积系数 v 膨胀过程指数m 在工程中用等端点过程指数代替实际膨胀指数 气放热 气吸热 m 越小 吸热越多 膨胀线平坦 v小 m 越大 膨胀线陡 v大 m 可查表选取 膨胀过程指数对溶剂系数影响 1 容积系数 v 2 压力系数 影响因素 弹簧力 过强则提前关闭 活塞到内止点下降大 吸气终了时状态 与管道及气阀容积有关 换算到 状态体积变小 经验确定 常压进气 以后各段 3 温度系数 缸壁温度约为吸排气温度的平均值 吸入新气从汽缸壁吸收了热量 温度升高 气体比容 折合到标准吸气状态的吸气量就减少 影响因素 气体性质 导热性 缸壁温度 冷却好坏 填填看 1 和影响吸气量 余隙容积 进气阻力 进气温升 2 排气时 气缸内温度比排气管道温度 气缸内压力比排气管道压力 高 高 3 压缩初期 气体温度低于壁温 应为压缩 过程指数n 吸热 k 按等功面积原理 理论吸气压力线P1降低 P1 成为平均实际吸气压力线P1 理论排气压力线P2升高 P2 为平均实际排气压力线P2 实际指示功为abcd图形面积 实际参数 2 1 5实际循环指示功 实际循环的指示功 实际吸入压力与实际排出压力 上式为实际一个气缸所作功 多变指数m 低压级 m 0 95 0 99 k高压级 m k相对压力损失可根据经验图查得 进 排气名义压力表示实际循环指示功 多级压缩是将气体的压缩过程分成若干级 逐级提压 最终达到所需排气压力 工业上压缩级数可达到6 7级以上 多级压缩的级与级之间设有中间冷却器 大型压缩机中冷器多引到室外进行冷却 2 1 6多级压缩 1 多级压缩的优点 1 4为绝热压缩过程线 1 4 为等温压缩过程线 1 2 2 3 3 4 为三级压缩过程线 2 2 和3 3 为等压冷却过程线 省功 降低排气温度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 提高容积系数 容积系数表示有效容积的利用率 第一级的容积系数提高 可以大大减少整机尺寸 降低活塞上的气体力 减轻运动机构及机身零部件机器的效率提高 两级压缩比单级压缩减小活塞力约40 长期连续运转的大中型压缩机 以省功为原则 提高运转经济性 间歇运转及运输用压缩机 以结构紧凑 尺寸小 重量轻为原则 功耗可放于次要地位 通常在温度允许范围内 适当提高压力比 尽量减少级数 级数的选择原则 级数选择 对易燃 易爆气体和无油润滑压缩机 级数选择受温度限制 化工用压缩机 级数应满足工艺要求 选择级数时 可按等温效率与终压关系查取相关图表 等温指示效率 理想等温指示功 实际循环指示功 级数选择 等温指示效率与终压关系曲线 条件 双原子气体 进气压力0 1MPa 一级进气温度300K 第二级以后各级310K 各级压缩为等熵压缩 不考虑温度系数的影响 表2 2为级数与终压的一般关系 级数选择 压力比的分配 以两级压缩为例讨论压力比的分配 前提 功耗最小 基本原则 功耗最小 假设 无压力损失 无泄漏 级间回冷完善 两级压缩过程指数均为 n k 则 两级压缩的理论循环p v图如右 若级间压力为px 则 总压力比 第一级压力比 第二级压力比 两级压缩的理论循环功为 由于T1x T11 由状态方程PV RT可知 p1V1 pxVx 所以 要使功耗最小 可将上式对px求导数 并令其为零 则可求出功耗最小的极值点所对应的px值 求导结果为 即 也即 可以证明 当时 Wi为极小值 由此 可以推出 即 同理 对三级及以上多级压缩 z 同样有 注意 这只是从理论压缩循环且最省功的原则出发得出的结论 实际设计中 压缩比的选取还要考虑其它制约因素 归纳如下 应满足工艺要求 按段分级 例 合成氨生产中的合成气压缩机 工艺要求为 压缩到2 02MPa去水洗塔 再压缩到13 45MPa去铜洗净化 最后压缩到32 1MPa 表压320kgf cm2 入合成塔 大型压缩机将第一级压缩比取低些 有利于增大 V1 确保排气量 可减小机器尺寸 1级缸