第7章 空气压缩设备.doc

第七章 空气压缩设备（Compressor）应用：压缩空气作为动力气源广泛用于采矿、石油、化工、轻纺和建筑等行业中，主要用于驱动凿岩机、风镐等风动工具和喷浆机、气动装岩机等风动机械。优、缺点：压缩空气作为动力的成本很高，系统总效率还不到3040，但与电力相比。气动机械不会产生电火花，因而特别适用于含有瓦斯和爆炸性粉尘的场所(如含瓦斯矿井)。此外，气动机械的过载性能远比电力的好，特别适合负荷变化大、冲击强度高的机械。主要内容：生产压缩空气的机器称为空气压缩机(简称空压机)。空压机与一些辅助装置(如空气过滤器、储气罐(或风包)、冷却装置等)共同构成空气压缩设备。本章主要介绍活塞式空压机的工作理论。第一节 概 述一、空气压缩设备的构成图7-1所示为矿井空气压缩设备系统简图。电动机l2带动空压机工作后，外部空气从进气管1进入空气过滤器2过滤后进入空压机的第一级压缩气缸(低压缸)4。被压缩后的空气经过中间冷却器5后进入空压机的第二级压缩气缸(高压缸)6再次被压缩，出来的高压高温空气经过后冷却器7冷却后进入风包9，最后通过风包9上的压气管10将压缩空气送至用气点。以上即为空气被压缩和输送的全过程。所包含的设备都有各自的作用。此外，为使设备安全、正常运转，系统中还包括如调节阀3、安全阀门等元件。二、空压机的分类空压机的种类很多，按工作原理和结构形式不同可进行如下分类：工程中广泛使用的是活塞式空压机（reciprocating air compressor）。常用的活塞式空压机按结构特点可分类如下：(1)按气缸中心线相对位置，可分为立式【图7-2(a)】、卧式【图7-2(d)】和角式【图7-2(b)V形、图72(e)L形】。(2)按空气被压缩的次数，可分为单级压缩、两级压缩和多级压缩。(3)按活塞在气缸内往复一次气缸吸气的次数、可分为单作用式【图7-2(a)、(b)】和双作用式【图72(c)、(d)、(e)】。(4)按冷却方式，可分为水冷式和风冷式。(5)按润滑方式，可分为无油润滑空压机和有油润滑空压机。目前应用最多的大型空压机是L形双作用两级水冷活塞式有油润滑空压机。本章只就这种空压机进行介绍。第二节 活塞式空压机的工作理论一、活塞式空压机的工作原理在活塞式空压机中，气体依靠在气缸内作往复运动的活塞来进行压缩。图7-3所示为单级单作用往复式空压机的工作简图，活塞式空压机的主要组成部分是气缸6、带有密封环的活塞5、吸气阀7、排气阀8、十字头3、连扦2和曲轴1。当电动机带动曲轴以一定的转速旋转时，通过连杆和十字头把旋转运动变为活塞在缸内的往复运动。当活塞向右移动时，气缸左端的容积增大，压力下降，当压力略低于吸入气体的压力时，吸气阀7被打开，吸气管中的气体进入气缸1内，这个过程称为吸气过程。当活塞返回向左移动时，吸人入体在气缸内被活塞压缩，这个过程称为压缩过程。当气缸内的气体压力增加到稍大于排气管压力后，排气阀8即被打开，压缩空气被排入排气管内，这个过程称为排气过程。至此，已完成了一个工作循环，活塞再继续运动，上述工作循环将周而复始地进行，实现连续产生压缩气体的目的。二、活塞式空压机的工作过程下面来分析单级往复空压机的理论工作过程。为便于理解，分析中利用了如下假定条件：(1)在吸气过程中，气缸内气体的状态不变；(2)气缸内被压缩的气体全部被排出(即空压机气缸没有余隙容积)；(3)在排气过程中，排入排气管内的压缩空气状态保持不变；(4)空压机内没有能量损失和漏气损失，吸、排气阀无阻力。根据这几个假定条件，我们来研究气缸内压力和容积的变化关系。以气缸的容积为横坐标，缸内气体的压强为纵坐标，在以上假设条件下，空压机一个循环可绘制出由4条过程线组成的图，称为理论循环示功图，简称示功图，如图7-3所示。直线41表示空压机的吸气过程；曲线12表示气体的压缩过程；直线23表示压缩气体的排气过程；直线34表示排气终了和吸气初缸内压力的变化。每一个工作循环消耗的总功，它等于吸气功、压缩功和排气功的代数和。热力学第一定律：系统从外界吸热的速率与系统对外界做功的速率之差等于系统能量的变化率。其数学表达式为：式中，为单位时间内控制体系统由外界吸入的热量(吸热速率)，单位为或，并规定系统从外界吸热时为正，向外界放热时为负；为单位时间内控制体系统对外界所做的功(做功功率)，单位为，并规定系统对外做功时为正，外界对系统做功时为负；E为控制体系统的瞬时能量，单位为。按照热力学的规定：吸气功为正值，而压缩功和排气功都是负值。但是为了用正值代表整个循环所消耗的功，我们在这里把压缩功和排气功作为正值，把吸气功作为负值，这样根据图可得，每一个工作循环消耗的总功： (7-1)式中：和吸气和排气时气体的绝对压强，Pa；和吸气和排气时气体的容积，。从上式可见，的表达式为图上面积1234的求积式，这说明图上的面积决定着消耗功的大小，因此也可以用面积来表示一个工作循环的总功。在图7-3中：即面积1234代表了空压机主轴旋转一周所消耗的功。理论的压缩过程可能是等温过程（isothermal compression process）和绝热过程（adiabatic绝热的/isentropic compression process，等熵压缩过程：被压缩气体与外界没有热交换，没有损失的理想可逆的压缩过程）。在等温过程中，为了保持温度不变，就得采用十分有效的冷却方法，以便把相当于压缩功的热量全部带走。在绝热压缩时，既不向气缸内加入热量，也不从其中放出热量，这样的过程必须在绝热的气缸中进行，实际上压缩过程既非绝热，又非等温，而是介于两者之间的多变过程（polytropic compression process）。现将这三种不同压缩过程消耗的理论功进行讨论。1、等温压缩时的理论工作循环在等温压缩过程中，温度T常数，即有：或故压缩功为：因此，等温压缩时空压机一个工作循环的理论功为： (7-2)由此可见，等温压缩时的理论循环功就等于压缩过程功。实现空压机等温压缩的条件，取决于对气缸的冷却。需要把缸内空气压缩时所产生的全部热量通过缸壁传热被冷却水带走。2、绝热压缩时的理论工作循环在绝热压缩过程中，气体过程方程为： (7-3)故压缩功为：因此，绝热压缩时空压机循环总功为： (7-4)依据理想气体状态方程与式(7-3)联立得出下列一组公式： (7-5)因为绝热压缩过程中，气缸内空气同外界没有热量交换，故所消耗的机械功全部用以增加气体的内能，使空气的温度升高。3、多变压缩时的工作循环在多变压缩过程中，气体的过程方程可表示为：式中：多变指数，在空压机中。显然，多变压缩过程的状态变化规律，决定于指数值，而且可以把等温和绝热过程视为多变过程的一个特殊过程，因为：当时，即为等温过程；当时，即为绝热过程。因而可把作为各种气体状态变化过程的通用式。多变压缩过程与绝热压缩过程只是指数与取值不同。因此，上述绝热压缩过程的所有计算公式，完全可用于多变压缩，只须将式中的指数换成即可，因此，多变压缩的循环功可写成： (7-6)以及 (7-7)4、三种压缩过程循环功的比较在图上，对1kg空气，在相同的吸气终了状态下，按照不同规律(等温、绝热、多变)压缩至同一终了压力，把它们的理论示功图画在一起，如图7-4所示。图中曲线，依次为等温压缩线、的多变压缩线及绝热压缩线。比较不同压缩规律所消耗的循环功(用图中面积表示)显然不一样，等温压缩时消耗功最小(面积1234)，绝热压缩消耗功最大(面积)，而多变压缩介于两者之间(面积)。因此等温压缩是最理想的压缩过程。它的功耗最小，并且它还有另一优点，就是在全部压缩过程中，气缸内气体温度永远等于吸入气体的温度；在绝热过程中，压缩气体的温度较吸入气体的温度超出很多，这就会严重影响空压机的润滑。例7-1 空气的初压力，终压力（均是绝对压强），空气的初始温度，试求空气按照等温、绝热和多变压缩时的终温度和理论循环功。多变指数。解：在等温压缩时：或按式(7-2)求得空气的等温压缩功为：在绝热压缩时、按式(7-5)求得终了温度：而空气的绝热压缩功，按式(7-4)求得：在多变过程时：三、活塞式空压机的实际工作循环在空压机的实际工作过程中，存在着所谓余隙容积，它是活塞到达到死点位置时，活塞的外端顶与气缸盖之间的剩余容积和气缸与气阀连接通道的容积之和。气缸中必须有余隙、以避免曲轴连杆机构变热膨胀延伸时，活塞撞击气缸盖而引起事故。在无余隙的理想压气中，进气是从活塞死点就开始的。气缸有余隙容积后，如图7-5所示，由于在排气过程23中没有把压缩气体排完，尚有容积为、压力为的气体残留在余隙容积内，因此在吸气行程开始时，这部分气体首先膨胀，共压力从逐渐降低。只有当气缸内的压力低于进气管内压力时，吸气阀才能打开，曲线34表示余隙容积中压缩空气的膨胀过程，实际进气是从点4开始的，所以吸气线41是整个活塞行程的一部分。余隙容积的存在，使空压机实际的吸人容积小于活塞行程容积，因为压缩残留气体所有消耗的功，在膨胀时可以收回来，所以在理论上余隙容积不影响空压机的耗功量。图7-6所示是有余隙容积的空压机的理论示功图(虚线表示)和实际示功图。现我们来分析实际工作中，在压缩、排气、膨胀和吸气四个过程中的空气状态。1、实际压缩过程当活塞由内止点向外止点移动时，空气被压缩，容积逐渐缩小，压力不断升高，此时空气状态沿曲线变化，而不是沿12曲线变化，这是受到在气缸内压缩时温度升高而产生热交换的影响造成的，当压力升至排气压力时，由于阀本身具行一定的惯性阻力和弹簧力，排气阀还不能被顶开，活塞还要继续压缩到点，当气缸内压力达到时，排气阀才被顶开。显然，图中压差(即压缩终了缸内空气压力与排气腔压力之差)用以克服排气阀上弹簧力及惯性力所需要的压力。2、实际排气过程排气阀一旦被打开，惯性阻力消失，故气缸内压缩空气压力下降，但仍须保持有一定的压差来克服弹簧力及气流通过气阀缝隙的阻力，以维持排气阀处于开启状态。由于活塞运动速度是变化的，致使排出气体的流速也不均匀，另外、弹簧也有振动，因而造成排气腔气流脉动，所以实际排气过程的压力是波动的。3、实际膨胀过程当排气终了、活塞返回时，排气阀立即关闭。由于缸内残留的空气压力比吸气腔中的空气压力高，故吸气阀暂不打开，这部分高压空气随着活塞运动而膨胀，直至压力降到低于吸气腔的压力时，造成了一个压差()，用来克服吸气阀惯性力及弹簧力，吸气阀方始打开，开始进行吸气。4、实际吸气过程吸气阀打开后，惯性力便消失，压力差很快减少，但是吸气过程线始终低于大气压力线，原因是需保持一定的压差以克服弹簧力和吸气管、滤风器、减荷阀、吸气阀的阻力，吸气过程末期，由于活塞线速度减慢，气流速度也随之降低，于是缸内空气压力回升，直到压差减小到不能克服弹簧力时，吸气阀就立即关闭，吸气过程结束，下个循环又重复进行，空压机的实际示功图可以在空压机运转时用示功器画出。四、活塞式空压机的排气量活塞式空压机的理论排气量：即每分钟所吸入的气体体积量，可按活塞的行程容积求得。对于单作用气缸： (7-8)对于双作用气缸： (7-9)式中：活塞行程容积，；活塞面积，；活塞杆面积，；活塞行程，m；主轴转速，。由于各种因素的影响，空压机的实际排气量总是小于理论排气量，这些影响因素是：(1)余隙容积的影响，如前所述，余隙容积内残留气体的膨胀，使吸气量(图7-5)减小，用容积系数来表示这一影响。容积系数，其值一般为0.820.92，值随压缩比值的增大而减小。(2)吸气压力的影响，因为吸气时克服阻力损失而使吸气压力降低。气体比容增大，所以空压机的实际排气量减小。(3)吸气温度的影响，在吸气时，气体与热的阀和气缸壁接触而被加热，因而比容增大，使空压机的排气量减小。(4)气体湿度的影响，一般气体中都含有一部分水蒸气，因而降低了空压机的实际排气量。(5)漏气的影响，由于空压机的密封部分(如填料箱、阀、活塞环等)不严，会产生漏气现象，这种影响与空压机的装配精度有关。后四种影响可用一系数来表示，通常叫做吸气有效系数，它与压缩比有关，其值可按下式近似计算或用图7-7吸气有效系数与压缩比的关系式求得： (7-10)式中：压缩比。容积系数与吸气有效系数的乘积叫做排气量系数，它表示了实际排气量与理论排气量之比： (7-11)所以，实际排气量为： (7-12)排气量系数之值一般为0.750.9，小型空压机的值较小。上述公式所求得的排气量，是表示在吸气状态下，空压机的体积排量。在实际工作中，由于空压机的吸气状态各有不同，还需换算成标准状态下(，)的排气量。例7-2 试求某单缸双作用空压机的排气量，空压机的气缸直径200 mm，活塞行程250mm。活塞杆直径35mm，转速，压缩比4.5，空压机的容积系数为0.794。解：空压机的理论排气量为：吸气有效系数由图7-7查得，当时，0.91。所以，排气量系数：实际排气量：五、活塞式空压机的功率和效率六、两级压缩如要获得较高压力的压缩气体，若采用单级压缩是非常不利的。一方面由图7-7可知，有效排气系数是随着压缩比的增大而减小，在极限情况下，残留在余隙容积内的气体压力可能在吸气终了时才达到和进气压力相等。在这种情况下，将没有吸气的可能性。即，空压机的排气系数，因而也没有压缩空气排出。图7-9就表示了在上述情况下，单级压缩的限度。从图上可以清楚地看到气体只在气缸中做压缩膨胀压缩的循环，空压机完全没有吸气和排气的过程。另一方面，采用单级压缩时，如果压缩比过大，则压缩后温度太高，润滑油粘度降低，增加了摩擦，高温高压时润滑油氧化容易产生积炭，严重时可能会引起气缸内的润滑油燃烧。空压机一般使用13号或19号压缩机油，按国际标准(SYBl21660S)规定，HS-13润滑油的闪点温度不超过，HS-19号的闪点温度不超过240。因此，通常要规定空压机的最高允许温度。如煤矿安全生产规程规定：“空压机的排气温度。单缸不超过190，双缸不超过160。”为了满足温度要求，如果初始温度20，则按式(7-5)绝热压缩过程计算的最大压缩比是： 由此可见，要得到较高的终压力，必然要采取两级或多级压缩才能达到要求。采用两级或多级压缩后，可以克服上述缺点。图7-10所示是空压机两级压缩简图，将气体在低压气缸中压缩到某一中间压力，将气体排出，经过冷却使气体的温度降低到一定程度，然后再进入高压缸中被压缩到所需的压力。图7-11所示是理想的两级压缩的示功图。如为理想的等温过程，则依曲线13和35进行压缩。但实际上压缩是多变的，直线01表示低压级内气体的吸入，多变线12表示此级内的压缩。水平线23表示被压至某一中间压力的气体排入冷却器的过程。在级间冷却器中气体被冷却至一定温度。为了使压力不减少，则它的容积减少了。直线表示高压气缸的吸人过程，在高压缸内再次依多变线34进行压缩，水平线47表示被压缩至终压力的气体自高压缸排向风包的排出过程。于是折线1234即表示具有级间冷却的两级压气机的压缩过程。如果没有级间冷却器，多变压缩过程为曲线126，这样便失去分级的意义。从图中可见，