上海理工大学工程流体机械第四章容积式压缩机

4容积式压缩机 容积式压缩机通过改变工作腔的容积来提高压力的压缩机 包括往复式和回转式两种 特点 出口压力与流量变化关系不大 工作稳定性较好 压缩机对气体的适应性强 且容易达到较高的压力 级效率较高 级的理论循环指示功 实际指示功 结构较复杂 气体的吸入与排出具有间歇性 压缩机的能耗平均约占工矿企业能耗的20 25 国内的压缩机年平均增长达25 以上国内螺杆压缩机市场规模约占总量的40 左右螺杆空气压缩机占整个容积式空气压缩机系统份额的75 以上 上海市近200家年耗电500万千瓦时以上企业数据统计 空压机系统耗电量平均占到企业用电量的13 85 容积式空压机占空压机总数量的95 其中 螺杆式占79 5 活塞式占13 6 4 1往复压缩机的工作原理4 1 1组成部分 工作腔 气阀 气缸 活塞等 传动部分 曲轴 连杆 十字头 活塞杆等 机身部分 辅助设备 油路 水路 调节系统 4 1 2级的压缩过程与压缩功4 1 2 1压缩机级的理论循环 理论循环的特征 假设 气体通过进 排气阀无压力损失 且进 排气压力保持恒定 无余隙容积 工作腔与外界无热交换 气体压缩过程指数为定值 气体无泄漏 理论工作循环进气过程 气缸压力 进气管道中压力 且为定值 压缩过程 过程指数为定值 排气过程 气缸压力 排气管道中压力 且为定值 理论循环进气量 理论循环指示功循环所消耗外功 设气体对活塞作功为正 活塞对气体作功为负 进气过程功 排出过程功 压缩过程功 总的指示功Wi 理想气体绝热压缩过程 绝热压缩理论循环指示功 过程指数m对压缩机耗功和热量的影响 耗功 m 压缩机耗功 Fig 热量传递 阴影部分为压缩过程的热量交换吸热为负 放热为正 4 1 2 2级的实际循环 实际循环与理论循环的差别 余隙容积V0 气缸盖端面 活塞端面 气缸 进 排气阀通道 活塞 气缸径向间隙在第1道活塞环之前 气流流经进 排气阀和管道时的摩擦损失 压力损失 进气过程中 气缸压力 进气管道中名义进气压力p1实际进气过程始点 d点非4点 排气过程中 排气压力 排气管道中名义排气压力p2实际排气过程始点 b点非2点 循环过程中的热量传递吸入过程 气体被加热排出过程 气体放热压缩过程 吸热 开始 绝热 放热膨胀过程 放热 绝热 吸热 密封密封部位 气阀 气缸与进 排气系统之间 活塞环 活塞与气缸之间 填料 活塞杆通过气缸的部分 高压区 低压区泄漏 压缩和膨胀过程较平坦 a 通过进气阀或活塞环向气缸外泄漏b 通过排气阀或活塞环向气缸内泄漏 进 排气系统相对较小的容积 进气时 压力 排气时 压力 一般与 摩擦项合算 Fig 2 21atpage26 实际气体与理想气体的差别状态方程 Z 压缩性系数 与气体性质 压力 温度有关 过程方程 实际循环进气量 行程容积Vh理论循环中 活塞每个行程所吸进的气量 压力与温度仍为原始的气体压力p1和温度T1 实际循环中 活塞每个行程实际吸进的气量 若折合成原始的压力和温度 p1 T1 行程容积Vh 实际循环的吸气量Vs0 考虑泄漏量 进气系数 实际吸进的容积 不考虑泄漏 Vs 行程容积Vh容积系数 压力系数 温度系数 容积系数 余隙容积中高压气体膨胀 占去了活塞的一部分行 V程 使吸进的气体减少了 V1 膨胀过程方程 由此可得 代入得 相对余隙容积 大小取决于气阀在气缸上的布置方式 低压级0 07 0 12 中压级0 09 0 14 高压级0 11 0 16 名义压力比 p2 p1 单级一般3 4 n 膨胀指数大小取决于气体的性质和膨胀过程传给气体的热量 传给的热量多 膨胀指数小 膨胀过程趋于等温过程 传给的热量少 膨胀指数大 膨胀过程趋于绝热过程 可根据经验公式计算 注 通常 膨胀指数 压缩指数 相对传热面积大膨胀过程中气体的容积 包围该部分气体的气缸表面积之比 压缩过程中气体容积 所包围的气缸表面积之比 温差大气缸接近缸盖部位及活塞表面温度都较高 所以温差对膨胀过程来说也要大些 故膨胀过程传给气体的热量可能要比压缩过程传出的热量多 对于实际气体 Z 膨胀 压缩终了压缩性系数 压力系数 进气阻力和阀腔中的压力脉动 pa p1 p将压力为pa的吸气量折合为p1的进气量影响因素 进气阀关闭时的弹簧力进气导管中的压力波动进气阀关闭时的弹簧力 气阀弹簧力设计正确 进气压力接近大气压时 第一级 p 0 95 0 98其余各级 p 0 9 1 0进气导管中的压力波动 决定于进气终了时进入气缸气流压力波的相位和波幅的大小 波峰 增压 pa p1 反之pa p1 p1 温度系数 大小取决于进气过程中加给气体的热量 T热量有两个来源 其一 进气过程中 自通道 缸壁和活塞传给的热量 与壁面和气体的温差 活塞平均速度 气体密度有关 壁面温度主要取决于 压力比 气缸冷却 气阀结构 其二 为进气过程中由于压力损失所消耗的功 也变成热量加给气体 Fig 名义进气压力线与进气压力线所围面积 一般情况下 T 0 90 0 98 泄漏系数 一般有油润滑压缩机 l 0 90 0 98无油润滑压缩机 l 0 85 0 95 4 1 2 3压缩机级的循环指示功 实际循环指示功假设 进 排气过程压力采用平均值 压缩与膨胀过程指数用定值表示且相等 其中 s 进气相对压力损失 0 进 排气过程中总的相对压力损失 d 排气相对压力损失 名义压力比m 压缩过程指数低压级 m 0 95 0 99 k中 高压级 m k气缸冷却良好 m值较小 1 3多级压缩 中间冷却 1 3 1多级压缩的理由 节省压缩气体的指示功 Fig 节省功的根本原因为中间冷却 降低排气温度排气温度往往是限制压缩机压力比提高的主要原因 润滑油粘性 积炭 腐蚀 爆炸 提高容积系数多级压缩 每级 余隙容积中气体膨胀所占容积 气缸实际吸气量 降低活塞力多级压缩每级容积 Fig 因冷却而逐渐 行程相同时 活塞面积 活塞所受气体力 每级运动机构重量 机器效率 4 1 3 2级数的选择 级数对性能的影响级数 循环指示功 机器总重量 摩擦 流动损失 大 中型压缩机级数选择 一般以最省功为原则 小型移动压缩机 重量为主要矛盾 级数多取决于每级允许的排气温度 往复式压缩机级数与终压间的关系 Table2 2atpage24 4 1 3 3压力比的分配最省功原则 多级 z级 压缩机 中间冷却完善 即级间温度Tx T1 消耗功最省的条件为各级压力比相等 且等于总压力比的开z次方 推导过程略 理想气体时 各级压力比相等即各级消耗的功相等 4 1 3 4各级工作容积的确定 略 4 1 4气阀 自学 4 1 4 1气阀结构4 1 4 2气阀工作原理4 1 5往复压缩机的密封 自学 4 1 5 1活塞环4 1 5 2填料密封4 1 5 3密封件材料4 1 6辅助设备 自学 4 1 6 1润滑及润滑设备 润滑方式 飞溅润滑 喷雾润滑 压力润滑 润滑油的选择4 1 6 2冷却系统 风冷系统 水冷系统4 1 6 3管路系统 4 2热力性能 动力性能 调节与控制4 2 1容积式压缩机的主要热力性能指标与结构参数4 2 1 1吸气压力和排气压力第一级吸入管道处和末级排出接管处的气体压力 吸 排气压力可在很大范围内调节 4 2 1 2容积流量和供气量 容积流量 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 额定容积流量 特定进口状态时的容积流量 注 压力变化范围较大时应考虑气体的可压缩性 被压缩气体含有水蒸气时 气体压力 水蒸气分压 若冷却 且水蒸气分压 冷却后气体温度所对应的饱和蒸汽压 水蒸气从气体中凝结析出 计算容积流量时应加上析出的液体和气体 减去加入的气体 供气量或标准容积流量容积流量折算到标准状态 1atm 0 或15 时的干气容积值 2 1 3排气温度压缩机末级排出气体的温度2 1 4功率和效率 功与功率指示功Ni 直接用于压缩气体的功摩擦功 用于克服机械摩擦的功轴功Nz 主轴需要的总功 指示功 摩擦功比功率 单位容积流量所消耗的功 常作为经济性评价的指标 同类型压缩机比较 应在排气压力相同 冷却工况相同的条件下进行 效率 机械效率 m 指示功率 轴功率中 大型压缩机 m 0 90 0 96 小型压缩机 m 0 85 0 92 微型压缩机 m 0 82 0 90 注 往复活塞式压缩机的分类按排气压力鼓风机 低压压缩机 1MPa 中压压缩机 10MPa 高压压缩机 100MPa 超高压压缩机 100MPa 通风机 15kPa 15kPa 鼓风机 340kPa 压气机 340kPa 按排气量范围 m3 min 按进气状态计 微型压缩机 1小型压缩机 1 10中型压缩机 10 60大型压缩机 60按气缸排列方式 Fig 2 5atpage16 立式 卧式 对动式 对置式 角度式 按级数单级 两级 多级 按气缸容积的利用方式单作用式 双作用式 级差式 Fig 2 28atpage36 等温效率等温轴效率 全等温效率 is 理论等温循环指示功率 实际循环的轴功率通常压缩机 is 0 60 0 75 上限一般指中 大型压缩机 下限指高速小型压缩机 绝热效率绝热轴效率 理论绝热循环指示功 实际循环轴功率大型压缩机 ad 0 80 0 85 中型压缩机 ad 0 70 0 80 小型压缩机 ad 0 65 0 70 注 实际压缩机的压缩过程趋于绝热过程 4 2 1 5活塞平均速度活塞速度 随曲轴转角而变化 活塞平均速度 对压缩机性能的影响 对压缩机摩擦副耐久性的影响 对气阀布置的影响 4 2 1 转速转速选择与流量 压缩机的重量和尺寸 以及机器的耐久性和经济性有关 4 2 1 行程4 2 1 气缸直径4 2 2动力性能 略 4 2 3容积式压缩机的调节方式及其控制4 2 3 1气量的调节方式根据耗气量的变化 调节容积流量 调节要求 连续调节 分级调节 间断调节 调节工况经济性好 耗功小 调节系统简单 安全可靠 操作维修方便 理论基础 通过调节转速和各系数 改变流量 转速调节优点 实现连续的气量调节 调节工况比功率消耗小 压缩机各级压力比保持不变 无需设置专门的调节机构 缺点 受原动机调节范围限制 低转速气阀工作不正常 管路调节a 进气节流 进气管阻力 p 气量 调节结构简单 用于小范围调节 80 100 或偶尔调节 p1 b 切断进气 关闭进气管 压缩机为空运行 间断调节 Fig 2 65 结构简单 适用于中 小压缩机 注 切断进气后 排气温度会出现短暂的 进气压力 作用在活塞上的压力差 起动困难 c 进 排气管连通排气管经由旁通管路和旁通阀门与进气管相连接 分为节流连通和自由连通 节流连通根据需要气量 节流阀开至适当程度 部分气体经旁通回入进气管 适用于偶尔调节或小幅度调节 优点 结构简单 连续调节 调节紧急性好 缺点 调节经济性差 属于高压气体节流 压缩机功耗无减少 自由连通旁通阀全开 高压气体自由流入进气管路 仅克服旁通管和旁通阀阻力 常用于大型高压压缩机起动释荷优点 调节结构简单 调节紧急性好 调节经济好 缺点 间断调节 逆止阀 阻力损失 为防止管系中原有的高压气体倒流入进气管 应在旁通管路之后的排气管段设置逆止阀 压开进气阀调节 Fig 2 66atp59 压开装置 进气阀强制压开 使进气阀全部或部分丧失正常工作能力 进气阀片不能自动关闭 使吸进的气体 在压缩和排气行程中仍回入进气管 达到调节气量目的 a 全行程压开进气阀 Fig 2 67atpage60 全部行程中 气阀始终处于强制压开状态 吸进的气体将全部自进气阀回出 容积流量 0 间断调节 调节经济性好 空运行状态 b 部分行程压开进气阀 Fig 2 68atpage60 进气行程结束时 进气阀强制顶开 进入压缩行程后气体从气缸中回入进气管 到一定时候强制作用取消 进气阀关闭 在剩余行程中气体受到压缩并排出 可实现连续调节 适用于转速较低的压缩机 连通补助容积 Fig 2 70 2 70atpage61 气缸上设置补助容积 调节时接入气缸工作腔 余隙容积 容积系数 V 容积流量 补助容积的接入方式可以是连续 分级 间断的 4 2 3 2调节系统4 3容积式压缩机的可靠性 略 4 4回转式压缩机 4 4回转式压缩机 回转式压缩机的特点 与往复式压缩机比较 优点 结构简单 易损件少 操作容易 运动件的动力平衡性能好 机器转速高 机组尺寸小 重量轻 进 排气间歇小 压力脉动小 缺点 运动件密封比较困难 很难达到很高的终了压力 泄漏 热效率 往复式压缩机 4 4 1螺杆压缩机一般分为双 单螺杆压缩机两种 单螺杆压缩机 Fig 2 101atpage89 双螺杆压缩机 Fig 2 100atpage88 利用阳 阴螺杆共轭齿型的相互填塞 使封闭在壳体与两端盖间的齿槽容积大小发生周期变化 并借助于壳体对角线位置上的吸 排气孔口 完成对气体的吸入 压缩与排出 容积流量范围 2 500m3 min终了压力 一般 1 2MPa 个别场合可达4 5MPa 工作过程 能 工作过程 能 能 喷油螺杆式空压机的比功率范围为5 7至6 7kW m3 min 无油螺杆式空压机的比功率范围为6 4至7 8kW m3 min 能 能 干式与湿式压缩机 湿式压缩机 冷却 密封 润滑 空气动力工程 制冷 比功率5 7至6 7kW m3 min 干式压缩机 压缩空气不被污染 比功率6 4至7 8kW m3 min 单螺杆压缩机与双螺杆压