往复活塞压缩机热力性能计算演示幻灯片

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,1,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+273K）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）,2,（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：,3,（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）。,4,(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：,5,等温过程功Wi膨胀过程功：,p,d,0,1,2,p,6,(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：,7,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,1,2,8,（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：,9,2.2.1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,10,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。,11,（一）理论进气量气缸直径D，冲程长度（活塞行程）SS=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=ApSAp活塞面积，单作用气缸：双作用气缸：,S,D,12,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),13,(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+273KV气体容积m气体质量,14,依据热力学第一定律:循环过程功Wi进气过程功：p1V1Wi排气过程功：-p2V2压缩过程功：,功Wi,15,循环过程功Wi压缩为正功:,16,(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,17,取外力作功为正,18,(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。,19,单原子气体：k=1.661.67双原子气体：k=1.401.41多原子气体：k=1.101.30理论循环绝热压缩过程功Wi,功Wi,20,（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：,21,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,22,三种压缩过程比较：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,23,2.2.2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。23mm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。,24,（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。,25,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mkmn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。,26,2.2.3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：,27,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。,28,v对进气量影响最大，和最关键。考虑1点与a点的差异：,29,比值得：实际吸气量：式中：,30,31,(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。,32,实际吸入压力与实际排出压力：,33,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,34,2.2.4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：,35,（二）功率（1）指示功率单缸单作用气缸：n曲轴转速，r/min。,Ni,36,双作用气缸：多级气缸：,N左,N右,37,（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。,38,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=0.850.92高压循环压缩机：m=0.800.85,39,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。,40,（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)NeW此计算结果经圆正后成为选择电机功率的最终结果。,41,2.2.5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。,42,（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。,43,（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。,44,（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：,45,（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：T2160180石油气压缩机：T2MY时，驱动功富裕，J为正值，曲轴加速。MdMY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。,80,（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，kgD轮缘质心直径，m速度波动产生的最大动能变化量E,81,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。,82,（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。,83,2.3.5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：,84,曲轴配重旋转惯性力的平衡,配重,m0,mr,85,(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。,86,（1）双列立式压缩机两缸曲柄错角：=1802=1+180当两列气缸的往复质量和旋转质量相同时：,87,往复惯性力：惯性力平衡为：惯性力平衡为：,88,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、MIr双列立式压缩机无法达到惯性力完全平衡。,89,(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。,90,对称平衡型压缩机,91,92,当两列气缸的往复质量和旋转质量相同时：惯性力全平衡：故称此压缩机为：对称平衡型压缩机。由于两缸间距为a，将产生惯性力矩，各惯性力矩无法平衡。,93,惯性力矩：惯性力矩虽无法平衡，但由于力臂a较小，则各惯性力矩并不大。,94,（3）L型压缩机惯性力平衡,两缸曲柄错角90，各缸质量：,95,一阶惯性力与旋转惯性力不随转角变化，并且在一个方向上。两惯性力叠加：利用曲柄配重来平衡，取配重为：同时，惯性力矩M、M也无法平衡，但由于、a较小，未平衡的惯性力与惯性力矩影响不大，可以不考虑。L型压缩机平衡性好，结构紧凑，被广泛应用。,96,2.4往复式压缩机排气量调节,气体流量（体积流量、容积流量）：（1）转速调节利用n变化，调节气体流量。特点：较经济，省功，连续性好，范围宽。条件：驱动设备或传动设备速度可调。,97,（2）管路调节进气节流：进气管路上加节流阀，使Vs降低，从而使降低。特点：结构简单、安全可靠、经济、可间歇调节。进、排气管连通（旁路调节）进、排气管用一旁路连接，把部分气体排放到进气管