过程流体机械课设计

对2D3.5—15/9对称平衡型空气压缩机进行热力计算长江大学过程装备与控制工程流体课程设计PAGE18PAGE19摘要本文概述了活塞式压缩机设计计算的基本步骤，详细系统的介绍对2D3.5—15/9对称平衡型空气压缩机进行热力计算基本原理及方法。压缩机的热力计算是以热力学理论为基础，根据气体的压力、容积和温度之间存在的一定关系，结合压缩机具体的工作特性和使用要求进行的。其计算目的是要求得最有利的热力参数和适宜的主要结构尺寸。本次课程设计采用常规热力计算方法亦即设计性热力计算。目录第1章压缩机的热力计算………………11.1初步确定压力比及各级名义压力…………….11.2初步计算各级排气温度……….21.3计算各级排气系数…………….31.4计算各级凝析系数及抽加气系数…………….41.5初步计算各级气缸行程积…………………….61.6确定活塞杆直径……………….61.7计算各级气缸直径…………...81.8计算气缸直径圆整后的实际行程容积、各级名义压力及压力比…………81.9按修正后的名义压力考虑压力损失后计算缸内实际压力………………...101.10根据实际压力比，计算各级实际排气温度………………..121.11计算缸内虽大实际气体力并核算活塞杆直径…………141.12复算排气量………………141.13计算功率并选取电机……….151.14热力计算结果数据………….16第1章压缩机的热力计算1.1初步确定压力比及各级名义压力已知数据：吸气压力0.1Mpa,排气压力0.9Mpa,一级进气温度20℃，结构选取，根据总压比，压缩机的级数取两级比较合适，为了获得较好的动力平衡性能，可选择V型结构，而且Ⅰ、Ⅱ级采用双作用气缸。另外，压缩机采用水冷方式。1.1.1按等压力比分配原则确定各级压力比(1-1)两级压缩总压力比取为了使第一节有较高的容积系数，第一级的压力比取稍低值，1.1.2各级名义进、排气压力如下，(1-2)表1-1各级名义进、排气压力（MPa）级次名义吸气压力P1名义排气压力P2Ⅰ0.10.29Ⅱ0.290.91.2初步计算各级排气温度按绝热过程考虑，各级排气温度可用下式求解：（1-3）介质是空气，k=1.4。计算结果如表1-2示。计算结果表明排气温度T2＜160℃，在允许使用范围内。表1-2各级名义排气温度级次名义吸气温度计算参数名义排气温度Ⅰ202932.91.41.35527.1300.1Ⅱ252983.11.41.38234.5307.51.3计算各级排气系数因为压缩机工作压力不高，介质为空气，全部计算可按理想气体处理。由排气系数计算公式：（1-4）分别求各级的排气系数。1.3.1计算容积系数（1-5）其中，多变膨胀指数m的计算按表1-3得：表1-3按等熵指数确定气缸膨胀过程等端点指数进气压力×105Pa任意k值时K=1.40时1.5m=1+0.5(k−1)1.201.5～4.0m=1+0.62(k−1)1.254.0～10m=1+0.75(k−1)1.3010～30m=1+0.88(k−1)1.35>30m=k1.40I级多变膨胀指数mⅠ=1.20II级多变膨胀指数mⅡ=1.30则各级容积系数为：1.3.2压力系数的选择考虑到用环状阀，气阀弹簧力中等，吸气管中压力波动不大，两级压力差也不大，可选取=0.97,=0.99（选择范围：Ⅰ级0.95～0.98；多级0.98～1.0）1.3.3温度系数的选取考虑到压缩比不大，气缸有较好的水冷却，气缸尺寸及转速中等，从图II-1-6查得λT在0.935～0.975范围内，可选取λTⅠ=λTⅡ=0.96。1.3.4泄漏系数的选取1.3.5各级排气系数计算结果列入表1-5表1-5各级排气系数计算结果级数Ⅰ0.7860.970.960.9710.711Ⅱ0.7640.990.960.9730.7071.4计算各级凝析系数及抽加气系数1.4.1计算各级凝析系数1.4.1.1计算在级间冷却器中有无水分凝析出来查表1-6得水在40℃和40℃时的饱和蒸汽压kPa（40℃）表1-6饱和水蒸汽的压力与密度温度t℃饱和蒸汽压kPa密度kg/m3温度t℃饱和蒸汽压kPa密度kg/m300.6110.00485314.4910.0320510.6560.00519324.7530.0338120.7050.00556335.0290.0356530.7570.00595345.3180.0375840.8130.00636355.6220.0396050.8720.00680365.9400.0417260.9350.00726376.2740.0439371.0000.00775386.6240.0462381.0690.00827396.9910.0486491.1470.00882407.3750.05115101.2270.00940417.7770.05376111.3120.01001428.1980.05649121.4010.01066438.6380.05935131.4970.01134449.1000.06234141.5980.01206459.5820.06545151.7040.012824610.0850.06868161.8170.013634710.6120.07205171.9370.014474811.1620.07557182.0620.015364911.7360.07923192.1960.016305012.3350.08300202.3370.017295112.9610.08696212.4850.018335213.6130.09107222.6420.019425314.2930.09535232.8080.020575415.0020.09980242.9820.021775515.7410.1044253.1670.023045616.5100.1092263.3600.024375717.3120.1142273.5640.025765818.1460.1193283.7790.027225919.0210.1247294.0040.028756019.9170.1302304.2410.03036第一级无水分析出，故。而各级进口温度下的饱和蒸汽压由上述文献查的计算各级凝析系数(1-7)=0.98461.4.2抽加气系数μ0因级间无抽气，无加气，故1.5初步计算各级气缸行程容积(1-8)m3(1-9)=0.0069m31.6确定活塞杆直径为了计算双作用气缸缸径，必须首先确定活塞杆直径，但活塞杆直径要根据最大气体力来确定，而气体力又需根据活塞面积（气缸直径）来计算，他们是互相制约的。因此需先估算压缩机中可能出现的最大气体力，按附表2中的数据初步确定活塞杆的直径。再根据相关公式确定气缸直径和最大气体力，然后校核活塞杆直径是否满足要求。1.6.1计算任一级活塞总的工作面积，（Z—同一级汽缸数）（1-10）有：==0.075m2=750cm2==0.0246m2=246cm21.6.2暂选活塞杆直径根据双作用活塞面积和两侧压差估算出该空气压缩机的最大气体力约为1.2吨左右，由《过程流体机械课程设计指导书》附表2，暂选活塞杆直径d=90mm。活塞杆面积1.6.3非贯穿活塞杆双作用活塞面积的计算盖侧活塞工作面积（1-11）轴侧活塞工作面积（1-12）Ⅰ级：Ⅱ级：1.6.4计算活塞上所受气体力（1）第一列（第Ⅰ级）外止点：（1-13）=0.1×106×343.19×10-4-0.29×106×406.81×10-4=N内止点：（1-14）=0.29×106×343.19×10-4-0.1×106×406.81×10-4=5884.41N（2）第二列（第Ⅱ级）外止点：（1-15）=0.29×106×91.19×10-4-0.9×106×154.81×10-4=N内止点：（1-16）=0.9×106×91.19×10-4-0.29×106×154.81×10-4=3717.61N由以上计算可知，第二列的气体力最大，为-11288.39N。由《过程流体机械课程设计指导书》附表2可知，选取活塞杆直径d=30mm1.7计算各级汽缸直径1.7.1计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径根据DK=EQ\r(,EQ\f(2Vhk,πSZ)+EQ\f(d2,2))(1-17)有：DI=EQ\r(,EQ\f(2Vhl,πSZ)+EQ\f(d2,2))=EQ\r(,EQ\f(2×0.2319,3.14×0.28×1)+EQ\f(0.112,2))=0.232mDII=EQ\r(,EQ\f(2VhII,πSZ)+EQ\f(d2,2))=EQ\r(,EQ\f(2×0.08640,3.14×0.28×1)+EQ\f(0.112,2))=0.147m1.7.2确定各级气缸直径根据查表II-1-6，将计算缸径圆整为公称直径：DI=230mm;DII=150mm1.8计算气缸直径圆整后的实际行程容积、各级名义压力及压力比1.8.1计算各级实际行程容积Vh＇非贯穿活塞杆直径双作用气缸行程容积：Vhk＇=EQ\f(π,4)(2Dk2－d2)·S·Z(1-18)VhI＇=EQ\f(π,4)(2DI2－d2)·S·Z=EQ\f(π,4)(2×0.2322－0.112)×0.28×1=0.021m3VhII＇=EQ\f(π,4)(2DII2－d2)·S·Z=EQ\f(π,4)(2×0.1472－0.112)×0.28×1=0.0068m31.8.2各级名义压力及压力比因各级实际行程容积Vhk＇与计算行程容积Vhk不同，各级名义压力及压力比必然变化。各级进、排气压力修正系数βk及βk＋1分别为：（1）各级进气压力修正系数：βk=EQ\f(VhI＇,VhI)·EQ\f(Vhk,Vhk＇)(1-19)βI=EQ\f(VhI＇,VhI)·EQ\f(VhI,VhI＇)=1βII=EQ\f(VhI＇,VhI)·EQ\f(VhⅡ,VhⅡ＇)=·=0.9855（2）各级排气压力修正系数：βk+1=EQ\f(VhI＇,VhI)·EQ\f(Vh(k+1),Vh(k+1)＇)(1-20)βI+1=EQ\f(VhI＇,VhI)·EQ\f(Vh(Ⅰ+1),Vh(Ⅰ+1)＇)=·=0.9885βII+1=EQ\f(VhI＇,VhI)·EQ\f(Vh(II+1),Vh(II+1)＇)=EQ\f(P2II＇,P2II)=1（3）修正后各级名义压力及压力比Plk＇=βk·P1k(1-21)P2k＇=βk+1·P2k(1-22)＇=EQ\f(P2k＇,P1k＇)(1-23)

计算结果列入表1-7中。表1-7气缸直径圆整后的实际行程容积、各级名义压力及压力比级次III计算行程容积Vhkm30.0210.0069实际行程容积Vhk＇m30.0210.0068修正系数βk=EQ\f(VhI＇,VhI)·EQ\f(VhI,VhI＇)10.9855βk+1=EQ\f(VhI＇,VhI)·EQ\f(Vh(k+1),Vh(k+1)＇)0.98551名义吸气压力MPaPlk0.10.29Plk＇=βk·P1k0.10.286名义排气压力MPaP2k0.290.9P2k＇=βk+1·P2k0.2860.9修正后名义压力比＇=EQ\f(P2k＇,P1k＇)2.863.151.9按修正后的名义压力考虑压力损失后计算缸内实际压力根据修正后名义压力，并由图1查得相对压力损失如下：当P1I＇＝0.1MPa时s1=0.043；当P2I＇＝0.286MPa时d1=0.080；当P1II＇＝0.286MPa时s2=0.038；当P2II＇＝0.9MPa时d2=0.060由Cm值不相同，在下面公式加以修正：＇=×EQ\f(Cm,3.5)2×EQ\f(＇,)EQ\f(2,3)(1-24)其中：＇——修正的相对压力损失值；Cm——实际的活塞平均线速度，m/s;由附表查的Cm=4.0m/s、＇——空气及所用气体的密度。图1相对压力损失故：s1＇＝0.043×EQ\f(4.0,3.5)2=0.0562d1＇＝0.080×EQ\f(4.0,3.5)2=0.1045s2＇＝0.038×EQ\f(4.0,3.5)2=0.0496d2＇＝0.060×EQ\f(4.0,3.5)2=0.0784缸内实际压力：PS=P1＇(1–s)Pd=P2＇(1+d)(1-25)由修正后的相对压力损失s＇、d＇，及计算各级气缸内实际压力，结果见表1－8。

表1－8考虑压力损失后的缸内实际压力及压力比级次修正后名义压力（MPa）相对压力损失（修正后）1–s＇1＋d＇缸内实际压力（MPa）实际压力比P1＇P2＇s＇d＇PSPd＇=EQ\f(Pd,Ps)EQ\r(,w)I0.10.2860.0560.1060.9441.1060.0940.3163.37II0.2860.90.0500.0780.9501.0780.2720.9703.571.10根据实际压力比，计算各级实际排气温度T2=T1＇EQ\f(k-1,k)(1-26)按k=1.4和m=1.25况计算，结果见表1-9。从中可以看出，按k=1.4计算出的排气温度未超过160℃的允许范围，但实际测出的排气温度接近多变压缩m的结果，认为在允许的范围内。表1-9据实际压力比求的各级实际排气温度级次吸气温度实际压力比k=1.4mI202933.371.4154151421.275374101II252983.571.4384281551.2903841111.11计算缸内最大实际气体力并核算活塞杆直径气缸直径的圆整，活塞杆直径的选取及各级吸排气压力的修正都直接影响到气体力，需重新计算如下：1.11.1第I列（第I级）（1）活塞面积盖侧：＝＝×＝0.0415轴侧：＝－＝0.0415－0.009499＝0.0320（2）压力＝0.094＝9.4×10Pa＝0.316＝3.16×105Pa（3）气体力外止点：＝－＝0.94××0.032－3.16××0.0415＝N内止点：＝－＝3.16××0.032－0.94××0.0415＝6211N1.11.2第II列（第II级）（1）活塞面积盖侧：＝＝×＝0.01767轴侧：＝－＝0.01767－0.009499＝0.0082（2）压力＝0.272＝2.72×＝0.97＝9.7×（3）气体力外止点：＝－N内止点：N由以上计算表明，最大气体力在第二列外止点(-14909.5N)，没有超过活塞杆的允许值，可用。1.12复算排气量气缸直径圆整后，压力比发生变化，引起容积系数相应的变化。如其它系数不变，则排气系数为：(1-27)(1-28)经上述修正后的排气量为：=14.007m3/min＜15m3/min计算结果与题目要求接近，说明所选用的气缸是合适的。1.13计算功率并选取电机1.13.1计算各级指示功率(1-29)kwkw1.13.2整机总指示功率Ni=NiⅠ+NiⅡ(1-30)kW1.13.3轴功率Nz因本机为中型压缩机，取机械效率，则：(1-31)kw1.13.4所需电机功率因本机是电动机转子直接装在曲轴端，取传动效率（1-32）kW实际本机选用Y225M-2型同步电动机，功率为45kw可以满