上海理工大学 工程流体机械 第四章 容积式压缩机.ppt

1、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 2025% 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：

2、 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

3、 = 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

4、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

5、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.2-21 at page 26） 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

6、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 0.090.14 ， 高压级 0.11 0.16。, 名义压力比，p2 / p1，单级一般 34； 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

7、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

8、 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 = 0.950.98 其余各级 p = 0.91.0 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。（F

9、ig.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 = （0.950.99）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

10、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

11、许的排气温度 * 往复式压缩机 级数 与 终压 间的关系：Table 2-2 at page24,4.1.3.3 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

12、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

13、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

14、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：0.900.96； 小型压缩机m：0.850.92； 微型压缩机m：0.820.90。,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：110 中型压缩机：1060 大型压缩机： 60 按气缸排列方式（Fi

15、g.2-5 at page 16） 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.2-28 at page 36）。, 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 0.600.75 （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：0.800.85； 中型压缩机ad：0.700.80； 小型压缩机ad：0.650.70。 注：实际 压缩机的压缩过程趋于 绝热

16、 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

17、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

18、 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.2-66 at p59 ）

19、 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. 2-67 at page 60） 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. 2-68 at page 60） 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

20、 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， 2-70 at page 61 ） 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

21、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. 2-101 at page 89 ）,* 双螺杆压缩机： （Fig. 2-100 at page 88 ） 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：2500 m3/min 终了压力：一般 1.2 MPa，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