壓縮機的熱力性能和計算

1、.2.2.1 壓縮機的熱力性能和計算 一、排氣壓力和進、排氣系統(tǒng)（1）排氣壓力壓縮機的排氣壓力可變，壓縮機銘牌上的排氣壓力是指額定值，壓縮機可以在額定排氣壓力以內的任意壓力下工作，如果條件允許，也可超過額定排氣壓力工作。壓縮機的排氣壓力是由排氣系統(tǒng)的壓力（也稱背壓）所決定，而排氣系統(tǒng)的壓力又取決于進入排氣系統(tǒng)的壓力與系統(tǒng)輸走的壓力是否平衡，如圖2-20所示。多級壓縮機級間壓力變化也服從上述規(guī)律。首先是第一級開始建立背壓，然后是其后的各級依次建立背壓。（2）進、排氣系統(tǒng)如圖所示。圖a的進氣系統(tǒng)有氣體連續(xù)、穩(wěn)定產生，進氣壓力近似恒定；排氣壓力也近似恒定，運行參數基本恒定。圖b的進氣系統(tǒng)有氣體連續(xù)、

2、穩(wěn)定產生，進氣壓力近似恒定；排氣系統(tǒng)為有限容積，排氣壓力由低到高逐漸增加，一旦達到額定值，壓縮機停止工作。圖c的進氣系統(tǒng)為有限容積，進氣壓力逐漸降低；排氣系統(tǒng)壓力恒定，一旦低于某一值，壓縮機停止工作。圖d的進、排氣系統(tǒng)均為有限容積，壓縮機工作后，進氣壓力逐漸降低；排氣系統(tǒng)壓力不斷升高，當進氣系統(tǒng)低于某一值或排氣系統(tǒng)高于某一值，壓縮機停止工作。二、排氣溫度和壓縮終了溫度 （1）定義和計算壓縮機級的排氣溫度是在該級工作腔排氣法蘭接管處測得的溫度，計算公式如下：壓縮終了溫度是工作腔內氣體完成壓縮機過程，開始排氣時的溫度，計算公式如下：排氣溫度要比壓縮終了溫度稍低一些。（2）關于排氣溫度的限制汽缸用潤

3、滑油時，排氣溫度過高會使?jié)櫥宛ざ冉档图皾櫥阅軔夯?；另外，空氣壓縮機中如果排氣溫度過高，會導致氣體中含油增加，形成積炭現象，因此，一般空氣壓縮機的排氣溫度限制在160C以內，移動式空氣壓縮機限制在180C以內。氮、氨氣壓縮機考慮到潤滑油的性能，排氣溫度一般限制在160C以內。壓縮氯氣時，對濕氯氣的排氣溫度限制在100C，干氯氣的排氣溫度限制在130C。石油壓縮機的排氣溫度一般不超過100C。乙炔壓縮機的排氣溫度一般不超過100C。汽缸無由潤滑壓縮機，如果使用自潤滑材料做密封元件，允許的排氣溫度取決于自潤滑材料的性質，如填充聚四氟乙烯材料的限制溫度為180C。三、排氣量和供氣量 （1）定義排氣

4、量（也稱容積流量、輸氣量）qV：通常是指在所要求的排氣壓力下，壓縮機最后一級單位時間內排出氣體，換算到第一級進口狀態(tài)的壓力和溫度時的氣體容積值，單位m3/min 或 m3/h 。 排氣量換算時的幾個注意事項：a、如果被壓縮氣體中含有水蒸氣，壓縮完成后經冷卻分離出來，這部分水分也應該換算成一級進口狀態(tài)的水蒸氣容積計入排氣量。b、如果有一些組分氣體在壓縮到一定壓力后被洗滌清除，這部分氣體也應該包含在排氣量中并換算到一級進口狀態(tài)。c、對于實際氣體，若是根據氣體出口高壓下測得的體積進行換算，應考慮氣體的可壓縮性的影響。d、壓縮機排氣量是壓縮機吸入量減去各級泄露的剩余氣量，排氣量可以變化，壓縮機銘牌上標

5、注的排氣量指的是額定工況下容積流量數值。供氣量（標準容積流量）：指壓縮機單位時間內排出的氣體容積折算到標準狀態(tài)下時的干氣體容積值。供氣量換算時的幾個注意事項：a、級間如果有冷凝水析出，則被分離掉的冷凝水不計入供氣量。b、級間如果進行抽氣洗滌凈化，則被洗滌掉的組分不計入供氣量。c、級間如果被壓縮介質在到達壓縮機出口之前被抽走并用于工藝流程，則這部分被抽調的氣體也應該換算成干氣體，計入供氣量。d、若中途加入其他氣體并由機組出口排出，則這部分氣體計入供氣量。理論容積量：單位時間內所形成的壓縮機工作容積之和，等于每轉總工作容積或排量乘以轉速。（2）排氣量的計算：根據實測值換算：當實際測得末級排氣量時，

6、可按照下式求解壓縮機的排氣量： 容積流量隨壓縮機的進口狀態(tài)而變，它不反映壓縮機所排氣體的物質數量。 根據理論計算：根據定義，排氣量等于壓縮機每一轉吸進的氣體扣除中途泄漏到機器外部的氣體，再乘以轉速，即：（4）供氣量與容積流量的關系： 四、壓縮機熱力分析和計算（1）冷卻析水問題用于壓縮濕氣體的壓縮機，中間各級或末級排氣經冷卻后，氣體的含濕量會增加，如果水蒸氣的分壓達到相應溫度下的飽和蒸汽壓，就會有水分從氣體中析出。任意壓縮機的第一級的析水系數為1。多級壓縮機任意第i級的析水系數為：當壓力較高時，可簡化為：（2）各級泄露問題直接泄入大氣或第一級進氣管道的氣體，因是泄漏到壓縮機之外，故稱為外泄露。如

7、一級進氣閥的泄漏，各工作腔填料的泄漏，活塞環(huán)向大氣或向第一級進氣系統(tǒng)的泄漏等。氣體僅由高壓級或高壓區(qū)泄入低壓區(qū)，但仍在壓縮機之內，故稱為內泄漏。外泄漏直接降低排氣量并增加功率消耗，內泄露不直接影響排氣量，但能影響級間壓力分配，倘若泄漏影響到第一級排氣壓力，也能間接影響排氣量。在第一級汽缸膨脹和進氣過程中，若有氣體泄入該缸容積，也屬外漏。泄漏系數與汽缸的排列方式、汽缸與活塞桿的直徑、曲軸轉速、氣體壓力的高低一級氣體性質有關。有油潤滑壓縮機一般取0.9-0.98，無油潤滑壓縮機一般取0.85-0.95。（3）級間抽氣問題級間抽氣：在壓縮機進氣口和排氣口之間的某個部位，將壓縮機系統(tǒng)中的氣體抽走一部分

8、，或額外補充進一部分氣體，大致有如下三種情況。將壓縮機至中間壓力的氣體全部進行洗滌凈化，去除其中工藝上不需要的少數成分后，剩余的有效成分再返回壓縮機繼續(xù)壓縮。將壓縮機至中間壓力的氣體抽出一部分，直接用于工藝流程中需求壓力較低的工段，其余氣體繼續(xù)壓縮至機組排氣壓力。在壓縮機進、出口之間的某一部位補充一些中壓氣體，這部分補充氣體與吸氣口來的氣體一道被后幾級壓縮并送至壓縮機出口。（4）工作容積計算照前一級排出的氣體經級間冷卻后，剛好要為下一級所吸進的原則，壓縮機任意第i級工作容積可用下式計算：五、功率和效率 （1）指示功率及其影響因素指示功壓縮機直接用于壓縮氣體所消耗的功。整個壓縮機的指示功為各級指

9、示功之和，單位時間內消耗的指示功稱為指示功率，即：排出的氣體量級單位體積排氣量所消耗的指示功為：由此可見，吸氣預熱、吸排氣壓力損失、泄漏的增加都會導致單位排氣量消耗的指示功增加。 （2）軸功率和機械效率摩擦功：壓縮機用于克服摩擦所消耗的功。表2-3 往復壓縮機各部分摩擦功比例部位名稱百分比%部位名稱百分比%活塞環(huán)（處于氣體壓力作用下）38-45十字頭銷6-8活塞環(huán)（僅本身初彈力）5-8曲柄銷15-20填料2-10主軸頸13-18十字頭滑道4-5軸功：壓縮機的軸功包括指示功與摩擦功兩部分。 機械效率：指示功率與軸功率之比。 壓縮機機械效率統(tǒng)計（3）熱效率等溫指示效率壓縮機理論等溫循環(huán)指示功與實際

10、循環(huán)指示功之比。因為理論等溫循環(huán)指示功是壓縮機所必需的最小功，反映實際消耗的指示功與最小功的接近程度，即經濟性情況。它反映了實際循環(huán)由于泄漏、熱交換以及進、排氣阻力而造成的損失。 等溫軸效率理論等溫指示功與軸功之比，即按第一級進口溫度，等溫壓縮到排氣壓力時時的理論等溫循環(huán)指示功率與實際循環(huán)的軸功率之比，現有壓縮機一般為0.6-0.75。 絕熱指示效率理論絕熱循環(huán)指示功與實際循環(huán)指示功之比。絕熱效率即絕熱軸效率，壓縮機的理論絕熱循環(huán)功率與實際循環(huán)軸功率之比。實際壓縮機級的壓縮過程均趨于絕熱，絕熱效率能較好的反映級數相同時，氣閥等流動部分的陰力損失情況。在多級壓縮時，它不能直接反映機器的效率消耗指

11、標的先進與否。 （4）比功率排氣壓力相同的機器，單位容積流量所消耗的功 。 比功率常用于比較同一類型壓縮機的經濟性，它很直觀，特別是空氣動力用壓縮機常采用比功率來作為經濟性評價的指標。在比較同一類型壓縮機的比功率時，要注意除排氣壓力相同外，冷卻水入口溫度、水耗量也應相同。2.2.2 壓縮機動力性能和計算目的：動力性能分析計算在于具體求取壓縮機中各作用力的大小，以便供零部件強度、剛度及耐磨性計算。一、壓縮機中的作用力壓縮機運行過程中產生的作用力有：a、氣體壓力產生的作用力；b、往復質量與不平衡旋轉質量造成的慣性力；c、接觸面相對運動產生的摩擦力。（1）機構運動學關系簡化如圖所示：活塞位移簡化為：

12、將位移和速度對時間求導，得到其速度和加速度分別為：速度：加速度：（2）機構運動質量等效如圖所示簡化過程，得到轉化后的結構。整個壓縮機運動機構轉化在往復運動部分的總質量為：整個壓縮機運動機構轉化在旋轉運動部分的總質量為：其中：（3）各種作用力的計算氣體力氣缸內的氣體壓力隨活塞運動，即隨曲軸轉角變化，變化規(guī)律可由壓力指示圖或過程方程得到。幾種典型汽缸的氣體力計算如圖。慣性力產生原因：運動零件不等速運動或作旋轉運動時會產生慣性力，其大小取決于運動件的質量和加速度。往復慣性力:方向：往復慣性力始終作用于該汽缸軸線方向，僅其大小隨曲軸轉換角度周期地變化。一臺往復壓縮機的慣性力曲線如圖所示。旋轉慣性力：方

13、向：沿曲柄半徑方向向外，故其方向隨曲軸旋轉變化，大小不變。 摩擦力定義：作用于接觸面間，大小取決于正壓力及摩擦系數，方向始終與運動方向相反。 與慣性力、氣體力等相比，摩擦力較小且計算較為復雜，在力的分析中一般不計入。（4）綜合活塞力側向力和連桿力如圖（2-31）所示，曲柄處于任意轉角時，設Fg和往復慣性力FIs合成的活塞力FP，先作用于十字頭銷或活塞銷上，然后沿連桿傳遞。設連桿與氣缸軸線夾角為，則傳到連桿上的連桿力Fl為： 同時，在十字頭上產生一個壓向十字頭滑道的分力FN，稱側向力： 阻力矩和傾覆力矩阻力矩：連桿力沿連桿傳至曲柄銷中心點，作用在曲柄銷上，對曲軸旋轉中心構成的力矩，方向與曲軸旋轉

14、方向相反。傾覆力矩：側向力和主軸頸作用于軸承上的垂直分力大小相等，方向相反，在機器內部構成一個力矩。在立式壓縮機中有使機器順著旋轉方面傾倒的趨勢，習慣上稱為傾覆力矩： 傾覆力矩與阻力矩大小相等，方向相反，但傾覆力矩作用在機身上，阻力矩作用在主軸上，因此兩者在壓縮機內部不能互相抵消，屬自由力矩。傾覆力矩周期變化會造成機器振動。切向力和法力作用在曲柄上的連桿力可分解為垂直于曲柄方向的切向力FT及沿曲柄方向的法向力FR。垂直于曲柄方向的切向力：沿曲柄方向的法向力：（5）各力對壓縮機的作用氣體力 a、氣缸中的氣體力一方面作用于活塞上，另一方面作用到氣缸蓋或氣缸座上。 b、作用于氣缸蓋（座）上的Fg通過

15、氣缸和機身傳遞到主軸承上，與經過運動機構傳遞到主軸承上的活塞力FP中的氣體力部分抵消。在氣缸軸線方向上，氣體力不會傳到機器外邊來，它在機器內部相互平衡。 c、氣體力Fg只使氣缸、中體和機身等有關部分以及它們之間的連接螺栓等承受拉伸或壓縮，故稱為內力。 慣性力a、作用在主軸承上的活塞力Fp中，往復慣性力部分未被平衡，它能通過主軸承及機體傳到機器外面來，因此慣性力稱為外力，或自由力。 b、往復慣性力I的方向與數值隨曲柄轉動周期改變，會引起機器的振動。 c、旋轉慣性力FIr作用在主軸承上，也會引起機器的振動。側向力及傾覆力矩 a、側向力FN和主軸頸作用于軸承上的垂直分力大小相等，方向相反，在機器內部

16、構成一個力矩。 b、在立式壓縮機中有使機器順著旋轉方面傾倒的趨勢，習慣上稱為傾覆力矩，周期變化會造成機器振動。 二、飛輪矩的確定 （1）安裝飛輪的目的機器總阻力矩隨曲軸轉角的變化而在其平均值上下波動，當原動機（如電機）的驅動力矩均不變時，在某些時刻驅動力矩和阻力矩就不能平衡，從而引起壓縮機角速度不斷變化，機器旋轉不均勻，運轉不穩(wěn)定。為了表征瞬時角速度變化的程度，引入旋轉不均勻度： 過大會在運動部件上產生附加動載荷，使聯軸器負荷加重，壽命降低，還會使電動機乃至工作的電流產生波動。 （2）飛輪矩的計算通常用飛輪矩 GD2表示飛輪的轉動慣量。 式中：G飛輪輪緣部分的質量，kg；D飛輪輪緣截面質心所形

17、成圓的直徑，m；n壓縮機轉速，r/min；L壓縮機一轉中能量的變化值。（3）壓縮機結構方案對飛輪矩的影響需要設置飛輪矩的根本原因是總切向力曲線不均勻，所以設法使FTZ曲線本身更均勻，減小飛輪矩，可采取如下措施：a、采用雙作用汽缸使向蓋和向軸行程所消耗的功相近似時，切向力均勻；b、曲柄錯角或汽缸夾角的合理配置影響各列切向力疊加，進而影響總切向力的均勻性；c、采用多列壓縮機可使總切向力更均勻；d、各列曲柄錯角的超前或遲后也影響切向力的均勻性。三、慣性力及其力矩的平衡慣性力的平衡方法一般有兩類： 在曲柄銷相反方向設置平衡重； 使慣性力相互抵消。（1）旋轉慣性力的平衡在曲柄的相反方向上裝上一個平衡重。質量為M