壓縮機(jī)的熱力性能和計(jì)算

§2.2.1壓縮機(jī)的熱力性能和計(jì)算一、排氣壓力和進(jìn)、排氣系統(tǒng)(1)排氣壓力壓縮機(jī)的排氣壓力可變，壓縮機(jī)銘牌上的排氣壓力是指額定值，壓縮機(jī)可以在額定排氣壓力以?xún)?nèi)的任意壓力下工作，如果條件允許，也可超過(guò)額定排氣壓力工作。壓縮機(jī)的排氣壓力是由排氣系統(tǒng)的壓力(也稱(chēng)背壓)所決定，而排氣系統(tǒng)的壓力又取決于進(jìn)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(jí)壓縮機(jī)級(jí)間壓力變化也服從上述規(guī)律。首先是第一級(jí)開(kāi)始建立背壓，然后是其后的各級(jí)依次建立背壓。ffi2-20壓瑜機(jī)裝置示意圖(2)進(jìn)、排氣系統(tǒng)如圖所示。

⑶PL產(chǎn)常欲 閔孔散,旦■常教 仙也，常歇.擔(dān)理歆 （d）P|,P*#常散圖＞21壓螺機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)種類(lèi) 、圖a的進(jìn)氣系統(tǒng)有氣體連續(xù)、穩(wěn)定產(chǎn)生，進(jìn)氣壓力近似恒定;排氣壓力也近似恒定，運(yùn)行參數(shù)基本恒定。圖b的進(jìn)氣系統(tǒng)有氣體連續(xù)、穩(wěn)定產(chǎn)生，進(jìn)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(dá)到額定值，壓縮機(jī)停止工作。圖c的進(jìn)氣系統(tǒng)為有限容積，進(jìn)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(jī)停止工作。圖d的進(jìn)、排氣系統(tǒng)均為有限容積,壓縮機(jī)工作后，進(jìn)氣壓力逐漸降低；排氣系統(tǒng)壓力不斷升高，當(dāng)進(jìn)氣系統(tǒng)低于某一值或排氣系統(tǒng)高于某一值，壓縮機(jī)停止工作。二、排氣溫度和壓縮終了溫度(1)定義和計(jì)算壓縮機(jī)級(jí)的排氣溫度是在該級(jí)工作腔排氣法蘭接管處測(cè)得的溫度，計(jì)算公式如下：壓縮終了溫度是工作腔內(nèi)氣體完成壓縮機(jī)過(guò)程，開(kāi)始排氣時(shí)的溫度，計(jì)算公式如下：排氣溫度要比壓縮終了溫度稍低一些。(2)關(guān)于排氣溫度的限制汽缸用潤(rùn)滑油時(shí)，排氣溫度過(guò)高會(huì)使?jié)櫥宛ざ冉档图皾?rùn)滑性能惡化；另外，空氣壓縮機(jī)中如果排氣溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致氣體中含油增加，形成積炭現(xiàn)象，因此，一般空氣壓縮機(jī)的排氣溫度限制在160°C以?xún)?nèi)，移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)限制在180°C以?xún)?nèi)。氮、氨氣壓縮機(jī)考慮到潤(rùn)滑油的性能，排氣溫度一般限制在160°C以?xún)?nèi)。壓縮氯氣時(shí)，對(duì)濕氯氣的排氣溫度限制在100°C,干氯氣的排氣溫度限制在130°C。石油壓縮機(jī)的排氣溫度一般不超過(guò)100°C。⑤乙快壓縮機(jī)的排氣溫度一般不超過(guò)100°C。⑥汽缸無(wú)由潤(rùn)滑壓縮機(jī)，如果使用自潤(rùn)滑材料做密封元件，允許的排氣溫度取決于自潤(rùn)滑材料的性質(zhì)，如填充聚四氟乙烯材料的限制溫度為180°C。三排氣量和供氣量(1)定義排氣量(也稱(chēng)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(jī)最后一級(jí)單位時(shí)間內(nèi)排出氣體，換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的壓力和溫度時(shí)的氣體容積值,單位m3/min或ms/h。排氣量換算時(shí)的幾個(gè)注意事項(xiàng)：a、 如果被壓縮氣體中含有水蒸氣，壓縮完成后經(jīng)冷卻分離出來(lái)，這部分水分也應(yīng)該換算成一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的水蒸氣容積計(jì)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(yīng)該包含在排氣量中并換算到一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)。c、 對(duì)于實(shí)際氣體，若是根據(jù)氣體出口高壓下測(cè)得的體積進(jìn)行換算，應(yīng)考慮氣體的可壓縮性的影響。d、 壓縮機(jī)排氣量是壓縮機(jī)吸入量減去各級(jí)泄露的剩余氣量，排氣量可以變化，壓縮機(jī)銘牌上標(biāo)注的排氣量指的是額定工況下容積流量數(shù)值。供氣量（標(biāo)準(zhǔn)容積流量）：指壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)排出的氣體容積折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下時(shí)的干氣體容積值。供氣量換算時(shí)的幾個(gè)注意事項(xiàng)：a、級(jí)間如果有冷凝水析出，則被分離掉的冷凝水不計(jì)入供氣量。b、 級(jí)間如果進(jìn)行抽氣洗滌凈化，則被洗滌掉的組分不計(jì)入供氣量。c、級(jí)間如果被壓縮介質(zhì)在到達(dá)壓縮機(jī)出口之前被抽走并用于工藝流程，則這部分被抽調(diào)的氣體也應(yīng)該換算成干氣體，計(jì)入供氣量。d、 若中途加入其他氣體并由機(jī)組出口排出，則這部分氣體計(jì)入供氣量。理論容積量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)所形成的壓縮機(jī)工作容積之和，等于每轉(zhuǎn)總工作容積或排量乘以轉(zhuǎn)速。(2)排氣量的計(jì)算：根據(jù)實(shí)測(cè)值換算：當(dāng)實(shí)際測(cè)得末級(jí)排氣量時(shí)，可按照下式求解壓縮機(jī)的排氣量：容積流量隨壓縮機(jī)的進(jìn)口狀態(tài)而變，它不反映壓縮機(jī)所排氣體的物質(zhì)數(shù)量。②根據(jù)理論計(jì)算：根據(jù)定義，排氣量等于壓縮機(jī)每一轉(zhuǎn)吸進(jìn)的氣體扣除中途泄漏到機(jī)器外部的氣體，再乘以轉(zhuǎn)速，即：civ=f饑小"Ai(4)供氣量與容積流量的關(guān)系：_ (%-飽耘UVN~(Jv二(1)冷卻析水問(wèn)題用于壓縮濕氣體的壓縮機(jī)，中間各級(jí)或末級(jí)排氣經(jīng)冷卻后，氣體的含濕量會(huì)增加，如果水蒸氣的分壓達(dá)到相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓，就會(huì)有水分從氣體中析出。ra232多級(jí)壓摒機(jī)系統(tǒng)蕤力參數(shù)關(guān)系任意壓縮機(jī)的第一級(jí)的析水系數(shù)為1。多級(jí)壓縮機(jī)任意第i級(jí)的析水系數(shù)為：_Ri一外旅P^-Ps^Psl當(dāng)壓力較高時(shí)，可簡(jiǎn)化為：: Psi—'■psit[%Ai(2)各級(jí)泄露問(wèn)題直接泄入大氣或第一級(jí)進(jìn)氣管道的氣體，因是泄漏到壓縮機(jī)之外，故稱(chēng)為外泄露。如一級(jí)進(jìn)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(jí)進(jìn)氣系統(tǒng)的泄漏等。氣體僅由高壓級(jí)或高壓區(qū)泄入低壓區(qū)，但仍在壓縮機(jī)之內(nèi)，故稱(chēng)為內(nèi)泄漏。外泄漏直接降低排氣量并增加功率消耗，內(nèi)泄露不直接影響排氣量，但能影響級(jí)間壓力分配，倘若泄漏影響到第一級(jí)排氣壓力，也能間接影響排氣量。在第一級(jí)汽缶工膨脹和進(jìn)氣過(guò)程中,若有氣體泄入該缸容積，也屬外漏。泄漏系數(shù)與汽缸的排列方式、汽缸與活塞桿的直徑、曲軸轉(zhuǎn)速、氣體壓力的高低一級(jí)氣體性質(zhì)有關(guān)。有油潤(rùn)滑壓縮機(jī)一般取0.9-0.98,無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)一般取0.85-0.95。(3)級(jí)間抽氣問(wèn)題級(jí)間抽氣：在壓縮機(jī)進(jìn)氣口和排氣口之間的某個(gè)部位，將壓縮機(jī)系統(tǒng)中的氣體抽走一部分，或額外補(bǔ)充進(jìn)一部分氣體，大致有如下三種情況。將壓縮機(jī)至中間壓力的氣體全部進(jìn)行洗滌凈化，去除其中工藝上不需要的少數(shù)成分后，剩余的有效成分再返回壓縮機(jī)繼續(xù)壓縮。將壓縮機(jī)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(jī)組排氣壓力。在壓縮機(jī)進(jìn)、出口之間的某一部位補(bǔ)充一些中壓氣體，這部分補(bǔ)充氣體與吸氣口來(lái)的氣體一道被后幾級(jí)壓縮并送至壓縮機(jī)出口。(4)工作容積計(jì)算照前一級(jí)排出的氣體經(jīng)級(jí)間冷卻后，剛好要為下一級(jí)

所吸進(jìn)的原則，壓縮機(jī)任意第i級(jí)工作容積可用下式計(jì)算:五、功率和效率(1)指示功率及其影響因素①指示功壓縮機(jī)直接用于壓縮氣體所消耗的功。整個(gè)壓縮機(jī)的指示功為各級(jí)指示功之和，單位時(shí)間內(nèi)消耗的指示功稱(chēng)為指示功率，即：②排出的氣體量級(jí)單位體積排氣量所消耗的指示功為:吸氣預(yù)熱、吸排氣壓力損失、泄漏的增加都會(huì)導(dǎo)致單位排氣量消耗的指示功增加。（2）軸功率和機(jī)械效率①摩擦功：壓縮機(jī)用于克服摩擦所消耗的功。表2-3往復(fù)壓縮機(jī)各部分摩擦功比例部位名稱(chēng)百分比％部位名稱(chēng)百分比％活塞環(huán)（處于氣體壓力作用下）38-45十字頭銷(xiāo)6-8活塞環(huán)（僅本身初彈力）5-8曲柄銷(xiāo)15-20填料2-10主軸頸13-18十字頭滑道4-5軸功：壓縮機(jī)的軸功包括指示功與摩擦功兩部分。機(jī)械效率：指示功率與軸功率之比。壓縮機(jī)機(jī)械效率統(tǒng)計(jì)壓縮機(jī)類(lèi)型4{nip大、中型壓縮機(jī)41 ?瀏■'型壓縮機(jī)40.85^0.92^微型壓縮機(jī)『0.32^0.90^(3)熱效率等溫指示效率壓縮機(jī)理論等溫循環(huán)指示功與實(shí)際循環(huán)指示功之比。因?yàn)槔碚摰葴匮h(huán)指示功是壓縮機(jī)所必需的最小功，反映實(shí)際消耗的指示功與最小功的接近程度，即經(jīng)濟(jì)性情況。它反映了實(shí)際循環(huán)由于泄漏、熱交換以及進(jìn)、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(jí)進(jìn)口溫度，等溫壓縮到排氣壓力時(shí)時(shí)的理論等溫循環(huán)指示功率與實(shí)際循環(huán)的軸功率之比，現(xiàn)有壓縮機(jī)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(shí)際循環(huán)指示功之比。絕熱效率即絕熱軸效率，壓縮機(jī)的理論絕熱循環(huán)功率與實(shí)際循環(huán)軸功率之比。實(shí)際壓縮機(jī)級(jí)的壓縮過(guò)程均趨于絕熱，絕熱效率能較好的反映級(jí)數(shù)相同時(shí)，氣閥等流動(dòng)部分的陰力損失情況。在多級(jí)壓縮時(shí)，它不能直接反映機(jī)器的效率消耗指標(biāo)的先進(jìn)與否。(4)比功率排氣壓力相同的機(jī)器，單位容積流量所消耗的功。比功率常用于比較同一類(lèi)型壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，它很直觀(guān)，特別是空氣動(dòng)力用壓縮機(jī)常采用比功率來(lái)作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。在比較同一類(lèi)型壓縮機(jī)的比功率時(shí)，要注意除排氣壓力相同外，冷卻水入口溫度、水耗量也應(yīng)相同。2.2.2壓縮機(jī)動(dòng)力性能和計(jì)算目的：動(dòng)力性能分析計(jì)算在于具體求取壓縮機(jī)中各作用力的大小，以便供零部件強(qiáng)度、剛度及耐磨性計(jì)算。一、壓縮機(jī)中的作用力壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的作用力有：.. ..a、 氣體壓力產(chǎn)生的作用力;b、 往復(fù)質(zhì)量與不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量造成的慣性力;c、 接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力(1)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系簡(jiǎn)化如圖所示：活塞抨圖＞24機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系筒化曲輔圖2-2S活塞抨圖＞24機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系筒化曲輔圖2-2S質(zhì)量簡(jiǎn)化系統(tǒng)圖＞26連料質(zhì)量轉(zhuǎn)化十字義連桿活塞位移簡(jiǎn)化為：x=r[(l-cos。)+孚(1一cos2i?)]將位移和速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到其速度和加速度分別為:速度：V=7■陌(sinH+WsinIff)加速度:?2-27?2-27曲軸質(zhì)量轉(zhuǎn)化簡(jiǎn)圖a-r<y2(cos8+zcos20)(2)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量等效如圖所示簡(jiǎn)化過(guò)程，得到轉(zhuǎn)化后的結(jié)構(gòu)。移動(dòng)質(zhì)量：ms=mp+ml轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量：mr—mc式中mc~mcl+mc2cccrm\=(03~m"=(0+6~0+7)機(jī)］川］—連桿質(zhì)量；時(shí)一陽(yáng)轉(zhuǎn)化的移動(dòng)質(zhì)量;與—移動(dòng)部件總質(zhì)量；?'叫一曲拐的轉(zhuǎn)化質(zhì)量：時(shí)一叱轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量*翌了—轉(zhuǎn)動(dòng)i 去質(zhì)量口整個(gè)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化在往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分的總質(zhì)量為:整個(gè)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的總質(zhì)量為:mr=m.c+m\

其中:地=俱i+mc2，七凹=(0.3一0.4)叫凹=(0-6?0.7"兒叫一曲拐的轉(zhuǎn)化質(zhì)量i珀f一叱轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量；皿『—叫一曲拐的轉(zhuǎn)化質(zhì)量i珀f一叱轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量；皿『—轉(zhuǎn)動(dòng)皆%件總質(zhì)量□琪］—必； 的移動(dòng)質(zhì)量;與一移動(dòng)部件總質(zhì)量;(3)各種作用力的計(jì)算氣體力氣缸內(nèi)的氣體壓力隨活塞運(yùn)動(dòng)，即隨曲軸轉(zhuǎn)角變化，變化規(guī)律可由壓力指示圖或過(guò)程方程得到。幾種典型汽缸的氣體力計(jì)算如圖。慣性力產(chǎn)生原因：運(yùn)動(dòng)零件不等速運(yùn)動(dòng)或作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生慣性力，其大小取決于運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量和加速度。往復(fù)慣性力:Fn=巾$*?=—ms?曠，(cos0+cos20)=fii5-r-o}?CQS&+〃七r■2?cos2(9)方向：往復(fù)慣性力始終作用于該汽缸軸線(xiàn)方向，僅其大小隨曲軸轉(zhuǎn)換角度周期地變化。一臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)的慣性力曲線(xiàn)如圖所示。旋轉(zhuǎn)慣性力:F@=m廣廠(chǎng)云方向：沿曲柄半徑方向向外，故其方向隨曲軸旋轉(zhuǎn)變化，大小不變。摩擦力. 專(zhuān)業(yè).專(zhuān)注 ^定義：作用于接觸面間，大小取決于正壓力及摩擦系數(shù)，方向始終與運(yùn)動(dòng)方向相反。與慣性力、氣體力等相比，摩擦力較小且計(jì)算較為復(fù)雜，在力的分析中一般不計(jì)入。(4)綜合活塞力①側(cè)向力和連桿力圖2-31單列壓堪機(jī)作用力分析圖解如圖(2-31)所示，曲柄處于任意轉(zhuǎn)角8時(shí)，設(shè)Fg和往復(fù)慣性力FIs合成的活塞力FP，先作用于十字頭銷(xiāo)或活塞銷(xiāo)上，然后沿連桿傳遞。設(shè)連桿與氣缸軸線(xiàn)夾角為6,則傳到連桿上的連桿力^為:F FF= = ■'cosP71-^i2sill2<9同時(shí)，在十字頭上產(chǎn)生一個(gè)壓向十字頭滑道的分力fn,稱(chēng)側(cè)向力：FAsin0阻力矩和傾覆力矩阻力矩：連桿力沿連桿傳至曲柄銷(xiāo)中心點(diǎn)，作用在曲柄銷(xiāo)上，對(duì)曲軸旋轉(zhuǎn)中心構(gòu)成的力矩，方向與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反。傾覆力矩：側(cè)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(jī)器內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)力矩。在立式壓縮機(jī)中有使機(jī)器順著旋轉(zhuǎn)方面傾倒的趨勢(shì)，習(xí)慣上稱(chēng)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(jī)身上，阻力矩作用在主軸上，因此兩者在壓縮機(jī)內(nèi)部不能互相抵消，屬自由力矩。傾覆力矩周期變化會(huì)造成機(jī)器振動(dòng)。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：cos/?沿曲柄方向的法向力：(5)各力對(duì)壓縮機(jī)的作用①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(guò)氣缸和機(jī)身傳遞到主軸承上，與經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(xiàn)方向上，氣體力不會(huì)傳到機(jī)器外邊來(lái)，它在機(jī)器內(nèi)部相互平衡。c、氣體力Fg只使氣缸、中體和機(jī)身等有關(guān)部分以及它們之間的連接螺栓等承受拉伸或壓縮，故稱(chēng)為內(nèi)力。慣性力a、作用在主軸承上的活塞力Fp中，往復(fù)慣性力部分未被平衡，它能通過(guò)主軸承及機(jī)體傳到機(jī)器外面來(lái)，因此慣性力稱(chēng)為外力，或自由力。b、 往復(fù)慣性力I的方向與數(shù)值隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)周期改變，會(huì)引起機(jī)器的振動(dòng)。c、 旋轉(zhuǎn)慣性力Flr作用在主軸承上，也會(huì)引起機(jī)器的振動(dòng)。側(cè)向力及傾覆力矩a、側(cè)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(jī)器內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)力矩。b、在立式壓縮機(jī)中有使機(jī)器順著旋轉(zhuǎn)方面傾倒的趨勢(shì)，習(xí)慣上稱(chēng)為傾覆力矩，周期變化會(huì)造成機(jī)器振動(dòng)。二、飛輪矩的確定(1)安裝飛輪的目的機(jī)器總阻力矩隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化而在其平均值上下波動(dòng)，當(dāng)原動(dòng)機(jī)(如電機(jī))的驅(qū)動(dòng)力矩均不變時(shí)，在某些時(shí)刻驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩就不能平衡，從而引起壓縮機(jī)角速度不斷變化，機(jī)器旋轉(zhuǎn)不均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。為了表征瞬時(shí)角速度變化的程度，引入旋轉(zhuǎn)不均勻度S：6過(guò)大會(huì)在運(yùn)動(dòng)部件上產(chǎn)生附加動(dòng)載荷，使聯(lián)軸器負(fù)荷加重，壽命降低，還會(huì)使電動(dòng)機(jī)乃至工作的電流產(chǎn)生波動(dòng)。(2)飛輪矩的計(jì)算通常用飛輪矩GD2表示飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。式中：G一飛輪輪緣部分的質(zhì)量,kg;D一飛輪輪緣截面質(zhì)心所形成圓的直徑,m;n—壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;L一壓縮機(jī)一轉(zhuǎn)中能量的變化值。(3)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)方案對(duì)飛輪矩的影響需要設(shè)置飛輪矩的根本原因是總切向力曲線(xiàn)不均勻，所以設(shè)法使FTZ曲線(xiàn)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(shí)，切向力均勻；b、 曲柄錯(cuò)角或汽