1、容積式壓縮機(jī),機(jī)械設(shè)備,第2章容積式壓縮機(jī),往復(fù)式壓縮機(jī)基本構(gòu)成和工作過程,2.1,往復(fù)式壓縮機(jī)的熱力性能及動力性能,2.2,往復(fù)式壓縮機(jī)的氣閥與密封,2.3,往復(fù)式壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)與控制,2.4,往復(fù)式壓縮機(jī)的選型與結(jié)構(gòu)實例,2.5,菜單,2.6,回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),(1)級的理論循環(huán)吸氣量、理論循環(huán)指示功計算(2)級的實際循環(huán)實際吸氣量、實際循環(huán)指示功計算參考書:1.工程熱力學(xué)2.活塞式壓縮機(jī)西安交通大學(xué)郁永章,2.1.2壓縮機(jī)級的工作過程,2.1.2壓縮機(jī)級的理論循環(huán),假設(shè)：工作腔內(nèi)無余隙容積，汽缸內(nèi)氣體全部排凈；氣體通過進(jìn)、排氣閥時無壓力損失，且沒有壓力波動，無熱交換，吸氣和排氣為定值；壓縮過程

2、和排氣過程氣體無泄漏；壓縮氣體為理想氣體，壓縮過程指數(shù)為定值；壓縮過程為等溫或絕熱過程。滿足上述四點要求即為理論循環(huán),菜單,壓縮機(jī)級的理論循環(huán),吸氣壓縮排氣，為一個級的理論循環(huán)。,壓縮機(jī)在一個循環(huán)中所經(jīng)歷的4-1-2-3-4過程稱為一個理論工作循環(huán)。,只有壓縮過程是真正的熱力學(xué)過程,壓縮機(jī)級的理論循環(huán),內(nèi)止點（下止點）:活塞運動到達(dá)接近主軸側(cè)的極限位置外止點（上止點）：活塞運動到達(dá)遠(yuǎn)離主軸側(cè)的極限位置進(jìn)程：由內(nèi)止點向外止點運動回程：由外止點向內(nèi)止點運動行程：活塞由一個止點到另外一個止點所走的距離(S）活塞行程S,S=2r(曲柄半徑r）,外止點,內(nèi)止點,（壓縮過程？）,（吸氣過程？）,7,壓縮過

3、程是一定量氣體的熱力過程，壓縮線決定于過程指數(shù)m,壓縮機(jī)級的理論循環(huán),線,活塞壓縮機(jī)中,壓縮機(jī)級的理論循環(huán),（1）理論進(jìn)氣量活塞直徑D，活塞行程S,S=2r(曲柄半徑r）活塞行程容積：Vs進(jìn)氣容積：V1一個理論循環(huán)的進(jìn)氣量：V1=Vs=ApSAp活塞面積,S,D,壓縮機(jī)級的理論循環(huán),V1=Vh=ApS,單作用氣缸：雙作用氣缸：,理論進(jìn)氣量：,級差氣缸：每分鐘理論進(jìn)氣量：每分鐘活塞沖程次數(shù)n(沖/分）=曲軸的轉(zhuǎn)速n（r/min),(2）理論壓縮循環(huán)指示功等溫過程、等熵過程（絕熱過程）、多變過程,依據(jù)熱力學(xué)第一定律:理論循環(huán)指示功Wi進(jìn)氣過程功：-p1V1排氣過程功：p2V2壓縮過程功：,功的符號

4、定義：活塞對氣體做功為正，如壓縮、排氣過程,理論循環(huán)指示功Wi壓縮為正功:,P-V圖稱為示功圖,等溫過程在壓縮過程中，氣體溫度不變，T=常數(shù)。狀態(tài)方程式：等溫下:循環(huán)指示功Wi,wi,等溫過程的指示功：,(2)絕熱過程壓縮過程中，氣體與外界無熱量交換，q=0。絕熱過程方程式：k絕熱指數(shù)，只隨溫度變化。,wi,單原子氣體：k=1.661.67雙原子氣體：k=1.401.41多原子氣體：k=1.101.30理論循環(huán)絕熱壓縮過程功Wi,（3）多變過程非等溫、非絕熱下的相對較實際的壓縮過程。多變壓縮過程方程式：,wi,理論循環(huán)多變壓縮過程功往復(fù)活塞式壓縮機(jī)常采用水冷和風(fēng)冷。一般：1mk,三種壓縮過程理

5、論功比較,等溫壓縮過程用功最少,強(qiáng)制冷卻,保持氣體溫度不變。絕熱壓縮過程用功最多。多變壓縮過程用功在兩者之間，較符合實際。,為什么要對壓縮機(jī)的汽缸進(jìn)行冷卻？,Wi,壓縮機(jī)汽缸采用水冷或風(fēng)冷目的之一：使壓縮過程趨近于等溫過程，耗功最小,2.1.3壓縮機(jī)級的實際循環(huán),實際循環(huán)與理論循環(huán)的差別,1.存在余隙容積使壓力指示圖出現(xiàn)膨脹過程,活塞在止點時無法到達(dá)的氣缸剩余容積。,余隙容積(Vc),余隙容積由三部分組成:,氣缸蓋端面與活塞端面所留必要的安全間隙而形成的容積；進(jìn)氣、排氣閥與氣缸相聯(lián)通部分的容積；第一道活塞環(huán)到活塞頂部在活塞與氣缸的徑向間隙間形成的環(huán)狀容積。,余隙容積大小,*活塞端面與汽缸蓋的間

6、隙Vc1=23mm*活塞側(cè)面與第一道活塞環(huán)之間Vc2=0.51mm,余隙容積的影響,*余隙容積存在使得吸氣過程推遲，吸氣量減少，因而壓縮機(jī)的排氣量減少。壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力下降；*壓縮機(jī)對余隙容積內(nèi)的氣體做無用功，機(jī)器的效率下降；*余隙容積不能過小，否則會發(fā)生活塞與汽缸蓋相撞的事故，影響壓縮機(jī)的安全運行,ps-piFs,2.進(jìn)、排氣通道及氣閥具有阻力,psp1,pdp2,實際吸氣壓力低于名義吸氣壓力實際排氣壓力高于名義排氣壓力,實際壓縮比大于名義壓縮比,實際循環(huán)與理論循環(huán)的差別,實際進(jìn)氣過程是由d點而不是4點開始，整個進(jìn)氣過程中氣缸內(nèi)的實際壓力一般也都低于進(jìn)氣管道中的名義進(jìn)氣壓力p1。排氣過程自b

7、點開始實際排氣壓力也高于排氣管中名義的壓力p2。,3.實際吸、排氣過程呈波浪線,實際循環(huán)與理論循環(huán)的差別,吸入過程中氣體一般比壁面溫度低，因此氣體會被加熱；排出過程中氣體一般會比壁面溫度高，因此氣體會放出熱量。,4.實際壓縮和膨脹過程線并非定值,在膨脹和壓縮過程中，因為氣體與氣缸壁之間存在熱交換，使得壓縮過程指數(shù)與膨脹過程指數(shù)不斷變化，并非常數(shù)。,5.存在泄漏,吸氣管道,缸蓋,吸氣閥,氣缸,排氣閥,缸蓋,排氣管道,壓縮機(jī)中氣體流程為,氣缸容積不可能絕對密封。氣缸的工作腔部分依靠氣閥與進(jìn)、排氣系統(tǒng)相隔離；依靠活塞環(huán)等零件來密封活塞與氣缸的間隙；依靠填料來密封活塞桿與氣缸座的間隙。這些部位不能做到

8、完全密封，因此必然有氣體自高壓區(qū)向低壓區(qū)泄漏。由于泄漏，壓縮和膨脹過程便會變得比較平坦。,實際過程與理論過程的區(qū)別及引起后果：,由于余隙容積的存在，實際工作循環(huán)由膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程組成，而理論循環(huán)無膨脹過程。實際吸、排氣過程中存在阻力損失，使實際氣缸內(nèi)吸氣壓力小于吸入管路內(nèi)氣壓、實際氣缸內(nèi)排氣壓力高于排出管路內(nèi)氣壓；吸、排氣過程中有壓力波動、溫度變化。在膨脹和壓縮過程中，因為氣體與氣缸壁之間存在熱交換，使得壓縮過程指數(shù)與膨脹過程指數(shù)不斷變化，并非常數(shù)。壓縮機(jī)工作過程中活塞環(huán)、填料、氣閥不可避免存在泄露，使指示功圖面積變小,由于實際循環(huán)和理論循環(huán)的上述差異，必將影響壓縮機(jī)各方面的性能

9、。,實際循環(huán)的吸氣量不但受余隙容積中高壓氣體膨脹的影響，還受進(jìn)氣阻力和進(jìn)氣被加熱的影響。,實際循環(huán)的排氣量還受泄漏的影響。(后述）,2.1.4級的實際循環(huán)進(jìn)氣量,1.余隙的影響,余隙存在使得氣缸內(nèi)實際可吸入的氣體由Vs減小到Vs1,表示余隙對氣缸利用率的影響。,級的實際循環(huán)進(jìn)氣量,由于進(jìn)氣阻力和壓力波動，使進(jìn)氣終了壓力降低為pa（pap1）；,將氣缸工作容積內(nèi)壓力為pa的吸氣量折合到名義進(jìn)氣壓力p1下，則吸氣量減少V2。使得氣缸內(nèi)實際可吸入的氣體由Vs減小到Vs2。,2.壓力的影響,級的實際循環(huán)進(jìn)氣量,由于進(jìn)氣被加熱，使進(jìn)氣終了溫度升高為Ta（TaT1）；,將溫度高于Ta的氣體冷卻到T1，氣缸

10、內(nèi)實際可吸入的氣體由Vs2減小到Vs3。,3.溫度的影響,級的實際循環(huán)進(jìn)氣量,綜合上述分析，將受余隙、阻力和加熱影響后的氣體折合到名義吸氣狀態(tài)（p1、T1）的進(jìn)氣量為Vs3：,級的實際循環(huán)進(jìn)氣量,稱為壓力系數(shù)。,稱為溫度系數(shù)。,均是影響吸氣量的系數(shù)。,表示進(jìn)氣阻力對氣缸利用率的影響。,表示進(jìn)氣被加熱對氣缸利用率的影響。,級的實際循環(huán)進(jìn)氣量,1.容積系數(shù)v,m：膨脹過程系數(shù),相對余隙,壓力比,膨脹過程為一氣體熱力學(xué)過程！,影響因素：、m；氣缸余隙容積的存在使得v1。,(3-13),相對余隙容積,活塞止點間隙活塞環(huán)間隙氣體通道：閥窩容積、氣閥內(nèi)部容積,1.容積系數(shù)v,壓力比,大：殘余氣體膨脹后所占

11、容積大，v小,極限壓力比：殘余氣體膨脹后占據(jù)整個工作容積Vh,壓力比對容積系數(shù)影響,1.容積系數(shù)v,膨脹過程指數(shù)m:,在工程中用等端點過程指數(shù)代替實際膨脹指數(shù)。,氣放熱,氣吸熱,m越小，吸熱越多，膨脹線平坦，v小。,m越大，膨脹線陡，v大,m可查表選取,膨脹過程指數(shù)對溶劑系數(shù)影響,1.容積系數(shù)v,2.壓力系數(shù),影響因素：彈簧力：過強(qiáng)則提前關(guān)閉，活塞到內(nèi)止點下降大。,吸氣終了時狀態(tài)：與管道及氣閥容積有關(guān)，,換算到,狀態(tài)體積變小，,經(jīng)驗確定：常壓進(jìn)氣,以后各段,3.溫度系數(shù),缸壁溫度約為吸排氣溫度的平均值,吸入新氣從汽缸壁吸收了熱量，溫度升高,，氣體比容,折合到標(biāo)準(zhǔn)吸氣狀態(tài)的吸氣量就減少，,影響因

12、素：氣體性質(zhì)：導(dǎo)熱性、缸壁溫度：冷卻好壞,填填看：,1.、和影響吸氣量。,余隙容積,進(jìn)氣阻力,進(jìn)氣溫升,2.排氣時，氣缸內(nèi)溫度比排氣管道溫度，氣缸內(nèi)壓力比排氣管道壓力。,高,高,3.壓縮初期，氣體溫度低于壁溫，應(yīng)為壓縮，過程指數(shù)n。,吸熱,k,按等功面積原理：理論吸氣壓力線P1降低P1，成為平均實際吸氣壓力線P1；理論排氣壓力線P2升高P2，為平均實際排氣壓力線P2。實際指示功為abcd圖形面積，實際參數(shù)：,2.1.5實際循環(huán)指示功,實際循環(huán)的指示功,實際吸入壓力與實際排出壓力：,上式為實際一個氣缸所作功。多變指數(shù)m：低壓級：m=(0.950.99)k高壓級：m=k相對壓力損失可根據(jù)經(jīng)驗圖查得

13、,進(jìn)、排氣名義壓力表示實際循環(huán)指示功：,多級壓縮是將氣體的壓縮過程分成若干級，逐級提壓，最終達(dá)到所需排氣壓力。工業(yè)上壓縮級數(shù)可達(dá)到67級以上。,多級壓縮的級與級之間設(shè)有中間冷卻器。大型壓縮機(jī)中冷器多引到室外進(jìn)行冷卻。,2.1.6多級壓縮,1.多級壓縮的優(yōu)點,1-4為絕熱壓縮過程線；,1-4為等溫壓縮過程線。,1-2-2-3-3-4為三級壓縮過程線。,2-2和3-3為等壓冷卻過程線。,省功,降低排氣溫度考慮介質(zhì)的閃點溫度，出現(xiàn)“積碳”、氧化爆炸等因素。壓縮機(jī)的溫度控制一般較嚴(yán)格，溫度是檢測壓縮機(jī)正常工作的敏感參數(shù)，很多隱患可以從溫度中得到。,提高容積系數(shù),容積系數(shù)表示有效容積的利用率；第一級的容

14、積系數(shù)提高，可以大大減少整機(jī)尺寸,降低活塞上的氣體力,減輕運動機(jī)構(gòu)及機(jī)身零部件機(jī)器的效率提高,兩級壓縮比單級壓縮減小活塞力約40%,長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的大中型壓縮機(jī)，以省功為原則，提高運轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性。間歇運轉(zhuǎn)及運輸用壓縮機(jī)，以結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，重量輕為原則，功耗可放于次要地位。通常在溫度允許范圍內(nèi)，適當(dāng)提高壓力比，盡量減少級數(shù)。,級數(shù)的選擇原則,級數(shù)選擇：,對易燃、易爆氣體和無油潤滑壓縮機(jī)，級數(shù)選擇受溫度限制。化工用壓縮機(jī)，級數(shù)應(yīng)滿足工藝要求。,選擇級數(shù)時，可按等溫效率與終壓關(guān)系查取相關(guān)圖表。,等溫指示效率：理想等溫指示功/實際循環(huán)指示功,級數(shù)選擇：,等溫指示效率與終壓關(guān)系曲線,條件：雙原子氣體，進(jìn)氣壓

15、力0.1MPa，一級進(jìn)氣溫度300K，第二級以后各級310K，各級壓縮為等熵壓縮，不考慮溫度系數(shù)的影響。,表2-2為級數(shù)與終壓的一般關(guān)系,級數(shù)選擇：,壓力比的分配,以兩級壓縮為例討論壓力比的分配。（前提：功耗最?。?基本原則：功耗最小,假設(shè)：無壓力損失，無泄漏，級間回冷完善，兩級壓縮過程指數(shù)均為（n=k)則：兩級壓縮的理論循環(huán)p-v圖如右。,若級間壓力為px，則：,總壓力比,第一級壓力比,第二級壓力比,兩級壓縮的理論循環(huán)功為：,由于T1x=T11，由狀態(tài)方程PV=RT可知：p1V1=pxVx，所以：,要使功耗最小，可將上式對px求導(dǎo)數(shù)，并令其為零，則可求出功耗最小的極值點所對應(yīng)的px值。求導(dǎo)結(jié)

16、果為：,即：,也即：,可以證明，當(dāng)時，Wi為極小值。,由此，可以推出：,即：,同理，對三級及以上多級壓縮（z），同樣有：,注意：這只是從理論壓縮循環(huán)且最省功的原則出發(fā)得出的結(jié)論。,實際設(shè)計中，壓縮比的選取還要考慮其它制約因素。歸納如下：,應(yīng)滿足工藝要求，按段分級,例:合成氨生產(chǎn)中的合成氣壓縮機(jī)，工藝要求為：壓縮到2.02MPa去水洗塔；再壓縮到13.45MPa去銅洗凈化；最后壓縮到32.1MPa（表壓320kgf/cm2）入合成塔。,大型壓縮機(jī)將第一級壓縮比取低些,有利于增大V1，確保排氣量。,可減小機(jī)器尺寸（1級缸直徑）和重量。,一般,為平衡各列活塞力，使壓縮機(jī)受力均勻，提高機(jī)械效率和機(jī)構(gòu)利用率，各級壓力比要根據(jù)結(jié)構(gòu)方案適當(dāng)修正。,末級壓力比適當(dāng)取小些,末級排壓有時會大于設(shè)計值（末級超壓）；進(jìn)氣調(diào)節(jié)（減?。⒁鹉┘墘毫Ρ壬撸痪鶗斐赡┘壟艢鉁囟壬撸┘壋瑴兀?。,目的：防止末級超溫,一般,理論工作循環(huán)特點理論循環(huán)指示功及吸氣量