第二章 容积式压缩机-2.ppt

西南科技大学制造学院,过程流体机械,主讲：张华,西南科技大学制造学院,过程流体机械,教材及参考书,1.,蔡增基等编著，流体力学泵与风机,中国建筑工业出版社,2.,陈次昌等编著，水泥生产机械设备,机械工业出版社,课程内容：,本课程主要介绍流体机械设备，其中包括容积式压缩机、离心压缩机、泵、离心机等。,过程流体机械,绪,论,容,积,式,压,缩,机,离,心,压,缩,机,泵,离,心,机,内容如下,第二章 容积式压缩机,本章学习要求：,1.,了解往复压缩机基本构成和工作过程,2.,了解往复压缩机热力和动力性能,3.,了解往复压缩机的气阀和密封,4.,了解往复压缩机的调节和其他附属系统,5.,了解往复压缩机的选型,6.,了解回转式压缩机,过程流体机械,容积式压缩机,容积式压缩机的工作原理,是依靠工作腔容积的变化来压缩气体，因而它具有容积可周期变化的工作腔。,按工作腔和运动部件形状，容积式压缩机可分为“,往复式,”和“,回转式,”两大类。,往复式,：运动部件进行往复运动；,回转式,：运动部件做单方向回转运动。,绪论,1.4,压缩机概述,1.4.1.5,压缩机分类及命名,按工作原理,按工作腔中运动件或气流工作特征,容积式,往复式,回转式,动力式,离心式,轴流式,漩涡式,喷射式,绪论,1.2,流体机械的分类,1.2.3,按流体机械结构特点分类,1.2.3.1,往复式结构的流体机械,1.2.3.2,旋转式结构的流体机械,分类,主要运动部件,特点,举例,往复式,在工作腔中作往复运动的活塞,输送流体的流量较小而单级压升较高,往复式压缩机、往复式泵,旋转式,转轮、叶轮或转鼓,输送流体的流量大而单级压升不太高,回转式、叶轮式的压缩机和泵以及分离机,容积式压缩机,容积式压缩机的主要特点,（,1,）,工作腔的容积变化规律只取决于机构的尺寸，故机器压力与流量关系不大，工作的稳定性较好；,（,2,）,气体的吸入和排出是靠工作腔容积变化，与气体性质关系不大，故机器适应性强并容易达到较高的压力；,（,3,）,机器的热效率较高；,（,4,）,结构比较复杂，尤其是往复式压缩机易于损坏的零件多；,（,5,）,一些压缩机的气体吸入和排出是间歇的，容易引起气柱及管道的振动。,容积式压缩机,日立牌活塞往复压缩机于,1911,年问世，迄今已,有,90,年的历史。日立于,1953,年生产了日本第一台,平衡对称式压缩机，此装置功率为,450kW,。,容积式压缩机,自此以后，日立向世界多个国家输送了约,4,800,台共计,1,310,000 kW,功率的平衡对称式压缩机，其中包括一台输出功率为,5,500 kW,的压缩机及另一台压力为,550 kg/cm2,的压缩机，后者具备了同类产品的最高压力。,自,1968,年以来，日立还为低密度聚乙烯工厂提供了,21,台超高压压缩机，包括一台功率为,11,000kW,压力为,3,3000kg/cm2,的压缩机。,容积式压缩机,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.1,总体结构和组成,图,2-1,是一台大型往复式压缩机结构示意图，这是一台卧式四列五级对称平衡型高压活塞压缩机；图中所示的压缩机结构部件大致可分为如下三大部分：,（,1,）工作腔部分,工作腔部分是直接处理气体的部分，包括汽缸、活塞、气阀等，构成有进、出通道的封闭空间。活塞杆穿出工作腔端板的部位设有填料，用以密封间隙，活塞上设置的活塞环也是起密封作用的。,绪论,1.4,压缩机概述,1.4.1.4,按功率大小分类,名称,功率,/,KW,一般配用电源,/,V,小型压缩机,5,220,中型压缩机,5,450,380,大型压缩机,450,3000,或,6000,绪论,1.4,压缩机概述,1.4.1.2,按排气压力分类,分类,名称,排气表压,风机,通风机,鼓风机,15kPa,0.015,0.2MPa,压缩机,低压压缩机,中压压缩机,高压压缩机,超高压压缩机,0.2,1.0MPa,1.0,10MPa,10,100MPa,100MPa,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.1,总体结构和组成,（,2,）传动部分,传动部分把电动机的旋转运动转化为活塞的往复运动，包括曲轴、连杆、十字头等，往复运动的活塞通过活塞杆与十字头连接。,（,3,）机身部分,机身部分是用来支承（或连接）汽缸部分与传动部分的零部件，包括机身（或称曲轴箱）、中体、中间接筒等，其上还可能安装有其他附属设备。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.1,总体结构和组成,图,2-1,所示的压缩机确切地讲应称为压缩机主机，一台压缩机除主机外，还必须配以润滑系统、冷却系统、缓冲和减振系统、分离和净化系统、调节系统、安全防护系统等必不可少的附属装置才能稳定、可靠工作。,容积式压缩机,用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄连杆机构。曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副,B,、,C,联接曲柄和滑块的构件为连杆。,曲柄滑块机构,广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的主机构中。活塞式发动机以滑块为主动件，把往复移动转换为不整周或整周的回转运动；,压缩机、冲床以曲柄为主动件，把整周转动转换为往复移动。,容积式压缩机,容积式压缩机,容积式压缩机,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.2,机构学原理和构成,图,2-2,所示活塞压缩机的机构学原理：,（,1,）曲柄,1,的,旋转运动,通过来回摆动的连杆,2,转换成十字头,3,的,往复运动,，活塞,7,通过一根细长的活塞杆,4,连接在十字头上与其,同步往复运动,。,（,2,）活塞,同心地安装,在圆筒形汽缸,10,内，汽缸的一端或两端设有端盖，相应的前部和后部端盖称为缸盖和缸座。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.2,机构学原理和构成,图,2-2,所示活塞压缩机的机构学原理：,（,3,）活塞、汽缸、缸盖或缸座共同围合成的封闭空间就是用于进行气体压缩的,工作腔,，当活塞在十字头带动下做往复运动时，,工作腔容积做周期性变化,，即可实现气体的吸入、压缩和排出。,（,4,）气体进出工作腔的控制部件,11,、,12,分别称为,进、排气阀,。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.2,机构学原理和构成,图,2-2,所示活塞压缩机的机构学原理：,（,5,）活塞杆穿出汽缸端盖的部位存在环形间隙，需要进行密封，该密封元件,5,称为,填料,。,（,6,）活塞与汽缸之间同样也存在环形间隙，导致活塞两侧产生气体泄漏，对这一部位进行密封的元件,8,称为,活塞环,。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.2,机构学原理和构成,图,2-3,所示进气阀、排气阀的原理与结构：,控制气体进出工作腔的气阀，它有四个主要零件：,阀座,、,阀片（板）、弹簧,、,升程限制器,。,图,2-3(a),所示：,气阀处于,关闭状态,时，阀片紧压在阀座上，使工作腔与外部断开。,图,2-3(b),所示：,工作时，阀片下侧气体压力升高或上部气体压力下降，从而在阀片上产生一个与弹簧力反向的,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.2,机构学原理和构成,气体压差力，阀片两侧压差足够大时，气体力便克服了弹簧力而将阀片顶开，,形成气流通道,；,反之，当作用在阀片上的气体力减小或消失时，阀片便在弹簧力作用下落回阀座，,气阀关闭,。,升程限制器的作用：,是限制阀片的最大位移，并用于承载弹簧。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.2,机构学原理和构成,这种气阀的启闭完全是由工作腔内外的流体压力差决定，自动工作，故称为,自动阀,。,进、排气阀,的原理和结构相同，只是安装方向相反。,过程流体机械,过程流体机械,过程流体机械,过程流体机械,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.3,汽缸基本形式和工作腔,分类,定义,单作用气缸,对于压缩机的一个气缸而言，缸内仅在活塞一侧构成工作腔并进行压缩循环的结构。,双作用气缸,在活塞两侧构成两个工作腔并进行相同级次压缩循环的结构。,级差式气缸,通过活塞与气缸结构的搭配，构成两个或两个以上工作腔，并在各工作腔内完成两个或两个以上级次压缩循环的结构。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.3,汽缸基本形式和工作腔,分类,定义,平衡腔,有些多工作腔汽缸，其中的一个腔室仅与某工作腔进气相通，而不用于压缩气体，起力平衡作用，称为平衡腔。,工作腔,直接用来处理气体的容积可变的封闭腔室称为工作腔，一个压缩机汽缸中可能有一个工作腔，也可能有多个工作腔，它们同时或轮流依次工作，执行相同或不同压缩任务。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.3,汽缸基本形式和工作腔,分类,定义,工作容积,工作腔中的全部容积并不一定都是有效的，其中实际用来处理气体的那部分容积称为工作容积，例如往复压缩机中活塞所扫过的那部分容积。,余隙容积,工作腔在排气结束后，其中仍可能残存一部分高压气体，这部分空间称为余隙容积。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.4,压缩机结构形式,一台压缩机，尤其是多级压缩机中，可能有不止一个连杆，把一个连杆所对应的一组汽缸及相应动静部件称为,一列,。,一个压缩机有几个连杆就有,几列,。,一列可能对应一个汽缸，也可能对应串在一起的几个汽缸。,单列或多列活塞压缩机根据汽缸中心线与地平面的相对位置，可分为图,2-5,所示的一些形式，这些形式概括为,立式,、,卧式,、,角度式,三类。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.4,压缩机结构形式,分类,定义,立式压缩机,汽缸中心线与地面垂直。,卧式压缩机,汽缸中心线与地面平行，包括一般卧式、对动式、对置等。,角度式,包括,L,形、,V,形、,W,形、扇形、星形等。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.1,基本构成和工作原理,2.1.1.4,压缩机结构形式,一般卧式,：汽缸布置在曲轴一侧；,对动式,：汽缸分布在曲轴两侧且两侧活塞运动两两相向；,对置式,：汽缸分布在曲轴两侧但两侧相对列活塞的运动不对称。,卧,式,压,缩,机,四列或四列以上对动及对置式压缩机，电机位于各列间称为,H,形压缩机，电机位于轴端称为,M,形压缩机，两列对动压缩机也称,D,形压缩机。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2,压缩机级的工作过程,被压缩气体进入工作腔内完成一次气体压缩称为,一级,，每个级由进气、压缩、排气等过程组成，完成一次该过程称为,一个循环,。,2.1.2.1,级的理论循环,先研究级的理论循环，假设：,.,汽缸没有余隙容积，被压缩气体能全部排出汽缸；,.,进排气过程无压力损失、压力波动、热交换，吸、排气压力为定值；,.,压缩过程和排气过程无气体泄漏；,.,所压缩的气体为理想气体，其过程指数为定值；,.,压缩过程为等温或绝热过程。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.1,级的理论循环,理论循环如图,2-6,所示：,横坐标为工作腔容积，纵坐标为其内气体压力。,41,为进气过程,：当活塞自左向右移动时，气体以压力,P,1,被吸入汽缸,;,12,为压缩过程,：活塞运动到最右端后，返程向左移动，,气体被压缩；,23,为排气过程,：当压缩压力达到排气压力,P,2,后,气体被,活塞推出汽缸。,进气过程吸气阀打开，排气过程排气阀打开，均为瞬间启闭，过程,1,2,3,4,即为,级的理论循环,。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.1,级的理论循环,“,示功图,”,：循环过程在,P-V,图上的表示称为压力指示,图；,“,外止点,”,：活塞运动到达的远离主轴侧的极限位置；,“,内止点,”,：活,塞运动到达的接近主轴侧的极限位置；,“,进程,”,：活塞向外止点运动时称,“,进程,”,；,“,回程,”,：,活塞向内止点运动时称“回程”；,“,行程,”,：活塞从一个止点到另一止点所走过的距离。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.1,级的理论循环,（,1,）理论循环级的进气量,理论循环中，级所吸进的气量为活塞迎风面积,Ap,与其行程,s,的乘积，即活塞一个行程所扫过的容积，特称,行程容积,或,扫气容积,。,(2-1),容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.1,级的理论循环,（,2,）理论循环指示功,完成一个工作循环所消耗的外功称为指示功，理论循环指示功即为,P-V,图上封闭循环图所包围的面积，其值为,:,(2-2),容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.1,级的理论循环,（,2,）理论循环指示功,将过程方程代入上式可积分得到等熵压缩循环指示功,W,i-ad,的计算式、等温压缩循环指示功,W,i-is,的计算式,:,(2-4),(2-3),容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,1,）实际循环与理论循环的差别,汽缸有余隙容积,在排气行程终了的止点位置，余隙容积内的高压气体无法排出，当活塞进入下一个进气行程时，工作腔内残留的高压气体要先膨胀至低于名义吸气压力后才可能开始有新的气体吸入汽缸。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,1,）实际循环与理论循环的差别,进、排气通道及气阀有阻力,通道和气阀不可能绝对光滑且无曲折，同时流通面积有限，故气体流经这些部位要产生压力损失，,因此实际的吸气压力线低于名义值，而实际排气压力线高于名义值,。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,1,）实际循环与理论循环的差别,气体与汽缸各接触壁面间存在温差,吸入过程中气体一般比各壁面温度,低,，因此气体会被加热；排出过程中气体一般会比各壁面温度,高,，因此气体会放出热量。,压缩和膨胀过程中气体温度不断变化，而壁面温度趋于定值：,故在压缩开始阶段继续有热量传给气体，成为,吸热压缩,，,随着压缩过程的进行，气体温度不断提高，在某瞬时气体温度便和缸壁温度相等，该瞬时为,绝热压缩,，此后，气体温度超过缸壁温度成为,放热压缩,。膨胀过程正好相反。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,1,）实际循环与理论循环的差别,汽缸容积不可能绝对密封,汽缸依靠,气阀,与进、排气系统相隔离；,依靠,活塞环,等零件密封活塞与汽缸之间的间隙；,依靠,填料,来密封活塞杆通过汽缸端盖的部分。,这些部位不能做到完全密封，因此必然有气体自,高压区向低压区泄漏，影响工作过程。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,1,）实际循环与理论循环的差别,阀室容积不是无限大,实际气体性质不同于理想气体,在特殊的条件下使用压缩机,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,1,）实际循环与理论循环的差别,由图,2-8,可见：吸气阀在,4,点以后才开启，,汽缸内压力下降至,d,点，,吸气结束,a,点，吸气阀关闭,，,越过,2,点后缸内压力超过名义排气压力，,b,点排气阀完全开启，,排气阀在,c,点关闭。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,2,）实际循环级的进气量,级的实际循环吸进的气量若折合成原始的压力,p,1,和温度,T,1,，比理论循环的进气量（即行程容积,Vs,）小。,V1,:,首先余隙容积中高压气体的膨胀占去了,活塞的一部分行程，使吸进的气体减少了,V1,；,V2,：其次由于进气过程中存在阻力，使吸气,终了时汽缸内压力,Pa,低于名义值,Pa,折合到名义值减少,V2,；,V3,：由于热交换的影响使吸入终了温度,Ta,高,于名义值，把气体温度折合到名义值，容积减少,V3,。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,2,）实际循环级的进气量,令折算到进口压力和温度的实际吸入容积为,Vs,，则其与行程容积的比值,称为,吸气系数,，也称,充气系数,。,(2-,),容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,2,）实际循环级的进气量,容积系数,压力系数,温度系数,(2-,),(2-,),(2-,),容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,2,）实际循环级的进气量,容积系数根据气体状态方程和过程方程可推导得到容积系数的计算式。,(2-,),理想气体：,(2-,),实际气体：,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,2,）实际循环级的进气量,压力系数图,2-8,从点,a,到点,1,的过程可视为多方压缩过程，根据过程方程可推导出压力系数的计算式（理想气体）,:,(2-,2),理想气体：,(2-,3),近似：,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,2,）实际循环级的进气量,有两个因素影响,p,值,:,一是,：进气阀关闭状态的弹簧力，进气阀弹簧越硬，,为克服弹簧力开启阀片所需要的压差就越大，,p,就越小；,二是,：进气导管中的压力波动。吸气结束时，如果气流刚,好处于波峰，实际上对缸内的气体起到了增压的作用，甚,至造成,Pa,高于,P1,，,即,p,1,的情况；反之，若处于波谷，,则使吸气结束时汽缸内的压力比正常状态还要低。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.2,级的实际循环,（,2,）实际循环级的进气量,温度系数其大小取决于进气过程中传给气体的热量。热量有两个来源：,其一,：为进气过程中自通道、缸壁和活塞传给的热量，,这部分热量与壁面和气体的温差、活塞平均速度以及,气体密度有关；,其二,：为进气过程中由于压力损失所消耗的功，它也,变成热量而加给气体。,余隙容积中高压气体膨胀终了的温度一般比进气,温度高，但它不影响吸气量。温度系数可按图,2-12,选取。,2.1.2.3,多级压缩的定义,所谓多级压缩是将气体的压缩过程分在若干级中进行，并在每级压缩之后将气体导入中间冷却器进行冷却。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,概念：,所谓,多级压缩,，是将气体的压缩过程分在若干级中进行，并在每级压缩之后将气体导入中间冷却器进行冷却。,（,1,）实行多级压缩的理由,节省压缩气体的指示功；,降低排气温度；,提高容积系数；,降低活塞上的气体力。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,节省压缩气体的指示功,压缩机中的实际压缩过程趋于绝热，所以随单级压力比的提高，实际压缩过程线将越来越偏离等温压缩过程，即绝热循环指示功将越来越大于等温循环指示功。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,节省压缩气体的指示功,如图,2-16,所示，采用多级压缩，每一级在适当提高压力后就把气体排出并使气体冷却到原始进口温度，则实际压缩过程就是折线,1-2-1,-2,-1,-2,，,相比于单级绝热压缩更接近等温线，因而可节省指示功。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,降低排气温度,一定吸气温度下，级的压力比越高，排气温度就越高。排温过高会导致许多问题，如润滑油的黏度下降，润滑效果恶化，产生结焦和积炭等。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,提高容积系数,随着压力比的上升，余隙容积中气体膨胀占的容积增大，汽缸实际吸气量减少，容积利用率降低。采用多级压缩使各级压力比降低，因而容积系数增高。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,降低活塞上的气体力,多级压缩能大幅度降低活塞上所受的气体力，由此使运动机构和机身部分等零部件的重量减轻，机械效率也得以提高。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,2,）级数的选择,单级的最佳压力比,对独立的某一级或单级压缩机而言，把级的理论等,温循环指示功与实际循环指示功之比定义为,级的等温,指示效率,，即,(2-23),容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,2,）级数的选择,单级的最佳压力比,近似认为 ，将式,（,2-23,）,对,求导，令,其等于零，可求得等温指示效率最高时级的最佳压力,比。总的进排气压力损失在,10%,20%,、过程指数在,1.2,1.7,时，级的最佳压力比约在,2,4,，实际多级压,缩机的单级压比多在,3,左右。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,2,）级数的选择,单级的最佳压力比,如图,2-18,所示，级之所以存在一个使等温指示效率,最高的最佳压力比，是由于：当压力比较低时，由于,过程指数偏离等温压缩而多耗的功相对很小，而进、,排气过程中流动阻力所造成的损失相对较大，因而,较低；当压力比逐渐增高时，过程指数的影响慢慢增,加，而阻力损失的影响慢慢减小，至某一压力比时,达最大；当超过此压力比时，过程线偏离等温所造成,的影响急剧增加，而阻力损失基本不变，因此使,又降低。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,2,）级数的选择,多级压缩机的最佳级数,多级压缩机如果从省功角度考虑，应使整个机器的,等温指示效率最高。图,2-19,是不同排气压力时，不同,级数压缩机的等温指示效率计算曲线，可据此选择压,缩机级数，保证等温指示效率最高。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,2,）级数的选择,级数选择的其他原则,虽然多级压缩可以节省功，但级数越多，结构就越,复杂，相应机械摩擦损失、气阀流动阻力损失会增,加，设备投资费用也越大，因此应合理选取级数。不,同用途的压缩机在选择级数时还应综合考虑以下原则：,终,压,/,MPa,0.3,1,0.6,6,1.4,15,3.6,40,15,100,80,150,级数,Z,1,2,3,4,5,6,7,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,2,）级数的选择,级数选择的其他原则,压缩机类型,选择级数原则,大中型,一般应以最省功为原则，而不吝惜级数增多。,小型移动式,在排气温度允许的范围内，尽量选用较少的级数，以减轻重量。,特殊气体,在温度太高时化学性质会受到影响，因此级数的选择也取决于每一级所允许的温度。,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,3,）压力比的分配,理论推导表明，对于,理想气体,，各级回冷完全时，,按等压力比分配总压力比 ，等温指示效率最高，,即各级压力比为：,式中，,z,为压缩机级数。,对于,实际气体,，各级功耗相等时，等温指示效率,最高，故按各级功耗相等的原则分配压力比。,(2-24),压力比的分配,级数,z,选定后，各级压力比分配按,等压比,为最省功。,总压力比：,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,3,）压力比的分配,压缩机设计时，压力比的分配不能只考虑最省功这,一原则，还要考虑其他一些因素，而在等压比分配原,则基础上有所调整：,.,为提高压缩机的总体容积效率，一般第一级的压,力比要选得小一些，比其他级低约,5%,10%,；,.,如果第一级的进气温度很低，有时为了控制整个,压缩机的排温，还故意把一级压比取得比其他级高,5%,10%,；,容积式压缩机,2.1,往复,压缩机基本构成和工作过程,2.1.2.3,多级压缩,（,3,）压力比的分配,.,压缩机排气压力变化时，末级压力比所受的影响,较大，如果排气背压提高，末级压比和排温首先升,高，所以有时为控制末级排温，最后一级的压力比也,取得比其他级低,5%,15%,；,.,对于气体充瓶用压缩机，当气瓶压力一旦达到设,定值便停止工作，所以设计时末级压比可取得比其他,级高,10%,20%,；,.,有时考虑到活塞力平衡的需要，某些级次的压力,比可作适当调整。,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,活塞压缩机的,热力性能,是指,排气压力,、,排气量,、,排,气温度,以及,功率,和,效率,。,2.2.1.1,排气压力和进、排气系统,（,1,）排气压力,压缩机铭牌上标出的排气压力是指,额定排气压力,。,实际上，压缩机可在额定排气压力以内的任意压力下,工作，如果强度、刚度和排气温度等允许，也可超过,额定排气压力工作。,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.1,排气压力和进、排气系统,（,1,）排气压力,实际排气压,力的高低。,由压缩机排气系,统内的气体压力，,即所谓的“背压”决,定的；,该压力下压缩机,排入系统的气量,与从系统输走的,气量是否平衡；,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.1,排气压力和进、排气系统,如图,2-20,所示：,若排气系统在某压力下的气量,供求平衡,，,则压缩机便,稳定在某压力下运行,；,若,供过于求,，排气系统内的气体质量不,断增加，压力便不断提高，于是压缩机,的,排气压力也就相应提高,；,若,供不应求,，则排气系统内气体的质量,逐渐减少，压缩机,排气压力下降,，直至,达到新的平衡为止。,排气压力,压缩机,最终排气压力,的大小由系统和管路的背压决定。,压缩机排出压力,=,系统压力,+,管路阻力,压缩机铭牌上压力为额定工况下的压力，即额定转速、额定流量、设计系统压力及管路阻力下。,容积式压缩机,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.1,排气压力和进、排气系统,（,2,）进、排气系统,压缩机的,进、排气系统,决定了压缩机的,工作状态,和,工作方式,，各种压缩机的进、排气系统大致分为四类：,容积式压缩机,2.2.1.1,排气压力和进、排气系统,图,2-21,进气系统,进气压力,排气系统,排气压力,举例,(a),进气系统,：有气体连续、稳定地产生；,进气压力,：保持恒定。,排气系统,：连续、稳定地消耗气体；,排气压力,：保持恒定。,空气动力压缩机,(b),进气系统,：有气体连续、稳定地产生；,进气压力,：为定值。,排气系统,：为有限容积；,排气压力,：由低至高逐渐增加，达额定值，压缩机停止工作。,气体充瓶用压缩机,(c),进气系统,：为有限容积,进气压力,：逐渐降低，低达某一值，停止工作。,排气系统,：连续、稳定地消耗气体；,排气压力,：为定值。,真空泵,(d),进气系统,：为有限容积,进气压力,：不断降低，低达某一值。,排气系统,：为有限容积,排气压力,：不断升高，或高达某一值，停止工作。,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.2,排气温度和压缩终了温度,（,1,）定义和计算,压缩机级的排气温度,是在该级工作腔排气法兰接,管处测得的气体温度。,压缩终了温度,是工作腔内气体完成压缩过程，开,始排气时的温度。,因为排气过程节流和散热的关系，排气温度要比压,缩终了温度低一些。,(2-26),(2-25),容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1.2,排气温度和压缩终了温度,（,2,）关于排气温度的限制,由于种种原因，各种气体压缩机中排气温度都需,加以限制。,汽缸用油润滑压缩机,氮、氢气压缩机,氯气压缩机,石油气压缩机,乙炔压缩机,汽缸无油润滑压缩机,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.3,排气量和供气量,（,1,）定义,排气量,也称容积流量或输气量，是指在所要求的,排气压力下，压缩机最后一级单位时间内排出的气体,容积，折算到第一级进口压力和温度时的容积值。,排气量用符号 表示，常用单位是 （或,等），排气量换算时应注意以下方面：,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.3,排气量和供气量,.,如果,被压缩气体含有水蒸气,，随着气体压力的提,高，水蒸气的分压力也提高，经过冷却器后，若其分,压力大于冷却后气体温度所对应的饱和蒸汽压，便有,水蒸气从气体中凝析出来，并被气液分离器从气体中,分离掉。这部分被分离掉的水分也应换算成一级进口,状态的水蒸气容积而计入排气量。,.,化工厂中,被压缩的多组分气体,，有些组分不是工艺,所需要的，因此压缩到一定压力后要进行洗涤，以便,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.3,排气量和供气量,把它们清除掉。排气量中包含这部分被洗涤掉的气,体，并应换算到一级进口。若中途有气体添加进压缩,机，计算排气量时则应扣除这部分气体的容积。,.,对于实际气体，若是根据压缩机出口高压下测得的,体积进行换算，换算时还应,考虑气体可压缩性,的影响。,由此，压缩机的,排气量,实际上并不是压缩机装置,真正供给的气量，而是压缩机的吸入量减掉各级泄漏,到压缩机之外的剩余气量。,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.3,排气量和供气量,供气量,也称标准容积流量，是指压缩机单位时间,内排出的气体容积折算到基准状态时的干气体容积,值。,供气量用符号 表示,单位是标准状态,（或 ）,，换算时应注意以下方面：,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.3,排气量和供气量,.,级间如果有冷凝水析出，则被分离掉的冷凝水不计入供气量。,.,级间如果进行抽气洗涤净化，则被洗涤掉的组分不计入供气量。,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.3,排气量和供气量,（,2,）排气量的计算,根据实测值换算,根据,V,h,值理论计算,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.4,压缩机热力分析和计算,（,1,）冷却析水问题,用于压缩湿气体的压缩机，中间各级或末级排气经,冷却后，气体的含湿量（即相对湿度）会增大，如果,其中水蒸气的分压达到相应温度下的饱和蒸汽压，就,会有水分从气体中析出。,多级压缩机第,i,级析水系数的定义,压缩机第,i,级吸,入的析出水分后的湿饱和气体体积折算至一级进口压,力和温度状态下的数值，与一级实际吸入容积之比,（暂不考虑泄漏和抽气），称为,第,i,级的析水系数,。,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.4,压缩机热力分析和计算,（,2,）各级泄漏问题,压缩机中的泄漏分两种类型：,、直接漏入大气或第一级进气管道中的气体，,因是泄漏到压缩机之外，故称为,外泄漏,。,、气体仅由高压级漏入低压级或高压区漏入低,压区，但仍在压缩机之内，故称为,内泄漏,。,外泄漏直接降低排气量并增加功率消耗；,内泄漏不直接影响排气量，但影响级间压力的,分配。,容积式压缩机,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.4,压缩机热力分析和计算,（,2,）各级泄漏问题,多级压缩机第,i,级泄漏系数 的定义,压缩机,末级排出的气体体积（暂不考虑析水和中间抽气）折,算至第,i,级进口压力和温度状态下的数值，与该级实,际吸入的气体体积之比，称为,第,i,级的泄漏系数,。,泄漏系数与汽缸的的排列方式、汽缸与活塞杆的,直径、曲轴转速、气体压力的高低以及气体的性质有,关，难以准确计算，工程设计中多根据经验选取。,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.4,压缩机热力分析和计算,（,3,）级间抽气问题,所谓,级间抽气,：就是在压缩机进气口和排气口之,间的某个部位，将压缩机系统中的气体抽走一部分，,或额外补充进一部分气体，大致有三种情况：,、将压缩至中间压力的气体全部抽出进行洗涤,净化，去除其中工艺上不需要的少数成分后，剩余的,有效成分再返回压缩机继续压缩。,、将压缩至中间压力的气体抽出一部分，直接,用于工艺流程中需求压力较低的工段，其余气体继续,压缩至机组排气压力。,容积式压缩机,2.2,往复,压缩机热力和动力性能,2.2.1,压缩机的热力性能和计算,2.2.1.4,压缩机热力分析和计算,（,3,）级间抽气问题,、在压缩机进、出口之间的某一部位补充一些中,压气体，这部分补充气体与吸气口来的气体一道被后,几级压缩并送至压缩机出口。,多级压缩机第,i,级抽气系数,ci,的定义,压缩机第,i,级吸入的经抽气或补气的气体体积（暂不考虑析水和泄漏）折算至一级进口压力和温度状态的数值，与一级实际吸入容积之比，称为,第,i,级的抽气系数,。,容积式压缩机,2.2.1.4,压缩机热力分析和计算,（,3,）级间抽气问题,多级压缩机装置的排气量、供气量、理论排气量，,以及泄漏、析水、抽气、补气等各参数之间的关系如,图,2-23,所示：,理论容积流量,吸气损失 压缩机实际吸入量,泄漏 损失 排气量,中水 残水,补气加入,抽气洗掉 供气量,容积式压缩机,2.2.1.4,压缩机热力分析和计算,（,4,）工作容积计算,容积式压缩机,2.2.1.5,功率和效率,（,1,）指示功率及其影响因素,（,2,）轴功率和机械效率,（,3,）热效率,等温指示效率,等温轴效率,绝热指示效率,绝热轴效率,（,4,）比功率,容积式压缩机,2.3,往复,压缩机气阀和密封,2.3.2,工作腔滑动密封,在压缩机的工作腔部位，,活塞与汽缸之间,及,活塞杆,与缸座孔之间,，因为有相对滑动，故需留有必要的间,隙，这些间隙在压缩机工作时将产生气体的泄漏，因,而需要进行密封。,容积式压缩机,2.3,往复,压缩机气阀和密封,2.3.2,工作腔滑动密封,2.3.2.1,密封的原理和方式,（,1,）流体通过间隙的泄漏,工作腔部位的间隙均为环形间隙，流体通过四周均,匀的环形间隙的,单位时间泄漏量,可用下式表示：,（,2-80,）,上式表明，间隙的影响特别大，成三次方关系；泄,漏量与压力差及间隙直径成正比，与间隙长度成反,比，与流体黏性系数成反比。,容积式压缩机,2.3.2.1,密封的原理和方式,（,2,）密封的基本方式,所谓,节流密封,：就是在气体泄漏间隙的长度方向制,造一些小室，泄漏气体每进入一个小室即进行一次膨,胀并造成压力下降和容积增大，而容积增大了的气体,流过截面不变的间隙就要有更大的流速，也即要求有,更大的压力差，这样每个小室的压力降便越来越大，,气体则不能通畅地泄漏，从而达到密封的目的。,这种利用反复节流效应实现密封的方法通常称为,迷,宫密封