大功率水冷螺杆空压机换热分析与研究.pdf

书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）大功率水冷螺杆空压机换热分析与研究周艳辉，韩洪东（广东艾高装备科技有限公司，广东 佛山 ）摘要：功率为 及以上的螺杆空压机在运行时会释放出大量的热量，为保证螺杆空压机的稳定运行，根据热力学第一定律及对流换热公式，通过对大功率水冷螺杆空压机热量分布及传热过程进行分析与研究，给出了螺杆压缩机组其冷却系统的设计计算方法：包括空压机的循环喷油量，油冷却器换热面积，后冷却器换热面积，冷却水进出水温度，冷却水塔换热参数，冷却水泵流量与扬程等参数进行了分析与计算，能够为大功率水冷螺杆空压机冷却系统的设计提供了较好的指导意义。关键词：水冷冷却；螺杆空压机；换热；循环喷油量；冷却水塔；分析与研究中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，（，）：，：；引言为响应国家节能环保政策的要求，对于大功率的空压机越来越多的公司选择水冷式螺杆空压机，在相同的换热量的情况下，由于水的比热值要优于空气，水作为冷却介质对螺杆空压机的润滑油进行设 计 研 究 年 期（总第 期）冷却的效果要比空气更好，其换热的优越性来自于温差变小，在达到相同的排气温度值时会使得对流换热的对数平均温差值变大，从而减少换热面积；同时传热学的研究理论也发现水的对流换热系数也远远高于空气的对流换热系数，从而能够更进一步的提升换热效果，缩小换热器的体积尺寸；因此进行大功率水冷冷却螺杆空压机的换热分析与研究很有必要，并对其在机器实际的运行过程中，循环喷油量、冷却水塔换热参数及冷却水流量及冷却管壁的污垢系数等各项参数的变化对排气温度的具体影响进行分析与计算，以便为空压机使用时出现排气温度过高时提供分析的方法及判断依据。螺杆空压机的热量来源与分布螺杆空压机的动力来源为电能，根据热力学第一定律即能量守恒与互换定律，输入的电能转化为电动机旋转的机械能（电机的输出功率）电动机发热的热能 两部分，称之为电机的输入功率，电动机的输出功率 与电动机的输入功率之比的百分数，叫做电动机的效率 ，因此，电机发热的热量大小取决于电机的效率值 ，效率值 越大，电动机的输出功率增大，电动机的发热量减小。螺杆空压机的电动机通过联轴器与压缩机的输入轴连接在一起，电动机的输出功率 通过联轴器直接传递给压缩机的输入轴，称之为压缩机的输入功率，又叫做压缩机的轴功率 轴，由于联轴器的传递效率非常高，可以忽略其传递时的能量损失，即认为电动机的输出功率 压缩机的轴功率轴，根据压缩机的工作工程及热力学第一定律原理在热与功方面的转化关系，压缩机的轴功率 轴最终转换为压缩气体的内能及释放出热量。综合以上的分析，水冷喷油螺杆空压机的热量分布，其细分有电机散热量 ，主机外表的散热量 ，油气及其管路外表的散热量 ，油冷却器外表的散热量 ，后冷却器外表的散热量 ，油冷却器散热量 ，后冷却器气体散热量 ，进出口空气含湿量差（冷凝水）的热量 ，对于水冷螺杆压缩机其供气温度要求与进气温度一致，固不存在压缩气体额外带走的热量 。水冷螺杆空压机的冷却换热设计与计算根据能量守恒转换定律，空压机的输入功率 ，而 轴，而空压机的轴功率与其他的散热量 之间有如下的关系轴（）（）将空压机内部各零件外表面的散热量统一为，可得如下关系 （）而空压机内部各零件外表面的散热量 ，可根据传热学公式来计算 （）式中 平均表面换热系数，换热表面积，对数换热平均温差，根据文献 实验研究数据表明，空压机内部自然对流平均表面换热系数 大约在 ，一台采用电动机额定功率 的水冷两级压缩的空压机内辅助散热的表面积大约，经过计算 大约为 ，占比为 ，因此在进行油冷却散热量及后冷却器散热量计算时忽略掉外表面散热量可以将公式（）简化成如下公式轴 （）循环喷油量的设计与计算在喷油螺杆压缩机中，常向工作腔内喷入具有一定压力的润滑油，喷入的油呈微滴状，与压缩的气体直接接触混合，极大的换热表面迅速吸收气体的压缩机热，冷却被压缩介质，使排气温度得到了有效控制；排气温度的允许值通常都根据压缩机所采用的润滑油的耐温性能确定，目前行业内常压的喷油螺杆压缩机普遍采用矿物油，允许的最高使用温度通常为 ，为保证润滑油在其使用寿命周期内的良好性能，需要留有大于 的余量，因此螺杆压缩机正常工作的排气温度通常都控制在。在给定正常工作的允许的排气温度 后，螺杆压缩机的循环喷油量可由压缩机的热平衡公式决定。由能量守恒定律，得压缩机的热平衡方程式为轴 （）（）（）式中轴 压缩机轴功率，气体质量流量，循环喷油量，气体的比定压热容，润滑油的比定压热容，吸气温度，喷油温度，设 计 研 究 年 期（总第 期）排气温度，喷油温度的确定，需要根据所选用的润滑油的粘度参数进行确定，以满足润滑油对压缩机腔体及轴承的的润滑要求，保护轴承的可靠工作；然后根据压缩机最恶劣吸气温度状态，通常为 ，查询相关的空气及润滑油的物性参数，按照式（）即可计算出压缩机的循环喷油量。水冷冷却器的设计与计算大功率水冷冷却的螺杆压缩机冷却器常用的换热器为管壳式换热器属于间壁式换热器。换热器是用金属壁将进行传热的冷、热两种流体分开，通过金属壁与流体之间的对流换热及壁的导热来完成传热过程。管壳式换热器内部分为管程和壳程，管程是指管的内部，壳程是指管的外部壳体的内部，冷却水在管内流动，润滑油与压缩机空气在管外流动；冷却水通常都是先进后冷却器冷却完压缩空气然后再进油冷却冷却润滑油，经过油过滤器过滤以后喷入到压缩机腔体内部。（）后冷却器设计计算根据上述轴功率的计算公式（）和（）进行公式换算，可得后冷却器气体的散热量 （）（）由于后冷却器当中冷却后的压缩气体达到了其饱和状态下的温度值，压缩空气当中产生了冷凝水释放出冷凝潜热 ，按如下计算式计算 （供气 吸气）（）式中 气体质量流量，饱和水的气化潜热，供气 供气口空气的含湿量，干空气吸气 吸气口空气的含湿量，干空气因此后冷却器总的换热量 为 （）根据热量平衡的原理，后冷却器当中压缩机空气放出的热量以及冷凝水释放的冷凝潜热，最终会进入到冷却水当中，可写成如下的计算公式 （后冷出水 后冷进水）（）式中 冷却水质量流量，冷却水比定压热容，根据公式（）以及进水温度 的要求及给定的冷却水量的要求，可以计算出后冷却的出水温度 后冷出水。根据后冷却器总换热量 的要求和后冷却器压缩机空气进出口的温度 和 ，以及按公式（）计算出的冷却水的进出口温度 后冷进水和后冷出水，利用如下的公式计算所需要的传热面积 （）式中 对流传热系数，对流换热面积，对数平均温差，根据压缩空气及冷却水的进出口温差取对数计算获得；换热器的对数平均温差与冷热流体的相对流动方向有关，螺杆压缩机上面采用的管壳式换热器属于双流程换热器，冷热流体之间的流动包括了“顺流”及“逆流”两种方式，后冷却器的对数平均温差可按下式进行计算（后冷出水）（后冷进水）（后冷出水）（后冷进水）（）对流传热系数 是管外壁表面传热系数，管壁的导入系数 以及管内壁表面传热系数 三者的综合影响，可按下式（）进行计算（）式中 管外壁表面传热系数，管内壁表面传热系数，管壁导热系数，管壁壁厚，由于管壳式换热器内铜管的壁厚 通常为 ，而铜管的热导率 很大，例如在常温（）条件下：纯铜的导入系数为 ，因此可忽略金属壁的热阻 ，可将对流传热系数的公式（）简化为（）（）油冷却器设计计算根据上述轴功率的计算公式（）和（）进行公式换算，可得油冷却器的换热量：（）（）由于空压机内部各零件外表面散热量占比很小，在计算换热的时候忽悠不计，因此可以近似的认为排气温度 等同于油冷却器的入口温度 进油，喷油温度 等同于油冷却器的出口温度 出油，因设 计 研 究 年 期（总第 期）此油冷却器的换热量公式可写成如下公式：（进油 出油）（）根据热量平衡的原理，油冷却器当中润滑油放出的热量，最终会进入到冷却水当中，可写成如下的计算公式：（油冷出水 油冷进水）（）根据公式（）以及油冷进水温度 油冷进水（等于后冷出水温度）及给定的冷却水量的要求，可以计算出油冷却器出水温度的值 油冷出水。根据油冷却换热量 的要求和油冷却器进出口油温 进油和 出油，以及按公式（）计算出的冷却水的进出口温度 油冷进水和 油冷出水，利用如下的公式计算所需要的传热面积 （）式中 对流传热系数，对流换热面积，对数平均温差，根据润滑油及冷却水的进出口温差取对数计算获得；换热器的对数平均温差与冷热流体的相对流动方向有关，螺杆压缩机上面采用的管壳式换热器属于双流程换热器，冷热流体之间的流动包括了“顺流”及“逆流”两种方式，油冷却器的对数平均温差可按下式进行计算（进油温度 油冷出水）（出油温度 油冷进水）（进油温度 油冷出水）（出油温度 油冷出水）（）根据润滑油的特性，选取对应的表面传热系数，利用公式（）和（）的即可计算油冷却器的对流换热系数 。冷却水塔与水泵的选型设计水冷螺杆压缩机使用的冷却水通常采用外部循环冷却水，循环冷却水的流动采用管道离心泵提供动力，冷却水进入到螺杆压缩机以后先进入到后冷却器再进入到油冷却器，带走压缩机运行时产生的热量，根据上述的冷却器的计算公式，冷却器的冷却水进出口的温差大约 ，即冷却器的出水温度比进水温度高 ；为了保证螺杆压缩机的排气温度不超过允许的温度值 ，就必须要保证进入空压机的冷却水的水温维持不变，因此就需要外部的冷却水塔将吸热以后温度升高的冷却水重新冷却到冷却器入口的水温，并且一直维持好此循环，从而保证压缩机的可靠运行；冷却水塔及水泵与压缩机机组连接的示意图如图 所示。冷却水塔的选型冷却塔按照水和空气是否直接接触分为闭式冷却塔与开式冷却塔，由于目前空压机行业内采用的大部分为开式冷却塔，因此本文只进行开式冷却塔的选型阐述。图 中的冷却塔即为开式冷却塔的典型结构示意图，开式冷却塔的工作原理：通过水泵的驱动将循环水以喷雾方式，喷淋到玻璃纤维的填料上，通过水与空气的接触，利用水与空气的温差，及空气的不饱和状态致使水产生蒸发，达到换热，再由风机带动塔内气流循环，将与水换热后的湿热气流带出，从而达到冷却。冷却水塔选择的好坏，直接会影响到螺杆压缩机运行时的排气温度，要想维持这样的循环状态冷却塔的冷却能力需要大于或者等同于水冷螺杆空压机的散热功率。因此冷却塔的选型依据是冷却塔的冷却能力必须要满足水冷螺杆空压机通过冷却器的散热量，而不能仅仅以冷却塔的水流量作为选型依据。开式冷却塔通常有 种不同类型冷却能力：第一种为标准型冷却塔，冷却塔在设计工况：个标准大气压，干球温度 ，湿球温度 ，冷却水的进水温度为 ，出水温度为 ，进出水的温差为；在相同的冷却水量的条件下，即冷却塔的循环水量与水冷螺杆空压机所需的冷却水量一致的条件下，根据热量计算公式（）可知此标准型冷却塔的冷却能力仅为水冷螺杆空压机散热量的 ；第二种为中温型冷却塔，冷却塔在设计工况：个标准大气压，干球温度 ，湿球温度 ，冷却水的进水温度为，出水温度为，进出水的温差；在相同的冷却水量的条件下，即冷却塔的循环水量与水冷螺杆空压机所需的冷却水量一致的条件下，根图 开式冷却水塔与水冷螺杆空压机连接示意图设 计 研 究 年 期（总第 期）据热量计算公式（）可知此标准型冷却塔的冷却能力为水冷螺杆空压机散热量的 ）；第三种为高温型冷却塔，冷却塔在设计工况：个标准大气压，干球温度 ，湿球温度，冷却水的进水温度为 ，出水温度为，进出水的温差 ；在相同的冷却水量的条件下，即冷却塔的循环水量与水冷螺杆空压机所需的冷却水量一致的条件下，根据热量计算公式（）可知此标准型冷却塔的冷却能力为水冷螺杆空压机散热量的 。从以上的计算可知，如果选择第一种标准型冷却塔，冷却塔的冷却水量需要比水冷螺杆空压机需要的冷却水量放大一倍；如果选择第二种中温型冷却塔，冷却塔的冷水水量与水冷螺杆空压机需要的冷却水量保持一致；如果选择第三高温型冷却塔，即可按对应的比例缩小冷却塔的冷却水量；从经济实惠又能保持良好冷却能力的角度，建议匹配第二种中温型冷却塔，冷却水量附加 的余量，即能满足水冷螺杆空压机冷却器工作的最佳换热工作条件，同时可以有效降低冷却器工作的故障率及结垢率。冷却水泵的选型冷却水泵常采用管道离心泵，安装在开式冷却塔的出水口与水冷螺杆空压机的进水口的管路中间，水泵开动前，冷却塔底部蓄水池的水在外界大气压力下充满进水管，水泵运转后，在叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下，叶轮流道里的水被甩向四周，压入蜗壳进入出水管，叶轮入口形成真空，冷却塔底部蓄水池的水在压差的作用下不断地进入进水管，吸入的水又被叶轮甩出蜗壳进入出水管，从而能够保持水的循环流动，不间断的带走螺杆空压机运转时产生的热量，安装位置示意图如上图 所示。根据选定的冷却水塔的额定冷却水量，选择冷却水泵能够提供的流量，选择的冷却水泵的流量通常比冷却塔所需的冷却水量预留了 的余量，为避免水泵随着使用时间的延长，叶轮出现磨损，或者是水路出现脏堵导致阻力增加，导致流量出现衰减。确定好冷却水泵的流量以后，需要确定水泵的扬程，冷却水水泵所需的扬程，利用如下式进行计算 （）式中、冷却水管路系统总的沿程阻力和局部阻力，螺杆式空压机水冷冷却器阻力，冷却塔中水的提升高度，从冷却塔接水盘到喷嘴的高度差，冷却塔喷头喷水压力，冷却水管路系统总的沿程阻力和局部阻力 按如经验公式进行计算 （）式中 冷却水管路的总长度，螺杆式空压机水冷冷却器的总阻力 大约为 ，换算成水柱高度为 ，冷却塔中水的提升高度，一般为 ，冷却塔喷头喷水压力，一般为 ，假设空压机与冷却水塔连接的总管路长度 为 ，根据公式（）、（）计算出冷却水水泵所需的扬程为 ，预留出管道变径、各处阀门及水过滤器的压力损失 ，总的水泵的扬程约为 ；根据确定的冷却水量及所需的水泵扬程的要求，查询水泵的性能曲线，选择适合的水泵，满足使用要求。典型的离心管道泵的性能曲线，如图 所示。结语本文详细的分析螺杆空压机的能量转换过程及热量分布情况，根据所采用的润滑油的特性参数确定最高的排气温度，依据压缩机主机厂家确定的喷油量的大小，同时也给出了润滑油喷油量的确定方法，并结合空气压力升高后压力露点温度升高，压缩空气经过后冷却器冷却后产生冷凝水释放出冷凝图 离心泵性能曲线图设 计 研 究 年 期（总第 期）潜热的特性，分别列出了油冷却器及后冷却器换热量的计算公式；结合传热学对流换热的理论，分别进行了油冷却器及后冷却器换热面积的计算，为油冷却器及后冷却的制造提供设计依据；根据冷却器的设计计算得出冷却水的进水温差大约为 ，从而得出冷却水塔设计的冷却水量与螺杆空压机冷却水量一致的前提下，需要选择中温型冷却水塔不能选择标准型的冷却水塔，才能满足水冷螺杆空压机的换热要求，保证螺杆压缩机的排气温度不超温；最后分析了水泵流量及水泵所需扬程的确定方法，根据螺杆空压机实际安装的管道，冷却塔等情况，确定水泵所需的扬程约为 （约 长度水管路），能够为大功率水冷螺杆空压机的冷却换热系统的设计提供详细的方法，同时依据此计算方法结合螺杆空压机在客户使用现场的实际配套的冷却塔，冷却水泵等，结合测试的冷却水进出水温度，润滑油进出油冷却温度等参数，可以较好的判断出机器出现排气高温的原因。参考文献：邢子文 螺杆压缩机理论、设计及应用 北京：机械工业出版社，杨世铭，陶文铨 传热学 北京：高等教育出版社，林子良，等 螺杆空压机组的热量分析与计算 流体机械，（）：沈维道，蒋智敏，童钧耕 工程热力学 北京：高等教育出版社，郁永章，等 容积式压缩机技术手册 北京：机械工业出版社，彭学院，等 容积式压缩机 西安：西安交通大学出版社，作者简介：周艳辉（），男，湖南永州人，中级工程师，现就职于广东艾高装备科技有限公司研发经理，长期从事螺杆压缩机设计研发、管理及应用支持工作。：（上接第 页）图 计算流程图小，在气体推力的作用下，再次贴到升程限制器上。由于气体推力大于弹簧力，阀片在升程限制器上停留，直至活塞靠近止点位置时，活塞速度下降，气体推力减小，当不足以克服弹簧力时，阀片便脱离升程限制器向阀座靠拢，直至阀片回到阀座，进气阀完成一次进气过程。结论通过分析气阀结构及阀片的材料性能，阐述储气库宽工况对气阀的影响，结合储气库工况特点，建立气阀阀片运动状态数学模型并求解。设计出气阀运动规律图形用户界面，开发高效仿真程序模拟气阀运动过程，该程序操作简便，实时显示计算结果及阀片运动模拟曲线，降低研究开发的成本，为储气库气阀可靠性设计提供参考。参考文献：吴思静 大型储气库天然气压缩机国产化应用 压缩机技术，（）：林梅，吴业正 压缩机自动阀 陕西：西安交通大学出版社，张云，江志农，张进杰 往复式压缩机进气阀优化设计方法研究 流体机械，（）：饶金强，潘树林 吸、排气阀差异化设计提升往复压缩机排气量 辽宁化工，（）：季玉茹，邢万坤，王德忠 利用 模拟气阀阀片的运动规律 压缩机技术，（）：张森，等 仿真技术与实例应用教程 北京：机械工业出版 作者简介：肖海燕（），男，高级工程师，现就职于中石化石油机械股份有限公司三机分公司。：