第三章 往复压缩机级的循环.pdf

第第三三章章 往复压缩机级的循环往复压缩机级的循环压缩机研究所郭蓓压缩机研究所郭蓓2012014 4年年2 2月月基本概念压缩机的级压缩机的级：在压缩机中进行连续压缩的单元在压缩机中进行连续压缩的单元。（。（单级单级、两级两级、多级多级）循环循环：压缩机曲轴旋转一周压缩机曲轴旋转一周，活塞由外止点经内止点又活塞由外止点经内止点又回到外止点回到外止点，气缸容积中进行的各个过程的总和气缸容积中进行的各个过程的总和。压缩机级的循环我们需要研究什么我们需要研究什么？1.压缩机内部热力参数的变化压缩机内部热力参数的变化2.压缩机的流量压缩机的流量3.压缩机的耗功压缩机的耗功3.1 压缩机级的理论循环假设条件假设条件：被压缩气体能全部排出气缸被压缩气体能全部排出气缸（无无余隙容积余隙容积）进排气过程无流动阻力损失进排气过程无流动阻力损失 进排气过程无气流脉动进排气过程无气流脉动 进排气过程无热交换进排气过程无热交换 无泄漏无泄漏 过程指数为常数过程指数为常数压缩机级的理论循环指示图压缩机的循压缩机的循环不是热力环不是热力循环循环！3.1 压缩机级的理论循环主要内容 循环过程的方程 进气量 指示功NEXT理论循环中的过程方程 气体在压缩过程中能量的转化符合能量守恒定律PvdWdudqdwdudqdTCduvpdVdw RTpv 对理想气体对理想气体：理想气体的过程方程 等温过程：绝热过程：多方过程：PvdWdudqconstpv constpvkk绝热指数绝热指数vpCCk constpvnn多方过程指数多方过程指数constTPnn1实际气体的过程方程ZRTpv 实际气体状态方程实际气体状态方程：Z反映了相比理想气体反映了相比理想气体，被压缩容易与否的程度被压缩容易与否的程度根据对比态定律根据对比态定律，Pr、Tr、vr中两个参数相同中两个参数相同，第三个也相同第三个也相同：rrcrrrcccTpZTvpRTvpRTpvZ,多数气体的临界压缩因子在多数气体的临界压缩因子在0.230.3范围内范围内。通用压缩因子图通用压缩因子图，根据根据Zc=0.27做出做出实际气体的过程方程对可逆绝热对可逆绝热（等熵等熵）过程过程，分别为分别为：k kv v、k kT Tconstpvvnn nv v容积过程指数容积过程指数；n nT T温度过程指数温度过程指数，和所处的状态有关和所处的状态有关，是变值是变值constTPTTnn1由于由于nT受温度受温度、压力的影响变化小压力的影响变化小，一般先求出温一般先求出温度度，再根据状态方程求再根据状态方程求V。TTnnppTT12112RTpvZTnppZZvv1211212理论循环中的过程方程 对理想气体 对实际气体TTnnppTT12112constpvnconstTPnn1constpvvnconstTPTTnn1RTpvZTnppZZvv1211212理论循环中的过程方程 理想气体，实际气体，nppVV12112PV1234nnppTT11212TkppZZVV1211212TTnnppTT11212返回级的理论进气量 行程容积行程容积（Displacement volume）活塞由止点4到止点1的一个行程所扫过的气缸容积。级的理论进气量级的理论进气量 进气压力、进气温度条件下，一个行程中所吸进的气体容积。级的理论容积流量级的理论容积流量 单位时间内形成的容积之和SAVph返回nVqVth1理论循环指示功定义：压缩机完成一个理论循环所消耗的功。直接用于压送气体所消耗的功（不包括摩擦功）。符号规定：活塞对气体做功为活塞对气体做功为，气体对活塞为气体对活塞为。进气过程：压缩过程：排气过程：1411VPPdVWs21PdVWc3222VPPdVWd理论循环指示功 循环指示功进气过程功压缩过程功排气过程功dcsiWWWW212211VPPdVVP2121PdVPVd21VdP理想气体循环指示功 多变压缩过程循环指示功：特殊情况：等温、绝热 理论循环指示功与压缩过程功的比较？111121121nnPPVPnnVdPW理论循环指示功在PV图上的表示PV1342s2n2T实际气体理论循环指示功 实际气体状态方程实际气体状态方程：实际气体多变压缩过程方程实际气体多变压缩过程方程：实际气体理论循环指示功实际气体理论循环指示功：其中其中，Z Z随压力和温度变化随压力和温度变化，取为平均值取为平均值。constpvvnconstTPTTnn1mZRTpV 1112211111ZZPPnnVPVdPWTTnnTT221ZZZ或21ZZZ 返回TnppZZVV12112123.2 压缩机级的实际循环及其指示图主要讲述实际实际循环指示图与理论循环指示图的区别循环指示图与理论循环指示图的区别实际循环的影响因素及其在指示图上的表示实际循环的影响因素及其在指示图上的表示气阀对工作过程的影响气阀对工作过程的影响3.2.1 实际循环指示图与理论循环指示图的区别存在膨胀线存在膨胀线（余隙容积余隙容积）进气压力低于进气压力低于名义进气压力名义进气压力，排气压力高于排气压力高于名义名义排气压力排气压力。（。（进排气接管中压力按时间积分的平进排气接管中压力按时间积分的平均值均值）压缩压缩、膨胀过程指数为变值膨胀过程指数为变值。存在泄漏存在泄漏。3.2.2 影响实际循环的因素1）余隙容积 存在余隙容积？活塞到达止点时与缸盖间的间隙 第一道活塞环前活塞与气缸间的径向间隙 气缸至气阀的通道 气阀本身的气流通道 余隙容积的影响？吸入的新鲜气量减少。单位质量气体的耗功增加。1）余隙容积 余隙容积的存在，使得残留在气缸内的高压气体膨胀，指低于进气接管中的压力后，气阀在压差的作用下打开。余隙容积越大，膨胀过程越长，进入的新鲜气量越小。PV2）压力损失 进排气流动阻力损失，阻力元件主要包括：吸排气过滤器、气阀气阀、管道等。吸排气阀对 指示图的影响 气阀弹簧力强弱 对指示图的影响阀座阀片弹簧升程限制器压力损失的大小取决于什么压力损失的大小取决于什么？3）气流脉动周期性的进排气过程导致气流脉动周期性的进排气过程导致气流脉动气流脉动对指示图的影响气流脉动对指示图的影响避免避免气柱共振气柱共振现象现象（进气或排气频率与相应接管进气或排气频率与相应接管或气腔中气体的自振频率相等或气腔中气体的自振频率相等）4）泄漏泄漏途径泄漏途径 吸排气阀吸排气阀 活塞环活塞环 填函填函泄漏泄漏（内泄漏内泄漏、外泄漏外泄漏）漏入或漏出对指示图的影漏入或漏出对指示图的影响响5）热交换热交换对过程指数的影响热交换对过程指数的影响 气缸壁和活塞具有热惯性气缸壁和活塞具有热惯性，其温度处于进其温度处于进排气温度之间排气温度之间。压缩过程压缩过程：吸热吸热 绝热绝热 放热放热 nk n=k nk n=k n 绝热绝热 吸热吸热 nk n=k nk n=k nkPV图的重要性由实际循环指示图可以判断由实际循环指示图可以判断 压缩机的容积效率压缩机的容积效率 工作过程的经济性工作过程的经济性（压力损失压力损失、传热传热、泄漏泄漏）判断气阀工作的情况判断气阀工作的情况 分析计算指示功分析计算指示功 其它其它3.3.3 气阀对工作过程的影响气阀的基本工作原理气阀的基本工作原理气阀的种类气阀的种类气阀的运动规律曲线气阀的运动规律曲线气阀对指示图的影响及气阀的基本要求气阀对指示图的影响及气阀的基本要求气阀的基本工作原理1阀座 2启闭元件 3升程限制器 4弹簧气阀的基本工作原理气阀的种类a）环状 b）环形网状 c）条形网状 d）条状 e）槽状 f）碟状 g）菌状 h、i、j）舌状气阀的种类1-1-阀座阀座 2-2-阀片阀片 3-3-升程限制器升程限制器 4-4-弹簧弹簧 5-5-螺钉螺钉 6-6-螺母螺母气阀的种类气阀阀片的运动规律曲线气阀对压缩机性能的影响气阀延迟关闭对指示图的影响气阀延迟关闭对指示图的影响1 1）余隙容积的影响余隙容积的影响2 2）流动阻力损失的影响流动阻力损失的影响3 3）气阀关闭不严密或延迟气阀关闭不严密或延迟关闭的影响关闭的影响4 4）气阀工作不正常的影响气阀工作不正常的影响对气阀的基本要求对气阀的基本要求：1.要求气体流过气阀的阻力损失小要求气体流过气阀的阻力损失小 2.使用寿命长使用寿命长 3.气阀形成的余隙容积要小气阀形成的余隙容积要小 4.气阀关闭时有良好的气密性气阀关闭时有良好的气密性，能及时启闭能及时启闭。5.结构简单结构简单，制造方便制造方便，易于维修易于维修，零件的标推化零件的标推化、通用通用化程度高化程度高。6.寿命长寿命长，工作可靠工作可靠（8000小时以上小时以上）3.3 级的实际循环进气量级的理论循环进气量级的理论循环进气量级的实际循环进气量级的实际循环进气量 压缩机在实际进气压力压缩机在实际进气压力、进气温度下能够吸进进气温度下能够吸进的气量换算到理论进气压力及进气温度下的容的气量换算到理论进气压力及进气温度下的容积值积值。3.3 级的实际循环进气量 级的实际进气量级的实际进气量 理论进气量理论进气量 余隙容积膨胀余隙容积膨胀 进气压力损失进气压力损失 进气加热进气加热定义进气系数定义进气系数 v vhsvVV实际进气量理论进气量3.3.1 实际循环进气量图 V1余隙容积余隙容积膨胀造成的新鲜气膨胀造成的新鲜气体减少量体减少量 V2压力损失压力损失、气流脉动等原因造气流脉动等原因造成的容积损失成的容积损失 V3进气加热进气加热进气系数的计算容积系数压力系数温度系数hssssshssVVVVVVVV hsvVVsspVV ssTVV 3.3.2 容积系数及其影响因素 容积系数的计算容积系数的计算（理想气体理想气体）hhhvVVVVV111mmVVPVP10102111120mhvPPVV相对余隙容积相对余隙容积：hVV0名义压比名义压比：12PP111mv容积系数的计算（实际气体）实际气体状态方程实际气体状态方程实际气体过程方程实际气体过程方程441040TZVVPTZVPcccTTTTmmmmccPPTT114411134TmvZZ11131TkvZZ影响容积系数的因素1.相对余隙容积a相对余隙增加，进气量减少，一定程度时，进气量为零。相对余隙不能无限制减小。（考虑到热膨胀、加工精度、压缩机的可靠性、气阀处的流动阻力损失等）影响相对余隙容积的因素压缩机的结构形式（如活塞和螺杆，气阀布置在缸盖or缸体上）压缩机的气量、压比、转速气阀的种类返回 低压级低压级：0.070.070.12 0.12 舌簧阀可舌簧阀可0.02 等温等温，少少 绝热绝热）转速转速、气缸冷却情况气缸冷却情况、压比压比、热交换面积热交换面积（高压级高压级、低压级低压级）气体性质气体性质泄漏泄漏 不考虑热交换的情况下不考虑热交换的情况下，漏入气缸漏入气缸，m m小小；漏出气缸漏出气缸，m m大大。影响容积系数的因素4.4.实际气体实际气体考虑压缩因子后考虑压缩因子后，一般容积系数会增大一般容积系数会增大。因因为一般地为一般地，压力增大压力增大，压缩因子压缩因子Z Z增大增大。对具有高临界温度的实际气体在低中压力时对具有高临界温度的实际气体在低中压力时不一定适用不一定适用。11134TmvZZ3.3.3 压力系数及其影响因素压力系数的计算压力系数的计算进气终了压力的高低决定了压力系数的大进气终了压力的高低决定了压力系数的大小小。一般一般，第一级取压力系数在第一级取压力系数在0.950.950.980.98。以后逐级提高以后逐级提高，高压级近似为高压级近似为1 1。111PPPPVVaassp（利用压缩过程方程推导得到利用压缩过程方程推导得到）影响压力系数的主要因素1.1.气阀弹簧力气阀弹簧力防止过强的弹簧力防止过强的弹簧力：进气压力线远低于名义进气压力线远低于名义压力压力；气阀提前关闭气阀提前关闭。2.2.气流脉动气流脉动进气终了时进气终了时，气流脉动压力波峰到达气缸气流脉动压力波峰到达气缸 气流脉动压力波谷到达气缸气流脉动压力波谷到达气缸气流脉动造成压缩机管路振动及压缩机耗功气流脉动造成压缩机管路振动及压缩机耗功增加增加3.3.4 温度系数及其影响因素温度系数表示进气过程中热交换对气缸行程容积利用程度的影响。影响因素较多，很难通过公式计算，可查图318（与压比的关系）。一般的空气压缩机在I区，制冷压缩机的温度系数可低至0.65。温度系数的影响因素热交换 热源热源：高温进气通道高温进气通道（壁面壁面、气阀气阀、活塞顶端面活塞顶端面）压力损失转化的热量压力损失转化的热量 影响热交换的因素影响热交换的因素：气体的导热系数气体的导热系数、绝热指数绝热指数 压比压比 气缸的冷却气缸的冷却 吸排气阀的布置吸排气阀的布置（组合阀组合阀吸排气阀组装在一起吸排气阀组装在一起、直直流阀流阀进气阀布置在活塞顶部进气阀布置在活塞顶部)气缸结构尺寸气缸结构尺寸：S/D S/D 转速转速 流动阻力流动阻力、气量气量 相对余隙容积相对余隙容积 半封闭及全封闭制冷压缩中气流的布置半封闭及全封闭制冷压缩中气流的布置P-V图的重要作用之一 可以判断气缸容积的利用程度3.4 级的实际循环指示功3.4.1 实际循环指示功的计算方法实际循环指示功实际循环指示功 压缩气体消耗的机械功压缩气体消耗的机械功克服阻力消耗的功克服阻力消耗的功 测试法试验测录PV图 根据指示图（PV图）计算 与理论循环指示功公式的区别 指示图的重要性及测录方法。指示功的计算近似估算设计阶段采用假定：过程指数为定值过程指数为定值，压力损失为定值压力损失为定值。压缩过程指数：膨胀过程指数：nbdnasVPVPmdsmcdVPVP过程指数可根据已知的端点过程指数可根据已知的端点参数计算或经验值选取参数计算或经验值选取。指示功的计算 理想气体的实际循环指示功 令实际压比为：osdssddsdPPPP11111bacdiVdPVdPW11111111mmdssnnassimmVPnnVPW相对压力损失式中：假设：mn，其中，实际气体：111110nnhvssinnVPW111nvhaVV 1mdhdPPVV1sdsnnTThvssiZZZnnVPWTT2111110相对压力损失进气相对压力损失：排气相对压力损失：进排气过程中总的压力损失：一般地，取sssPPdddPPds03.025.006.767.2PP或03.0s07.0d3.4.2 影响指示功的因素压力损失压力损失 指示功损失与压力损失基本成正比指示功损失与压力损失基本成正比 压力损失来源压力损失来源：气阀气阀（约占总指数功的约占总指数功的4 4 9%9%，甚至可达甚至可达1515 20%20%）管道中气流脉动管道中气流脉动 沿程阻力损失沿程阻力损失、局部阻力损失局部阻力损失（滤清器滤清器、气液气液分离器分离器、冷却器等冷却器等）。）。减小压力损失减小压力损失:要求气阀有足够的通流面积要求气阀有足够的通流面积、阀片阀片运动规律合理运动规律合理、流线型光滑通道流线型光滑通道）影响指示功的因素过程指数和余隙容积过程指数和余隙容积 过程指数过程指数n n增加增加，指示功增加指示功增加。希望压缩过程接近希望压缩过程接近等温等温。（。（加强气缸冷却加强气缸冷却）一般一般，膨胀过程指数膨胀过程指数mm压缩过程指数压缩过程指数n n。（。（换热量换热量基本相同基本相同，但余隙容积中的气体少但余隙容积中的气体少，且膨胀开始处且膨胀开始处的壁温较高的壁温较高）mnmn时时，余隙容积存在使指示功增加余隙容积存在使指示功增加。前提条件前提条件：气量相等气量相等。v Vsv Vs Wi WisiVWabcdV0PV过程指数为m过程指数为nmn影响指示功的因素热交换的影响热交换的影响 吸气过程中的热交换吸气过程中的热交换，使进气温度升高使进气温度升高，进气量减进气量减少少，单位气量的耗功增加单位气量的耗功增加。压缩过程越接近等温过程越省功压缩过程越接近等温过程越省功，希望加强气缸的希望加强气缸的冷却冷却。膨胀过程越接近绝热过程越省功膨胀过程越接近绝热过程越省功，希望降低气缸头希望降低气缸头的壁温的壁温，加强气缸的冷却加强气缸的冷却。泄漏的影响泄漏的影响 气体漏出气体漏出，使气量减小使气量减小，单位气量的耗功增加单位气量的耗功增加；气体漏入气体漏入，指示功增加指示功增加。影响指示功的因素压力系数本质是压力损失的影响压力系数本质是压力损失的影响。温度系数本质是热交换的影响温度系数本质是热交换的影响。hTpvsVVsisTpVWV111110nnhvssinnVPW3.5 多级压缩分多级进行压缩，中间进行等压冷却。主要内容：多级压缩的理由、级数的选择、各级压比的分配3.5.1 多级压缩的理由 提高压缩机的经济性提高压缩机的经济性等温压缩过程最省功等温压缩过程最省功，但很难实现但很难实现。压比越大偏压比越大偏离等温过程越严重离等温过程越严重。多级压缩的多级压缩的P-VP-V图图回冷完善的概念回冷完善的概念（回冷不完善度每增加回冷不完善度每增加3 3度度，耗功耗功增加增加1 1）进入下一级气体的温度等于第一级进口温度为进入下一级气体的温度等于第一级进口温度为回冷完善回冷完善。否则否则，称为回冷不完善称为回冷不完善。级数越多级数越多，越趋近于等温过程越趋近于等温过程，但随着级数的增但随着级数的增多多，指示功的减小愈加不明显指示功的减小愈加不明显3.5.1 多级压缩的理由PVn=1PsPd3.5.1 多级压缩的理由降低排气温度降低排气温度 排气温度高导致润滑油粘度下降排气温度高导致润滑油粘度下降、油膜厚度减小油膜厚度减小、甚甚至氧化至氧化、积炭积炭；易燃易爆气体的燃烧易燃易爆气体的燃烧、爆炸爆炸。空气压缩机的排气温度应空气压缩机的排气温度应180180度度。提高容积效率提高容积效率 压比增加压比增加，容积系数降低容积系数降低。11134TmvZZnnsdsdPPTT13.5.1 多级压缩的理由降低活塞上的气体力降低活塞上的气体力如排气压力为如排气压力为9 910105 5PaPa，单级压缩的气体力单级压缩的气体力：如果两级压缩如果两级压缩，假设两级的行程和转速相同假设两级的行程和转速相同，两级两级压比均为压比均为3 3，回冷完善回冷完善，活塞上的气体力约为活塞上的气体力约为：减少运动机构的受力减少运动机构的受力，运动机构重量减轻运动机构重量减轻往复惯性力减小往复惯性力减小，振动减小振动减小机械效率提高机械效率提高ppsdAAPPF5108pA51067.4多级压缩带来的问题多级压缩带来的问题：结构复杂结构复杂 制造成本增加制造成本增加 易损件增加易损件增加，可靠性降低可靠性降低 级间管路增加级间管路增加，流动阻力损失增加流动阻力损失增加3.5.2 级数的选择1.选择的原则选择的原则省功省功（对大型连续运转压缩机对大型连续运转压缩机）运转运转可靠可靠，机器寿命高机器寿命高价格低价格低（特别对于微小型压缩机特别对于微小型压缩机）特殊气体受到特殊气体受到排气温度限制排气温度限制2.级的最佳压力比引入等温指示效率引入等温指示效率 等温指示功与级数多少无关等温指示功与级数多少无关 多变指示功与等温指示功的差值多变指示功与等温指示功的差值 随压比增大随压比增大而增大而增大 每级的气体流动阻力损失每级的气体流动阻力损失 基本不变基本不变LLWWWWisisiisisiLL压比低时压比低时，较小较小，较大较大，对指示功对指示功起主要作用起主要作用，较小较小压比有所增加时压比有所增加时，影响显著了影响显著了，基本不基本不变变，影响减弱影响减弱。对指示功起主要作用对指示功起主要作用，且且 的增量的增量 44 微型压缩机压比可达微型压缩机压比可达1212 大中型压缩机单级压比为大中型压缩机单级压比为2 24 40lnlnz7 75 56 64 43 32 21 1级数级数808015015015151001003.63.640401.41.415150.60.66 60.30.31 1终了压力终了压力（MpaMpa）3.5.3 压比的分配以省功为主要原则以省功为主要原则以两级为例以两级为例（假设回冷完善假设回冷完善、绝热压缩绝热压缩、等余隙等余隙容积容积）推广至多级推广至多级：总指示功最小的条件是各级压比相总指示功最小的条件是各级压比相等等。21121111kkxkkxiPPPPkkVPW0 xiPWxxPPPP21对理想气体对理想气体，前述假设条件下前述假设条件下，各级压比相等时各级压比相等时，各级指示功相等各级指示功相等。对实际气体对实际气体，要考虑到压缩因子的影响要考虑到压缩因子的影响。只有按只有按各级指示功相等分配压比各级指示功相等分配压比，才能使总指示功最小才能使总指示功最小。压力比的实际分配压力比的实际分配实际压缩机中存在压力损失实际压缩机中存在压力损失、回冷不完回冷不完善善、余隙容积余隙容积、热交换热交换、泄漏等泄漏等，实际实际压力比并非是等压比分配压力比并非是等压比分配。存在回冷不完善存在回冷不完善，以后逐级温度高于第一级以后逐级温度高于第一级温度温度，且换热面积不断减小且换热面积不断减小，压缩指数接近压缩指数接近绝热指数绝热指数。为使各级排气温度不致过高为使各级排气温度不致过高，应应适当增加第一级压比及降低高压级压比适当增加第一级压比及降低高压级压比。但但考虑到容积效率考虑到容积效率，第一级压比不宜取高第一级压比不宜取高。压力增加压力增加，相对压力损失下降相对压力损失下降。适当增加低适当增加低压级压比可减小压力损失压级压比可减小压力损失。z95.09.01 级间压力的变化级间压力的变化，累积到末级累积到末级，常常使末级压常常使末级压比增加比增加，导致末级排气温度过高导致末级排气温度过高，末级压比应末级压比应取低些取低些。往往取往往取 第一级压比高会使得第一级容积系数降低第一级压比高会使得第一级容积系数降低、气气缸尺寸增大缸尺寸增大。对多级多列压缩机还应考虑各级受力的均匀性对多级多列压缩机还应考虑各级受力的均匀性。结论结论：按等压比分配或等功原则分配压力按等压比分配或等功原则分配压力比可以使压缩机总指示功最小比可以使压缩机总指示功最小。zz95.09.0作业1：某用气场合需要压缩机提供2MPa的压缩空气，用气量为3m3/min。某人设计为2级压缩，第一级压缩到1MPa，第二级压缩到2MPa。请问该设计是否合理？如不合理，存在哪些问题，会引起什么后果？改由你设计的话，你的设计结果是什么？请对两种设计结果进行比较。作业2：空气初态为0.1MPa，20,经三级压缩，压力达到12.5MPa。设进入各级气缸时的空气温度相同，各级多变指数均为1.3，各级中间压力按压气机耗功最小原则确定。若压气机的产气量为3m3/min，求：(1)各级排气温度及压气机的最小功率；(2)倘若改为单级压缩，多变指数仍为1.3，压气机耗功及排气温度是多少？