
活塞式压缩机.doc
136页1第二章 活塞式压缩机第一节活塞式压缩机的工作原理、主要参数及其性能指标一、活塞式压缩机的实际循环和压缩过程活塞式压缩机的实际循环是一个复杂的循环过程一般采用示功仪测量气缸内气体体积和压力的变化曲线—示功图来加以分析,见图 2-1图 2-1 实际示功图单级压缩机的主要工作机构包括: 气缸、活塞,进气阀与排气阀(均为自动开启和关闭的单向阀) 当活塞向右运动时(假定气缸为卧置) ,进气阀在阀外气体压力作用下打开,气体进入气缸当活塞向左运动时,进气阀关闭,气体被压缩,当气体压力高于排气阀外的压力时,排气阀打开,将气体排出由于压缩机在压缩过程终了时,不允许活塞与气缸盖发生撞击,实际上活塞与气缸盖间保留着一个安装间隙当排气过程结束以后,活塞开始返回行程,气缸容积逐渐扩大,残留在缸内的高压气体开始膨胀,当缸内气体压力降至低于进气压力时,进气阀打开,开始了下一个循环的进气过程活塞每往复运动一次,都重复着气体膨胀—进气—压缩—排气四个过程整个循环过程中,1—2 和3—4 可以视为热力学过程,其它过程可以当作为气体流动过程活塞式压缩机的余隙容积,包括:活塞在内外止点处,活塞端面与气缸盖之间的间隙,以及气缸内壁与活塞端面至第一道活塞环间的环形间隙、气缸容积2至气阀阀片间的整个通道容积。
这些间隙的存在使得缸内气体无法排净吸气之前余隙容积内的高压气体又要先行膨胀,实际上等于减少了吸气量,降低了气缸利用率因此要求余隙容积尽量小一些,但又不能太小,否则由于热膨胀和受力拉伸作用,活塞和活塞杆将发生撞缸事故由于气流通道和气阀存在一定阻力,所以气流通过时必然产生阻力损失,因此汽缸内的压力比入口管道内气体压力(又称名义吸入压力)要低,吸入阀从开始开启到全开还要克服较大的局部阻力,图中点 4 为吸入阀开始开启,点 5对应吸入阀全开同理,气缸内实际排气压力应高于排出管道气体压力(又称名义排出压力) ,排出阀在点 2 处增加了局部阻力示功图上吸入线和排出线呈波浪状,是由于气流速度随活塞速度以及阀片的惯性振动而变化,导致阻力损失不稳定而产生的实际循环过程中热量交换对气体的影响是相当复杂的,压缩机工作一段时间以后,气缸各部位的温度逐渐趋于稳定,它高于气体的吸入温度,低于排气温度气体在每一个循环过程中热量交换的情况也是不断变化的压缩开始时气体的温度低于气缸的温度,于是气体吸收了一部分热量,此时的压缩过程为m, ﹥k 的多变压缩过程随着压缩过程的进行,气体温度不断提高,气体与气缸的温差逐渐缩小,到某一瞬间,温差等于零时,压缩过程也演变成绝热过程,m, = k。
继续压缩,当气温高于气缸壁温度时,气体通过气缸壁向外界散热,气体进行 m,< k 的多变压缩膨胀过程,开始时气温比壁温高,一边对外放热, ,一边膨胀降温,m , > k 中间某瞬时,m , = k 随后 m, < k理想气体的状态方程,只是表示了气体不同状态下状态参数间的关系,并未考虑到气体状态的变化是沿着怎样的过程进行的如果把气体状态的变化过程考虑在内,其状态参数间的关系可用过程方程表达如下:P1 V1m’ = P2 V2m’式中 m’———过程指数P1 、 P2——气体的绝对压力V1 、 V2—— 气体的体积由理想气体的状态方程和过程方程还可以得出:3P2 =P1( V1 / V2) m’V2 =V1( P1 / P2) 1/m’T2 = T1 ( P2 / P1) m’-1/ m’= T1( V1 / V2) m’-1式中过程指数 m’ 取决于变化过程中被压缩的气体与外界热量交换的情况当压缩过程中气体与外界无热量交换时,称之为绝热过程;过程指数 m’ = K , K 为绝热指数计算时单原子气体可取 K =1.66~1.67 ;双原子气体可取 K =1.4~ 1.41 ;三原子气体可取 K =1.1~ 1.33 ;混合气体绝热指数 K 可通过下式计算:1 /(K-1)= ∑ ri / (K i - 1)式中 ri —— 各成分气体体积百分比Ki——各成分气体的绝热指数如果在压缩过程中,气体向外界传递热量,使得被压缩的气体温度保持不变,这一过程被称之为等温过程;其过程指数 m’ = 1。
显然绝热过程和等温过程都只是理想过程在实际生产过程中,压缩过程大多介乎于绝热过程和等温过程之间,虽然气体有热量向外界传出,但并未达到等温过程,即 1<m ’< K,我们将这样的过程称之为多变过程(又称多方过程) ,其过程指数称之为多变指数不同过程在 P—V 图及 T-S 图上的比较见图 2-2;图 2-2 不同过程在 p-v 图及 T-S 图上的比较压缩机把气体自低压空间压缩到高压空间需要消耗功由于实际示功图图形复杂,不方便计算,所以有必要按等面积法对实际示功图进行简化,这样便得到了简化指示图见图 2-3 吸排气过程用平均吸排气压力水平线代替实际波浪4线,压缩和膨胀过程也使用当量过程指数线使过程指数简化为常数见图 2-4;图 2-3 简化指示图 图 2-4 过程指数简化活塞式压缩机完成一个循环所消耗的循环功可表示为:1 , 2, 3, 5 , 6 , 4 , 1, 围成的面积与 3 , 5 , 6, 4, 围成的面积之差,即W =∫12V dP - ∫34V dP经验表明,不论压缩还是膨胀过程,简化后的当量过程指数都与绝热指数k 接近,一般情况下,活塞式压缩机的压缩和膨胀过程可按绝热过程处理。
因此Wij = Ps Vhλ v k( ε 1 –1/k - 1)/ (k - 1) 式中: Wi j ——任一级气缸循环指示功 kJPs Pd ——缸内实际平均吸排气压力 kpa Vh———气缸每转的行程容积 m3K ———绝热指数ε ——实际压力比任意级气缸的指示功率 NijNij =0.0167PS( Vh n) λ v k/(k-1)[( Pd/Ps) 1-1/k- 1] kw对于实际气体考虑到压缩性的影响Nij =0.0167PS( Vh n) λ v k/(k-1)[( Pd/Ps) 1-1/k-1] (Z 1 + Z2) / 2 Z1 kw式中 Z1 , Z2——分别表示任意级压缩初始和终了状态下的可压缩性系数产生高压的活塞式压缩机都采用了多级压缩这是由于单级压缩到相当高的压力受到了许多方面的限制:1、温度限制:压缩比越大,气体的温度越高气缸内的润滑油会分解或挥5发,缸壁、气阀或气体通道内积炭,对于空压机来说容易发生爆炸事故对气缸内无油润滑的密封材料也会由于温度超过限度而失效一般空气压缩机排气温度不得超过 120℃,石油气压缩机排气温度不得超过 100℃,氢气压缩机排气温度不得超过 170℃。
温度超限,甚至会使得某些混合气在高压下产生聚合倾向,所产生的聚合物将会影响压缩机的正常工作2、余隙的限制:压力越高,余隙内的气体膨胀所需的时间越长,膨胀后所占的体积也越大,压缩机吸入的新鲜气体越少,气缸利用率降低3、零部件强度与刚度的限制由于作用在活塞及活塞杆上的力巨大,除非压缩机的零部件的几何尺寸做得相当大,机器更加笨重,否则零部件强度与刚度都难以承受4、耗功的限制:多级压缩实施级间冷却,使得压缩过程接近于等温过程,比一次压缩到高压时的绝热压缩要省功二 活塞式压缩机的主要参数及其性能指标(一) 转数 n:是指式活塞压缩机的曲轴每分钟的转数,单位为:转/分转数的变化对排气量、气阀的寿命、相对运动摩擦零部件的磨损,对机身固定部件和基础施加的惯性力、机器的振动以及机械效率都将产生不同的影响现在微型和小型压缩机的转数为 1000~3000 r /min,中型压缩机为 500~1000 r /min,大型压缩机在 250~500 r /min;(二)活塞行程 s:是指活塞内外止点间的间距,也等于曲拐轴与主轴中心距的两倍,单位为米三)活塞平均速度 Cm:活塞在运动中的速度是变化的,在始点(如外止点)为零,然后逐渐加速,在中点时最大,然后逐渐降速,到终点(内止点)又为零,返行时亦如此。
C m= s. n /30 米/秒活塞平均速度大则机器轻巧,但气流速度大,阻力损失也大惯性力加大,容易引起较大的振动,易损件的寿命也将受到影响活塞平均速度一般控制在3~5 米/秒四) 级数:气体经一级压缩就达到终压的,称为单级压缩机经两级压缩达到终压的,称为两级压缩机经三级以上压缩达到终压的,称为多级压6缩机通常,级间气体都经过冷却器加以冷却对于大型活塞式压缩机选择级数时,节省能耗是其主要考虑原则长期连续运转的的大中型压缩机按最高效率点选取级数,各级的压力比一般为 2~4;级数 Z 是依据排气压力和吸气压力之比来确定的Z = ㏑ε/ ㏑ε i式中 ε ———压缩机的总压力比ε i———压缩机的一级最佳压力比(五) 列数:每一个连杆对应的活塞组和气缸称为一列每一列可以配置一个或几个压缩机级六) 压力比 ε:压缩机每一级或者压缩机的进出口压力之比称为该级或压缩机整机的压力比,即 ε =P2 / P1 由于气缸内的余隙容积不可避免,所以压力比越大,排气压力越高,残留气体膨胀后所占的容积也越大,吸气量必然减少,效率下降如果采用多级压缩,可使每一级压力比减小,从而提高了各级气缸利用率。
实际上多级压缩的每级压力比一般为 2 ~ 4七)容积效率:容积效率是压缩机实际排气量与气缸行程容积之比η V = V /VH式中 V———压缩机实际排气量, m3/minVH———气缸行程容积,VH = F · S· nF———活塞面积,㎡;S———活塞行程,m;n———转数,r /minη V 也可以从图 2-5 查得; 7图 2-5 容积效率 ηv图 2-5 中的常用压缩机相对余隙容积值可由表 2-1 估定表 2-1 压缩机相对余隙容积 ε 值气缸结构特性 低压级 中压级 高压级 超高压级 用簧片阀余隙容积ε值 0.07~O.12 0.09~O.16 O.14~0.20 >0.20 0.03~0.07气体多变膨胀过程指数可查表 2-2;表 2-2 多变指数 m进气压力/MPa ≤O.15 0.15~0.4 0.4~1 1~3 >3k为任意值 1+0.5(k-1) 1+0.62(k-1) 1+0.75(k-1) 1+0.88(k-1) kmk=1.4 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4(八) 排气量 V:排气量是指在压缩机末级测得的单位时间内排出的气体容积,换算成为第一级入口状态的压力和温度(必要时还要考虑湿度)下的气体体积,单位为 m3 /min。
压缩机的额定排气量,即压缩机铭牌上标记的排气量是指特定进口状态(温度 t= 20oC、压力 P= 0·1MPa)时的排气量Vn = Vs · T 0Ps /P0 Ts m3 /min式中 Vn ————标准状态下的排气量Vs ——压缩机进气状态下的排气量,m 3 /minT 0———标准状态下的进气温度,293 K ;P0———标准状态下的进气压力,为 0.1MPa8Ts———进气状态下的温度,K;Ps———进气状态下的压力(绝压) ,MPa影响压缩机实际排气量的因素是多方面的,不仅有影响吸气的因素(如:余隙容积内气体的膨胀、吸气阀的阻力及缸内气体被加热等) ,还有气缸活塞环以及填料函轴封的泄漏损失,使得压缩机实际排气量比理论吸入量要小压缩机实际排气量可表示为:Vd = π/4。
