容积式压缩机,过程流体机械课件,过程装备要控制工程

1、过程流体机械二 九 年 十 月山东科技大学机械电子工程学院山东科技大学机械电子工程学院第二章 容积式压缩机主 要 内 容一 往复压缩机概述二 往复压缩机的工作过程三 热力性能四 动力性能五 气阀和密封六 调节方式及其控制七 选型八 回转式压缩机一 往复压缩机概述往复压缩机的总体结构往复压缩机的总体结构往复压缩机的工作原理往复压缩机的工作原理往复压缩机的特点往复压缩机的特点一 往复压缩机概述1. 总体结构总体结构组成：组成：u 气缸气缸u 活塞（活塞环）活塞（活塞环）u 进、排气阀进、排气阀u 连杆连杆u 曲轴曲轴一 往复压缩机概述组成：组成：气缸、气缸、 活塞活塞( (活塞环活塞环) )、进排

2、气阀、进排气阀、活塞杆、活塞杆、 十字头十字头( (销销) )、连杆、连杆、 曲轴、曲轴、一 往复压缩机概述L型型空空气气压压缩缩机机组成：组成：u气缸气缸u活塞（活塞环）活塞（活塞环）u进排气阀进排气阀u活塞杆活塞杆（填料）（填料）u十字头十字头u曲轴曲轴u连杆连杆u平衡重平衡重u中间冷却器中间冷却器一 往复压缩机概述u 工作腔部分：处理气体工作腔部分：处理气体 气缸（缸盖）气缸（缸盖） 活塞（活塞环、活塞杆或填料密封）活塞（活塞环、活塞杆或填料密封） 气阀（进气阀和排气阀）气阀（进气阀和排气阀）u 传动部分：驱动活塞往复运动传动部分：驱动活塞往复运动 曲轴曲轴 连杆连杆 十字头（销）十字头

3、（销）u 机身部分：支撑气缸与传动部分机身部分：支撑气缸与传动部分u 辅助设备辅助设备 润滑系统润滑系统 冷却系统（缸套、中间冷却器）冷却系统（缸套、中间冷却器） 管路系统管路系统往复压缩机的基本结构组成：往复压缩机的基本结构组成：一 往复压缩机概述 机身机身 气缸体气缸体 气缸盖气缸盖 气缸座气缸座 一 往复压缩机概述活活塞塞与活塞杆相连与活塞杆相连与连杆相连与连杆相连一 往复压缩机概述活塞环和活塞杆活塞环和活塞杆一 往复压缩机概述气气 阀阀一 往复压缩机概述曲曲 轴轴平衡重平衡重一 往复压缩机概述连连 杆杆一 往复压缩机概述连杆的连接连杆的连接一 往复压缩机概述十字头及销十字头及销填料密封

4、填料密封一 往复压缩机概述一 往复压缩机概述2. 往复压缩机的工作原理往复压缩机的工作原理一级（或一一级（或一个循环）：个循环）： 进气进气 压缩压缩 排气排气往复式压缩机往复式压缩机双作用式气缸双作用式气缸一 往复压缩机概述左气缸左气缸进气进气压缩压缩(排气排气)右气缸右气缸压缩压缩(排气排气) 进气进气往复式压缩机往复式压缩机级差式气缸级差式气缸一 往复压缩机概述一 往复压缩机概述3. 往复压缩机的特点往复压缩机的特点l 排气压力与流量的关系不大，排气压力与流量的关系不大，工作稳定性较好；工作稳定性较好；l 工作性能与气体性质关系不大，工作性能与气体性质关系不大，故适应性较强；故适应性较强

5、；l 容易达到较高的压力；容易达到较高的压力；l 热效率较高；热效率较高；n 结构较复杂，易损坏零件较多结构较复杂，易损坏零件较多n 气体吸入和排出是间歇的，容气体吸入和排出是间歇的，容易引起气柱及管道的振动。易引起气柱及管道的振动。各类压缩机的适用范围各类压缩机的适用范围二 往复压缩机的工作过程 压缩机的理论循环压缩机的理论循环 压缩机的实际循环压缩机的实际循环多级压缩多级压缩压缩机的理论循环1. 基本概念基本概念一级：一级：被压缩气体进入工作腔完成一次气体压缩称为一级，被压缩气体进入工作腔完成一次气体压缩称为一级，包括进气、压缩、排气等过程，也称为一个工作循环。包括进气、压缩、排气等过程，

6、也称为一个工作循环。进程：进程：活塞向活塞向“外止点外止点”运动时，称为进程。运动时，称为进程。回程：回程：活塞向活塞向“内止点内止点”运动时，称为回程。运动时，称为回程。行程：行程：活塞从一个止点到另一个止点的距离称为行程活塞从一个止点到另一个止点的距离称为行程“s”。外止点外止点内止点内止点u 气体通过进排气阀时无压力损失，进、排气压力气体通过进排气阀时无压力损失，进、排气压力没有波动，保持恒定；没有波动，保持恒定；u 在排气过程终了时，缸内的气体被全部排出；在排气过程终了时，缸内的气体被全部排出；u 工作腔作为一个孤立体与外界无热交换；工作腔作为一个孤立体与外界无热交换；u 气体压缩过程

7、指数为定值；气体压缩过程指数为定值；u 气体无泄漏。气体无泄漏。2. 理论循环的特征理论循环的特征压缩机的理论循环压缩机的理论循环4123外止点外止点内止点内止点4 1：进气过程：进气过程1 2：压缩过程：压缩过程2 3：排气过程：排气过程理论工作循环过程：理论工作循环过程：压容图压容图3. 理论工作循环过程理论工作循环过程压缩机的理论循环4. 理论循环的压缩功理论循环的压缩功（1）理论进气量）理论进气量V1和行程容积和行程容积VS压缩机的理论循环（2）指示功（循环消耗的外功）指示功（循环消耗的外功）Wi21212211ppVViVdppdVVpVpW1111211kkippkkVpW绝热压缩

8、理论循环指示功：绝热压缩理论循环指示功：等温压缩理论循环指示功：等温压缩理论循环指示功：1211lnppVpWi多变压缩理论循环指示功：多变压缩理论循环指示功：1111211mmippmmVpW其中，其中，K为绝热指数为绝热指数其中，其中，m为过程指数为过程指数 从压缩机的功耗看：等温压缩过程的功耗最少，绝热从压缩机的功耗看：等温压缩过程的功耗最少，绝热压缩的功耗最多。压缩的功耗最多。“”表示外界作功表示外界作功u 任何工作腔都存在余隙容积；任何工作腔都存在余隙容积；压缩机的实际循环1. 实际循环的特点实际循环的特点（容积系数）（容积系数）排气阀排气阀余隙容积余隙容积气缸盖气缸盖进气阀进气阀活

9、塞环活塞环气缸气缸P2P1l 余隙容积余隙容积V0：活塞在止点时，气：活塞在止点时，气缸中残留气体所占的压缩腔容积缸中残留气体所占的压缩腔容积余隙容积包括：余隙容积包括：l 活塞与气缸的间隙容积；活塞与气缸的间隙容积；l 气阀片的通道容积；气阀片的通道容积；l 活塞顶部至第一活塞环间的容积活塞顶部至第一活塞环间的容积u气体流经进排气阀和管道时必然有摩擦，由此产生气体流经进排气阀和管道时必然有摩擦，由此产生压力损失；压力损失；压缩机的实际循环1. 实际循环的特点实际循环的特点（压力系数）（压力系数）l 进气时，气缸内压力进气时，气缸内压力P一般一般低于进气管道压力低于进气管道压力P1;l 排气时

10、，气缸内排气压力排气时，气缸内排气压力P高于排气管道压力高于排气管道压力P2;u 气体与各接触壁间存在温差，导致不断有热量吸入气体与各接触壁间存在温差，导致不断有热量吸入和放出；和放出；压缩机的实际循环1. 实际循环的特点实际循环的特点（温度系数）（温度系数）l 进气时，气体温度低于气缸壁，气体吸热进气时，气体温度低于气缸壁，气体吸热;l 压缩过程中，吸热压缩压缩过程中，吸热压缩 绝热压缩绝热压缩 放热压缩放热压缩l 排气时，排气时，气体温度高于气缸壁，气体放热。气体温度高于气缸壁，气体放热。u 气缸容积不可能绝对密封；气缸容积不可能绝对密封； 漏气：漏气：进、排气阀；活塞环与气缸壁间；填料密

11、封进、排气阀；活塞环与气缸壁间；填料密封u 阀室容积不是无限大。阀室容积不是无限大。 进排气系统：进排气系统：进气过程压力逐渐降低；排气过程压力逐渐升高进气过程压力逐渐降低；排气过程压力逐渐升高（泄漏系数）（泄漏系数）压缩机的实际循环实际工作循环过程：实际工作循环过程：c d：膨胀过程：膨胀过程d a：进气过程：进气过程a b：压缩过程：压缩过程b c：排气过程：排气过程2. 实际工作循环过程实际工作循环过程实际循环的进气量一定少于理论循环进气量。实际循环的进气量一定少于理论循环进气量。压缩机的实际循环3. 实际循环的进、排气量实际循环的进、排气量（1）容积系数）容积系数v存在余隙容积存在余隙

12、容积V0111111112011mmSSSSVppVVVVVV其中：其中：V0/VS；相对余隙容积；相对余隙容积 p2/p1；名义压力比；名义压力比 m：膨胀指数：膨胀指数容积系数容积系数v是小于是小于1的系数，表征了余隙容积对气缸吸气能力的影响的系数，表征了余隙容积对气缸吸气能力的影响压缩机的实际循环（2）压力系数）压力系数p进、排气阀有压力损失进、排气阀有压力损失111ppppaap影响压力系数的主要因素：影响压力系数的主要因素： l 吸气阀处于关闭状态时的弹簧力吸气阀处于关闭状态时的弹簧力l 进气管道中的压力波动进气管道中的压力波动（3）温度系数）温度系数T 气体与工作腔壁有热交换气体与

13、工作腔壁有热交换pa：进气结束时工作腔内的压力：进气结束时工作腔内的压力l 该级的压力比；该级的压力比；l 气体的性质及气缸的冷却程度。气体的性质及气缸的冷却程度。影响温度系数的主要因素：影响温度系数的主要因素：aTTT1Ta：进气结束时工作腔内的温度：进气结束时工作腔内的温度压力系数压力系数p表示压力降低对进气量减小的影响程度。表示压力降低对进气量减小的影响程度。温度系数温度系数T表示进入气缸的气体由于吸热膨胀而使进气量减小的程度。表示进入气缸的气体由于吸热膨胀而使进气量减小的程度。压缩机的实际循环SSSTpVSVVV（4）泄漏系数）泄漏系数l 气缸并非绝对密封气缸并非绝对密封l 有油润滑压

14、缩机一般取有油润滑压缩机一般取0.900.98l 无油润滑压缩机一般取无油润滑压缩机一般取0.850.95（5）实际循环进气量）实际循环进气量VS和排气量和排气量Vd其中：其中： ，称为排气系数，称为排气系数lTpV气缸的活塞环；气阀；填料密封气缸的活塞环；气阀；填料密封主要的泄漏部位：主要的泄漏部位：TpVS其中：其中： ，称为吸气系数，称为吸气系数SSlTpVdVVV压缩机的实际循环4. 实际循环指示功实际循环指示功Wi其中：其中：s,0：进气相对压力损失和总的相对压力损失：进气相对压力损失和总的相对压力损失1111101nnsVsinnVpW对理想气体对理想气体ds0对实际气体对实际气体

15、12110121111ZZZnnVpWnnsVsi注：实际气体的指示功也可由注：实际气体的指示功也可由P-V图直接近似计算。图直接近似计算。11111ppppps22222pppppd（查图（查图2-14确定）确定）1. 多级压缩的定义多级压缩的定义 多级压缩是将气体的压缩过程分若干级进行，并在多级压缩是将气体的压缩过程分若干级进行，并在每级压缩之后导入中间冷却器进行冷却。每级压缩之后导入中间冷却器进行冷却。P1P2多级压缩L型型氮氮氢氢气气压压缩缩机机多级压缩2. 多级压缩的优缺点多级压缩的优缺点缺点：缺点：级数过多，结构复杂；级间管路增加，阻力损失增级数过多，结构复杂；级间管路增加，阻力损

16、失增加，功耗增加；操作与维修困难等。加，功耗增加；操作与维修困难等。优点：优点：u 节省压缩气体的指示功；节省压缩气体的指示功；u 可以降低排气温度；可以降低排气温度； 排气温度：排气温度：u 可以提高容积系数可以提高容积系数v ；u 可以降低活塞力。可以降低活塞力。mmsdTT1多级压缩3. 级数的选择级数的选择u 大、中型压缩机：以大、中型压缩机：以最省功最省功为原则；为原则；u 小型压缩机：以每级允许的小型压缩机：以每级允许的排气温度或结构紧凑排气温度或结构紧凑为原则；为原则；u 特殊气体（易燃易爆等）：取决于每级允许的特殊气体（易燃易爆等）：取决于每级允许的排气温度排气温度；往复压缩机

17、级数与终压间的关系往复压缩机级数与终压间的关系1234级数级数0.310.661.4153.640终压终压MPa5615100780150多级压缩最佳级数：最佳级数：从省功角度从省功角度整个机器的整个机器的等温指示效率等温指示效率最高最高 参见图参见图（219）4. 压力比的分配压力比的分配ZtZsdipp其中，其中，Z：压缩机级数；：压缩机级数；pd 和和ps分别为排、进气压力。分别为排、进气压力。注意：注意：实际中，为了平衡活塞力，可适当调整等压比原则；实际中，为了平衡活塞力，可适当调整等压比原则； 为增加进气量，第一级压力比可取小些；为增加进气量，第一级压力比可取小些； 为方便气量调节，

18、最末一级也取小些。为方便气量调节，最末一级也取小些。 多级压缩过程中，常取等压比原则分配压力比。则各级多级压缩过程中，常取等压比原则分配压力比。则各级压力比为：压力比为： 在理想条件下，对多级压缩机，取各级压力比相等即为在理想条件下，对多级压缩机，取各级压力比相等即为省功的最佳压力比。省功的最佳压力比。（证明过程参见相关参考书）（证明过程参见相关参考书）多级压缩三三 热力性能三三 热力性能1. 吸、排气压力吸、排气压力定义定义吸气压力吸气压力压缩机第一级吸入管道处的气体压力；压缩机第一级吸入管道处的气体压力；排气压力排气压力压缩机末级排出接管处的气体压力。压缩机末级排出接管处的气体压力。注意：

19、注意：u 压缩机铭牌上的排气压力指的是额定值；压缩机铭牌上的排气压力指的是额定值；u 压缩机的实际吸、排气压力可以在较大允许范围内变化；压缩机的实际吸、排气压力可以在较大允许范围内变化；u 吸气压力一般与工作过程无关，实际排气压力则由排气系统的压力吸气压力一般与工作过程无关，实际排气压力则由排气系统的压力（即（即“背压背压”）决定；）决定；u 注意区别压缩机的注意区别压缩机的“排气压力排气压力”和和“级间压力级间压力”。2. 排气温度排气温度定义定义 压缩机的排气温度压缩机的排气温度是指压缩机末级排出气体的温度，是指压缩机末级排出气体的温度，应在末级气缸排气法兰接管处测得。应在末级气缸排气法兰

20、接管处测得。各级的排气温度各级的排气温度应在应在相应级的排气管处测得。相应级的排气管处测得。mmTT112每一级的排气温度计算：每一级的排气温度计算：注意：注意：u 要了解限制排气温度的必要性：要了解限制排气温度的必要性： 保证良好的润滑，避免保证良好的润滑，避免“积炭积炭”；考虑气体自身性质；考虑气体自身性质。u 可通过加强气缸的冷却、降低过程指数可通过加强气缸的冷却、降低过程指数m或压力比或压力比降低排气温度。降低排气温度。u 注意区分注意区分“排气温度排气温度”和和“压缩终了温度压缩终了温度”。三三 热力性能三三 热力性能3. 容积流量（排气量）容积流量（排气量）定义定义 容积流量通常是

21、指容积流量通常是指单位时间单位时间内压缩机最后一级排出的内压缩机最后一级排出的气体，换算到气体，换算到第一级进口压力和温度第一级进口压力和温度时的气体容积值，单时的气体容积值，单位为位为m3/min或或m3/h ；通常用；通常用qv表示。表示。注意：注意：u 计算容积流量时，对于实际气体要考虑其压缩性系数；计算容积流量时，对于实际气体要考虑其压缩性系数；u 折算容积流量时，要将中途折算容积流量时，要将中途分离分离出去的气体（水分）体积加进去，出去的气体（水分）体积加进去，而将中途而将中途添加添加进的气体体积扣除。进的气体体积扣除。u 容积流量并不真正反映压缩机的供气能力。容积流量并不真正反映压

22、缩机的供气能力。u 压缩机铭牌上的容积流量指的是额定工况时的容积流量。压缩机铭牌上的容积流量指的是额定工况时的容积流量。三三 热力性能容积流量的计算公式容积流量的计算公式1其中，其中，qvd：末级排出的气体量，：末级排出的气体量， m3/min； 下标下标s1 ：第：第1 1级进口状态下的压力和温度；级进口状态下的压力和温度； 下标下标d：末级状态下的压力和温度；：末级状态下的压力和温度； Z：压缩性系数，对理想气体值为：压缩性系数，对理想气体值为1； qv：分离的水分换算到第：分离的水分换算到第1级进口状态的容积流量，级进口状态的容积流量， m3/min； qvc：中途除掉的气体换算到中途除

23、掉的气体换算到第第1级进口状态的容积流量，级进口状态的容积流量， m3/min； 若为加入的气体，则取负值。若为加入的气体，则取负值。三三 热力性能容积流量的计算公式容积流量的计算公式2nVnVqlTPVSlSV1111111其中，其中，VS1：第一级气缸的行程容积，：第一级气缸的行程容积， m3； ：第一级气缸的容积系数；：第一级气缸的容积系数； ：第一级气缸的压力系数第一级气缸的压力系数； ：第一级气缸的温度系数第一级气缸的温度系数； ：第一级气缸的泄漏系数第一级气缸的泄漏系数； n：压缩机的转速压缩机的转速， r/min。1V1P1T1l三三 热力性能4. 供气量（标准容积流量）供气量（

24、标准容积流量）定义定义 将容积流量折算到标准状态（将容积流量折算到标准状态（1.013105Pa，0）时）时的的干气干气容积值，称为供气量或标准容积流量。容积值，称为供气量或标准容积流量。供气量与容积流量的关系：供气量与容积流量的关系：其中，其中， qv：压缩机的容积流量压缩机的容积流量，m3/min； P0、T0和和 Ps1、Ts1 ：标准状态及进口状态的压力和温度；：标准状态及进口状态的压力和温度； ：相对湿度；：相对湿度； PSa1：进气温度下的水蒸气的饱和蒸汽压。：进气温度下的水蒸气的饱和蒸汽压。5. 各级工作容积的确定各级工作容积的确定nqVVVS11其中，其中，qv：压缩机的容积流

25、量，：压缩机的容积流量，m3/min； v1 ：第一级的容积效率；：第一级的容积效率；n：压缩机转速，：压缩机转速，r/min第一级的工作容积为：第一级的工作容积为：任意任意i 级的工作容积为：级的工作容积为：其中，下标其中，下标1和和i分别表示压缩机的第分别表示压缩机的第1级和第级和第i 级；级； c c ：任意：任意 i 级前的级前的抽气系数抽气系数，若无抽气工艺时值为，若无抽气工艺时值为1 1； ：任意：任意 i 级级析水系数析水系数； ZS：压缩性系数，对理想气体值为：压缩性系数，对理想气体值为1三三 热力性能111SSVcSSVSZZTTppnqViiiiiii三三 热力性能6. 功率功率轴功：轴功：即主轴需要的总功，是直接用于压缩气体的指示功和用于克服机即主轴需要的