第二章容积式压缩机_2

1、LOGO容积式压缩机第第2 2章章容积式压缩机容积式压缩机往复式压缩机基本构成和工作过程往复式压缩机基本构成和工作过程2.2.1 1往复式压缩机的热力性能及动力性能往复式压缩机的热力性能及动力性能2.22.2往复式压缩机的气阀与密封往复式压缩机的气阀与密封2.32.3 往复式压缩机的调节与控制往复式压缩机的调节与控制2.42.4往复式压缩机的选型与结构实例往复式压缩机的选型与结构实例2.52.5菜单菜单2.62.6 回转式压缩机回转式压缩机(1) (1) 级的理论循环级的理论循环 吸气量吸气量 、理论循环指示功理论循环指示功计算计算(2) (2) 级的实际循环级的实际循环 实际吸气量实际吸气量

2、、实际循环指示功实际循环指示功计算计算参考书参考书: : 1. 1. 工程热力学工程热力学 2. 2. 活塞式压缩机活塞式压缩机西安交通大学西安交通大学 郁永章郁永章2.1.2 2.1.2 压缩机级的工作过程压缩机级的工作过程2.1.2 2.1.2 压缩机级的理论循环压缩机级的理论循环 假设：假设：n工作腔内无工作腔内无余隙容积余隙容积，汽缸内气体全部排净；，汽缸内气体全部排净；n气体通过进、排气阀时无压力损失，且没有压力波气体通过进、排气阀时无压力损失，且没有压力波动，无热交换，吸气和排气为定值；动，无热交换，吸气和排气为定值；n压缩过程和排气过程气体无泄漏；压缩过程和排气过程气体无泄漏；n

3、压缩气体为理想气体，压缩过程指数为定值；压缩压缩气体为理想气体，压缩过程指数为定值；压缩过程为等温或绝热过程。过程为等温或绝热过程。满足上述四点要求即为满足上述四点要求即为理论循环理论循环菜单菜单压缩机级的理论循环压缩机级的理论循环 吸气吸气压缩压缩排气，排气， 为一个为一个级的理论循环级的理论循环。 VP412P23P1压缩机在一个循环压缩机在一个循环中所经历的中所经历的4-1-2-4-1-2-3-43-4过程称为一个过程称为一个理理论工作循环。论工作循环。 只有压缩过程是真正的热力学过程只有压缩过程是真正的热力学过程压缩机级的理论循环压缩机级的理论循环内止点（下止点）内止点（下止点）: :

4、活塞运动到达活塞运动到达接近主轴侧接近主轴侧的极限位置的极限位置外止点（上止点）：活塞运动到外止点（上止点）：活塞运动到达远离主轴侧达远离主轴侧的极限位置的极限位置进程：由内止点向外止点运动进程：由内止点向外止点运动回程：由外止点向内止点运动回程：由外止点向内止点运动行程行程：活塞由一个止点到另外一个止点所走的距离：活塞由一个止点到另外一个止点所走的距离( ( S S）活塞行程活塞行程 S,S=2r ( S,S=2r ( 曲柄半径曲柄半径r r ）外止点外止点内止点内止点（压缩过程压缩过程？）？）（吸气过程吸气过程？）？）7压缩过程是一定量气体的热力过程，压缩线决定于过程指数压缩过程是一定量气

5、体的热力过程，压缩线决定于过程指数m m冷却完全冷却完全等温压缩等温压缩无热交换无热交换绝热压缩绝热压缩压缩中放热压缩中放热多变压缩多变压缩压缩中吸热压缩中吸热多变压缩多变压缩多变过程多变过程绝热过程绝热过程等温过程等温过程 : : : RTpvmxRTpvkxRTpvxRTpvmkx1压缩机级的理论循环压缩机级的理论循环 线 活塞压缩机中km 1等温压缩等温压缩m=1m=1绝热压缩绝热压缩m=km=k多变压缩多变压缩mkmkmk压缩机级的理论循环压缩机级的理论循环（1 1）理论进气量）理论进气量 活塞直径活塞直径 D D，活塞行程，活塞行程 S,S=2r ( S,S=2r ( 曲柄半径曲柄半

6、径r r ） 活塞行程容积：活塞行程容积：V Vs s 进气容积：进气容积：V V1 1 一个理论循环的进气量：一个理论循环的进气量： V V1 1= V= Vs s = Ap = ApS S Ap Ap 活塞面积活塞面积SDVP412P23P1压缩机级的理论循环压缩机级的理论循环V V1 1= V= Vh h = Ap = ApS S 单作用气缸： 双作用气缸：3214pmVASDS冲322124mVDdSdm冲活塞杆直径，理论进气量：理论进气量： 级差气缸：级差气缸：每分钟理论进气量：每分钟理论进气量：每分钟活塞冲程次数每分钟活塞冲程次数 n (n (冲冲/ /分）分）= = 曲轴的转速曲

7、轴的转速 n n （r/min)r/min)min24min43221321msdDnVmsDnsAnVp双作用：单作用：冲3214msDV( 2( 2）理论压缩循环）理论压缩循环指示功指示功等温过程、等熵过程（绝热过程）、多变过程等温过程、等熵过程（绝热过程）、多变过程 u依据热力学第一定律依据热力学第一定律: :理论循环指示功理论循环指示功W Wi i 进气过程功：进气过程功：-p-p1 1V V1 1 排气过程功：排气过程功： p p2 2V V2 2 压缩过程功：压缩过程功：21VVpdV功的符号定义：活塞对气体做功为正，如压功的符号定义：活塞对气体做功为正，如压缩、排气过程缩、排气过

8、程理论循环指示功理论循环指示功W Wi iu压缩为正功压缩为正功: :21pipWVdpJ12340pvWivvdp12340WikpvP-VP-V图称为示功图图称为示功图2211221 1VpiVpWp VpdVpVVdpu 等温过程等温过程 在压缩过程中，气体温度不变，在压缩过程中，气体温度不变，T=T=常数。常数。 状态方程式：状态方程式： 等温下等温下: :循环指示功循环指示功W Wi i pV 常数pVMRT由：wi21pipWVdpJ1 12212pVpVp VMRTMRT11pVVp12340pvWivvdp11pVVp等温过程的指示功：等温过程的指示功： 22111 121 1

9、1lnppippipVWVdpdpppWpVJp32121,mVVpppa进气体积、排出体积，进、排气压力，(2) (2) 绝热过程绝热过程 压缩过程中，气体与外界无热量交换，压缩过程中，气体与外界无热量交换，q=0 q=0 。 绝热过程方程式：绝热过程方程式： k k绝热指数，只随温度变化。绝热指数，只随温度变化。 111212211211kkkkpTVTpVpVTVTp等容比热等压比热；vpvpCCCCkkpV 常 数1122111;kkkpVp Vp VpVMRTp VMRT12340Wikpvwi 单原子气体：单原子气体：k=1.66 1.67k=1.66 1.67 双原子气体：双原子

10、气体：k=1.40 1.41k=1.40 1.41 多原子气体：多原子气体：k= 1.10 1.30k= 1.10 1.30u理论循环绝热压缩过程功理论循环绝热压缩过程功 W Wi i21121 1111kkpippkWVdppVJkp1111kkkppVp VVVp（3 3）多变过程）多变过程 非等温、非绝热下的相对较实际的压缩过程。非等温、非绝热下的相对较实际的压缩过程。 多变压缩过程方程式：多变压缩过程方程式：11212122121211mmmmpVTVTppVTVTpm12340WipvmpV 常数1122(mmmpVp Vp Vm 多变指数）wiu理论循环多变压缩过程功理论循环多变压

11、缩过程功u往复活塞式压缩机常采用水冷和风冷。往复活塞式压缩机常采用水冷和风冷。 一般：一般： 1 1m mk k 211211111mmpippmWVdpp VJmp三种压缩过程理论功比较三种压缩过程理论功比较 等温压缩过程用功最少等温压缩过程用功最少, ,强制冷却强制冷却, ,保持气体温度不变。保持气体温度不变。 绝热压缩过程用功最多。绝热压缩过程用功最多。 多变压缩过程用功在两者之间，较符合实际。多变压缩过程用功在两者之间，较符合实际。k12340Wipvm1等温线多变线绝热线p1p222为什么要对压缩机的汽为什么要对压缩机的汽缸进行冷却？缸进行冷却？Wi2.1.3 2.1.3 压缩机级的

12、实际循环压缩机级的实际循环实际循环与理论循环的差别实际循环与理论循环的差别1.1.存在余隙容积存在余隙容积使压力指示图出现膨胀过程使压力指示图出现膨胀过程活塞在止点时无法到达的气缸剩余容积活塞在止点时无法到达的气缸剩余容积。余隙容积余隙容积(Vc)余隙容积由三部分组成余隙容积由三部分组成: 气缸盖端面与活塞端面所气缸盖端面与活塞端面所留必要的安全间隙而形成的留必要的安全间隙而形成的容积；容积； 进气、排气阀与气缸相进气、排气阀与气缸相联通部分的容积；联通部分的容积； 第一道活塞环到活塞顶第一道活塞环到活塞顶部在活塞与气缸的径向间隙部在活塞与气缸的径向间隙间形成的环状容积。间形成的环状容积。 余

13、隙容积大小余隙容积大小 * *活塞端面与汽缸盖的活塞端面与汽缸盖的间隙间隙 V Vc1c1= 23 mm= 23 mm*活塞侧面与第一道活活塞侧面与第一道活塞环之间塞环之间 V Vc2c2 =0.51mm =0.51mm余隙容积的影响余隙容积的影响* * 余隙容积存在使得吸气过程推余隙容积存在使得吸气过程推迟，吸气量减少，因而压缩机迟，吸气量减少，因而压缩机的排气量减少。压缩机的生产的排气量减少。压缩机的生产能力下降；能力下降；* * 压缩机对余隙容积内的气体做压缩机对余隙容积内的气体做无用功，机器的效率下降；无用功，机器的效率下降；* * 余隙容积不能过小，否则会发余隙容积不能过小，否则会发

14、生活塞与汽缸盖相撞的事故，生活塞与汽缸盖相撞的事故，影响压缩机的安全运行影响压缩机的安全运行ps-piFsFsxpi2.2.进、排气通道及气阀具有阻力进、排气通道及气阀具有阻力ps p1pd p2)(sdpp)(12pp实际吸气压力低于名义吸气压力实际吸气压力低于名义吸气压力实际排气压力高于名义排气压力实际排气压力高于名义排气压力实际压缩比实际压缩比大于大于名义压缩比名义压缩比实际循环与理论循环的差别实际循环与理论循环的差别实际进气过程是由实际进气过程是由d d点而不点而不是是4 4点开始，整个进气过程点开始，整个进气过程中中气缸内的实际压力气缸内的实际压力一般一般也都低于进气管道中的也都低于

15、进气管道中的名名义进气压力义进气压力 p1。排气过程自排气过程自b b点开始点开始实际排实际排气压力气压力也高于排气管中也高于排气管中名名义的压力义的压力p2 。cVsV3.3.实际吸、排气过程呈波浪线实际吸、排气过程呈波浪线实际循环与理论循环的差别实际循环与理论循环的差别1sV2sVcV吸入过程中吸入过程中气体一般比气体一般比壁面温度低，因此气体壁面温度低，因此气体会被加热；会被加热；排出过程中排出过程中气体一般会气体一般会比壁面温度高，因此气比壁面温度高，因此气体会放出热量。体会放出热量。4.4.实际压缩和膨胀过程线并非定值实际压缩和膨胀过程线并非定值在膨胀和压缩过程中，因为气体与气缸壁之

16、间存在在膨胀和压缩过程中，因为气体与气缸壁之间存在热交换，使得压缩过热交换，使得压缩过程指数与膨胀过程指程指数与膨胀过程指数不断变化，并非常数。数不断变化，并非常数。1sV2sVcV5.5.存在泄漏存在泄漏吸气管道吸气管道缸盖缸盖吸气阀吸气阀气缸气缸排气阀排气阀缸盖缸盖排气管道排气管道压缩机中压缩机中气体流程为气体流程为气缸容积不可能绝对密封。气缸的工作腔部分依气缸容积不可能绝对密封。气缸的工作腔部分依靠气阀与进、排气系统相隔离；依靠活塞环等零靠气阀与进、排气系统相隔离；依靠活塞环等零件来密封活塞与气缸的间隙；依靠填料来密封活件来密封活塞与气缸的间隙；依靠填料来密封活塞杆与气缸座的间隙。这些部

17、位不能做到完全密塞杆与气缸座的间隙。这些部位不能做到完全密封，因此必然有气体自高封，因此必然有气体自高压区向低压区泄漏。由压区向低压区泄漏。由于泄漏，压缩和膨胀过程便会变得比较平坦。于泄漏，压缩和膨胀过程便会变得比较平坦。 实际过程与理论过程的区别及引起后果： p 由于余隙容积的存在，实际工作循环由膨胀、吸气、压缩、排气由于余隙容积的存在，实际工作循环由膨胀、吸气、压缩、排气四个过程组成，而理论循环无膨胀过程。四个过程组成，而理论循环无膨胀过程。p 实际吸、排气过程中存在阻力损失，使实际气缸内吸气压力小于实际吸、排气过程中存在阻力损失，使实际气缸内吸气压力小于吸入管路内气压、实际气缸内排气压力

18、高于排出管路内气压；吸、吸入管路内气压、实际气缸内排气压力高于排出管路内气压；吸、排气过程中有压力波动、温度变化。排气过程中有压力波动、温度变化。p 在膨胀和压缩过程中，因为气体与气缸壁之间存在热交换，使得在膨胀和压缩过程中，因为气体与气缸壁之间存在热交换，使得压缩过程指数与膨胀过程指数不断变化，并非常数。压缩过程指数与膨胀过程指数不断变化，并非常数。p 压缩机工作过程中活塞环、填料、气阀不可避免存在泄露，使指压缩机工作过程中活塞环、填料、气阀不可避免存在泄露，使指示功图面积变小示功图面积变小由于实际循环和理论循环的上述差异，必将影响由于实际循环和理论循环的上述差异，必将影响压缩机各方面的性能

19、。压缩机各方面的性能。 实际循环的吸气量实际循环的吸气量不但受余隙容积中高压气体膨不但受余隙容积中高压气体膨胀的影响，还受进气阻力和进气被加热的影响。胀的影响，还受进气阻力和进气被加热的影响。实际循环的排气量实际循环的排气量还受泄漏的影响。还受泄漏的影响。( (后述）后述）2.1.4 2.1.4 级的实际循环进气量级的实际循环进气量余隙存在使得气缸内实际可余隙存在使得气缸内实际可吸入的气体由吸入的气体由Vs减小到减小到Vs1 这里：这里：ss1vVV 称为容积系数。称为容积系数。表示余隙对气缸利用率的影响表示余隙对气缸利用率的影响 。1sV2sVcV级的实际循环进气量级的实际循环进气量由于进气

20、阻力和压力波由于进气阻力和压力波动，使进气终了压力降动，使进气终了压力降低为低为pa （ pa p1 ） ；将气缸工作容积内压力为将气缸工作容积内压力为pa的吸气量折合到名义的吸气量折合到名义进气压力进气压力p1下，则吸气量减少下，则吸气量减少V2。使得气缸内。使得气缸内实际可吸入的气体由实际可吸入的气体由Vs减小到减小到Vs2。1sV2sVcV级的实际循环进气量级的实际循环进气量由于进气被加热，使由于进气被加热，使进气终了温度升高为进气终了温度升高为T Ta （ T Ta T T1）；）；将温度高于将温度高于T Ta的气体冷却到的气体冷却到T T1 ，气缸内，气缸内实际可吸入的气体由实际可吸

21、入的气体由Vs2减小到减小到Vs3s3。1sV2sVcVs3V3V级的实际循环进气量级的实际循环进气量1sV2sVcVas1a11s3s1s1as1avpTspV pTTVVVp TVp T V综合上述分析，将受余隙、阻力和加热影响后的综合上述分析，将受余隙、阻力和加热影响后的气体折合到名义吸气状态（气体折合到名义吸气状态（ p1 、T T1 ）的进气量）的进气量为为Vs3 ：其中：其中：ss1vVV 称为容积系数。称为容积系数。级的实际循环进气量级的实际循环进气量p1app称为压力系数。称为压力系数。1TaTT称为温度系数。称为温度系数。Tpv均是影响吸气量的系数。均是影响吸气量的系数。表示

22、进气阻力对气缸利用率的影响表示进气阻力对气缸利用率的影响 。表示进气被加热对气缸利用率的影响表示进气被加热对气缸利用率的影响 。级的实际循环进气量级的实际循环进气量1. 容积系数容积系数vm：膨胀过程系数211()mmccp Vp VV12111211()()1mccmcpVVVppVVp11211()11(1)cmmvsVpVp cSVV相对余隙 12pp 压力比 膨胀过程为一气体热力学过程！111sVssVVVVV 1sV2sVcV 影响因素：影响因素：、m m ； 气缸余隙容积的存在使得气缸余隙容积的存在使得v1。11211()11(1)vmmvsVpVp (3-13) 相对余隙容积相对

23、余隙容积 活塞止点间隙活塞止点间隙 活塞环间隙活塞环间隙 气体通道：气体通道： 阀窝容积、气阀内部容积阀窝容积、气阀内部容积1. 容积系数容积系数v 压力比大：残余气体膨胀后所占容积大，大：残余气体膨胀后所占容积大，vv小小 极限压力比：残余气体膨胀后占据整个工作容积极限压力比：残余气体膨胀后占据整个工作容积Vh Vh 0 V 即：即：) 1(101m) 11(maxm2 . 11 . 0 m，若：若： 8 .17max 则：则：)1(11 mv 压力比对容积系数影响1. 容积系数容积系数v 膨胀过程指数m:在工程中用等端点过程指数代替实际膨胀指数。在工程中用等端点过程指数代替实际膨胀指数。k

24、m 气放热km km 气吸热初期 中期 末期 m m 越小，吸热越多，膨胀线平坦，越小，吸热越多，膨胀线平坦，vv小。小。 m m越大，膨胀线陡，越大，膨胀线陡，vv 大大 mm可查表选取可查表选取 RTpm 膨胀过程指数对溶剂系数影响1. 容积系数容积系数v)1(11 mv 2. 2. 压力系数压力系数影响因素：弹簧力：过强则提前关闭，活塞到内 止点下降大。11,APvpTspVVp 吸气终了时状态：与管道及气阀容积有关， Ap换算到 1ppA 1p状态体积变小， 1P 经验确定：常压进气 98.095.0P以后各段 00.198.0P11AvsApTVVpT吸3. 3. 温度系数温度系数

25、缸壁温度约为吸排气温度的平均值 吸入新气从汽缸壁吸收了热量，温度升高 ，气体比容 折合到标准吸气状态的吸气量就减少， 影响因素：影响因素：气体性质：导热性、缸壁温度：冷却好坏 1ATT122TT1ATTT填填看：填填看：1. 、 和和 影响吸气量。影响吸气量。余隙容积余隙容积进气阻力进气阻力进气温升进气温升2.排气时，气缸内温度比排气管道温度排气时，气缸内温度比排气管道温度 ，气缸内压力比排气管道压力气缸内压力比排气管道压力 。高高高高3.压缩初期，气体温度低于壁温，应为压缩初期，气体温度低于壁温，应为 压缩，压缩，过程指数过程指数n 。吸热吸热k按等功面积原理按等功面积原理： 理论吸气压力线

26、理论吸气压力线P P1 1 降低降低P P1 1 ，成为，成为平均实际吸气压力线平均实际吸气压力线 P P1 1； 理论排气压力线理论排气压力线 P P2 2 升高升高P P2 2 ，为平均实际排气压力线，为平均实际排气压力线P P2 2 。实际指示功为。实际指示功为 abcd abcd 图形面积，实际参数：图形面积，实际参数：2121;ppVpps2.1.52.1.5实际循环指示功实际循环指示功实际循环的指示功实际循环的指示功 实际吸入压力与实际排出压力： JppVpmmWmmsi 111121实实际际循循环环指指示示功功：dsdSdspppppppppppppppppp0221122222

27、2211111111111总相对压力损失：相对压力损失： 上式为实际一个气缸所作功。上式为实际一个气缸所作功。 多变指数多变指数 m m： 低压级：低压级：m=(0.950.99) km=(0.950.99) k 高压级：高压级：m= km= k相对压力损失可根据经验图查得相对压力损失可根据经验图查得 JppVpmmWmmsvsi 111110121 Wibc34p2p1vp0p2ad12p1进、排气名义压力表示实际循环指示功：进、排气名义压力表示实际循环指示功：多级压缩是将气体的多级压缩是将气体的压缩过程分成若干级压缩过程分成若干级，逐级提压，最终达，逐级提压，最终达到所需排气压力。工到所需

28、排气压力。工业上压缩级数可达到业上压缩级数可达到6767级以上。级以上。多级压缩的级与级之间设有中间冷却器。大型压缩机中冷器多引到室外进行冷却。 2.1.6 2.1.6 多级压缩多级压缩1.多级压缩的优点14234324pp4p3p2p1V1-41-4为绝热压缩过程线；为绝热压缩过程线；1-41-4为等温压缩过程线。为等温压缩过程线。1-2-2-3-3-41-2-2-3-3-4为三级压缩过程线。为三级压缩过程线。2- 22- 2和和3-33-3为等压冷却过程线。为等压冷却过程线。省功省功降低排气温度考虑介质的闪点温度，出现“积碳”、氧化爆炸等因素。 压缩机的温度控制一般较严格，温度是检测压缩机

29、正常工作的敏感参数，很多隐患可以从温度中得到。nnsdnnTTppTT111212 提高容积系数名义压力比。名义压力比。相对余隙容积。相对余隙容积。式中：式中：120111201111ppVVppVVVVsnnsssv 容积系数表示有效容积的利用率；第一级的容积系数提高，可以大大减少整机尺寸降低活塞上的气体力降低活塞上的气体力u减轻运动机构及机身零部件减轻运动机构及机身零部件u机器的效率提高机器的效率提高AAppbarbar111010F55181-991 两级压缩：一台单级压缩，另一台，到压缩气体两台压缩机 AAAAAppppp112213143110F1010F525521-91-3 F1

30、F2两级压缩比单级压缩减小活塞力约两级压缩比单级压缩减小活塞力约40%长期连续运转的大中型压缩机，以省功为原则，提高运转经济性。间歇运转及运输用压缩机，以结构紧凑，尺寸小，重量轻为原则，功耗可放于次要地位。通常在温度允许范围内，适当提高压力比，尽量减少级数。级数的选择原则级数的选择原则级数选择：对易燃、易爆气体和无油润滑压缩机，级数选择受温度限制。化工用压缩机，级数应满足工艺要求。选择级数时，可按等温效率与终压关系查取相关图表。等温指示效率：理想等温指示功/实际循环指示功 级数选择：等温指示效率与终压关系曲线条件：双原子气体，进气压力0.1MPa，一级进气温度300K，第二级以后各级310K，各级压缩为等熵压缩，不考虑温度系数的影响。表2-2为级数与终压的一般关系级数选择：压力比的分配以两级压缩为例讨论压力比的分配。（前提：功耗最小）基本原则：功耗最小基本原则：功耗最