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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,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 往复压缩机的工作原理 往复压缩机的特点,一 往复压缩机概述,1. 总体结构,组成： 气缸 活塞（活塞环） 进、排气阀 连杆 曲轴,一 往复压缩机概述,组成：气缸、 活塞(活塞环)、进排气阀、活塞杆、 十字头(销)、连杆、 曲轴、,一 往复压缩机概述,L 型 空 气 压 缩 机,组成： 气缸 活塞（活塞环） 进排气阀
2、 活塞杆（填料） 十字头 曲轴 连杆 平衡重 中间冷却器,一 往复压缩机概述,工作腔部分：处理气体 气缸（缸盖） 活塞（活塞环、活塞杆或填料密封） 气阀（进气阀和排气阀） 传动部分：驱动活塞往复运动 曲轴 连杆 十字头（销） 机身部分：支撑气缸与传动部分 辅助设备 润滑系统 冷却系统（缸套、中间冷却器） 管路系统,往复压缩机的基本结构组成：,一 往复压缩机概述,机身 气缸体 气缸盖 气缸座,一 往复压缩机概述,活 塞,与活塞杆相连,与连杆相连,一 往复压缩机概述,活塞环和活塞杆,一 往复压缩机概述,气 阀,一 往复压缩机概述,曲 轴,平衡重,一 往复压缩机概述,连 杆,一 往复压缩机概述,连杆
3、的连接,一 往复压缩机概述,十字头及销,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,一级（或一个循环）： 进气 压缩 排气,往复式压缩机双作用式气缸,一 往复压缩机概述,左气缸 进气 压缩(排气),右气缸 压缩(排气) 进气,往复式压缩机级差式气缸,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,排气压力与流量的关系不大，工作稳定性较好； 工作性能与气体性质关系不大，故适应性较强； 容易达到较高的压力； 热效率较高； 结构较复杂，易损坏零件较多 气体吸入和排出是间歇的，容易引起气柱及管道的振动。,各类压缩机的适用范围,二 往复压缩机的工作过程,
4、压缩机的理论循环 压缩机的实际循环 多级压缩,压缩机的理论循环,1. 基本概念,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。,进程：活塞向“外止点”运动时，称为进程。,回程：活塞向“内止点”运动时，称为回程。,行程：活塞从一个止点到另一个止点的距离称为行程“s”。,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； 在排气过程终了时，缸内的气体被全部排出； 工作腔作为一个孤立体与外界无热交换； 气体压缩过程指数为定值； 气体无泄漏。,2. 理论循环的特征,压缩机的理论循环,压缩机的理论循环,理论工作循环过程：,压容图,3. 理
5、论工作循环过程,压缩机的理论循环,4. 理论循环的压缩功,（1）理论进气量V1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）Wi,绝热压缩理论循环指示功：,等温压缩理论循环指示功：,多变压缩理论循环指示功：,其中，K为绝热指数,其中，m为过程指数,从压缩机的功耗看：等温压缩过程的功耗最少，绝热压缩的功耗最多。,“”表示外界作功,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,（容积系数）,余隙容积V0：活塞在止点时，气缸中残留气体所占的压缩腔容积,余隙容积包括： 活塞与气缸的间隙容积； 气阀片的通道容积； 活塞顶部至第一活塞环间的容积,气体流经进排气阀和管
6、道时必然有摩擦，由此产生压力损失；,压缩机的实际循环,1. 实际循环的特点,（压力系数）,进气时，气缸内压力P一般低于进气管道压力P1; 排气时，气缸内排气压力P高于排气管道压力P2;,气体与各接触壁间存在温差，导致不断有热量吸入和放出；,压缩机的实际循环,1. 实际循环的特点,（温度系数）,气缸容积不可能绝对密封； 漏气：进、排气阀；活塞环与气缸壁间；填料密封,阀室容积不是无限大。 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,（泄漏系数）,压缩机的实际循环,实际工作循环过程：,2. 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。,压缩机的实际循环,3. 实际循环的进、
7、排气量,（1）容积系数v存在余隙容积V0,其中：V0/VS；相对余隙容积 p2/p1；名义压力比 m：膨胀指数,容积系数v是小于1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p进、排气阀有压力损失,（3）温度系数T 气体与工作腔壁有热交换,pa：进气结束时工作腔内的压力,Ta：进气结束时工作腔内的温度,压力系数p表示压力降低对进气量减小的影响程度。,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。,压缩机的实际循环,（4）泄漏系数l 气缸并非绝对密封,有油润滑压缩机一般取0.900.98 无油润滑压缩机一般取0.850.95,（5）实际循环进气量V
8、S和排气量Vd,其中： ，称为排气系数,其中： ，称为吸气系数,压缩机的实际循环,4. 实际循环指示功Wi,其中：s,0：进气相对压力损失和总的相对压力损失,对理想气体,对实际气体,注：实际气体的指示功也可由P-V图直接近似计算。,（查图2-14确定）,1. 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，并在每级压缩之后导入中间冷却器进行冷却。,多级压缩,L 型 氮 氢 气 压 缩 机,多级压缩,2. 多级压缩的优缺点,缺点：级数过多，结构复杂；级间管路增加，阻力损失增加，功耗增加；操作与维修困难等。,优点：,节省压缩气体的指示功； 可以降低排气温度； 排气温度： 可以提高容积系数v
9、 ； 可以降低活塞力。,多级压缩,3. 级数的选择,大、中型压缩机：以最省功为原则； 小型压缩机：以每级允许的排气温度或结构紧凑为原则； 特殊气体（易燃易爆等）：取决于每级允许的排气温度；,往复压缩机级数与终压间的关系,多级压缩,最佳级数：从省功角度整个机器的等温指示效率最高 参见图（219）,4. 压力比的分配,其中，Z：压缩机级数；pd 和ps分别为排、进气压力。,注意：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。则各级压力比为：,在理想条件下，对多级压缩机，取各级压力比
10、相等即为省功的最佳压力比。（证明过程参见相关参考书）,多级压缩,三 热力性能,三 热力性能,1. 吸、排气压力,定义 吸气压力压缩机第一级吸入管道处的气体压力； 排气压力压缩机末级排出接管处的气体压力。,注意： 压缩机铭牌上的排气压力指的是额定值； 压缩机的实际吸、排气压力可以在较大允许范围内变化； 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“背压”）决定； 注意区别压缩机的“排气压力”和“级间压力”。,2. 排气温度,定义 压缩机的排气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。各级的排气温度应在相应级的排气管处测得。,每一级的排气温度计算：,注意：
11、 要了解限制排气温度的必要性： 保证良好的润滑，避免“积炭”；考虑气体自身性质。 可通过加强气缸的冷却、降低过程指数m或压力比降低排气温度。 注意区分“排气温度”和“压缩终了温度”。,三 热力性能,三 热力性能,3. 容积流量（排气量）,定义 容积流量通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的气体，换算到第一级进口压力和温度时的气体容积值，单位为m3/min或m3/h ；通常用qv表示。,注意： 计算容积流量时，对于实际气体要考虑其压缩性系数； 折算容积流量时，要将中途分离出去的气体（水分）体积加进去，而将中途添加进的气体体积扣除。 容积流量并不真正反映压缩机的供气能力。 压缩机铭牌上的容积流量指
12、的是额定工况时的容积流量。,三 热力性能,容积流量的计算公式1,其中，qvd：末级排出的气体量， m3/min； 下标s1 ：第1级进口状态下的压力和温度； 下标d：末级状态下的压力和温度； Z：压缩性系数，对理想气体值为1； qv：分离的水分换算到第1级进口状态的容积流量， m3/min； qvc：中途除掉的气体换算到第1级进口状态的容积流量， m3/min； 若为加入的气体，则取负值。,三 热力性能,容积流量的计算公式2,其中，VS1：第一级气缸的行程容积， m3； ：第一级气缸的容积系数； ：第一级气缸的压力系数； ：第一级气缸的温度系数； ：第一级气缸的泄漏系数； n：压缩机的转速，
13、r/min。,三 热力性能,4. 供气量（标准容积流量）,定义 将容积流量折算到标准状态（1.013105Pa，0）时的干气容积值，称为供气量或标准容积流量。,供气量与容积流量的关系：,其中， qv：压缩机的容积流量，m3/min； P0、T0和 Ps1、Ts1 ：标准状态及进口状态的压力和温度； ：相对湿度； PSa1：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,其中，qv：压缩机的容积流量，m3/min； v1 ：第一级的容积效率；n：压缩机转速，r/min,第一级的工作容积为：,任意i 级的工作容积为：,其中，下标1和i分别表示压缩机的第1级和第i 级； c ：任意 i
14、级前的抽气系数，若无抽气工艺时值为1； ：任意 i 级析水系数； ZS：压缩性系数，对理想气体值为1,三 热力性能,三 热力性能,6. 功率,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械摩擦的摩擦功之和。 功率：单位时间所消耗的功，单位为W或kW。,压缩机任意j级的指示功率理想气体：,压缩机任意j级的指示功率实际气体：,指示功率：Ni（nWi） /60 轴功率：NzNi /m （m 为压缩机的机械效率）,压缩机总的指示功率：,三 热力性能,7. 效率,机械效率：指示功率与轴功率之比。即：,等温效率：包括等温指示效率和等温轴效率。 等温指示效率i-is ：压缩机理论等温循环指示功与实际循环指示功之比。 等温轴效率：也称全等温效率，是按照第一级进气口温度等温压缩到排气压力时的理论等温循环指示功率与实际循环的轴功率之比。即：,三 热力性能,绝热效率：包括绝热指示效率和绝热轴效率。 绝热指示效率 ：压缩机的理论绝热循环功与实际循环的指示功之比。即： 绝热轴效率：理论绝热循环指示功率与实际循环的轴功率之比。即：,比功率：排气压力相同的机器，单位容积流量所消耗的功率。 单位为kW/（m3/min）或kW/（m3/h） 常用于比较同一类型压缩机的经济性。,
