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1、2.2 往复活塞压缩机热力性能计算,1 理论压缩循环 吸气量V1 、压缩功W1计算 2 实际压缩循环 实际吸气量V1、实际压缩功W1 计算 参考书: 1. 工程热力学 2. 化工机器高慎琴,气体热力过程工程热力学 (补充内容),气体热力参数: 压力:p 温度:T (T= t+273 K) 比体积: 内能:u 气体质量:m 焓:h 熵:s 热量:q 功:W 气体分子量: 气体常数:R (R=8314/) 气体摩尔质量:M (M=/1000),(一) 气体状态方程式,任何气体:p、T 三者相互关联 状态方程式:,(1)热力学第一定律:,(2)理想气体 (理想气体:不考虑分子所占体积和分子间相互作用
2、力) 气体状态方程: N气体摩尔数; R0=MR通用气体常数。 (3)实际气体 状态方程式: Z压缩性系数,与气体的性质、压力和温度有关。 Z 值可以查表、查图得出(如书中图1-1)。,(二) 理想气体热力过程及压缩功,热力学中给出了五种计算方法: 等温过程、等熵过程、多变过程、等容过程、等压过程 (1) 等温过程 在压缩过程中,气体温度不变,T=常数。 状态方程式:,等温过程功Wi 膨胀过程功:,p,d,0,1,2,p,(2) 绝热过程(等熵过程) 气体与外界无热量交换,q=0 。,绝热过程方程式:,p,1,2,0,1,2,0,s,T,导出式:,绝热过程功 Wi 对于理想气体,可逆的过程 绝
3、热膨胀过程功:,wi,p,1,2,(3)多变过程 非等温、非绝热下的相对较实际的压缩过程。 多变过程方程式: 多变膨胀过程功:,2.2.1 理论压缩循环 理论压缩的假设: 气缸内气体全部排出。 进气、排气过程中,压力温度都不变。 压缩过程指数一定,k , m 值不变。 气缸无泄漏。 满足上面四条的为:理论压缩循环,理论压缩循环经过三个压缩过程: 进气过程:4-1线, 吸气压力不变 p1 , 最大进气量V1 。 压缩过程:1-2 线, 压力升高,容积减少,最高压力 p2 排气过程:2-3 线, 排气压力不变 p2 ,缸内气体排出。,V,P,4,1,2,P2,3,P1,吸气压缩排气 为一个循环,或
4、一个冲程。 曲轴旋转一周,活塞一个往复, 完成一个理论压缩循环。,(一)理论进气量 气缸直径 D,冲程长度(活塞行程)S S=2r ( 曲柄半径) 活塞行程容积:Vh , 进气容积:V1 一个理论循环的进气量: V1= Vh = ApS Ap 活塞面积, 单作用气缸: 双作用气缸:,S,D, 单作用级差气缸: 每分钟理论进气量 每分钟活塞冲程次数 n (冲/分)= 曲轴的转速 n (r/min),(二)理论压缩循环功 气体压缩,体积减少,温度升高,热量散发。致使这个热力过程的能量计算较复杂,热力学中压缩过程五种: 等温过程、等熵过程、多变过程、等容过程、等压过程 理想气体状态方程式:,功 Wi
5、,式中: R=8314/; 气体分子量;气体比容 T绝对温度, T= t+273 K V气体容积 m气体质量,依据热力学第一定律: 循环过程功Wi 进气过程功:p1V1 Wi 排气过程功:- p2V2 压缩过程功:,功 Wi,循环过程功Wi 压缩为正功:,(1) 等温过程 在压缩过程中,气体温度不变,T=常数。 状态方程式: 等温下: 循环过程功Wi,wi,取外力作功为正,(2) 绝热过程 压缩过程中,气体与外界无热量交换,q=0 。 绝热过程方程式: k绝热指数,只随温度变化。,单原子气体:k=1.66 1.67 双原子气体:k=1.40 1.41 多原子气体:k= 1.10 1.30 理论
6、循环绝热压缩过程功 Wi,功 Wi,(3)多变过程 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:,理论循环多变压缩过程功 往复活塞式压缩机常采用水冷和风冷。 一般: 1nk 高压气缸级:nk,功 Wi,三种压缩过程比较: 等温压缩过程用功最少,采用强制冷却,保持气缸温度不变。 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。 气体压缩机采用水冷或风冷目的减少温度的变化,2.2.2 级的实际压缩循环 气缸内实际压缩循环的示功图: 实测 abcd 图面积为实际压缩循环功。 主要特点: 气缸内有余隙容积 V0 存在 V0 内的剩余气体在压缩时被压缩,吸气时它先膨胀。
7、使循环过程出现一个膨胀过程,膨胀线 cd 。 四个过程为一个循环:吸气压缩排气膨胀 缸内余隙有: 活塞与气缸端部间隙。23 mm 活塞与气缸环形间隙。0.51mm 进、排气门阀通道,测压表管道。 活塞帽凹槽 等。,(2)进气阀、排气阀弹簧压力,阀片振动 进气时,气流需要克服阀片弹簧阻力 进气压力 pp2 同样,阀片颤振,出现压力线波动。 p 为克服气门阀片压紧弹簧所需的压力。, 压缩过程与膨胀过程存在不稳定的热交换,使压缩曲线与膨胀 曲线不是稳定的 n 值。(多变指数n是变化的) 压缩线 ab 开始段:气体吸热 nk 中间段:不传热 n=k 结束段:气体放热 nk 中间段:不传热 m=k 结束
8、段:气体吸热 mk mn 气缸内存在气体泄漏,使压缩线与膨胀线变的平坦。 外泄漏:活塞环、活塞杆填料函、第一级进气阀。 内泄漏:排气阀、后面各级进气阀。,2.2.3 级的进气量与排气量 (一)实际进气量 VSO 活塞行程容积: Vh = VS 余 隙 容 积: Vo 余隙膨胀容积:V1 按多变膨胀过程分析:,若膨胀到4点开始吸气。(n膨胀指数) 实际进气容积:,v 容积系数, 表征行程容积有效利用率。,v 对进气量影响最大, 和最关键。 考虑1点与 a点的差异:,比值得: 实际吸气量: 式中:,(一)实际循环功 理论指示功为 1234 图形面积,理论参数为 实际指示功为 abcd 图形面积,实
9、际参数: 按等功面积原理,理论吸气压力线 降低 成为平均实际 吸气压力线;理论排气压力线 升高 ,为平均实际排气压力线。,实际吸入压力与实际排出压力:,代入理论参数值: 上式为实际一个气缸所作功。 多变指数 n: 低压级:n=(0.950.99) k 高压级:n= k,2.2.4 压缩机实际循环功率及效率,功、功率的计算是任何机器最重要参数计算 理论循环功:(前面已讲) 实际循环功:,(二)功率 (1)指示功率 单缸单作用气缸: n曲轴转速,r/min 。,Ni,双作用气缸: 多级气缸:,N左,N右,(2)轴功率 压缩机 输入轴上的功率为输入功率(即轴功率)。 包括:压缩气体的指示功率 Ni
10、;压缩机总机械摩擦损失功率 Nm 轴功率: 摩擦损失功率 Nm 不易计算,一般用机械效率来解决。,m压缩机总的机械效率,考虑各机械摩擦损失。 常见压缩机摩擦点: 活塞与气缸;活塞杆与填料函;十字头与滑道;连杆与十字头销;连杆与曲轴瓦;曲轴与轴瓦 等。 大、中型压缩机: m= 0.90.96 小型压缩机(无十字头):m= 0.85 0.92 高压循环压缩机: m= 0.80 0.85,多级压缩的总轴功率: 比功率:单位排气量所消耗的功率。 反映压缩机的经济性,功率利用率的指标。 Vd压缩机实际排气量。 比功率越小,压缩机经济性越好,单位功率对气体作功越多。,(3)驱动机输出功率 Ne 驱动机(原
11、动机):电机、柴油机、汽轮机。 传动方式:三角带;齿轮减速器;弹性联轴节。 一般驱动机要有 (515)% 的功率储备(富裕量)。 电机功率: N= (1.051.15)Ne W 此计算结果经圆正后成为选择电机功率的最终结果。,2.2.5 排气压力与排气温度,(一)排气压力 压缩机最终排气压力的大小由系统和管路的背压决定。 压缩机排出压力=系统压力+管路阻力 压缩机铭牌上压力为额定工况下的压力,即额定转速、额定流量、设计系统压力及管路阻力下。,(1)多级压缩 往复式压缩机一般为多级气缸串联组成,逐级增压,最终使排出压力达到某一较高压力。 采用多级压缩的原因: 降低排气温度。气体压缩后升温,采用级
12、间冷却。 降低功率消耗。级数越多,越省功。 提高气缸容积系数。 V 降低活塞受力,使各级活塞受力均匀。,(2)级数 z 的选择原则 原则:节省功率,结构简单,满足工艺特殊要求。 级数 z 选择见表2-2。,级数的选择主要取决于每级所允许的排气温度。 级数少,压比大,排气温度高。,(3)压力比的分配 级数 z 选定后,各级压力比分配按等压比为最省功。 总压力比:,(二)排气温度 气体受压缩后,体积减少,但温度升高。温升与压力比有关。 排气温度计算: 每一级的排气温度限制见表2-1。 如: 空气压缩机:T2 160180 石油气压缩机:T2 90100 主要考虑介质的闪点温度,出现“积碳”、氧化爆
13、炸等因素。 压缩机的温度控制一般较严格,温度是检测压缩机正常工作的敏感参数,很多隐患可以从温度中得到。 排气温度问题: 机械温度问题:,(三)热效率 气体在气缸内压缩也存在一个效率问题,此效率为热效率。 热效率:用来反映实际循环指示功与理论循环指示功之间的差异, 差别越大,效率越低。由热力过程可分为: 等温热效率: 等温循环理论功率; 实际循环功率。 等温循环理论功率: 实际循环功率:,压缩机一级等温指示效率:,压缩机总效率:,2.2.6 实际气体下的各参数计算,理想气体、单分子气体状态方程式。 满足: pv=RT PV=mRT 实际气体:指高分子气体;石油气;化工气体; 混合气体等。 大多数
14、工业气体皆为高分子气体,即实际气体。,(1)实际气体的状态方程式: Z压缩性系数,与气体的性质、压力和温度有关 用来表征实际气体偏离理想气体的程度。 Z 值可以查表、查图得出。 (2)实际气体的过程方程式: 等熵下:,(3)实际气体的容积系数 第一级实际排气量: 容积流量: (体积流量),最后一级排气量: (4)实际气体的功、功率,2.3 往复活塞式压缩机动力学计算,压缩机工作时,作用力有三种: (1)压缩气体的作用力。 (气体力) (2)运动件的惯性力。 (往复惯性力和旋转惯性力) (3)摩擦力。 (往复摩擦力和旋转摩擦力) 压缩气体力为作功力,是有用力。 惯性力和摩擦力是无用力,有害力。
15、2.3.1 气体力 气体力:气缸内气体受活塞压缩时所产生的作用力叫气体力,压缩气体力,2.3.1 气体力 气体力:气缸内气体受活塞压缩时所产生的作用力。,AP,实际压缩过程:,吸气过程 PS 2. 压缩过程 Pi 3. 排气过程 Pd 4. 膨胀过程 Pi,pi,Pd,pi,PS,计算活塞任意位置的气体力(某瞬时位置): 气缸内压力变化:,活塞的位移: 气体力受力图:(以活塞杆皆受压力),Fg,Fg= piAp,最高排气压力为 pd 时:,2.3.2 惯性力计算 往复惯性力: 旋转惯性力: (1)活塞往复运动的速度与加速度 结构尺寸: 曲轴转角: 连杆摆角: 曲轴转速: 曲轴连杆长度比:= r/L 一般: 0.250.2 活塞上死点:= 0 活塞下死点:= 180 活塞位移:,上式整理得