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1、 本 科 毕 业 论 文 第 33 页 共 33 页1 引言压缩机是将低压气体提升为高压气体的一种从动的流体机械。其中往复式压缩机属于容积式压缩机，是使一定容积的气体顺序地吸入和排出封闭空间提高静压力的压缩机。往复活塞式压缩机广泛应用与生产生活中，例如在空调制冷方面压缩机是制冷系统的心脏1，它是一些仪表用气、机械的动力的源泉。随着人们生活水平的提高，和一些重要精密仪器的出现，对压缩机的性能有了更高的要求，比如使用寿命，运行维护的费用，对环境的影响等等提出了新的要求。压缩机在压缩过程中，会放出更多的热量，如果散热不好，就会造成排气温度过高，破坏压缩机性能。如果压缩过程散热充分，压缩过程就接近等温
2、过程，压缩机功耗较小2。反之，压缩过程就接近绝热过程，压缩机功耗较大。因此，控制压缩机冷却效果是保证压缩机工作效率、较少耗能的关键环节。在这样一个节约的社会，摆在人们面前的一个大问题就是能源的问题，我们要做的就是减少能源的消费，者就显出了压缩机有很好冷却的重要性。通过压缩空气来获得动力是工业领域中获取动力最常用的方式，利用空气压缩机来进行空气压缩，其能耗约占企业耗电总量的10%到35%。空气压缩机在工作时排气和循环油的温度高达85到95，而过多的废热会增加设备的耗能，并加快设备磨损，缩短设备的使用寿命。因此，为了保证设备的运行温度在允许范围内，空气压缩机的冷却系统需要采用水冷或者风冷的方式将这
3、些热量排放到周围的环境中3。当今世界，全球面临的共同难题是不可再生能源的枯竭、资源浪费。在能源有限的前提下，如何减少能源消耗已经成为各行各业的一大探寻目标和难题。无论在人们熟知的家电领域，还是在广泛的其它工业活动中，压缩机一直是各行各业不可缺少的重要设备一。尤其随着改革开放的不断深入，国民经济出现了高速增长，人们生活水平也不断提高，对于需要压缩机作为动力的器械与工程的依赖程度越来越大。据统计国内家用空调与家用冰箱上采用压缩机的每年新增用电量达到1.5107kW，占全国新增发电量的1/4以上，这已经成为电力紧张的主要原因之一；在工业领域，从上一世纪30年代开始，在传统的活塞往复压缩机已经问世，并
4、在世界上广泛应用的大环境下，作为新型的旋转式压缩机主流产品的滚动活塞压缩机又诞生于美国。到50年代开始在全球风行，到上世纪80年代，西方国家用于压缩机装备所消耗的电能占发电总量的10%以上，而且随着现在设备的复杂化，这一电耗比例在不断攀升。 现代的一台大型压缩机轴功率如果达到10000kW，能量损失在5%20%，浪费的能量就达5002000kW；对于小型压缩机，虽然单机功率较小，但是应用范围广，数量非常之大，总体的能量损失还是触目惊心。因此，挖掘潜力、减少压缩机能量损失、提高效率，势在必行。现代科学技术的迅速发展，机械设备日益朝着高度自动化的方向发展，造成机械设备逐渐复杂，且零部件之间的联系更
5、加紧密4。一旦某一部分发生故障，往往会引起整台设备的瘫痪，而且频繁的故障和较长的检修时间常常造成巨大的经济损失和人员伤亡事故的发生。人们对机械设备的可靠性、可用性、可维修性、经济性与安全性提出了越来越高的要求，现代工业生产中的设备系统比以往更注重效率和能耗，且环保的要求越来越高5。因此，无油润滑压缩机，和冷却效果良好的压缩机收到了很大的关注和运用。在设备实际运行当中，如能增加无油润滑压缩机的使用时间，减小压缩机的维护时间，分析设备中异常的部位和原因，对于减少和防止事故的发生，提高生产的经济效益，起到极大的促进作用6。所以，开发出能够有良好散热性能的压缩机，和无润滑压缩机己成为社会化大生产的关键
6、问题。为保证往复活塞式压缩机的运行可靠性和经济性，必须通过冷却系统对其进行良好的冷却。针对不同类型的压缩机，对风冷式压缩机和水冷式压缩机的冷却系统的组成、特点、设计原则分别进行了阐述。2往复式压缩机的冷却系统往复活塞式压缩机是利用活塞在气缸内作往复运动，使容积减小而提高气体压力并输送气体的机械，在石油、化工、机械、采矿、制冷、制药、冶金、建筑、土木、食品和国防等工业部门得到广泛应用。冷却系统是往复活塞式压缩机的重要组成部分之一，控制压缩机冷却效果是保证压缩机工作效率、较少耗能的关键环节，如果压缩机温度过高还容易使压缩机积碳，严重者发生爆炸。另外压缩机如果热力不均匀，会产生较大应力，降低了压缩机
7、的使用寿命。所以它的优劣直接影响着压缩机的性能和正常操作，因此对冷却系统的设计应予以足够重视。2.1 往复式压缩机的优缺点 往复式压缩机就是曲轴带动连杆，连杆带动活塞，活塞做上下运动。活塞运动使气缸内的容积发生变化，当活塞向下运动的时候，汽缸容积增大，进气阀打开，排气阀关闭，空气被吸进来，完成进气过程；当活塞向上运动的时候，气缸容积减小，出气阀打开，进气阀关闭，完成压缩过程。通常活塞上有活塞环来密封气缸和活塞之间的间隙，气缸内有润滑油润滑活塞环。靠一个或几个作往复运动的活塞来改变压缩腔内部容积的容积式压缩机。目前往复式压缩机主要是活塞式空压机，化工工艺压缩机，石油，天然气压缩机，为主，而活塞式
8、空压机现在主要向中压及高压方向发展，这个是螺杆机，离心机目前无法达到的一个高度。（1）活塞压缩机的优点是：结构简单，制造技术很成熟，对加工材料和加工工艺要求比较低，它维修方便，容易实现高压缩比，因此它适应性强，能用于非常广泛的压力范围。以上种种优点使得活塞压缩机的/性价比很高。容易实现高压缩比（关键的特点）的原因主要是：它可以在活塞壁与气缸壁之间的活塞上设置能够有效地减少高压与低压之间漏气量的弹性活塞环，即便不设置该活塞环，由于活塞壁与气缸壁之间的接触面积很大，也会起到大幅度减少高压与低压之间通过充满了润滑油的两者缝隙之间的漏气量。漏气量小，排气效率，工作压缩比就会提高7。 （2）活塞压缩机也
9、有明显的缺点：由于采用曲轴连杆机构驱动活塞往复运行而造成机器形体大而重，并且具有较大的噪声和振动，由于难以实现高转速（高频率压缩气体）而容易造成排气量的波动。2.2 冷却系统的组成作用压缩机中的冷却系统包括：气缸组件冷却、级间冷却、压缩气体排出压缩机的后冷却，以及润滑油的冷却等。欲使压缩机效率佳、工作可靠性高、使用寿命长，冷却性能良好是一个极重要的前提。此点对各类压缩机诸如：活塞式、旋转式以及各种不同结构形式的压缩机诸如：具有油润滑压缩腔、喷油式以及干式的风冷及水冷、单级、两级或多级压缩机来讲都是同样重要的。冷却系统良好，气缸内壁温度低，传给气体的热量少，可提高压缩机的容积系数和温度系数，进而
10、提高排气量8。冷却效果差，压缩机的排气温度高，气缸内壁温度高，使润滑油的性能下降，会加速气缸的磨损；排气温度过高，还会使润滑油氧化而在设备、管道内“积碳”，导致发生爆炸事故，故压缩机的排气温度是有限制的。气缸温度不均匀时，会产生过大热应力，降低气缸的强度。对多级压缩，级间冷却越完善，就越省功。后冷却可使气体温度降低，便于气体中所含水分与油雾的分离；另外，由于冷却后气体的比容积下降，可减少气体的流动阻力损失或减小气体管道直径。对于无油润滑压缩机而言，由于不能用油带走部分摩擦热，加之活塞环、导向环采用非金属材料，冷却系统的作用就显得更为重要。2.3 冷却系统中冷却介质的选取往复式压缩机冷却系统中常
11、用的冷却介质为水和空气，故冷却系统可分为水冷式和风冷式。对于中、大型压缩机，排气量较大，压力高，所需传递的热负荷大，一般选用比热容大、价格低、容易获得的水作为冷却介质。具有前期投资成本高，难以迁移，冷却效果好，环境因素影响小的特点。应该指出：运行一段时间后，在冷却系统内会有水垢形成，致使水流通道截面积减小，水循环的阻力增加，阻碍正常的热交换，造成设备冷却不良，增加功率消耗，甚至发生事故。因此，使用前必须对冷却水进行软化处理，并当水垢超过一定厚度时及时将其清除掉9。空气具有投入少，可以迁移，冷却效果随环境温度变化而变化。冬天效果好，夏天比较差。免费易得、无需泵和水处理等辅助设备的优点，故小型、移
12、动式或撬装式压缩机一般选用空气作为冷却介质。当在野外特别是在缺水地区作业时，选用空气冷却较为适宜。因此，风冷效果比水冷效果差，压缩机的轴功率会相应增大。2.3.1 水冷式冷却系统 具有前期投资成本高，难以迁移。冷却效果好，环境因素影响小。耗水量大，工业用水对设备的腐蚀，结垢。既不经济也不能保证冷却效果的特点。水冷式冷却系统可分为3类：（1）串联式冷却系统冷却水首先进入中间冷却器，经过一级气缸水套，再经过二级气缸水套，这样有利于提高温度系数，保证压缩机的排气量，最后经后冷器排出。该系统结构简单、耗水量小，但发生故障时不便于检修，通常用于两级压缩机。（2）并联式冷却系统 冷却水从总水管分别流到每一
13、应予冷却的部分10（各级气缸、中冷器），最后经总溢水槽汇入总泄水管。由于进入中冷器的均为最冷的水，故冷却效果好，且各部分的水量、水温均可调节，查找故障方便，但管线复杂，水耗高，可用于级数多的压缩机。（3）混联式冷却系统每一中冷器与其相应的气缸水套构成串联系统，而各级之间为并联系统。该系统具有串联和并联两者的优点，冷却水利用合理，各级间具有相同的回冷完善程度，综合性能较佳。2.3.2 风冷式冷却系统风冷式冷却系统一般由风扇、中间冷却器（又称中冷器）及压缩机上的散热装置等组成。 （1）风扇是将冷却空气强制性送给中间冷却器和气缸组件的装置，绝大多数采用轴流式风扇。平直叶片由于制造方便，为厂家所广泛采
14、用，但噪声较大。叶片数一般取46片，并对称布置。对于微型压缩机，一般用飞轮兼作风扇，因此设计时不仅要使之满足飞轮矩的要求，还要满足冷却所需要的风量。为保证冷却效果，对采用抽气式，即将中间冷却器置于风扇进风侧，先冷却中冷器，后冷却气缸组件，故在其上应标明旋转方向。小、中型压缩机常将冷却风扇由单独的电机经皮带传动驱动，一般将风扇置于中冷器与主机之间。 （2）风冷式中冷器微型压缩机常采用由铜管弯制而成的蛇管式中冷器。其结构简单、安装方便，但冷却效果不佳。绝大多数小、中型压缩机采用列管式中冷器。压缩气体在管内流动，由风扇产生的冷却空气则垂直于管束方向掠过。为保证气缸组件冷却良好应设置导流风罩。由于光管
15、散热性差，可在管外缠绕翅片，但必须保证钎焊质量以使翅片与管子间紧密贴合。散热翅片间距不可过密，以避免增加热阻、流动阻力和减小风量。为制造方便，多采用平翅片，取片厚0.20.3mm，片距2.83.2mm为佳。 （3）气缸及缸盖的冷却。除用来自风扇的冷风冷却外，其本身的结构也应作处理，主要是外加散热片。按铸造工艺要求，散热片的根部较厚，端部较薄。气缸上的散热片有环向和纵向两种方式布置，由于环向布置式冷却均匀，多被采用。靠近缸盖的散热片较长，以加强缸盖的冷却。缸盖上也设有散热片，进风阀室一侧可不设或少设散热片，因进气温度较低。2.4 研究的意义压缩时会产生热量12，根据热力学第一定律得出压缩时的内能
16、等于向外排出热量减去机械功。在等温压缩时，内能等于零，因而输入压缩机中的全部机诫功等于排出的热量。如压缩空气离开机器时，其温度与吸人时的大气温度相同，则上述理论实际_上也适用压缩机。因而排出的总热量相当于输入原动机的电能。压缩机冷却系统是用来冷却经压缩机出来的增压空气和压缩机的，空气在经过压缩机后13，压力增加，温度升高，通过中冷器冷却可以降低增压空气的温度，从而提高空气密度；提升充气效率；以达到提升压缩机运行功率指标和降低排气温度的目的。应用节能技术的高效冷却系统与传统的光管式冷却器相比，具有多方面的优势，能够显著提高压缩机的工作效率、提高能源利用率、减少金属材料消耗，对推进石油化工、机械行业的节能减排工作有着积极意义14。我国已将压缩机列为21种重点节能产品之一，并且大多数厂家也制定了标准进行系列化生产
