往复活塞压缩机热力性能计算.ppt

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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力）气体状态方程：N气体摩尔数；R0

2、=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 绝热膨胀过程功：,wi,p,1,2,（3）多变过程 非等温、非绝热

3、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

4、（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,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

5、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

6、 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。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。,

7、（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：

8、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

9、：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；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=0.90.9

10、6 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

11、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

12、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

13、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

14、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。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 Pi3.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

15、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：(2-47)(2-48)(2-49)速度方程为正弦曲线，加速度为余弦曲线。,v,a,2,2,利用活塞面积与速度求瞬时排量：线速度的利用：,速度的利用,（2）往复运动件的质量 活塞、活塞杆、十字头的总质量：mp 连杆，可分解为：直线运动质量：旋转运动质量：连杆总质量：或：,连杆的重量分配,曲轴偏心质量（偏心质量向 集中）,mc,0,0,综合

16、质量转化为两部分,旋转运动质量,水平运动质量,(3)往复惯性力 I 惯性力=质量+加速度 力的方向：使活塞杆拉为正；压为负。,分解式：,往复惯性力图：,（4）旋转惯性力 Ir 旋转惯性力：Ir=旋转质量向心加速度=mrar 当一定时，旋转惯性力大小一定。惯性力方向沿曲柄半径向外，即始终为拉力作用。由于旋转质量都集中在曲轴上，旋转惯性力只发生在曲轴上。旋转惯性力可以用曲轴配重来平衡。,FI r,mr,2.3.3 摩擦力 摩擦力又分为：往复摩擦力和旋转摩擦力。（1）往复摩擦力 FfS 主要发生在：活塞与气缸、活塞杆与填料函、十字头与滑道等。往复摩擦力所消耗的功率占总往复摩擦功率Nm的（60%70%

17、）往复摩擦功率：当=0180，摩擦力为正值，连杆受拉力。当=180 360，摩擦力为负值，连杆受压力,(2)旋转摩擦力 Ffr 主要发生在：十字头销、连杆瓦、主轴瓦、轴承等。旋转摩擦力所消耗的功率占总摩擦功率 Nm 的40%30%。旋转摩擦力设定位于曲轴连杆瓦处，摩擦力方向与转向相反。旋转摩擦力产生旋转摩擦力矩，Mr=Ffrr,2.3.4 主要构件受力分析（一）综合活塞力 综合活塞力=气体力+往复惯性力+往复摩擦力(N)(书中公式）式中：,（二）.压缩机主要构件受力分析 受力分析原则：.二力杆简化。.力图要封闭。(1)各部件受力,部件受力分析,活塞杆受力 取排气过程最高工作压力时：(N)F P

18、 FP 活塞杆受力为综合力，活塞杆为二力杆。十字头受力 有三个力：活塞杆作用力 Fp、连杆力 FL、十字头侧向力 FN 十字头力图三角形：,十字头,Fp 分解为FL和 FN（连杆力和支反力）,连杆上受力 连杆为二力杆，所受力为：FL,FL,FL,FL,FL,曲轴受力(2)工作力矩（阻力矩）,工作力矩与驱动力矩平衡（理论上）MY=Md(Md驱动力矩）实际中：MY 工作力矩随气体压力变化而变化，即：Md MY 差值：Md-MY=J.J 全部旋转质量的惯性矩，曲轴的角加速度，,由于工作力矩有大有小，使曲轴的转速出现加速和减速现象，加速时 为正；减速时 为负。则：惯性力矩为 J 值。当：Md MY 时

19、，驱动功富裕，J 为正值，曲轴加速。Md MY 时，驱动功不足，J 为负值，曲轴减速。任何机器的曲轴在旋转中一会加速、一会减速，都不能正常工作，必须尽可能的减少这一速度波动。,（3）飞轮的惯性矩计算 解决速度波动的最简单有效的方法是加一个飞轮，原理是：增大惯性矩 J，从而降低角加速度。飞轮具有储存能量和释放能量的功能。飞轮的惯性矩：G 轮缘部分的质量，kg D 轮缘质心直径，m 速度波动产生的最大动能变化量E,m 平均角速度。由G、D来设计计算飞轮尺寸。加飞轮的目的：解决驱动力矩与工作力矩不均衡问题，使压缩机转速均匀，减小电机电流和电压的波动幅度。,（4）侧向力矩（侧覆力矩）在十字头与曲轴上各

20、存在一个侧向力 FN，形成了一个力偶MN。两侧向力 之间距为 b,侧覆力矩周期性变化，机器自身无法平衡，造成机器震动、摇摆，满载荷、立式机更明显。措施：机体、基础加大，提高稳定性。,2.3.5 惯性力平衡 往复式压缩机存在两种惯性力：往复惯性力 I 和旋转惯性力 Ir（一）旋转惯性力的平衡 旋转惯性力：平衡方法：曲柄反方向加平衡重，质量为 m0，旋转半径 r0 平衡时：平衡重的质量：,曲轴配重旋转惯性力的平衡,配重,m0,mr,(二）往复惯性力的平衡 往复惯性力：平衡方法：采用双列气缸或对称布置气缸来平衡部分惯性力。,（1）双列立式压缩机 两缸曲柄错角：=180 2=1+180 当两列气缸的往

21、复质量和旋转质量相同时：,往复惯性力：惯性力平衡为：惯性力平衡为：,同时产生惯性力力矩：惯性力平衡的有：II、Ir、M 惯性力没有平衡的有：I、M、MI r 双列立式压缩机无法达到惯性力完全平衡。,(2)对称平衡型压缩机曲柄错角 180，两缸对称布置，运动方向相反，惯性力方向也相反，两缸同时吸气或同时排气。,对称平衡型压缩机,当两列气缸的往复质量和旋转质量相同时：惯性力全平衡：故称此压缩机为：对称平衡型压缩机。由于两缸间距为 a，将产生惯性力矩，各惯性力矩无法平衡。,惯性力矩：惯性力矩虽无法平衡，但由于力臂 a 较小，则各惯性力矩并不大。,（3）L型压缩机惯性力平衡,两缸曲柄错角 90，各缸质

22、量：,一阶惯性力与旋转惯性力不随 转角变化，并且在一个方向上。两惯性力叠加：利用曲柄配重来平衡，取配重为：同时，惯性力矩 M、M也无法平衡，但由于、a 较小，未平衡的惯性力与惯性力矩影响不大，可以不考虑。L 型压缩机平衡性好，结构紧凑，被广泛应用。,2.4 往复式压缩机排气量调节,气体流量（体积流量、容积流量）：（1）转速调节 利用 n 变化，调节气体流量。特点：较经济，省功，连续性好，范围宽。条件：驱动设备或传动设备速度可调。,（2）管路调节 进气节流：进气管路上加节流阀，使 Vs 降低，从而使 降低。特点：结构简单、安全可靠、经济、可间歇调节。进、排气管连通（旁路调节）进、排气管用一旁路连接，把部分气体排放到进气管。特点：结构简单、操作方便、普遍采用，但不经济 种类：自由连通法：旁通阀全开，在机器启动时应用。节流连通法：旁通阀部分开启。,（3）压开进气阀调节 控制气顶开进气阀，增加气缸向进气管内泄漏，调节排气量。进气阀有气压控制机构。特点：结构简单、操作方便、功耗低，阀片寿命降低。种类：全顶开进气阀调节，机器启动时采用。部分顶开进气阀，减少排气量。（4）补充余隙容积调节 增加余隙容积 V0，使吸气量减少，从而调节排气量。特点：结构简单、操作方便、不消耗功。,本节结束,