2 2往復(fù)活塞壓縮機(jī)熱力性能計(jì)算 1理論壓縮循環(huán)吸氣量V1 壓縮功W1 計(jì)算2實(shí)際壓縮循環(huán)實(shí)際吸氣量V1 實(shí)際壓縮功W1 計(jì)算參考書 1 工程熱力學(xué) 2 化工機(jī)器 高慎琴 氣體熱力過程 工程熱力學(xué) 補(bǔ)充內(nèi)容 氣體熱力參數(shù) 壓力 p溫度 T T t 273 K 比體積 內(nèi)能 u氣體質(zhì)量 m焓 h熵 s熱量 q功 W氣體分子量 氣體常數(shù) R R 8314 氣體摩爾質(zhì)量 M M 1000 一 氣體狀態(tài)方程式 任何氣體 p T三者相互關(guān)聯(lián)狀態(tài)方程式 1 熱力學(xué)第一定律 2 理想氣體 理想氣體 不考慮分子所占體積和分子間相互作用力 氣體狀態(tài)方程 N 氣體摩爾數(shù) R0 MR 通用氣體常數(shù) 3 實(shí)際氣體狀態(tài)方程式 Z 壓縮性系數(shù) 與氣體的性質(zhì) 壓力和溫度有關(guān) Z值可以查表 查圖得出 如書中圖1 1 二 理想氣體熱力過程及壓縮功 熱力學(xué)中給出了五種計(jì)算方法 等溫過程 等熵過程 多變過程 等容過程 等壓過程 1 等溫過程在壓縮過程中 氣體溫度不變 T 常數(shù) 狀態(tài)方程式 等溫過程功Wi膨脹過程功 p d 0 1 2 p 2 絕熱過程 等熵過程 氣體與外界無熱量交換 q 0 絕熱過程方程式 p 1 2 0 1 2 0 s T 導(dǎo)出式 絕熱過程功Wi對于理想氣體 可逆的過程絕熱膨脹過程功 wi p 1 2 3 多變過程非等溫 非絕熱下的相對較實(shí)際的壓縮過程 多變過程方程式 多變膨脹過程功 2 2 1理論壓縮循環(huán)理論壓縮的假設(shè) 氣缸內(nèi)氣體全部排出 進(jìn)氣 排氣過程中 壓力溫度都不變 壓縮過程指數(shù)一定 k m值不變 氣缸無泄漏 滿足上面四條的為 理論壓縮循環(huán) 理論壓縮循環(huán)經(jīng)過三個壓縮過程 進(jìn)氣過程 4 1線 吸氣壓力不變p1 最大進(jìn)氣量V1 壓縮過程 1 2線 壓力升高 容積減少 最高壓力p2 排氣過程 2 3線 排氣壓力不變p2 缸內(nèi)氣體排出 V P 4 1 2 P2 3 P1 吸氣 壓縮 排氣為一個循環(huán) 或一個沖程 曲軸旋轉(zhuǎn)一周 活塞一個往復(fù) 完成一個理論壓縮循環(huán) 一 理論進(jìn)氣量氣缸直徑D 沖程長度 活塞行程 SS 2r 曲柄半徑 活塞行程容積 Vh 進(jìn)氣容積 V1一個理論循環(huán)的進(jìn)氣量 V1 Vh Ap SAp 活塞面積 單作用氣缸 雙作用氣缸 S D 單作用級差氣缸 每分鐘理論進(jìn)氣量每分鐘活塞沖程次數(shù)n 沖 分 曲軸的轉(zhuǎn)速n r min 二 理論壓縮循環(huán)功氣體壓縮 體積減少 溫度升高 熱量散發(fā) 致使這個熱力過程的能量計(jì)算較復(fù)雜 熱力學(xué)中壓縮過程五種 等溫過程 等熵過程 多變過程 等容過程 等壓過程理想氣體狀態(tài)方程式 功Wi 式中 R 8314 氣體分子量 氣體比容T 絕對溫度 T t 273 KV 氣體容積m 氣體質(zhì)量 依據(jù)熱力學(xué)第一定律 循環(huán)過程功Wi進(jìn)氣過程功 p1V1Wi排氣過程功 p2V2壓縮過程功 功Wi 循環(huán)過程功Wi壓縮為正功 1 等溫過程在壓縮過程中 氣體溫度不變 T 常數(shù) 狀態(tài)方程式 等溫下 循環(huán)過程功Wi wi 取外力作功為正 2 絕熱過程壓縮過程中 氣體與外界無熱量交換 q 0 絕熱過程方程式 k 絕熱指數(shù) 只隨溫度變化 單原子氣體 k 1 66 1 67雙原子氣體 k 1 40 1 41多原子氣體 k 1 10 1 30理論循環(huán)絕熱壓縮過程功Wi 功Wi 3 多變過程非等溫 非絕熱下的相對較實(shí)際的壓縮過程 多變壓縮過程方程式 理論循環(huán)多變壓縮過程功往復(fù)活塞式壓縮機(jī)常采用水冷和風(fēng)冷 一般 1 n k高壓氣缸級 n k 功Wi 三種壓縮過程比較 等溫壓縮過程用功最少 采用強(qiáng)制冷卻 保持氣缸溫度不變 絕熱壓縮過程用功最多 多變壓縮過程用功在兩者之間 較符合實(shí)際 氣體壓縮機(jī)采用水冷或風(fēng)冷目的減少溫度的變化 2 2 2級的實(shí)際壓縮循環(huán)氣缸內(nèi)實(shí)際壓縮循環(huán)的示功圖 實(shí)測abcd圖面積為實(shí)際壓縮循環(huán)功 主要特點(diǎn) 氣缸內(nèi)有余隙容積V0存在V0內(nèi)的剩余氣體在壓縮時被壓縮 吸氣時它先膨脹 使循環(huán)過程出現(xiàn)一個膨脹過程 膨脹線c d 四個過程為一個循環(huán) 吸氣 壓縮 排氣 膨脹缸內(nèi)余隙有 活塞與氣缸端部間隙 2 3mm 活塞與氣缸環(huán)形間隙 0 5 1mm 進(jìn) 排氣門閥通道 測壓表管道 活塞帽凹槽等 2 進(jìn)氣閥 排氣閥彈簧壓力 閥片振動進(jìn)氣時 氣流需要克服閥片彈簧阻力進(jìn)氣壓力pp2同樣 閥片顫振 出現(xiàn)壓力線波動 p為克服氣門閥片壓緊彈簧所需的壓力 壓縮過程與膨脹過程存在不穩(wěn)定的熱交換 使壓縮曲線與膨脹曲線不是穩(wěn)定的n值 多變指數(shù)n是變化的 壓縮線a b開始段 氣體吸熱n k中間段 不傳熱n k結(jié)束段 氣體放熱nk中間段 不傳熱m k結(jié)束段 氣體吸熱m km n 氣缸內(nèi)存在氣體泄漏 使壓縮線與膨脹線變的平坦 外泄漏 活塞環(huán) 活塞桿填料函 第一級進(jìn)氣閥 內(nèi)泄漏 排氣閥 后面各級進(jìn)氣閥 2 2 3級的進(jìn)氣量與排氣量 一 實(shí)際進(jìn)氣量VSO活塞行程容積 Vh VS余隙容積 Vo余隙膨脹容積 V1按多變膨脹過程分析 若膨脹到4點(diǎn)開始吸氣 n 膨脹指數(shù) 實(shí)際進(jìn)氣容積 v 容積系數(shù) 表征行程容積有效利用率 v對進(jìn)氣量影響最大 和 最關(guān)鍵 考慮1點(diǎn)與a點(diǎn)的差異 比值得 實(shí)際吸氣量 式中 一 實(shí)際循環(huán)功理論指示功為1234圖形面積 理論參數(shù)為實(shí)際指示功為abcd圖形面積 實(shí)際參數(shù) 按等功面積原理 理論吸氣壓力線降低成為平均實(shí)際吸氣壓力線 理論排氣壓力線升高 為平均實(shí)際排氣壓力線 實(shí)際吸入壓力與實(shí)際排出壓力 代入理論參數(shù)值 上式為實(shí)際一個氣缸所作功 多變指數(shù)n 低壓級 n 0 95 0 99 k高壓級 n k 2 2 4壓縮機(jī)實(shí)際循環(huán)功率及效率 功 功率的計(jì)算是任何機(jī)器最重要參數(shù)計(jì)算理論循環(huán)功 前面已講 實(shí)際循環(huán)功 二 功率 1 指示功率單缸單作用氣缸 n 曲軸轉(zhuǎn)速 r min Ni 雙作用氣缸 多級氣缸 N左 N右 2 軸功率壓縮機(jī)輸入軸上的功率為輸入功率 即軸功率 包括 壓縮氣體的指示功率Ni 壓縮機(jī)總機(jī)械摩擦損失功率Nm軸功率 摩擦損失功率Nm不易計(jì)算 一般用機(jī)械效率來解決 m 壓縮機(jī)總的機(jī)械效率 考慮各機(jī)械摩擦損失 常見壓縮機(jī)摩擦點(diǎn) 活塞與氣缸 活塞桿與填料函 十字頭與滑道 連桿與十字頭銷 連桿與曲軸瓦 曲軸與軸瓦等 大 中型壓縮機(jī) m 0 9 0 96小型壓縮機(jī) 無十字頭 m 0 85 0 92高壓循環(huán)壓縮機(jī) m 0 80 0 85 多級壓縮的總軸功率 比功率 單位排氣量所消耗的功率 反映壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性 功率利用率的指標(biāo) Vd 壓縮機(jī)實(shí)際排氣量 比功率越小 壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)性越好 單位功率對氣體作功越多 3 驅(qū)動機(jī)輸出功率Ne驅(qū)動機(jī) 原動機(jī) 電機(jī) 柴油機(jī) 汽輪機(jī) 傳動方式 三角帶 齒輪減速器 彈性聯(lián)軸節(jié) 一般驅(qū)動機(jī)要有 5 15 的功率儲備 富裕量 電機(jī)功率 N 1 05 1 15 NeW此計(jì)算結(jié)果經(jīng)圓正后成為選擇電機(jī)功率的最終結(jié)果 2 2 5排氣壓力與排氣溫度 一 排氣壓力壓縮機(jī)最終排氣壓力的大小由系統(tǒng)和管路的背壓決定 壓縮機(jī)排出壓力 系統(tǒng)壓力 管路阻力壓縮機(jī)銘牌上壓力為額定工況下的壓力 即額定轉(zhuǎn)速 額定流量 設(shè)計(jì)系統(tǒng)壓力及管路阻力下 1 多級壓縮往復(fù)式壓縮機(jī)一般為多級氣缸串聯(lián)組成 逐級增壓 最終使排出壓力達(dá)到某一較高壓力 采用多級壓縮的原因 降低排氣溫度 氣體壓縮后升溫 采用級間冷卻 降低功率消耗 級數(shù)越多 越省功 提高氣缸容積系數(shù) V 降低活塞受力 使各級活塞受力均勻 2 級數(shù)z的選擇原則原則 節(jié)省功率 結(jié)構(gòu)簡單 滿足工藝特殊要求 級數(shù)z選擇見表2 2 級數(shù)的選擇主要取決于每級所允許的排氣溫度 級數(shù)少 壓比大 排氣溫度高 3 壓力比的分配級數(shù)z選定后 各級壓力比分配按等壓比為最省功 總壓力比 二 排氣溫度氣體受壓縮后 體積減少 但溫度升高 溫升與壓力比有關(guān) 排氣溫度計(jì)算 每一級的排氣溫度限制見表2 1 如 空氣壓縮機(jī) T2 160 180 石油氣壓縮機(jī) T2 90 100 主要考慮介質(zhì)的閃點(diǎn)溫度 出現(xiàn) 積碳 氧化爆炸等因素 壓縮機(jī)的溫度控制一般較嚴(yán)格 溫度是檢測壓縮機(jī)正常工作的敏感參數(shù) 很多隱患可以從溫度中得到 排氣溫度問題 機(jī)械溫度問題 三 熱效率氣體在氣缸內(nèi)壓縮也存在一個效率問題 此效率為熱效率 熱效率 用來反映實(shí)際循環(huán)指示功與理論循環(huán)指示功之間的差異 差別越大 效率越低 由熱力過程可分為 等溫?zé)嵝?等溫循環(huán)理論功率 實(shí)際循環(huán)功率 等溫循環(huán)理論功率 實(shí)際循環(huán)功率 壓縮機(jī)一級等溫指示效率 壓縮機(jī)總效率 2 2 6實(shí)際氣體下的各參數(shù)計(jì)算 理想氣體 單分子氣體狀態(tài)方程式 滿足 pv RTPV mRT實(shí)際氣體 指高分子氣體 石油氣 化工氣體 混合氣體等 大多數(shù)工業(yè)氣體皆為高分子氣體 即實(shí)際氣體 1 實(shí)際氣體的狀態(tài)方程式 Z 壓縮性系數(shù) 與氣體的性質(zhì) 壓力和溫度有關(guān)用來表征實(shí)際氣體偏離理想氣體的程度 Z值可以查表 查圖得出 2 實(shí)際氣體的過程方程式 等熵下 3 實(shí)際氣體的容積系數(shù)第一級實(shí)際排氣量 容積流量 體積流量 最后一級排氣量 4 實(shí)際氣體的功 功率 2 3往復(fù)活塞式壓縮機(jī)動力學(xué)計(jì)算 壓縮機(jī)工作時 作用力有三種 1 壓縮氣體的作用力 氣體力 2 運(yùn)動件的慣性力 往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力 3 摩擦力 往復(fù)摩擦力和旋轉(zhuǎn)摩擦力 壓縮氣體力為作功力 是有用力 慣性力和摩擦力是無用力 有害力 2 3 1氣體力氣體力 氣缸內(nèi)氣體受活塞壓縮時所產(chǎn)生的作用力叫氣體力 壓縮氣體力 2 3 1氣體力氣體力 氣缸內(nèi)氣體受活塞壓縮時所產(chǎn)生的作用力 AP 實(shí)際壓縮過程 吸氣過程PS2 壓縮過程Pi3 排氣過程Pd4 膨脹過程Pi pi Pd pi PS 計(jì)算活塞任意位置的氣體力 某瞬時位置 氣缸內(nèi)壓力變化 活塞的位移 氣體力受力圖 以活塞桿皆受壓力 Fg Fg piAp 最高排氣壓力為pd時 2 3 2慣性力計(jì)算往復(fù)慣性力 旋轉(zhuǎn)慣性力 1 活塞往復(fù)運(yùn)動的速度與加速度結(jié)構(gòu)尺寸 曲軸轉(zhuǎn)角 連桿擺角 曲軸轉(zhuǎn)速 曲軸連桿長度比 r L一般 0 25 0 2活塞上死點(diǎn) 0活塞下死點(diǎn) 180 活塞位移 上式整理得 2 47 2 48 2 49 速度方程為正弦曲線 加速度為余弦曲線 v a 2 2 利用活塞面積與速度求瞬時排量 線速度的利用 速度的利用 2 往復(fù)運(yùn)動件的質(zhì)量 活塞 活塞桿 十字頭的總質(zhì)量 mp 連桿 可分解為 直線運(yùn)動質(zhì)量 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量 連桿總質(zhì)量 或 連桿的重量分配 曲軸偏心質(zhì)量 偏心質(zhì)量向集中 mc 0 0 綜合質(zhì)量轉(zhuǎn)化為兩部分 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量 水平運(yùn)動質(zhì)量 3 往復(fù)慣性力I慣性力 質(zhì)量 加速度力的方向 使活塞桿拉為正 壓為負(fù) 分解式 往復(fù)慣性力圖 4 旋轉(zhuǎn)慣性力Ir旋轉(zhuǎn)慣性力 Ir 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 向心加速度 mr ar當(dāng) 一定時 旋轉(zhuǎn)慣性力大小一定 慣性力方向沿曲柄半徑向外 即始終為拉力作用 由于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量都集中在曲軸上 旋轉(zhuǎn)慣性力只發(fā)生在曲軸上 旋轉(zhuǎn)慣性力可以用曲軸配重來平衡 FIr mr 2 3 3摩擦力摩擦力又分為 往復(fù)摩擦力和旋轉(zhuǎn)摩擦力 1 往復(fù)摩擦力FfS主要發(fā)生在 活塞與氣缸 活塞桿與填料函 十字頭與滑道等 往復(fù)摩擦力所消耗的功率占總往復(fù)摩擦功率Nm的 60 70 往復(fù)摩擦功率 當(dāng) 0 180 摩擦力為正值 連桿受拉力 當(dāng) 180 360 摩擦力為負(fù)值 連桿受壓力 2 旋轉(zhuǎn)摩擦力Ffr主要發(fā)生在 十字頭銷 連桿瓦 主軸瓦 軸承等 旋轉(zhuǎn)摩擦力所消耗的功率占總摩擦功率Nm的40 30 旋轉(zhuǎn)摩擦力設(shè)定位于曲軸連桿瓦處 摩擦力方向與轉(zhuǎn)向相反 旋轉(zhuǎn)摩擦力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)摩擦力矩 Mr Ffr r 2 3 4主要構(gòu)件受力分析 一 綜合活塞力綜合活塞力 氣體力 往復(fù)慣性力 往復(fù)摩擦力 N 書中公式 式中 二 壓縮機(jī)主要構(gòu)件受力分析受力分析原則 二力桿簡化 力圖要封閉 1 各部件受力 部件受力分析 活塞桿受力取排氣過程最高工作壓力時 N FPFP活塞桿受力為綜合力 活塞桿為二力桿 十字頭受力有三個力 活塞桿作用力Fp 連桿力FL 十字頭側(cè)向力FN十字頭力圖三角形 十字頭 Fp分解為FL和FN 連桿力和支反力 連桿上受力連桿為二力桿 所受力為 FL FL FL FL FL 曲軸受力 2 工作力矩 阻力矩 工作力矩與驅(qū)動力矩平衡 理論上 MY Md Md 驅(qū)動力矩 實(shí)際中 MY工作力矩隨氣體壓力變化而變化 即 Md MY差值 Md MY J J 全部旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性矩 曲軸的角加速度 由于工作力矩有大有小 使曲軸的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)加速和減速現(xiàn)象 加速時 為正 減速時 為負(fù) 則 慣性力矩為 J 值 當(dāng) Md MY時 驅(qū)動功富裕 J 為正值 曲軸加速 Md MY時 驅(qū)動功不足 J 為負(fù)值 曲軸減速 任何機(jī)器的曲軸在旋轉(zhuǎn)中一會加速 一會減速 都不能正常工作 必須盡可能的減少這一速度波動 3 飛輪的慣性矩計(jì)算解決速度波動的最簡單有效的方法是加一個飛輪 原理是 增大慣性矩J 從而降低角加速度 飛輪具有儲存能量和釋放能量的功能 飛輪的慣性矩 G 輪緣部分的質(zhì)量 kgD 輪緣質(zhì)心直徑 m速度波動產(chǎn)生的最大動能變化量 E m 平均角速度 由G D來設(shè)計(jì)計(jì)算飛輪尺寸 加飛輪的目的 解決驅(qū)動力矩與工作力矩不均衡問題 使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速均勻 減小電機(jī)電流和電壓的波動幅度 4 側(cè)向力矩 側(cè)覆力矩 在十字頭與曲軸上各存在一個側(cè)向力FN 形成了一個力偶MN 兩側(cè)向力之間距為b 側(cè)覆力矩周期性變化 機(jī)器自身無法平衡 造成機(jī)器震動 搖擺 滿載荷 立式機(jī)更明顯 措施 機(jī)體 基礎(chǔ)加大 提高穩(wěn)定性 2 3 5慣性力平衡往復(fù)式壓縮機(jī)存在兩種慣性力 往復(fù)慣性力I和旋轉(zhuǎn)慣性力Ir 一 旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡旋轉(zhuǎn)慣性力 平衡方法 曲柄反方向加平衡重 質(zhì)量為m0 旋轉(zhuǎn)半徑r0平衡時 平衡重的質(zhì)量 曲軸配重 旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡 配重 m0 mr 二 往復(fù)慣性力的平衡往復(fù)慣性力 平衡方法 采用雙列氣缸或?qū)ΨQ布置氣缸來平衡部分慣性力 1 雙列立式壓縮機(jī)兩缸曲柄錯角 180 2 1 180 當(dāng)兩列氣缸的往復(fù)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量相同時 往復(fù)慣性力 慣性力平衡為 慣性力平衡為 同時產(chǎn)生慣性力力矩 慣性力平衡的有 II Ir M 慣性力沒有平衡的有 I M MIr雙列立式壓縮機(jī)無法達(dá)到慣性力完全平衡 2 對稱平衡型壓縮機(jī)曲柄錯角180 兩缸對稱布置 運(yùn)動方向相反 慣性力方向也相反 兩缸同時吸氣或同時排氣 對稱平衡型壓縮機(jī) 當(dāng)兩列氣缸的往復(fù)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量相同時 慣性力全平衡 故稱此壓縮機(jī)為 對稱平衡型壓縮機(jī) 由于兩缸間距為a 將產(chǎn)生慣性力矩 各慣性力矩?zé)o法平衡 慣性力矩 慣性力矩雖無法平衡 但由于力臂a較小 則各慣性力矩并不大 3 L型壓縮機(jī)慣性力平衡 兩缸曲柄錯角90 各缸質(zhì)量 一階慣性力與旋轉(zhuǎn)慣性力不隨轉(zhuǎn)角 變化 并且在一個方向上 兩慣性力疊加 利用曲柄配重來平衡 取配重為 同時 慣性力矩M M 也無法平衡 但由于 a較小 未平衡的慣性力與慣性力矩影響不大 可以不考慮 L型壓縮機(jī)平衡性好 結(jié)構(gòu)緊湊 被廣泛應(yīng)用 2 4往復(fù)式壓縮機(jī)排氣量調(diào)節(jié) 氣體流量 體積流量 容積流量 1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)利用n變化 調(diào)節(jié)氣體流量 特點(diǎn) 較經(jīng)濟(jì) 省功 連續(xù)性好 范圍寬 條件 驅(qū)動設(shè)備或傳動設(shè)備速度可調(diào) 2 管路調(diào)節(jié) 進(jìn)氣節(jié)流 進(jìn)氣管路上加節(jié)流閥 使Vs降低 從而使降低 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 安全可靠 經(jīng)濟(jì) 可間歇調(diào)節(jié) 進(jìn) 排氣管連通 旁路調(diào)節(jié) 進(jìn) 排氣管用一旁路連接 把部分氣體排放到進(jìn)氣管 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 操作方便 普遍采用 但不經(jīng)濟(jì)種類 自由連通法 旁通閥全開 在機(jī)器啟動時應(yīng)用 節(jié)流連通法 旁通閥部分開啟 3 壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)控制氣頂開進(jìn)氣閥 增加氣缸向進(jìn)氣管內(nèi)泄漏 調(diào)節(jié)排氣量 進(jìn)氣閥有氣壓控制機(jī)構(gòu) 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 操作方便 功耗低 閥片壽命降低 種類 全頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié) 機(jī)器啟動時采用 部分頂開進(jìn)氣閥 減少排氣量 4 補(bǔ)充余隙容積調(diào)節(jié)增加余隙容積V0 使吸氣量減少 從而調(diào)節(jié)排氣量 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 操作方便 不消耗功 本節(jié)結(jié)束