淺談壓縮機的選型設(shè)計

淺談壓縮機的選型設(shè)計

基礎(chǔ)特點及要求復(fù)式壓縮機是體積式簡機。這是一種壓縮機械，用于將氣體壓縮到活體內(nèi)，提高氣體壓力，并向氣體中釋放熱量。與其它類型壓縮機相比,往復(fù)活塞式壓縮機具有以下優(yōu)點:1)適用壓力范圍廣,超高壓、高壓、中壓、低壓均可,而尤其以高壓最為優(yōu)越。2)熱效率高,一般大、中型機組絕熱效率可達0.7～0.85左右。3)適應(yīng)性較強,排氣量范圍較廣,在小排氣量下亦能保持較高效率,而且排氣量受排氣壓力波動的影響較小。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,易損件較多,故檢修工作量大,且由于往復(fù)慣性力的限制,轉(zhuǎn)速較低,基礎(chǔ)也較笨重。因此,隨著離心式壓縮機應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟,部分領(lǐng)域內(nèi)的往復(fù)壓縮機已由離心式壓縮機所代替。但在煉油、化工工業(yè)等領(lǐng)域中,往復(fù)式壓縮機以其獨到的優(yōu)勢而仍占據(jù)著不可替代的重要作用。在往復(fù)式壓縮機選型設(shè)計過程中,首先需要根據(jù)工藝條件初步估算壓縮機的一些基本特性參數(shù),以用作向制造廠商詢價的基礎(chǔ)資料。一般來說,由于工況條件及壓縮介質(zhì)的不同,各特性參數(shù)的確定方式及要求亦有所不同。以下將對幾種基本的特性參數(shù)加以論述,并給出估算方法。1機組的軸功率及機械效率壓縮機軸功率是指驅(qū)動機傳遞給壓縮機主軸的功率,它除了提供內(nèi)部功率(指示功率)外,還要用來克服活塞與氣缸、活塞桿與填料函、十字頭與滑道、連桿與十字頭銷及曲柄銷、主軸與軸承等摩擦副的機械摩擦損失,故軸功率為:NZ=Niηm(1)ΝΖ=Νiηm(1)式中:NZ為軸功率,kW;Ni為指示功率,kW;ηm為機械效率,一般情況下,根據(jù)已有機器統(tǒng)計,可按以下取值:1)帶十字頭的大、中型機組:ηm=0.90～0.95;2)小型不帶十字頭壓縮機:ηm=0.85～0.9;3)高壓循環(huán)壓縮機:ηm=0.8～0.85。1.1變指數(shù)mNi的確定直接關(guān)系到氣體壓縮過程。壓縮機的實際壓縮過程是一個既有狀態(tài)變化又有熱量交換的過程,即多變過程,按熱力學(xué)氣體狀態(tài)方程,多變過程方程如下;p·Vm=常數(shù)(2)式中m為多變指數(shù),其值除了與壓縮介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)系外,主要取決于氣體與外界的熱交換及氣體流動過程中的能量損失。多變指數(shù)m不可能用解析法求得,對往復(fù)式壓縮機一般是從實測氣缸示功圖上取得,或者通過驗算壓縮機的操作數(shù)據(jù)而得。這樣的一些作法所得到的m值都只是在平均意義上的近似值。按熱力學(xué)定義,過程功(壓縮功)為W=∫p·dV(3)由式(2),從初態(tài)1到終態(tài)2按積分式(3)得:W=∫21p?dV=∫21p?VmVm?dV=p1?Vm1?11?m(V1?m2?V1?m1)W=∫12p?dV=∫12p?VmVm?dV=p1?V1m?11-m(V21-m-V11-m)又p2p1=(V1V2)mp2p1=(V1V2)m,即V2=V1(p2p1)?1mV2=V1(p2p1)-1m故理想氣體過程壓縮功的計算式為:W=p1?V1m?11?m?[V1?m1?(p2p1)?1?mm?V1?m1]=p1?V1?1m?1?[(p2p1)?m?1m?1](4)W=p1?V1m?11-m?[V11-m?(p2p1)-1-mm-V11-m]=p1?V1?1m-1?[(p2p1)-m-1m-1](4)1.2實際氣體壓縮指示功率ni1.2.1實際氣體狀態(tài)方程由于實際氣體與理想氣體的差異,原簡單的理想氣體狀態(tài)方程已不能正確反映實際氣體的狀態(tài)描述,針對于實際氣體的熱力狀態(tài)方程,主要有二大體系,即范德瓦爾方程和維里方程,但工程上最常用的還是以簡單的系數(shù)來修正理想氣體狀態(tài)方程,而得到實際氣體狀態(tài)方程即:p·V=Z·R·T(5)Z即為壓縮性系數(shù),表征實際氣體偏離理想氣體的程度,Z值可通過相關(guān)氣體特性曲線中查得。1.2.2溫度等熵指數(shù)kt實際氣體等熵過程中溫度與壓力的關(guān)系式為:T=T1(pp1)KT?1KT(6)Τ=Τ1(pp1)ΚΤ-1ΚΤ(6)指數(shù)KT反映實際氣體壓縮后壓力與溫度的關(guān)系,稱為溫度等熵指數(shù)。KT受溫度和壓力的影響相對較小,故常取KT來求得排氣量和指示功率。1.2.3實際氣體指示裝置(1)缸無氣體泄漏如果假設(shè):①排氣終了時氣體全部被活塞排出氣缸;②進、排氣過程中氣體狀態(tài)與進排氣管內(nèi)相同;③氣體壓縮的過程指數(shù)為一定值;④氣缸無氣體泄漏。則理論壓縮循環(huán)示于壓—容圖,見圖1。進氣過程中,氣體對活塞所作的功為:p1V1=面積144′1′1壓縮過程中,活塞對氣體作功為:∫2112p·dV=-面積122′1′1排氣過程中,活塞對氣體所作的功為:-p2V2=-面積234′2′2整個理論壓縮循環(huán)功為三者代數(shù)和L=p1V1+∫2112p·dV-p2V2故有,L=-(12341)=-∫2112Vdp(7)(2)實際氣體壓縮循環(huán)考慮實際氣體壓縮過程中的余隙氣體的存在、氣閥阻力、熱交換及氣體泄漏的影響,其壓縮循環(huán)壓一容圖如圖2所示。圖3為圖2等功簡化圖。從圖2、圖3可見,實際氣體的實際壓縮循環(huán)功為:Li=∫2112V·dp-∫3443V·dp=1Z1(V0+Vh)?ps1KT=1Ζ1(V0+Vh)?ps1ΚΤ·∫2112Z·p?1Z4(V0+ΔV)?ps1KT-1Ζ4(V0+ΔV)?ps1ΚΤdp·∫3443Z′?p?1KTdpΖ′?p-1ΚΤdp近似取Z=Z′=Z1+Z22Ζ=Ζ′=Ζ1+Ζ22,代入上式得:Li=KTKT?1?Vs?Ps?[(pdps)KT?1KT?1]?Z1+Z22Z1(8)Li=ΚΤΚΤ-1?Vs?Ρs?[(pdps)ΚΤ-1ΚΤ-1]?Ζ1+Ζ22Ζ1(8)式中Z1、Z2取名義進出氣狀態(tài)下的壓縮性系數(shù),則指示功率為,Ni=n60?Li(9)Νi=n60?Li(9)式中n為曲軸轉(zhuǎn)速;一般情況下,特別是雙原子氣體,KT可由K值代替,K可按以下取值:1)單原子氣體:K=1.66～1.67;2)雙原子氣體:K=1.40～1.41;3)多原子氣體:K=1.1～1.30。綜合式(1)、(8)和(9)式可得:NZ=n60?ηm?KTKT?1?Vs?Ps?[(pdps)KT?1KT?1]?Z1+Z22Z1(10)ΝΖ=n60?ηm?ΚΤΚΤ-1?Vs?Ρs?[(pdps)ΚΤ-1ΚΤ-1]?Ζ1+Ζ22Ζ1(10)這樣,根據(jù)工藝條件,按上式即可迅速初步得到壓縮機的軸功率NZ。2主缸的排氣量2.1漏系數(shù)、排氣量、壓力系數(shù)由于實際壓縮機存在氣體泄漏,所以排氣量一定少于進氣量,單級壓縮機的排氣量被定義為壓縮機排出的氣體容積流量換算成壓縮機進氣狀態(tài)下的氣體容積流量,以Vd表示,定義泄漏系數(shù):λl=VdVs(11)λl=VdVs(11)參照式(11),排氣量VdVd=Vs?(pdps)1KT(12)Vd=Vs?(pdps)1ΚΤ(12)結(jié)合行程容積Vh,Vd=Vh·λv·λT·λl·λp所以排氣量計算式為,Q=Vh·λv·λT·λl·λp·n(13)式中,n為曲軸轉(zhuǎn)速,r/min;Vh為行程容積,m3;λv為容積系數(shù);λT為溫度系數(shù);λl為泄漏系數(shù);λp為壓力系數(shù)。由上式可看出,排氣量與容積系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù)和壓力系數(shù)、每級的汽缸行程容積及壓縮機轉(zhuǎn)速有關(guān)。2.2不同余隙的分布容積效率習(xí)慣又稱為容積系數(shù)λv,它主要是用于表征氣缸行程容積利用程度的一個系數(shù),定義余隙容積為Vc,由實際氣體的過程方程得,Vc+ΔV=VcZ1Z2(p2p1)1mTVc+ΔV=VcΖ1Ζ2(p2p1)1mΤ令壓縮比ε=pdps?α=VcVhε=pdps?α=VcVh由容積系數(shù)的定義可得,λv=Vh?ΔVVh=1?α(Z1Z2ε1mT?1)(14)λv=Vh-ΔVVh=1-α(Ζ1Ζ2ε1mΤ-1)(14)相對余隙α的大小很大程度上取決于氣閥在氣缸上的布置方式,氣閥的結(jié)構(gòu)形式和壓縮的級次以及同一級次氣缸行程與直徑之比等,一般α值在下列范圍內(nèi):低壓級α=0.07～0.12,中壓級α=0.09～0.12,高壓級α=0.11～0.16。一般情況下,氣閥布置在缸蓋上α值較小,而徑向布置在缸壁上的α值則較大;采用直流閥比使用環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥的α值大,使用組合閥(進、排氣閥組合成一個整體)的α值相對最大,高速壓縮機,α值高達0.15～0.18。壓力比ε當(dāng)α和m一定時,壓力比ε高,則λv減少,使進氣量減少。當(dāng)大到某值時,甚至?xí)霈F(xiàn)進氣量為零的極限,此時壓力比稱為極限壓力εmax。壓力比過大,會使氣缸容積利用率降低,還會使氣溫度過高,所以ε一般遠小于εmax,一般單級最大壓比不超過3～4。膨脹指數(shù)mT的大小除與氣體性質(zhì)有關(guān)外,主要取決于余隙氣體在膨脹過程中與氣缸壁熱交換的情況。當(dāng)氣體損失熱量多時,mT較小,λv較小;高壓級氣缸的熱交換面積遠小于低壓級氣缸,所以氣缸與外界的熱交換遠不如低級壓充分,因而其值接近于K,設(shè)計中一般推薦mT值如表1。2.3氣體壓力的影響氣體經(jīng)過進氣閥需克服氣閥彈簧力、氣閥通道阻力等,故進入氣缸后壓力下降。在同一進氣容積下,氣體壓力愈低,則其中的氣體質(zhì)量愈小,因而對進氣過程來說,進氣時壓力下降,等于損失了進氣量。所以可以認為壓力系數(shù)λp=ps/pd表示由于壓力降低使進氣量減小的程度,按經(jīng)驗,λp=0.95～0.98,多級壓縮機,其級次愈高,λp將愈大,Ⅲ級以后λp→1。2.4氣體吸收量t的測定溫度系數(shù)表示進入氣缸的氣體由于吸熱體積膨脹而使進氣量減少的程度,λT的大小取決于氣體吸熱的多少,吸收量愈多,λT愈小,具體的λT確定可由相關(guān)圖表查取,一般為雙原子氣體λT=0.9～0.95。2.5泄漏系數(shù)的確定對于單級壓縮機來說,產(chǎn)生氣體泄漏的部位主要有3處:填料函泄漏、氣閥泄漏、氣缸內(nèi)活塞泄漏。泄漏系數(shù)λl=11+∑νiλl=11+∑νi式中νi為氣缸中各泄漏點的相對泄漏值,可按有關(guān)圖表查取。綜上所述,如要增加排氣量,則可采取以下措施:a.增加壓縮機轉(zhuǎn)速;b.增大氣缸直徑,提高行程容積;c.減少余隙容積;d.改善氣缸冷卻狀況,或降低進氣溫度。3加熱溫度由式(6)可得,排氣溫度計算公式如下,Td=Ts(pdps)KT?1KT(15)Τd=Τs(pdps)ΚΤ-1ΚΤ(15)4利用假臨界溫度山東石大科技有限公司一甲烷氣加壓用單級往復(fù)活塞式壓縮機,進口壓力為16.8bar(絕),進口溫度為25℃;出口壓力為43bar(絕),出口溫度為90℃。汽缸直徑D為200mm,行程S為320mm,相對余隙α為0.14,壓縮機為雙作用,活塞桿直徑d為70mm,壓縮機轉(zhuǎn)速n為500r/min,已知甲烷氣的假臨界溫度Tc′為210K,假臨界壓力pc′為45.5bar,溫度絕熱指數(shù)KT為1.316,求此壓縮機的容積系數(shù)、排氣量、排氣溫度及軸功率。由已知條件,并查文獻,得Z1為0.96,Z2為0.95,m