往复活塞压缩机热力性能计算.ppt

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 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 活塞行程 SS 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 Ap SAp 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 KV 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 p1V1Wi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 1 n k高压气缸级 n k 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c d 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 2 3mm 活塞与气缸环形间隙 0 5 1mm 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a b开始段 气体吸热n k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m km n 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 95 0 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 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 9 0 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 5 15 的功率储备 富裕量 电机功率 N 1 05 1 15 NeW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 160 180 石油气压缩机 T2 90 100 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 RTPV 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PS2 压缩过程Pi3 排气过程Pd4 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 25 0 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 mr ar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 FIr 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 往复摩擦功率 当 0 180 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 Ffr r 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 FPFP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 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 kgD 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 MIr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