往复式压缩机基本构成和工作原理.docx
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往复式压缩机基本构成和工作原理
往复式压缩机基本构成和工作原理
基本构成和工作原理
一、总体结构和组成
(1)工作腔部分:
气缸、活塞、活塞杆、活塞环、气阀、密封
填料等;
(2)传动部分:
曲柄、连杆、十字头;
(3)机身部分:
机身、中体、中间接头、十字头滑道等;
(4)辅助部分:
润滑冷却系统、气量调节装置、安全阀、滤清
器、缓冲器等。
二、机构学原理和构成
(1)活塞压缩机的机构学原理如图2-2所示。
(2)控制气体进出工作腔的气阀如图2-3所示。
三、汽缸基本形式和工作腔
(1)单作用汽缸
对压缩机的汽缸而言,缸内仅在活塞一侧构成工作腔并进行
压缩循环的结构称为单作用汽缸。
(2)双作用汽缸
在活塞两侧构成两个工作腔并进行相同级次压缩循环的结构
称为双作用汽缸。
(3)级差式汽缸
通过活塞与汽缸结构的搭配,构成两个或两个以上工作腔,
并在各个工作腔内完成两个或两个以上级次的压缩循环的结构,
称为级差式汽缸。
(4)平衡腔
有些多工作腔汽缸,其中的一个腔室仅与某个工作腔进气相
通,而不用于气体压缩,起力平衡作用,称为平衡腔。
(5)工作腔
容积式压缩机中,直接用来处理气体的容积可变的封闭腔室
称为工作腔,一个压缩机可能有一个工作腔,也可能有多个工作
腔,同时或轮流工作,执行压缩任务。
(6)工作容积
工作腔内实际用来处理气体的那部分体积称为工作容积。
(7)余隙容积
工作腔在排气接触以后,其中仍然残存一部分高压气体,这
部分空间称为余隙容积,余隙容积一般有害。
四、压缩机结构形式
(1)列
压缩机中,把一个连杆对应的一组汽缸及相应的动静部件称
为一列。
一列可能对应一个汽缸,也可能对应串在一起的多个汽缸。
(2)分类:
立式、卧式、角度式。
(3)立式压缩机的汽缸中心线与地面垂直。
(4)卧式压缩机的汽缸中心线与地面平行。
(5)角度式压缩机如图,包括L型、V型、W型、扇形、星型等。
§2.1.2 压缩机的工作过程压缩机的工作过程
一、级的理论循环
压缩机的循环:
活塞往复运动一次,在气缸中进行的吸气、压缩、排气等过程的总和。
其中吸、排气是一般气体的流动过程,压缩过程为热力过程。
气体经过一个工作循环也称为一级。
(1)理论循环的基本假设(理论循环的特点)
①工作腔内无余隙容积,缸内气体全部排出;
②气体通过进、排气阀无压力损失、压力波动、热交换,保
持恒定出;
③压缩过程和排气过程气体无泄漏;
④气体为理想气体,压缩过程指数为定值,即n=const;
⑤压缩过程为等温或绝热过程,Δq =0。
(2)级的理论循环的过程
内止点:
活塞运动到达主轴侧的极限位置。
外止点:
活塞运动到达远离主轴侧的极限位置。
行程:
活塞从一个止点到另一个止点的距离称为“行程”。
图2-2中,4-1-2-3-4表示压缩机的一个理论工作循环。
(3)级的理论循环功
①说明:
理论循环进气量V1:
理论循环中所进的气体量,为活塞
面积与其一个行程的乘积。
V1=Ap×s
式中:
Ap—活塞面积,m2;s—活塞行程,m。
习惯上称该容积为行程容积,以Vs 表示,Vs=V1。
②理论循环指示功
指示功:
吸气、压缩、排气过程功之和。
在压力指示图(P-V)
上反映为循环所包围的面积,表示完成该循环所需要
的外功。
正负规定:
气体对活塞做功,其值为正,活塞对气体做功,其
值为负(与工程热力学中的规定相反)。
进气过程功:
排气过程功:
压缩过程(活塞对气体做功):
总的过程指示功:
(式2-2,由P-V图得):
③理想气体的三种循环指示功
等温过程:
绝热过程:
多变过程:
④三种过程功耗比较
结论:
三种循环中,等温过程最省功。
图(a)表示随着多变指数m的增长,压缩过程曲线愈加远
离等温曲线,压缩机耗功越多。
图(b)阴影部分表示了不同过程指数时压缩过程中传出或传
入热量的多少。
⑤压缩过程中,容积、温度与压力的关系
设初始状态为:
P1、V1、T1,压缩终了,P2、V2、T2,过程指
数为n。
则:
对于理想气体绝热过程:
对于实际气体:
Z1,Z2——实际气体相应于1、2状态的压缩性系数。
二、级的实际循环
(1)实际循环的特点(与理论循环的差别):
①汽缸存在余隙容积;
②进、排排气通道及气阀有阻力损失;
③气体与汽缸各接触面间存在温差,过程指数不恒定;
④汽缸容积不可能绝对密封,存在泄漏;
⑤阀室容积不是无限大,与工作腔相连的部分容积产生压力
脉动;
⑥实际气体与理想气体存在差别;
理想气体:
实际气体:
⑦特殊条件下使用的压缩机:
进气或排气系统为固定密封容
积的场合,进气过程中压力回明显下降,排气过程中压力
会明显升高。
(2)实际循环的吸气量
式中:
ηV——容积效率;
λV——容积系数;
λp——压力系数;
λT——温度系数;
λS——进气系数。
各系数的物理意义:
①容积系数λV:
由于气缸存在余隙容积,使气缸工作容积的部
分被膨胀气体占据。
对实际气体,考虑压缩性有:
余隙的组成:
气缸端面与活塞端面间隙,气缸至进、排气阀之
间通道容积以及活塞与第一道活塞环间的容积。
影响:
a行程容积一定时,压力比和膨胀指数相同的情况下,
相对余隙越大,容积系数越小;
b相对余隙和膨胀指数一定的情况下,排气压力越高,
容积系数越小,当压力比或者余隙容积达到一定数
值时,压缩机的进气量可以为零。
c其他条件相同时,膨胀指数减小过程曲线变得平坦,
气体占据的汽缸容积更大,容积系数越小。
②压力系数λp:
由于进气阻力和阀腔中的压力脉动,使吸气点a
的压力低于名义进气压力。
由此将气缸工作容
积内压力为Pa的吸气量折合到名义进气压力
P1时,则减少ΔV2,可近似认为:
③温度系数λT:
它的大小取决于进气过程中加给气体的热量。
热量来源:
一是进气过程中的传热,二是进气过程中压力损失
消耗的功转化为热量加给气体。
(3)级的循环指示功
式中:
δS,δ0—进气相对压力损失和总的相对压力损失;
m—压缩过程指数。
一般低压力级取m=(0.95-0.99)k,中、高压级m=k,若
气缸外部冷却良好,可取得比绝热指数小,若气缸进行喷液
冷却或以氟里昂为压缩介质,m=1.1~1.2。
三、多级压缩
(1)多级压缩的理由
定义:
多级压缩是将气体的压缩过程分在若干级中进行,并在每级压缩之后将气体导入中间冷却器进行冷却。
①节省压缩气体的指示功,提高经济性。
a、等温过程最省功;
b、实际压缩都偏离等温过程,压力比越大偏离越严重;
c、多级压缩省功在p—V图上的表示;
d、多级压缩中的回冷完善度及其对耗功影响。
②降低排气温度
排气温度的限制:
润滑油氧化、积炭、气体燃爆。
③提高容积系数
采用多级压缩使各级压力比降低,容积系数增高,尤其是
第一级的容积系数提高,对减小整机尺寸有显著效果。
④降低活塞上的气体力
a、运动机构上受力减少,重量减轻;
b、振动减小;
c、机械效率提高。
例:
如图,两台机器的转速、行程、原始温度都相同,气体从
1bar压缩到9bar,一台用单级压缩,一台为两级压缩,通过计算可
知,采用两级压缩比单级压缩减小活塞力约40%。
(2)级数的选择
①单级的最佳压力比
级的等温指示效率:
级的理论等温循环指示功与实际循环指
示功之比,即:
实际多级压缩机的单级压缩比多在3左右。
一定压力损失下,过程指数越小,级的最佳压力比越高。
级存在一个使等温指示效率最高的最佳压力比。
②多级压缩机的最佳级数
目的:
从省功角度出发,应使整个机器的等温指示效率最高。
③级的选择其他原则
a、大型连续运转机器,以省功为原则;
b、微小型机器以低成本、低价格为原则,同时根据每一级的
排气温度要求为原则,在允许范围内,级数应尽量少,减
轻重量;
c、对温度有特殊要求的气体压缩机,以排气温度的要求为原
则;
d、从运转可靠角度,级数太多、太少都不合适。
常见压缩机的级数与压力的关系统计如下,可作为参考。
压缩机的级数与压力的关系
终压(表压)/MPa
0.3-1
0.6-6
1.4-1.5
3.6-40
15-100
80-150
级数
1
2
3
4
5-6
7
(3)压力比ε的分配
①对于理想气体,各级回冷完全时,按等压力比分配总压力比,
等温指示效率最高,即各级压力比为:
②压缩机设计时,压力比的分配不能只考虑省功这一原则,还要
考虑其他一些因素,如下。
a、为提高压缩机的总体容积效率,一般第一级的压力比选
得小一些,比其他级低约5%-10%;
b、如果第一级的进气温度很低,有时为了控制整个压缩机
的排温,还故意把一级压力比取得比其他级高5%-10%;
c、压缩机的排气压力变化时,末级压力比受影响较大,如
果排气背压提高,末级压力比和排温首先提高,所以有
时为了控制末级排温,最后一级的压力比也取得比其他
级低5%-10%。
d、对气体充瓶用压缩机,当气瓶压力一旦达到设定值便停
止工作,所以设计时末级压力比可比其他级高10-20%。
e、有时考虑活塞力平衡的需要,某些级次的压力比可作适
当调整。
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