压缩机热力学计算.docx

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压缩机热力学计算

2热力学计算

2.1初步确定各级排气压力和排气温度

2.1.1初步确定各级压力

本课题所设计的压缩机为单级压缩

则：

吸气压力：

Ps=0.1Mpa

排气压力：

Pd=0.8Mpa

多级压缩过程中，常取各级压力比相等，这样各级消耗的功相等，而压缩机的总耗功也最小。

各级压力比按下式确定。

（2-1）

式中：

—任意级的压力比；

—总压力比；

—级数。

总压力比：

=0.8/0.1=8

各级压力比：

压缩机可能要在超过规定的排气压力值下工作，或者所用的调解方式（如余隙容积调节和部分行程调节）要引起末级压力比上升而造成末级气缸温度过高，末级压力比值取得较低，可按下式选取：

（2-2）

则各级压力比：

=2.12~2.55=2.5

=3.2

各级名义进、排气压力及压力比已经调整后列表如下

表2-1各级名义进、排气压力及压力比

级数

名义进气压力

p1（MPa）

名义排气压力

p2（Mpa）

名义压力比

ε

Ⅰ

0.1

0.32

3.2

Ⅱ

0.32

0.8

2.5

2.1.2初步确定各级排气温度

各级排气温度按下式计算：

（2-3）

式中：

Td—级的排气温度，K；

Ts—级的吸气温度，K；

n—压缩过程指数。

在实际压缩机中，压缩过程指数可按以下经验数据选取。

对于大、中型压缩机：

对于微、小型空气压缩机：

空气绝热指数

=1.4，则

，取

=1.30

各级名义排气温度计算结果列表如下。

一级的吸气温度Ts1=210C+273=294（K）

一级的排气温度Td1=

382（K）

二级的吸气温度Ts2=400C+273=313（K）

二级的排气温度：

471（K）=386（K）

表2-2各级排气温度

级数

名义吸气温度T1

压缩过程指数n

名义排气温度T2

℃

K

℃

K

Ⅰ

21

294

1.30

1.31

130

382

Ⅱ

40

313

1.30

1.313

1.23

386

2.2确定各级的进、排气系数

2.2.1计算容积系数

容积系数是由于气缸存在余隙容积，使气缸工作容积的部分容积被膨胀气体占据，而对气缸容积利用率产生的影响。

（2-4）

式中：

—容积系数；

—相对余隙容积；

—压力比。

各级膨胀过程指数m按下表计算。

表2-3不同压力下的

值

确定相对余隙容积α

根据统计，压缩机的相对余隙容积值多在以下范围内：

压力≤20公斤／厘米2：

α=0.07～0.12

压力﹥20～321公斤／厘米2：

α=0.12～0.16

微型压缩机的相对余隙容积：

排气量在0.2米2／分以下：

α=0.088～0.10

排气量在0.3米2／分以上：

α=0.035～0.05

则：

取相对余隙容积α=0.035～0.05

根据不同的气阀结构，选用各级的相对余隙容积

值。

采用环状气阀时，一般

值在下列范围内选取：

低压级

，中压级

，高压级

。

采用舌簧阀的微小型压缩机，

。

根据本设计的技术要求，选用舌簧阀结构，由上述经验选取各级相对余隙容积：

0.035，

0.04。

由此，各级

计算如下

2.2.2、确定压力系数

由于进气阻力和阀腔中的压力脉动，使吸气终了时气缸内的压力低于名义进气压力，从而产生的对气缸利用率的影响。

影响压力系数

的主要因素一个是吸气阀处于关闭状态时的弹簧力，另一个是进气管道中的压力波动。

在多级压缩机中，级数愈高，压缩系数

应愈大。

对于进气压力等于或接近大气压力的第一级，进气阻力影响相对较大，可在

范围内选取，第二级进气阻力相对于气体压力要小的多，可在

范围内选取。

故在本设计当中，选取：

，

。

2.2.3、确定温度系数

压缩机的吸入气体，其温度总是高于吸气管中的气体温度（由于缸壁对气体加热），折算到公称吸气压力和公称吸气温度时的气体吸气容积将比吸入时的容积小，因而使气缸行程容积的吸气能力再次降低。

用来表示在吸气过程中，因气体加热而对气缸吸气能力影响的系数称为温度系数，用

表示。

影响气缸内气体在吸气终了时温度的主要因素是：

在吸气过程同气体接触的气缸和活塞的壁面传给气体热量的大小；膨胀终了时余隙容积中残余气体温度的高低；气体在吸气过程中阻力损失的大小（这部分阻力损失转化为热量使气体温度上升）。

显然，在吸气过程，气体吸收的热量越多，温度便越高，温度系数就越小。

要全面地考虑这些因素对温度系数的影响，精确地求得

，是比较困难的；计算时可根据压力比的大小从图选择适当的

.

温度系数

的大小取决于进气过程中加给气体的热量，其值与气体冷却及该级的压力比有关，一般

。

如果气缸冷却良好，进气过程中加入气体的热量少，则

取较高值；而压力比高，即气缸内的各处平均温度高，传热温差大，造成实际气缸容积利用率低，

取较低值。

查图时应注意以下几点：

（1）压力比大者，

取小值。

（2）冷却效果好时，

取大值，水冷却比风冷却的

大。

（3）高转速比低转速的压缩机，

大。

（4）气阀阻力小时，

取大值。

（5）大、中型压缩机

取大值，微、小型压缩机

取小值。

图2-1系数λT与压力比ε的关系

查表得：

，

。

综合考虑：

，

2.2.4确定泄漏系数（气密系数）

泄漏系数表示气阀、活塞环、填料以及管道、附属设备等因密封不严而产生的气体泄漏对气缸容积利用率的影响。

泄漏系数的取值于气缸的排列方式、气缸与活塞杆的直径、曲轴转速、气体压力的高低以及气体的性质有关。

对于一般有油润滑压缩机，

；无油润滑压缩机，

。

选取：

0.95，

0.92

2.2.5、确定各级排气系数

按下式计算：

余隙容积的影响、吸气阀的弹簧力和管线上的压力波动、吸气时气体与气缸壁之间的热交换、气体泄漏等因素，使气缸行程容积的有效值减少。

在气缸行程容积相同的情况小，上述四因素的影响愈大、则排气量愈小。

设计计算中，考虑上述因素对排气量的影响而引用的系数称排气系数，以

表示：

（2-5）

式中

—容积系数

—压力系数

—温度系数

—泄漏系数

表2-4各级排气系数

级数

Ⅰ

Ⅱ

0.943

0.957

0.96

0.98

0.96

0.95

0.95

0.92

0.826

0.820

2.3确定各级气缸的行程容积

2.3.1凝析系数

的确定（干气63页）

当压缩机进口含有水蒸气（或其它蒸汽），气体经过压缩，蒸汽的分压将会提高，当压缩机的蒸汽分压超过冷却器气体出口温度下的饱和蒸汽压时，气体中的蒸汽将冷凝而析出水分。

水分的析出会影响第一级以后各级的吸气量。

计算时，如不考虑水分的析出，将会使得实际压力同计算结果不相同。

气体中的蒸汽含量可用相对湿度

表示：

进口气体的相对湿度以重庆市的空气相对湿度为准，以成都、昆明、贵阳的空气平均相对湿度为参照，

有、无水析出的判别式

则无水析出，

（2-6）

则有水析出，

（2-7）

若本级前有水析出，则本级吸入的为饱和气体，凝析系数可按下式计算

（2-8）

式中：

—分别为一级和i级在进口温度下的饱和蒸汽压,MPa；

—分别为一级和i级的名义吸气压力，MPa；

—分别为一级和i级进口气体的相对湿度。

查文献<<活塞式压缩机设计>>表2-7得：

公斤/厘米2

公斤/厘米2

已得：

MPa，

MPa。

第一级从大气中吸气，无析水问题，故

第二级析水系数为：

二级进气水蒸气分压小于二级进气温度下的水蒸气饱和蒸汽压，故二级无水

析出故：

。

2.3.2抽气系数

的确定

在化工中流程中，经常遇到从级间抽气或加气的情况，例如在合成氨生产中，要在不同压力下清楚有害气体，使得压缩机各段的重量流量不相等。

在确定各级的气缸行程容积时，要考虑到它的影响。

为此，引进抽气系数

，他表示某级的吸入容积（不考虑泄漏、析水且换算到一级吸气状态）与Ⅰ级吸入容积的比值。

有抽气

，无抽气

。

本设计中间无抽、加气，故

。

2.3.3、压缩机行程容积的确定

压缩机第Ⅰ级的气缸行程容积按下式计算

（2-9）

式中：

—压缩机的排气量，m3/min；

—压缩机第一级的排气系数。

多级压缩机其余各级的气缸行程容积按下式计算

（2-10）

式中：

—分别为一级和二级的名义吸气压力，MPa；

—分别为一级和二级的名义进气温度,K；

—压缩机第二级的排气系数；

—压缩机第二级的凝析系数；

—压缩机第二级的抽气系数。

按给定排气量范围，取

m3/min。

则

压缩机第一级的行程容积：

m3/min

压缩机第二级的行程容积：

m3/min

2.3.4、确定气缸直径

计算出各级气缸的行程容积后，可按一下各式计算气缸直径。

对于单作用气缸

（2-11）

对于双作用气缸

（2-12）

式中：

—i级气缸的行程容积,m3/min；

s—活塞行程，m；

n—压缩机转速，r/min；

z—同级气缸数；

d—活塞杆直径，m。

本设计采用单作用气缸，连杆直接与活塞相连，无十字头和活塞杆。

故气缸直径为

一级气缸：

二级气缸：

参考《活塞式压缩机设计》表2-8气缸的公称直径圆整后：

D1=70mmD2=55mm

2.4、修正各级名义压力和温度

在各级气缸直径计算出后，要按国家标准进行圆整。

圆整后，各级的压力和温度会发生变化，需要进行修正。

2.4.1确定圆整后各级的实际行程容积

圆整后的行程容积用下式计算。

（2-13）

m3/min

m3/min

2.4.2、计算各级压力修正系数

及

（2-14）

（2-15）

式中：

、

—同级吸、排气的修正系数。

因此，修正系数为：

3.4.2修正后各级名义压力及压力比

（2-16）

（2-17）

式中：

、

————圆整前的i级名义吸、排气压力；

、

————圆整后的i级名义吸、排气压力

105Pa

105Pa

表2-5修正后各级名义压力及压力比

级次

Ⅰ

Ⅱ

计算行程容积

，m3

0.726

0.244

实际行程容积

，m3

0.754

0.233

修正系数

βk

βk+1

1

1.086

1.086

名义进气压力

0.1

0.32

0.345

名义排气压力

0.32

0.345

0.8

修正后的名义压力比

3.45

2.32

2.4.5、修正后各级排气温度

表2-6修正后各级排气温度

级数

进气温度

，K

压力比

压缩过程

指数n

排气温度

，K

Ⅰ

294

3.45

1.3

1.331

391

Ⅱ

313

2.32

1.3

1.215

380

2.5、计算活塞力

2.5.1、计算气缸进排气过程的平均压力

由文献《活塞式压缩机设计》图2-15查得:

、

、

、

表2-7气缸内进、排气过程的平均压力

级数

修正后名义压力（MPa）

相对压力损失（%）

1-δs

1