第四章 压缩机的主要热力性能参数

第四章 压缩机的主要热力性能参数
压缩机研究所郭蓓 2011年2月
主要讲述内容
容积流量 容积流量调节 排气压力 排气温度 功率与效率
4.1 容积流量
概念
单位时间内，压缩机最后一级排出的气体量， 换算到第一级进口压力、温度下的容积。单位 （m3/min） 排出的气体：Pd、Vd、Td，换算到第一级进口 状态：
1. 随余隙容积的增大，容 积比能略有增加。 2. 膨胀过程热交换削弱， 更趋近于绝热过程
经济性较好 通过改变余隙容积大 小，分级或连续调节。
部分行程连通余隙容 积调节 通过改变连通补助容 积的行程长短，可用 大小固定的补助容积 达到连续或分级调节 的目的。 余隙调节多为大中型 压缩机采用。
( )
析水系数λφ—该级前所有冷却器中因水份析 出而引起的该级吸气量的相对减少。 净化系数λc—该级前由于气体净化（或加入） 引起该级进气量的相对减少。 泄漏系数λl—补偿该级及以后各级中因气体 泄漏导致吸进气量的相对减少。
4.1.2 泄漏系数
动密封：气阀、活塞环、填函 静密封：法兰、阀门、调节装置等 外泄漏：直接漏入大气或第一级进气管中； 内泄漏：由高压级漏入低压级或级间管道中，在以后的循环中 又自低压级送入高压级。 *外泄漏直接影响排气量 *内泄漏影响功率及级间压力的分配。若影响第一级的排气压 力，则间接影响排气量。 泄漏系数的作用？
无水份析出， λϕ = 1 有水份析出，计算析水系数
析水系数
道尔顿分压定律
P=P （干气体） + P′（水蒸气） f
Pf V = V f P
p1 − ϕ1 p s1 q f = qv p1
}⇒
干气体所占容积Qf与排气量Q0的关系（不考虑泄漏）：
p1 qv = q f p1 − ϕ 1 p s1 若第一级没有水份析出，则第二级吸进的湿气体 p2 换算到原始状态的容积为： q = q 2 f p2 − ϕ 2 ps 2
典型示例
六级压缩机的各级泄漏系数 外泄漏，前面各级气缸都需要补偿，一直补 偿到第一级。 内泄漏，一直补偿到受到影响的那一级气缸。
典型示例
各级泄漏系数 泄漏位置 Ⅰ 气阀 Ⅰ级(外) Ⅱ级(内) Ⅲ级(内) Ⅳ级(内) Ⅴ级(内) Ⅵ级(内) 活塞环 Ⅰ级(外) Ⅱ级(内) Ⅲ级与平衡容积之间(内) Ⅳ级与平衡容积之间(内) Ⅵ级与Ⅴ级之间(内) Ⅵ级与平衡容积之间(内) 填函 Ⅰ级(外) Ⅱ级(外) Ⅲ级(外) Ⅴ～Ⅵ列平衡容积(外) 总的相对泄漏量 0.5ν1 νp2 νp3 νp3 ΣⅠν 0.5νp2 νp3 νp3 ΣⅡν 0.5νp3 νp3 ΣⅢν ΣⅣν ΣⅤν ΣⅥν νh6 νh1 νh2 νh3 νh4 0.5νh3 νh4 0.5νh4 0.5νh5 νh6 0.5νh5 0.5νh6 νν1 νν2 νν3 νν4 νν5 νν6 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
分析：
1. 第一级气缸膨胀、进气、压缩、排气过程 中有气体漏入，分别属于内泄漏还是外泄 漏？ 2. 对多级压缩，考虑到泄漏，如何保证一定 的容积流量及级间压力？
为了确保额定容积流量，第一级进气量需要 补偿，以弥补各级所有外泄漏；为了确保各 级级间压力，第一级之后的各级气缸进气量 需要补偿，以弥补该级及该级之后外泄漏， 以及该级及与该级有关内泄漏。
4.1.1容积流量和行程容积的关系
第一级的进气量Vs， qv = λl1nVs1
包括所有级的泄漏
一转中的进气量与气缸行程容积的关系 Vs1 = λv1λ p1λT 1Vh1 容积流量与气缸行程容积的关系
q v = λv1λ p1λT 1λl1Vh1 n m 3 / min
(
)
排气系数
泄漏对排气量及压比的影响 压缩机实际的相对泄漏量与设计值不同时，会 引起排气量和级间压力的变化。 外泄漏
泄漏处以后各级的级间压力变化，累积至最后 一级，导致末级压比上升，排气温度升高。
内泄漏
被漏入级的进气压力上升，前一级的排气压力 上升，排气温度升高。
4.1.3 析水系数
气体中水蒸气的含量—湿度
一、转速调节 变频、ON/OFF 容积流量及轴功率几乎与转速成比例变化。 当压缩机停转时，容积流量与轴功率都为零。 指示图的形状无明显变化，气体力不变。 各种调节方法中经济性最好，但对电机的要 求较高。
二、进气节流调节
进气节流，使进气阻力增 加，进气压力下降，进气量 减少。由于进气加热的加 剧，使进气量进一步减小。 存在某压比使得理论循环指 示功最大。但容积比能（比 功率）总是增加的。 受到排气温度的限制及经济 性较差的缘故，一般只应用 在调节幅度较小的情况。
通过进排气阀的泄漏
泄漏的压力差都是本级的进排气压力 泄漏只影响本级 第一级的泄漏为外泄漏，其余各级为内泄漏。
通过活塞环的泄漏
单作用：
外泄漏，类似填函的泄漏。
双作用：
只影响本级 第一级的泄漏为外泄漏，其余为内泄漏。
通过活塞环的泄漏
级差式： 与第一级进气压力形成泄漏压力差为外泄漏， 影响到第一级；当与任意一级级间压力形成泄 漏压力差，产生的泄漏为内泄漏，影响范围为 相应压力差对应的级的范围。 漏出级和漏入级的相对泄漏量都算一半，中间 各级为全部。 平衡容积为j级进气压力，漏出，影响到j－1 级；漏入，影响到j级。
析水系数
λϕj 表示该级前所有冷却器中因水份析出而 引起的该级进气量的减少。
4.1.4 净化系数
一般出现在化工工艺流程中，需要对气体压 缩至一定压力后，净化去除某些成分（或添 加某些成分）
λc
Q ∑ = 1− Q0
c
抽气，λc取“＋”，充气，取“－”。
4.1.5 供气量 化工工艺流程中，常常将所需气量用标准状 态表示（1.03*105Pa，0 ℃） 压缩机的供气量——压缩机在单位时间内排 出的容积用标准状态表示。 注意：供气量不含水蒸气，为干气。
水份析出的条件 含水蒸气的气体经压缩后，水蒸气分压力上 升。经中间冷却器后温度降低，气体中的水 蒸气趋于饱和。当水蒸气分压大于第二级进 气温度的饱和水蒸气压力时，析出水份。
第一级后水蒸气凝结条件 第二级后水蒸气凝结条件
ϕ1Ps1ε1 > Ps 2 ϕ1Ps1ε1ε 2 > Ps 3
判断有无水份析出
析水系数
考虑第二级水蒸气含量的相对改变
λϕ 2
p1 − ϕ1 p s1 p 2 q2 = = qv p 2 − ϕ 2 p s 2 p1
注意：j－1级有水分析出的情况下， ϕ j = 1 P 1 − ϕ1 P s1 P 2 λϕ 2 =
P2 − Ps 2 P 1
对任意一级
λϕ j
P1 − ϕ 1 Ps 1 P j = P j − Psj P1
q N = qv
( p1 − ϕ1 p s1 )T0
p0T1
(m
3
/ min
)
4.2 容积流量的调节
用户的耗气量<压缩机的容积流量时，需对容积流 量进行调节。（分级调节、间断调节） 容积流量调节的理论基础：
q v = λ v λ p λT λ l V h n
转速调节 管路调节 气阀调节 余隙调节
析水量的计算：
qϕ = mω ps1 / (ρ s1 p1 )
mw ——析出水的质量
ρ s1 ——T1状态下，饱和水蒸气的密度
P 1 ——进口状态压力 Ps1 ——T1状态下，饱和水蒸气的压力
压缩机铭牌上的容积流量是一个大气压， 20℃时的容积流量。 前面定义的容积流量应根据用户给定的第一 级的进口压力、温度的圆整、余隙容积的调整会引起 级间压力的变化。
Vhj αj Pj＋1 λvj （供>求） Pj＋1
压力损失、相对泄漏量、进气温度改变会引起级间 压力改变。
δ0j J级泄漏 Tj+1
λpj λlj
P
j+1
P
j＋1
P
j+1
思考：
对两级压缩，当用户的用气量减少时，会引 起级间压力的何种变化？
三、切断进气调节
排气量降到零，功率消耗为额定功率的2～3％。 经济性很好。 多应用在中小型压缩机中；对不允许与空气混合的 气体，不宜采用此种方法。
四、进排气连通 进排气自由连通 进排气压力相等，压缩机空运行，容积流量 等于零，只需克服流动阻力损失，经济性较 高。 进排气节流旁通 容积流量可在100％～0％的范围内分级或 连续调节。指示图不变，气量变少，相当于 泄漏，经济性差。
λd = λv1λ p1λT 1λl1
排气系数
囊括了影响排气量的各个因素，直接反映压 缩机气缸的有效利用程度。
微型压缩机的排气系数较低，0.5~0.7 多级压缩机的压比较低，0.7~0.8
多级压缩中，任意一级气缸行程容积与排气量 的关系
λϕj λ cj 1 3 p1 T j Z j Vhj = q v m p j T1 Z 1 λvj λ pj λTj λlj n
Z1Pd T1 V1 = Vd Zd P 1Td
单位： m3
qv = qv,d
p d T1 Z 1 + qϕ + q c p1 Td Z d
(m
3
/ min
)
中途分离掉的水份或气体或添加的气体，也 需要换算为进口状态的容积后计入排气量。 qϕ ——析水量（ m3/min） 进口 qc ——抽（充）气量（ m3/min） 状态
Q0
Pj =
Z jP 1T j Z1PjT1
λϕj λcj = λvj λPj λTj λljVhj n
Pj +1
Vhj +1 λvj +1 λ pj +1 λTj +1 λlj +1 λϕj λcj T j Z j Vhj λvj λ pj λTj λlj λϕj +1 λcj +1 T j +1 Z j +1