压缩机热力学计算解读

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：P s =0.1Mpa排气压力：P d =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。

z i t εε=（2-1） 式中： i ε—任意级的压力比； t ε—总压力比；z —级数。

总压力比：t ε= 0.8/0.1=8 各级压力比：83.28==εi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：Z =εεt i)75.0~9.0( （2-2）则各级压力比：ε2=2.12~2.55=2.5 ε1=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 p 1（MPa ）名义排气压力 p 2（Mpa ） 名义压力比ε Ⅰ 0.1 0.32 3.2 Ⅱ0.320.82.52.1.2 初步确定各级排气温度各级排气温度按下式计算：1n nd s iT T ε-= （2-3）式中：T d —级的排气温度，K ； T s —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：n k =对于微、小型空气压缩机：(0.9~0.98)n k =空气绝热指数k =1.4，则(0.9~0.98)(1.26~1.372)n k ==，取n =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T s1=210C+273=294（K ） 一级的排气温度T d1==X =-2.323.0113.111294εT s 382(K)二级的吸气温度T s2=400C+273=313（K ）二级的排气温度：=X =-5.223.0113.122313εT s 471(K)=386(K)表2-2 各级排气温度级数 名义吸气温度T 1压缩过程指数n nn 1-'）（ε名义排气温度T 2 ℃ K ℃ K Ⅰ 21 294 1.30 1.31 130 382 Ⅱ 403131.301.3131.233862.2 确定各级的进、排气系数2.2.1 计算容积系数v λ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。

)1(11--=mv εαλ （2-4）式中： v λ—容积系数； α —相对余隙容积；ε — 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m 值()()110.5110.51.41 1.2m k =+-=+-= ()()210.62110.621.41 1.25m k =+-=+-=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α值。

采用环状气阀时，一般α值在下列范围内选取：低压级12.0~07.0=α，中压级14.0~09.0=α，高压级16.0~11.0=α。

采用舌簧阀的微小型压缩机，04.0~03.0=α。

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：=1α0.035，=2α0.04。

由此，各级v λ计算如下943.0)1(035.01)1(12.32.1111111=-X -=--=εαλm v957.0)1(04.01)1(15.225.1121222=-X -=--=εαλm v2.2.2、 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p λ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p λ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98.0~95.0=p λ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0.1~98.0=p λ范围内选取。

故在本设计当中，选取：10.96p λ=，20.98p λ=。

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T λ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T λ，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T λ.温度系数T λ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98.0~92.0=T λ。

如果气缸冷却良好，进气过程中加入气体的热量少，则T λ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，T λ取较低值。

查图时应注意以下几点： （1）压力比大者，T λ取小值。

（2）冷却效果好时，T λ取大值，水冷却比风冷却的T λ大。

（3）高转速比低转速的压缩机，T λ大。

（4）气阀阻力小时，T λ取大值。

（5）大、中型压缩机T λ取大值，微、小型压缩机T λ取小值。

图2-1 系数λT 与压力比ε的关系 查表得：10.95~0.975T λ=，981.0~946.02=T λ。

综合考虑：10.96T λ=，95.02=T λ2.2.4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，98.0~90.0=l λ；无油润滑压缩机，95.0~85.0=l λ。

选取：=1l λ0.95，=2l λ0.922.2.5、确定各级排气系数d λ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d λ表示：d v p T l λλλλλ= （2-5）式中 v λ—容积系数p λ—压力系数 T λ—温度系数l λ—泄漏系数表2-4 各级排气系数级数Ⅰ Ⅱ v λ0.943 0.957 p λ0.96 0.98 T λ0.96 0.95 l λ0.95 0.92 l p v d λλλλλ···T =0.8260.8202.3确定各级气缸的行程容积2.3.1 凝析系数μφi 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ϕ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，75.0=ϕ 有、无水析出的判别式bi b p pp p s si<1··11ϕ 则无水析出，1=φμ （2-6）bi b p pp p s si>1··11ϕ 则有水析出，1<φμ （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1111s sibi si b s i p p p p p p ⨯--=φμφ （2-8） 式中：bi b p p ,1—分别为一级和i 级在进口温度下的饱和蒸汽压, MPa ； si s p p ,1—分别为一级和i 级的名义吸气压力，MPa ； i φφ,1 —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：02534.01=b p 公斤/ 厘米2 07520.02=b p 公斤/ 厘米2 已得：1.01=s p MPa ，32.02=s p MPa 。

第一级从大气中吸气，无析水问题，故11=ϕμ 第二级析水系数为：206082.01.032.002534.075.0b p <=XX 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：12=κμ。

2.3.2 抽气系数oi μ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oi u ，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1o <i μ，无抽气1=oi μ。

本设计中间无抽、加气，故121==o o u u 。

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11d dh V V λ=（2-9）式中： d V —压缩机的排气量，m 3/min ； 1d λ —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d s s s s d h V T T p p V ⨯⨯⨯=122122o 22·λμμϕ （2-10）式中：21,s s p p —分别为一级和二级的名义吸气压力，MPa ；21,s s T T —分别为一级和二级的名义进气温度, K ；2d λ —压缩机第二级的排气系数； 2ϕu —压缩机第二级的凝析系数； 2o μ—压缩机第二级的抽气系数。

按给定排气量范围，取0.6d V =m 3/min 。