热力计算实例

压缩机的热力计算是指压缩机的热力参数、主要参数以及主要尺寸的计算。

热力参数指气体的压缩终了温度、多级压缩的各级中间压力、功率和效率。

主要参数指排气量、转速、活塞平均速度。

主要尺寸是指气缸直径和活塞行程。

所谓正常性热力计算是指已知压缩机吸进气体的参数、排气量、排气压力及其它一些条件，求取各级的气体参数、压缩机的功率和效率、转速、活塞平均速度以及各级气缸的直径。

这是新设计压缩机时必须进行的计算。

正常性热力计算步骤如下：
1．结构型式与方案选择。

首先需计算总压力比，确定级数，然后根据排气量，级数、压缩机的用途及用户的要求决定设计方案并选择合理的结构型式； 2．确定各级压力比分配，初步估算排气温度；
3．计算与排气量有关的各系数(进气系数、泄漏系数、析水系数、净化系数)； 4．计算各级气缸行程容积、缸径。

当没有提供进口状态下的排气量时，必须先现换算到进口状态下的排气量后才能计算形成容积；
5．计算缸径圆整后的压力重分配及相对余隙容积变化； 6．计算实际的压力及压缩终了气体的温度； 7．计算各列最大的活塞力、功率及效率； 8．确定驱动机功率、选择驱动机。

一．微型空气压缩机热力计算
（一）设计的原始数据
排气量 min /6.03
0m Q =
进气压力 a s P p 5
101⨯=（绝对压力） 进气温度 C t s 0
20=
排气压力 a d P p 5
108⨯=（绝对压力）
（二）热力计算 V －0.6/7型压缩机 1．结构型式及方案选择
因为是动力用微型空气压缩机，故可采用单级压缩；又考虑到微型压缩机的排气量系列化要求（0.3min /3
m ,0.6min /3
m ,0.9min /3
m ）,可以考虑采用以排气量为0.3min /3
m 的气缸为基准，双缸单作用风冷V 型就可满足设计要求。

图为方案示意图。

考虑采用异步电动机直接驱动，电机的转速取 min /1450r n =。

2．名义压力比
81/8===s
d p p ε
3．名义排气温度
依据式（ ） n
n s d T T 1-=ε
考虑到微型压缩机的热交换条件和单作用高压比条件下的泄漏情况，取压缩过程指数28.1=n ，然后计算其排气温度 C T T n
n s d 028
.1128.114628
)20273(=⨯+==--ε
C t d 0
180273462=-=
4．计算与排气量有关的各种参数 (1)进气系数
依据式（ ） t p v s λλλλ= 容积系数v λ，由式（ ）
)1(11--=m
v εαλ
取α＝0.04，m 按表 选取得m=1.2,由此
)18
(04.012
.11--=v λ＝0.7923
取压力系数 p λ＝0.97 取温度系数 t λ＝0.85
由此计算进气系数 s λ＝0.7923×0.97×0.85=0.653 （2）泄漏系数l λ
5．计算气缸形成容积 由式（ ） 30
0006775
.01450
1935.085.097.07923.06.01m n Q V l t P V h =⨯⨯⨯==
λλλλ
6．求取气缸直径
取活塞行程 s=55mm, 活塞的平均速度 s m sn v m /66.2301450055.030=⨯==
由式( )可以计算出气缸的直径 m sz V D h 0886.02
055.014.30006775
.044=⨯⨯⨯==
π
将气缸直径圆整为 mm D 90'
=
7. 复算圆整后的气缸行程容积 322
''
0006994.02055.009.04
14
.34
m sz D V h =⨯⨯⨯=
=
π
8. 复算气缸圆整后的排气量
min /62
.01450935.0653.00006994.03'
'0m n V Q l s h =⨯⨯⨯==λλ
9. 考虑到压力损失后实际的排气压力及压缩终了温度
由图 查得相对压力损失分别为 045.0=s δ和065.0=d δ 实际的进气压力
Pa p p s s s 5
5'10
955.0)045.01(10)1(⨯=-⨯=-=δ
实际的排气压力
Pa p p d d d 5
5'10
52.8)065.01(108)1(⨯=+⨯⨯=+=δ
实际的压力比
92.810
955.01052.85
5
'''
=⨯⨯==s d p p ε 压缩终了的温度 k T T n
n s d
47392
.829328
.1128.11''=⨯==--ε
C t d 0
'
200
=
10. 计算最大活塞力
向轴行程 N D p p F s s
g 2809.010)955.01(414
.3)(4252''0=⨯⨯-=
-=
π
向盖行程 N D p p F d g 478409.010)52.81(4
14.3)(4252
''00-=⨯⨯-=-=π
式中 0p 为曲轴箱内的背压,取大气压力,通常按Pa 5
101⨯计算
11. 计算指示功率
按式( ),指示功率为
]1)[(1
601
''--=-n
n h s v i n n V p n N ελ=
=kw 59.3]1)92.8[(1
28.128
.10006994.010955.07923.060145028
.1128.15=--⨯⨯⨯⨯⨯-
12. 所需要的轴功率 取机械效率 86.0=m η kw N N m
i
Z 17.486
.059
.3==
=
η
13. 电动机功率
取电动机的储备功率为轴功率的10% KW N N Z e 59.417.41.11.1=⨯==
14．比功率
min)/(73.662
.017.43
'
0⋅==m KW Q N Z 二．动力用空气压缩机的热力计算 （一）设计的原始数据
排气量 min /103
0m Q =
进气压力 a s P p 5
101⨯=（绝对压力） 进气温度 C t s 0
30=
排气压力 a d P p 5
108⨯=（绝对压力）
压缩机转速 m in /980r n = 相对湿度 8.0=ϕ
（二）热力计算
1．结构型式及方案选择
因为是动力用空气压缩机，考虑到压缩机的排气量要求，选择使用L 型结构，级数选择根据 或者习惯取两级。

图 为方案示意图。

2．压力比分配 总压力比
91/9===s
d p p ε
按照等压力比分配的原则，各级压力比 321===εεε 各级的名义压力
a s P p 51101⨯= a d P p 5
1103⨯= a s P p 52103⨯= a d P p 5
2109⨯=
3．各级的气体温度
由所给定的条件知，第一级的进气温度为C t s 0
30=，中间冷却器冷却后
的气体温度应考虑到回冷不完善，特别在夏季时有较大的回冷不完善程度，
所以取第二级的进气温度为C t s 0
40=。

假定各级均为绝热压缩过程，空气的绝热指数取4.1=k ，其各级的气体
温度列表如下：
4.各级的排气系数
依据式（ ） l t p v d λλλλλ= 容积系数v λ，由式（ ） )1(11--=m
v εαλ
取各级的相对容积分别为
1α＝0.11，2α＝0.12 m 按表 选取得m 1=1.2,m 2=1.25, 由此
)13(11.012
.111--=v λ＝0.835
)13
(12.0125
.112--=v λ=0.831
压力系数p λ、温度系数t λ和泄漏系数l λ
一般的压缩机设计中，为了简化计算，可以不再分别计算各系数，而取它们的乘积。

例如这类的压缩机，t l p λλλ＝0.85～0.95 本机选取：111t l p λλλ＝0.91 222t l p λλλ=0.93 析水系数ϕλ
查水蒸汽饱和压力表
当t s =30 ℃ p s 1=0.04325×a P 5
10 T s 2=40 ℃ p s 2=0.07520×a P 5
10
按式 21s s p p >εϕ
25
5110104.0104325.08.0s a a s p p p p >⨯=⨯⨯=εϕ
表示有水分析出，其析水系数 99.0307520
.0304325
.08.012211=⨯-⨯-=--=
εϕλϕs s p p p p
由此计算进气系数 s λ＝0.7923×0.97×0.85=0.653 5．各级气缸工作容积h V
各级的分工作容积
min /5.1391
.0835.010
31
1111m Q
V l t p v h =⨯=
=
λλλλ
min
/43.4303
313
3193.0831.099.01031
2212
2222m T T p p Q V s s l t p v h =⨯⨯=
⨯=λλλλλϕ
6.各级气缸主要的尺寸
由所给定的条件，并取活塞的行程,s=120mm,则活塞的平均速度为 s m sn c m /92.330
980
12.030=⨯== 可以计算出有效的活塞面积 m
hi
i c V F 30=
活塞杆的截面面积f 222000707.0030.04
4
m d f =⨯=
=π
π
7. 气缸圆整后的各级气缸工作容积 '30i m h F c V =
第一级 min /4.131139.092.330303'1m F c V i m h =⨯⨯== 第二级 min /65.40395.092.330303'2m F c V i m h =⨯⨯==
8．复算余隙容积值
为保证所要求的排气量，在气缸尺寸取整后，当各级的压力比保持不 变时来求取正确的余隙容积值 '
i α 气缸取整后的容积系数 ''hi
i vi
i V
V λλ=
新的相对余隙值 1
11''--=m
i
i
ελα
相对余隙容积值如下表所示
但是为了保证压缩机不低于额定的排气量,以及在最热天可能发生的回冷不完善,各级的相对余隙容积值还取下列数值''1α=0.11和'
'2α=0.125 9．复算排气量
取泄漏系数为93.01=l λ
m in /3.114.1393.091.03
'11111'0m V Q h l p t v =⨯⨯==λλλλ 10. 各列最大的活塞力
各级压力损失系数和实际的进、排气压力 选取1s δ＝0.05 1d δ=0.08 2s δ=0.035 2d δ=0.06 各级的实际进、排气压力
11'1)1(s s s p p δ-==(1-0.05)×1×510=0.95×5
10 Pa 11'1)1(d d d p p δ+==(1+0.08)×3×510=3.24×5
10 Pa 22'2)1(s s s p p
δ-==(1-0.035)×3×510=2.895×5
10 Pa 22'2)1(d d d p p δ+==(1+0.06)×9×510=9.54×5
10 Pa
各列的最大活塞力(规定连杆上产生拉伸应力为正,压缩应力为负)
11.各级的实际压力比与排气温度
各级的实际压力比 '''si
di
i
p p =ε
第一级压力比 41.395.024
.3'
1==
ε 第二级压力比 29.3895
.254.9'
2==ε
压缩终了的温度 n
n i si di
T T 1'
'-=ε
第一级排气温度 C K T d 04.114.113.1573.43041
.3303==⨯=- 第二级排气温度 C K T d 04
.114.1216744029
.3313==⨯=-
各级的压力系数pi λ取 98.01=p λ 0.12=p λ 12．功率计算
计算各级的指示功率 i N
]1)[(1
601
''
--=-n
n hi si vi i n n V p n N ελ
第一级的指示功率
KW N 8.25]1)41.3[(1
4.14
.19804.1310950.0827.0609804
.11
4.151=--⨯⨯⨯⨯=-
KW N 5.25]1)29.3[(1
4.14
.198065.410895.279.0609804
.11
4.152=--⨯⨯⨯⨯⨯=-
13.所需轴功率
取机械效率 9.0=m η KW N N m
i
Z 579
.05
.258.25=+=
=
η
14. 电动机功率
所选用的电动机储备功率为轴功率10％ KW N N Z e 7.62571.11.1=⨯== 15. 比功率 min)/(04.53
.11573
'
0⋅==m KW Q N Z。