活塞式壓縮機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)

動(dòng)設(shè)備原理及操作目錄實(shí)際壓縮工作循環(huán)的示功圖1實(shí)際壓縮工作循環(huán)的特點(diǎn)2實(shí)際壓縮循環(huán)指示功的計(jì)算3活塞壓縮機(jī)的功率和效率計(jì)算4活塞式壓縮機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)活塞式壓縮機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)在分析活塞壓縮機(jī)理論循環(huán)時(shí)，曾作過一系列的假設(shè)，而實(shí)際壓縮循程并不具備理論循環(huán)的特點(diǎn)，所以實(shí)際壓縮示功圖與理論示功圖并不完全相同，所以，很有必要對(duì)實(shí)際壓縮過程予以研究。一、實(shí)際壓縮工作循環(huán)的示功圖見圖3-26所示。實(shí)際工作循環(huán)示功圖1-2-3-4紅線所圍成的多邊形的面積。理論壓縮循環(huán)為示功圖

1'-2'-3'-4'藍(lán)色線所圍成多邊形的面積。圖3-26二、實(shí)際壓縮工作循環(huán)的特點(diǎn)活塞壓縮機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)與理論工作循環(huán)兩者差別很大。究其原因，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。圖3-261.氣缸具有余隙容積和膨脹現(xiàn)象止點(diǎn)位置時(shí)，活塞與氣缸蓋之間的間隙，一般為1.5～4mm，具體由活塞壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)決定。留有此間隙的目的主要是為了避免活塞在運(yùn)動(dòng)過程中與氣缸缸蓋發(fā)生碰撞。氣缸氣閥通道及氣閥內(nèi)部的剩余容積。第一道活塞環(huán)前的氣缸與活塞之間的間隙。填料以前活塞桿與氣缸孔座之間的間隙。2.余隙容積的氣體具有膨脹現(xiàn)象在氣缸開始吸氣前，氣缸余隙中殘留的和泄漏來的高壓氣體首先要進(jìn)行膨脹降壓，所以實(shí)際工作循環(huán)中出現(xiàn)了余氣膨脹過程。余隙容積的存在降低了壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力，在設(shè)計(jì)時(shí)，在保證運(yùn)轉(zhuǎn)可靠的條件下，應(yīng)盡量減小余隙容積的存在。圖3-263.吸氣、排氣通道和氣閥具有阻力氣體流經(jīng)吸氣、排氣管道和氣閥時(shí)，必然產(chǎn)生阻力損失，使吸排氣時(shí)間發(fā)生了變化，從而改變了壓縮機(jī)的參數(shù)。吸入線與排出線呈波浪型，主要是氣流速度隨活塞運(yùn)動(dòng)速度變化，以及閥片的慣性振動(dòng)，使阻力損失不穩(wěn)定產(chǎn)生的。圖3-264.膨脹過程指數(shù)不是常數(shù)在膨脹開始階段，氣缸內(nèi)氣體的溫度高于缸壁溫度，氣體放熱膨脹，膨脹過程指數(shù)m'>k。隨著氣體的膨脹，氣體溫度逐漸降低，當(dāng)氣體溫度低于缸壁溫度，氣體吸熱膨脹，這時(shí)m'<k。圖3-265.壓縮過程指數(shù)不是常數(shù)壓縮開始階段，氣缸內(nèi)氣體的溫度低于缸壁溫度，氣體吸熱壓縮，壓縮過程為m'>k，所以壓縮線在絕熱線之內(nèi)。隨著氣體被壓縮，氣體溫度不斷提高，氣體與氣缸的溫差到某一時(shí)刻時(shí)等于零，此時(shí)氣體為絕熱壓縮m'

=k，所以壓縮線與絕熱線相交。當(dāng)氣體溫度高于氣缸溫度時(shí)，氣體放熱壓縮，m'<k的多變壓縮過程。圖3-26三、實(shí)際壓縮循環(huán)指示功的計(jì)算1.實(shí)際氣體狀態(tài)方程由于實(shí)際氣體并不是理想氣體，實(shí)際氣體壓縮時(shí)，要對(duì)理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行修正。一般工程上引入可壓縮性系數(shù)Z進(jìn)行修正，Z表示實(shí)際氣體偏離理想氣體的程度，可由實(shí)驗(yàn)求得。公式3-17和3-18是引入修正系數(shù)Z修正以后的實(shí)際氣體的狀態(tài)方程.Z=1時(shí)，該氣體可視為理想氣體。Z>1時(shí)，表示該氣體比理想氣體難以壓縮。Z<1時(shí)，說明該氣體比理想氣體容易壓縮。2.實(shí)際氣體循環(huán)指示功的計(jì)算

實(shí)際氣體對(duì)循環(huán)的影響主要是對(duì)循環(huán)功的影響，一般采用公式3-19、3-20、3-21進(jìn)行近似計(jì)算，實(shí)踐證明，誤差很小。①

實(shí)際等溫理論循環(huán)功②

實(shí)際絕熱壓縮循環(huán)功③

實(shí)際多變理論循環(huán)功3.實(shí)際吸氣量余隙容積內(nèi)氣體的膨脹、進(jìn)氣過程中的阻力、由于熱交換的影響、使吸進(jìn)的氣體量減少。所以在實(shí)際循環(huán)中，每一級(jí)的實(shí)際吸氣量總小于氣缸的行程容積，實(shí)際吸氣量VB'可按公式3-22計(jì)算。容積系數(shù)：容積系數(shù)反映了余隙容積內(nèi)氣體膨脹對(duì)實(shí)際吸入量的影響。壓力系數(shù)：反映壓力損失對(duì)吸氣量的影響，一般取經(jīng)驗(yàn)值，λp=0.95～0.98，其余各級(jí)因彈簧力相對(duì)氣體壓力要小得多，故取λp=0.98～1；第三級(jí)以后可取λp=1。溫度系數(shù)：反映了熱交換對(duì)吸入量的影響，一般取經(jīng)驗(yàn)值。λT=0.94～0.98。4．實(shí)際排氣量（1）實(shí)際排氣量Vd'的定義

壓縮機(jī)的排氣量通常是指單位時(shí)間內(nèi)壓縮機(jī)最后一級(jí)排出的氣體體積換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的壓力和溫度時(shí)的氣體容積值。排氣量表征壓縮機(jī)的大小，常用的單位為m3/min。Vd'—壓縮機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)的排氣量，單位，m3/min。λL—泄漏系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取

λL

=0.95～0.98。λ0—排氣系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取

λ0

=0.55～0.85。（2）每轉(zhuǎn)的排氣量Vd'壓縮機(jī)的每一轉(zhuǎn)的實(shí)際排氣量

Vd'總是小于實(shí)際吸氣量?？梢杂霉?-28計(jì)算。

其中，

nf—每秒轉(zhuǎn)數(shù)，單位，Hz；D1—第一級(jí)活塞直徑，單位，m。S—活塞行程，單位，m。（3）轉(zhuǎn)速為nf

時(shí)的實(shí)際排氣量

若壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為

nf，則總的實(shí)際排氣量是在公式3-28的基礎(chǔ)上乘以轉(zhuǎn)速nf，具體見公式3-29所示。四、壓縮機(jī)的功率壓縮機(jī)是一種大量消耗動(dòng)力的機(jī)器，它在一些化工廠中所消耗的電能幾乎占全廠電能消耗的70%，因此，如何提高壓縮機(jī)的效率，降低它的功率消耗就成為生產(chǎn)上的重要問題。

1.理論循環(huán)指示功率

在單位時(shí)間內(nèi)活塞對(duì)氣體所作的功，稱為指示功率。在理論循環(huán)中，單位時(shí)間內(nèi)所作的理論功，稱為理論循環(huán)指示功率。見公式3-30~3-31所示。（1）理論等溫循環(huán)指示功率（2）理論絕熱循環(huán)指示功率2.實(shí)際循環(huán)指示功率壓縮機(jī)的實(shí)際循環(huán)功，稱為指示功，是壓縮機(jī)直接對(duì)氣體作功所消耗的能量，在P-V圖上是實(shí)際工作過程曲線所包圍的面積，以Ni

表示。單位時(shí)間內(nèi)消耗的指示功，稱為指示功率，以Wi

表示。

確定實(shí)際循環(huán)指示功率Ni有兩種方法，一種是實(shí)測(cè)法，一種是解析法。

實(shí)測(cè)法用于已有的機(jī)器，解析法用于機(jī)器的設(shè)計(jì)過程。3.軸功率

軸功率是驅(qū)動(dòng)機(jī)傳給曲軸的實(shí)際功率，用N表示。軸功率除了用來克服壓縮氣體所需要的指示功率以外，還必須克服機(jī)器各運(yùn)動(dòng)部件的摩擦所消耗的摩擦功率，軸功率可通過機(jī)械效率進(jìn)行計(jì)算，見公式3-39。

4.驅(qū)動(dòng)功率

驅(qū)動(dòng)機(jī)的功率Nd是電機(jī)主軸的功率，確定驅(qū)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，要考慮驅(qū)動(dòng)機(jī)到壓縮機(jī)的傳動(dòng)損失，采用傳動(dòng)效率ηc

來表示，驅(qū)動(dòng)機(jī)的功率按公式3-40計(jì)算。

一般情況下，傳動(dòng)效率ηc=0.9~0.95；對(duì)于皮帶傳動(dòng)，ηc=0.85~0.97；對(duì)于齒輪傳動(dòng)，ηc=0.97~0.99；對(duì)于聯(lián)軸器直連壓縮機(jī)，ηc=1。在選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)的功率時(shí)，應(yīng)在計(jì)算所得驅(qū)動(dòng)機(jī)的功率Nd的基礎(chǔ)上，儲(chǔ)備5%～15%的余量，即驅(qū)動(dòng)機(jī)的總功率Ng應(yīng)按公式3-41選取。5.壓縮機(jī)的比功率

壓縮機(jī)的比功率Nr是指在一定排氣壓力時(shí)，單位排氣量所消耗的功率，其值等于壓縮機(jī)的軸功率N與排氣量Vd

之比，見公式3-42。

比功率常用于比較同一類型壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，它很直觀，特別是動(dòng)力用的空氣壓縮機(jī)常采用比功率來作為評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。五、活塞壓縮機(jī)的效率活塞壓縮機(jī)的效率是用來衡量實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)之間差距程度的，即用來衡量壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。根據(jù)衡量標(biāo)準(zhǔn)的不同，可分為等溫效率和絕熱效率兩種。1.等溫指示效率

等溫指示效率是壓縮機(jī)等溫理論循環(huán)指示功率Nis

和同吸氣壓力、同吸氣量下的實(shí)際循環(huán)指示功率Ni之比，用ηis來表示，見公式3-45。等溫指示效率反應(yīng)了實(shí)際循環(huán)中熱交換，吸氣，排氣過程中阻力損失情況，常用來評(píng)價(jià)水冷式壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。2.絕熱指示效率

絕熱指示效率ηad是壓縮機(jī)的絕熱理論循環(huán)功率Nad

與同吸氣壓力、同吸氣量下的實(shí)際循環(huán)指示功率Ni之比，