空壓機(jī)非正常運行狀態(tài)研究與分析

姜文雍 黃增陽 許中琛

摘 要：通過對活塞式空壓機(jī)的異常情況進(jìn)行理論分析，明確了空壓機(jī)異常情況主要表現(xiàn)為壓力和溫度的變化，為空壓機(jī)非正常狀態(tài)測試裝置的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：容積系數(shù)；溫度系數(shù)；壓力系數(shù)；過程方程

中圖分類號：TD443 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.008

基金項目：衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點資助基金項目（QZYZ1702）

作者簡介：姜文雍（1982-），男，浙江衢州人，碩士，主要從事機(jī)械制造與自動化方面的科研和教學(xué)工作。

0 引言

空氣壓縮機(jī)簡稱空壓機(jī)，是一種將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的裝置。空壓機(jī)在現(xiàn)實的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，在化工、造船 、石化、石油天然氣、鋼鐵、食品醫(yī)藥、電力和冶金等行業(yè)有著十分重要的應(yīng)用[1]。空壓機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作過程繁瑣，物理結(jié)構(gòu)上除了機(jī)械、電氣外，還包括了氣體、冷卻水等回路系統(tǒng)，工作時由于內(nèi)部氣體流動的復(fù)雜性，在運行過程中極易產(chǎn)生不容易發(fā)現(xiàn)的異常情況，主要有容積流量、各級進(jìn)排氣壓力和溫度等參數(shù)的異常[2]。如果這些異常情況不能夠及時得到解決，那么空壓機(jī)將無法正常工作，隨著運行時間的增加，有時還會造成嚴(yán)重的安全事故。所以如何及時發(fā)現(xiàn)異常情況是當(dāng)前工作的重點，本文主要針對空壓機(jī)運行時的非正常狀態(tài)進(jìn)行研究和分析，從而為空壓機(jī)非正常狀態(tài)測試裝置的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 容積流量的異常

容積流量是空壓機(jī)的一項重要性能指標(biāo)，它的變化會影響到排氣溫度等熱力參數(shù)的變化。同時影響容積流量的因素又很多，這使得空壓機(jī)在運行時的異常情況更加復(fù)雜。為了確定這些異常情況，本文以活塞式空壓機(jī)（單級壓縮）為例，對異常情況進(jìn)行了相應(yīng)的理論研究與分析。

空壓機(jī)容積流量Q0（m3/min）的理論計算公式

Q0=Vh·λv·λT·λP·λL·N0（1）

式中 Vh—行程容積；

λv—容積系數(shù)；

λT—溫度系數(shù)；

λP—壓力系數(shù)；

λL—泄露系數(shù)，它考慮到了空壓機(jī)所有的泄露；

N0—空壓機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（r/min）。

等式（1）的右側(cè)任何一個參數(shù)發(fā)生變化都會影響空壓機(jī)的容積流量。對活塞式空壓機(jī)而言，Vh通常是不會發(fā)生改變的，而其他因素在空壓機(jī)運行過程中均能發(fā)生改變，從而影響容積流量。

1.1 容積系數(shù)

通過對活塞式空壓機(jī)吸排氣過程中壓力變化的分析和研究，繪制了實際循環(huán)壓力指示圖，見下圖。

容積系數(shù)為理論進(jìn)氣體積V′α與行程容積Vh之比。根據(jù)氣體過程方程和氣體狀態(tài)方程對活塞式壓縮機(jī)的膨脹和壓縮過程進(jìn)行分析，我們得到容積系數(shù)λv的理論計算公式

λv=1-α·[ε1/m-1]（2）

式中 α—相對余隙容積，α=VS/Vh；

ε—壓力比，ε=P2/P1；

m—膨脹指數(shù)。

由式（1）和（2）可知：行程容積不變時，壓力比和膨脹指數(shù)相同的情況下，若相對余隙容積增大，則容積系數(shù)減小，容量流量也減小，反之增大；相對余隙容積和膨脹指數(shù)一定時，若壓力比增大，則相應(yīng)余隙容積內(nèi)的氣體膨脹至吸氣閥開啟時所占據(jù)的氣缸體積增大，容積系數(shù)減小，容量流量減小，當(dāng)壓力比大到一定程度之后，膨脹氣體會占據(jù)整個氣缸，空壓機(jī)吸氣量等于零，容積流量亦等于零。

1.2 壓力系數(shù)

利用過程方程對活塞式空壓機(jī)由點v到點1的多方壓縮過程進(jìn)行分析，可以推導(dǎo)出壓力系數(shù)的計算公式。

過程方程

p·v n = c （3）

壓力系數(shù)計算式

λp =1-[（1+α）/n·λv]·（△Pv/P1） （4）

當(dāng)相對余隙容積α=5%～10%，多方指數(shù)n=1.5，容積系數(shù)λv=0.8～0.9時，得到壓力系數(shù)λp的近似計算公式：

λp=1-△Pv/P1= Pv/P1 （5）

式中 Pv—吸氣終了壓力；

P1—大氣壓力。

對式（5）和上圖進(jìn)行分析可知：壓力系數(shù)的大小主要受到進(jìn)氣閥關(guān)閉狀態(tài)的彈簧力和進(jìn)氣管道中壓力波動影響。進(jìn)氣閥彈簧越硬，克服彈簧力開啟閥片所需要的壓差就越大，λp越小；吸氣終了時，當(dāng)氣流處于波峰時，會對氣缸內(nèi)氣體起到增壓作用，甚至造成Pv高于P1的情況；反之，如果氣流處于波谷，則吸氣結(jié)束時，氣缸內(nèi)氣體壓力比正常狀態(tài)還要低。

1.3 溫度系數(shù)

進(jìn)氣過程中氣體吸收熱量的多少決定了溫度系數(shù)的大小，熱量的來源有兩個：一是氣體進(jìn)入氣缸過程中，不斷地吸收來自通道、缸壁和活塞的熱量，這部分熱量受氣體和壁面的溫差、活塞的平均速度和氣體的密度的影響，而壁面的溫度取決于壓力比的大小和氣缸的冷卻情況；二是吸氣過程中，由于壓力損失所消耗的功也轉(zhuǎn)化為熱量而被氣體吸收。

2 排氣壓力的異常

排氣壓力和容積流量兩者之間相互影響，不可分離。當(dāng)容積流量在額定排氣壓力下不能夠滿足用戶對于排氣量的要求時，排氣壓力減小，所以，排氣壓力降低只是現(xiàn)象，其實質(zhì)是排氣量不能滿足要求。兩種情況會發(fā)生排氣量不足：一種是空壓機(jī)自身產(chǎn)生故障，使排氣量減小；另一種情況是空壓機(jī)沒有故障，而是用戶對于排氣要求的增加，導(dǎo)致排氣壓力的降低。

3 排氣溫度異常

對活塞式空壓機(jī)的吸排氣過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，可知空壓機(jī)的吸氣溫度和排氣溫度之間存在著關(guān)系式（6），式（6）給出了影響排氣溫度的因素。

Td=Tsεk/（k-1）（6）

式中 Ts—吸氣溫度；

Td—排氣溫度；

ε—壓力比；

k—壓縮指數(shù)。

空壓機(jī)在工作壓力下（表壓）運行過程中，會向周圍空氣環(huán)境中不斷釋放熱量，對空壓機(jī)吸氣口處的空氣進(jìn)行預(yù)熱，使吸氣溫度Ts增加，因此排氣溫度也增加。同時，由于周圍空氣環(huán)境的改變，吸氣壓力也在發(fā)生變化，吸氣壓力增加，壓力比減小，排氣溫度減小；吸氣壓力減小，壓力比增加，排氣溫度增大。

上述排氣溫度的變化情況并非異常，而是空壓機(jī)運行過程中的正常狀態(tài)，在對空壓機(jī)的非正常情況進(jìn)行分析時，要能夠準(zhǔn)確的分辨出異常情況與正常情況。當(dāng)空壓機(jī)排氣閥泄漏時，能夠使熱的氣體回竄，進(jìn)入氣缸，回竄氣體不僅在吸氣過程中加熱氣體而且壓縮過程的開始階段也能夠?qū)怏w繼續(xù)加熱，從而使排氣溫度升高。

4 結(jié)論

通過對活塞式空壓機(jī)異常情況的理論分析和研究，我們知道活塞式空壓機(jī)溫度和壓力的變化是空壓機(jī)發(fā)生異常時最主要的表現(xiàn)形式，同時它們又能夠影響空壓機(jī)一些性能指標(biāo)。因此在使用中，我們可以通過監(jiān)測溫度和壓力的異常情況來判斷活塞式空壓機(jī)運轉(zhuǎn)是否正常，這為我們研發(fā)空壓機(jī)非正常狀態(tài)測試裝置提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉新航.空氣壓縮機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[2] 周敏，王慶鋒，劉文彬，等.往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷模型技術(shù)研究及應(yīng)用[J].壓縮機(jī)技術(shù)， 2012（4）：13-15.

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