往復(fù)式壓縮機(jī)容積系數(shù)對排氣量的影響分析

劉進(jìn)文

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

引 言

往復(fù)式壓縮機(jī)是石油、化工、天然氣等工業(yè)行業(yè)的主要流體輸送機(jī)械之一，其工作原理是依靠活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動與氣閥的開關(guān)動作相配合，使氣缸里的氣體依次實(shí)現(xiàn)膨脹、吸氣、壓縮和排氣四個過程，不斷循環(huán)往復(fù)地將低壓氣體升壓并連續(xù)送出[1]。壓縮機(jī)的排氣量(也稱容積流量)在一定程度上表征了壓縮機(jī)的生產(chǎn)能力，對于選定了的壓縮機(jī)，容積系數(shù)是影響其排氣量的主要因素，通過分析和討論其對往復(fù)式壓縮機(jī)排氣量的影響，可以充分發(fā)揮機(jī)器潛能，提高壓縮機(jī)的工作效率。

1 壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

一臺大型往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)大致可分為由工作腔部分、傳動部分、機(jī)身部分構(gòu)成的主機(jī)和潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、分離和凈化系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、緩沖和減振系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等附屬系統(tǒng)。其中的工作腔部分為包括氣缸、活塞、氣閥等構(gòu)成有進(jìn)排氣通道的封閉空間，是直接接觸氣體的部分；傳動部分是把電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動的部分，包括曲軸、連桿和十字頭等，其中往復(fù)運(yùn)動的活塞通過活塞桿與十字頭相連；機(jī)身部分是用來連接工作腔部分與傳動部分的零部件，包括曲軸箱、中體和中間接筒等，其上還可能安裝其他附屬裝置。往復(fù)式壓縮機(jī)的主要特點(diǎn)如下，工作腔的容積變化規(guī)律只取決于機(jī)構(gòu)尺寸，所以機(jī)器的壓力與流量關(guān)系不大，工作穩(wěn)定性好；氣體的吸入和排出依靠工作腔容積變化，與氣體性質(zhì)關(guān)系不大，故機(jī)器適應(yīng)性強(qiáng)且易于達(dá)到較高壓力；機(jī)器熱效率較高；但這種壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其外形尺寸和重量也較大，易損件較多，氣流有脈動，易引起氣柱和管道振動，適用于中、低流量和壓力要求較高的場合。

2 壓縮機(jī)的容積系數(shù)與排氣量

單級往復(fù)式壓縮機(jī)的實(shí)際循環(huán)壓力指示圖如第57頁圖1所示，由于壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)、制造、裝配、運(yùn)轉(zhuǎn)等方面的需要，實(shí)際壓縮機(jī)的氣缸中某些部位留有一定的空間或間隙，將這部分空間或間隙稱為余隙容積。由于余隙容積Vc的存在，余隙容積Vc中殘存的高壓氣體首先進(jìn)行降壓膨脹，當(dāng)氣缸中的壓力降低到吸氣管路中的名義吸氣壓力p1時，氣缸中的氣體由Vc膨脹至Vc+ΔV的4點(diǎn)才開始吸氣如圖1所示。吸氣終了時，氣缸的實(shí)際吸氣容積為V1。由此可見，由于余隙容積Vc的存在，使氣缸的實(shí)際吸氣量V1比理論吸氣量Vs減少了ΔV，為了反映因余隙容積的存在而使氣缸行程容積Vs利用率降低的程度，引入容積系數(shù)λv[2]，容積系數(shù)λv為氣缸的實(shí)際吸氣量V1與理論吸氣量Vs的比，即λv=V1/Vs。壓縮機(jī)在單位時間內(nèi)的實(shí)際排氣量qv(折算到進(jìn)口壓力和溫度狀態(tài))計算公式見式(1)。

qv=λvλpλTλLVSn

(1)

式中：λv、λp、λT、λL為容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù)；VS為氣缸行程容積，m3；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

圖1 實(shí)際循環(huán)壓力指示圖

其中壓力系數(shù)與壓縮機(jī)進(jìn)氣閥的彈簧力和進(jìn)氣導(dǎo)壓管的壓力波動有關(guān)，壓力系數(shù)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，在氣閥的彈簧力設(shè)計正確時，壓力系數(shù)約為0.95～1;溫度系數(shù)的大小取決于壓縮機(jī)進(jìn)氣過程中傳給氣體的熱量，它的選取一般根據(jù)氣體性質(zhì)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻情況來選一定值，約為0.65～0.98；而泄漏系數(shù)與壓縮機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于已經(jīng)選定了的壓縮機(jī)，在眾多系數(shù)中只有容積系數(shù)有較大的可調(diào)節(jié)范圍，若要調(diào)節(jié)排氣量則調(diào)節(jié)其容積系數(shù)是最可行的方法。

3 容積系數(shù)的影響因素

根據(jù)氣體狀態(tài)方程和過程方程可以推導(dǎo)出容積系數(shù)的表達(dá)式見式(2)。

(2)

式中：α為相對余隙容積，α=Vc/Vs；ε為壓力比，ε=p2/p1；m為膨脹過程指數(shù)，m=1.1～1.5。

由上式可知容積系數(shù)的大小取決于α、ε、m三個參數(shù)，而這三個參數(shù)的大小主要由液擊現(xiàn)象、氣缸結(jié)構(gòu)、工況需要和過程不同等因數(shù)決定[3]。

3.1 相對余隙容積

當(dāng)行程容積一定時，在壓力比和膨脹過程指數(shù)相同的情況下，余隙容積越大，容積系數(shù)就越小，即降低了排氣量，余隙容積大到一定程度時，高壓氣體膨脹會占據(jù)整個氣缸容積，此時的氣缸就不能有新的氣體吸入。余隙容積的存在實(shí)際是降低了氣缸的工作容積。

氣缸的余隙容積主要是由位于活塞與氣缸蓋間的間隙、氣缸與活塞之間的間隙在第一道活塞環(huán)前的部分、氣缸至氣閥通道、和因氣閥結(jié)構(gòu)所形成的剩余容積所組成。適當(dāng)?shù)臍飧子嘞度莘e可以避免活塞與缸蓋發(fā)生撞擊損壞，也可以起到緩沖作用，使氣閥開關(guān)平穩(wěn)，便于檢修氣缸蓋及死點(diǎn)間隙，而且在氣體壓縮會有部分汽水冷凝及潤滑油存在時，不留余隙也會產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，損壞機(jī)件。但余隙過大會使吸入氣體量減少，降低壓縮機(jī)的排氣量從而降低生產(chǎn)能力。所以，應(yīng)控制余隙容積在合理在范圍。

3.2 壓力比

壓力比過大不僅會使壓縮機(jī)氣缸的容積系數(shù)減小，降低排氣量，還可能使氣缸的排氣溫度過高，影響設(shè)備的安全運(yùn)行，所以一般單級壓力比不超過4。

圖2 壓力比對容積系數(shù)的影響

3.3 膨脹過程指數(shù)

如圖3所示，當(dāng)其他條件相同時，膨脹過程指數(shù)m減小過程曲線會變緩，其膨脹占據(jù)的氣缸容積也會變大。膨脹指數(shù)的大小取決于氣體膨脹過程中傳給氣體熱量的多少，傳熱量越多，膨脹指數(shù)m值越小，反之則越大。一般膨脹指數(shù)比壓縮指數(shù)小，主要是因?yàn)榕蛎涍^程單位容積氣體接觸到的氣缸面積比壓縮過程大，傳給氣體的熱量多[4]。所以氣缸冷卻良好的壓縮機(jī)能提高其容積系數(shù)，進(jìn)而提高其排氣量。

4 結(jié)語

容積系數(shù)是影響往復(fù)式壓縮機(jī)排氣量的主要因素，通過減小氣缸余隙容積，選取合適的壓力比和給壓縮機(jī)氣缸進(jìn)行良好的冷卻以獲得較大的膨脹指數(shù)，都能獲得較大的容積系數(shù)，從而增加排氣量，提高壓縮機(jī)的產(chǎn)能。反之，則會減少排氣量，降低壓縮機(jī)的工作效率，或者可能因不滿足工藝條件而引起生產(chǎn)工況的波動甚至引起事故的發(fā)生。