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        壓縮機基本理論以及計算方法

        2015-09-17


        壓縮機基本理論以及計算方法

        壓縮和壓縮比

         

        1、壓縮

         

        絕熱壓縮是一種在壓縮過程中氣體熱量不產生明顯傳入或傳出的壓縮過程。在一個完全隔熱的氣缸內上述過程可成為現實。等溫壓縮是一種在壓縮過程中氣體保持溫度不變的壓縮過程。

         

        2、壓縮比:(R)

         

        壓縮比是指壓縮機排氣和進氣的**壓力之比。例:在海平面時進氣**壓力為0.1 MPa ,排氣壓力為**壓力0. 8MPa。則壓縮比:

              P2           0.8

        R=--------- =--------- =8

              P1           0.1

        多級壓縮的優點:

                     (1)、節省壓縮功;

                     (2)、降低排氣溫度;

                     (3)、提高容積系數;

                     (4)、對活塞壓縮機來說,降低氣體對活塞的推力。

         

                              壓縮介質

         

        為什么要用空氣來作壓縮介質?

        因為空氣是可壓縮、清晰透明的,并且輸送方便(不凝結)、無害性、安全、取之不盡。

        惰性氣體是一種對環境不起化學作用的氣體,標準壓縮機能一樣壓縮惰性氣體。干氮和二氧化碳均為惰性氣體。

        空氣的性質:

        干空氣成分:氮氣(N2)     氧氣(O2)        二氧化碳(CO2)

                    78.03%        20.93%            0.03%    

        分子量:28.96

        比重:在0℃、760mmHg柱時,r0=1.2931kg/m3

        比熱:在25℃、1個大氣壓時,Cp=0.241大卡/kg-℃

        在t℃、壓力為H(mmhg)時,空氣的比重:

                             273        H

        rt=1.2931× -------× -------kg/m3

                            273+t     760

        濕空氣的比重,還應考慮飽和水蒸氣分壓力(0.378ψ,Pb)。

         

                                壓力

         

        1、壓力

         

        這只是某一單位面積的力,如平方米上受1牛頓力度壓力單位為1帕斯卡:

        即:1Pa = 1N/m2

             1Kpa = 1,000 Pa = 0.01 kg/cm2

             1Mpa = 106Pa = 10 kg/ cm2

         

        2、**壓力

         

        **壓力是考慮到與完全真空或**零值相比,我們所居住的環境大氣具有0.1Mpa 的**壓力。在海平面上,儀表壓力加上0.1MPa的大氣壓力可得出**壓力。高度越高大氣壓力就越低。

         

        3、大氣壓力

         

        氣壓表是用于衡量大氣的壓力。當加上儀表壓力上就可得出**壓力。

        **壓力=壓力計壓力+大氣壓力

        大氣壓力通常是以水銀MM為單位,但是任何一個壓力單位都能作出同樣很好的解釋:

        1個物理大氣壓力 = 760毫米汞柱 = 10.33米水柱 =1.033kgf/cm2≌0.1MPa. 

         

        大氣壓同海拔高度的關系:

                                   H

        P=P0 ×(1- ----------)5.256 mmHg

                                44300

            H——海拔高度,

            P0=大氣壓(0℃,760mmHg)

         

        4、壓力單位換算:

         

        單位: MPa,Psi(bf/in2)  1Psi=0.006895MPa, 1bar=0.1MPa,

        1kgf/cm2=98.066KPa=0.098066MPa≌0.1Mpa

                                 溫度

        1、溫度

         

        溫度是指衡量某一物質在某一時間能量水平的方法。(或更簡單的說,某一事物有多少熱或多少冷)。

        溫度范圍是根據水的冰點和沸點。在攝氏溫度計上,水的冰點為零度,沸點為100度。在華氏溫度計上,水的冰點為32度,沸點為212度。

        從華氏轉換成攝氏:華氏=1.8攝氏+32,攝氏=5/9(華氏-32)

         

        2、**溫度

         

        這是用**零度作為基點來解釋的溫度。

        基點零度為華氏零下459.67度或攝氏零下273.15度

        **零度是指從物質上除去所有的熱量時所存在的溫度或從理論上某一容積的氣體縮到零時所存在的溫度。

         

        3、冷卻溫度差

         

        冷卻溫度差是確定冷卻器的效率的術語。因為冷卻器不可能達到100%的效率,我們只能用冷卻溫差衡量冷卻器的效率。

        冷卻溫度差是進入冷卻器的冷水或冷空氣溫度和壓縮空氣冷卻后的溫度之差。

         

        4、中間冷卻器

         

        中間冷卻器是用于冷卻多級壓縮機中的級與級之間的壓縮空氣或氣體使溫度降低的器件。中間冷卻器通過降低進入下一級壓縮空氣溫度達到降低壓縮功率以有助于增加效率。

         

                                露點和相對濕度

         

        1、露點和相對濕度

         

        就象晚上溫度下降會產生露水一樣,壓縮空氣系統內的溫度下降也會產生水氣。露點就是當濕空氣在水蒸氣分壓力不變的情況下冷卻至飽和的溫度。

        這是為什么呢? 含有水分的空氣只能容納一定量的水分。如果通過壓力或冷卻使體積縮小,就沒有足夠的空氣來容納所有的水分,因此多于的水分析出成為冷凝水。

        離開后冷卻器的空氣通常是完全飽和的。分離器內的冷凝水就顯示了這一點,因此空氣溫度有任何的降低,就會產生冷凝水。

        設定的濕度可認為是濕空氣所含水蒸氣的重量,即:水蒸氣重量和干燥空氣重量之比。

         

        相對濕度ψ

                 χ-濕度                                 Ps

        ψ= -----------------         =         -----------

             χ0-飽和**濕度                  Pb

         當Ps=0, ψ=0時,稱為干空氣;

           Ps=Pb, ψ=1時,稱為飽和空氣。

         

        **濕度——1M3濕空氣所含水蒸氣的重量。

                 Gs—水蒸氣重量

        χ= ----------------------

                 V—濕空氣體積

         

                   水蒸氣重量

        含濕量= ---------------------

                   干空氣重量

         

        2、飽和空氣

         

        當沒有再多的水氣能容納在空氣中時,就產生了空氣的飽和,任何加壓或降溫均會導致冷凝水的析出。

         

        3、水氣分離器

         

        水氣分離器是用于收集和除去在冷卻過程中從空氣或氣體中冷凝出來水的器件。

        儲氣筒是用于儲存壓縮機排放出來的壓縮空氣和氣體的容器。儲氣筒有利于消除排氣管路中的脈沖,并在需求量大于壓縮機的能力時,可起儲存和補充提供壓縮空氣的作用。

         

        4、干燥機

         

        干燥機是用于干燥空氣的裝置。用我們的術語,就是用其干燥的壓縮空氣。離開后冷卻器的空氣通常是完全飽和的,就是說任何降溫都會產生冷凝水。冷凍式干燥機是通過降低壓縮空氣的溫度,析去水分,然后將空氣再加熱到接近原來的溫度。

        再生式干燥機是使空氣通過含有化學物質的過濾器以析出水分。這種裝置比冷凍式裝置更能吸附水氣。

         

                                狀態及氣量

         

        1、標準狀態

         

        標準狀態的定義是:空氣吸入壓力為0.1MPa,溫度為15.6℃(國內行業定義是0℃)的狀態下提供給用戶系統的空氣的容積。如果需要用標準狀態,來反映考慮實際的操作條件,諸如海拔高度、溫度和相對濕度則將應實際吸入狀態轉換成標準狀態。

         

        2、常態空氣

         

        規定壓力為0.1MPa、溫度為20℃、相對濕度為36%狀態下的空氣為常態空氣。常態空氣與標準空氣不同在于溫度并含有水分。當空氣中有水氣,一旦把水氣分離掉,氣量將有所降低。

         

        3、吸入狀態

         

        壓縮機進口狀態下的空氣。

         

        4、海拔高度

         

        按海平面垂直向上衡量,海拔只不過是指海平面以上的高度。海拔在壓縮機工程方面占有重要因素,因為在海拔高度越高,空氣變得越稀薄,**壓力變得越低。既然在海拔上的空氣比較稀薄,那么電動機的冷卻效果就比較差,這使得標準電動機只能局限在一定的海拔高度內運行。EP200 標準機組的**容許運行海拔高度為2286米。

         

        5、影響排氣量的因素:

         

        Pj、Tj、海拔高度、n、V余、泄漏等。

         

        6、海拔高度對壓縮機的影響:

         

           (1)、海拔越高,空氣越稀薄,絕壓越低,壓比越高,Nd越大;

           (2)、海拔越高,冷卻效果越差,電機溫升越大;

           (3)、海拔越高,空氣越稀薄,柴油機的油氣比越大,N越小。

         

        7、容積流量

         

        容積流量是指在單位時間內壓縮機吸入標準狀態下空氣的流量。用單位:M3/min (立方米/分)表示。標方用N M3/min表示。

        1CFM=0.02832 M3/min, 或者 1 M3/min=35.311CFM,

        S--標準狀態,A--實際狀態

         

        8、余隙容積

         

        余隙容積是指正排量容積式(往復或螺桿)壓縮機沖程終端留下的容積,此容積的壓縮空氣經膨脹后返回到吸入口,并對容積系數產生巨大的影響。

         

        9、負載系數

         

        負載系數是指某一段時間內壓縮機的平均輸出與壓縮機的**額定輸出之比。不明智 的做法就是賣給用戶的壓縮機,正好滿足用戶的**的需求,增加一個或幾個工具或有泄漏會導致工廠的壓力下降。為了避免這種情況,英格索蘭多年來一直建議采 用負載系數:取用戶系統所需氣量的極大值,并除以0.9或0.8的負載系數。(或任何用戶認為是個安全系數)

        這種綜合氣量選擇能顧及未預計到的空氣需量的增加。無需額外的資本的投入,就可做一些小型的擴建。

         

        10、氣量測試

           (1)、往復式壓縮機氣缸容積

        壓縮機氣缸的容積是指活塞移動的容積減去活塞桿占有的體積。通常是用每分鐘立方米來表示。多級壓縮機的容積只是第一級壓縮的容積,因為逐一通過所有級的氣體都來源于第一級。

           (2)、測試

        低壓噴嘴測試是一種精確衡量壓縮機所提供空氣的方法。這一方法得到壓縮空氣和氣體學會的認可,還為ASME能源測試代號委員會所接受。ASME PTC-9中有關采用低壓噴嘴測

        試往復式壓縮機的描述。ASME PTC-10中有有關采用低壓噴嘴測試動力式壓縮機的描述。

           

                                功率及比功率

                                (能耗比、容積比能)

         

        1、壓縮機效率

         

        容積效率是壓縮機的實際氣量和理論氣量容積之比,用百分比表示。

        壓縮效率是壓縮給定量氣體實際所需的功率與理論功率之比。理論功率可按等溫工況 或絕熱工況來計算。相應的壓縮效率可用百分比來確定和表示。就蒸汽驅動或內燃機驅動的壓縮機而言,機械效率是指壓縮機的指示功分馬力和在軸上的制動分馬力 之比。就電動機驅動的壓縮機而言,機械效率是指壓縮氣缸內的指示功率同壓縮機的軸功率之比。用百分比來表示。

         

        2、總體效率

         

        總體效率是壓縮機的壓縮效率和機械效率的總和。

        壓縮機軸功率(制動功率)包括:氣體壓縮功—指示功,摩擦功

                                     Ni

        機械效率ηm= --------

                                   Nad

        粗算:Nad=1.634PjVm(k/k-1)[ε(k-1/k)-1]   Kw

        N電機=N軸/η傳,η傳(皮帶:0.92~0.98,齒輪:0.97~0.99)

        螺桿壓縮機中,風冷壓縮機的軸功率要加上風扇電機的功率。

         

        3、容積比能

         

        容積比能是指壓縮機在單位時間內吸入單位氣量所消耗的功率,通常用Kw/M3/min表示,在相同的排氣壓力下容積比能越小。即耗功少。該壓縮機效率就是壓縮機的真實效率的衡量。

         

        比功率:規定工況:Pj=1bar(A),tj=20℃, ψ=0, t水=15℃

                         Pc =7bar(表),水量≤2.5L/M3

        功率是單位時間所做的功,諸如馬力(千瓦)被定為76Kg-m/小時

        功率是能源的轉換中衡量的指標。

        為了得到功率的成本,我們也必須包括時間,例如:耗費**不是千瓦而是千瓦小時。

        取馬力并把其轉換成耗費用戶的成本,我們要用以下的公式:

                      電機制動馬力×0.746 (轉換成千瓦)×年運行小時×功率成本

        年成本=      ---------------------------------------------------

                                    電機效率

                               

         噪音和聲音評估

         

        噪音被認為是令人討厭或干擾的聲音。

        用戶完全愿意整夜坐在迪斯科舞廳,邊抽煙邊欣賞高達95分貝的迪斯科音樂,但是不可思議的是他竟無法容忍第二天早上的65分貝的復印機噪音。用戶喜歡迪斯科的噪音而不喜歡復印機的噪音。典型的雞尾酒會噪音值為90分貝,搖滾樂隊的噪音為100到138分貝之間。

        那么什么是分貝呢?

         

        分貝的定義可以解釋為對兩種能量比值的對數(以10為底)后乘以10。

         

                             W2

        dB=10log -------

                             W1

         

        增加10分貝表示能量的增加10:1,增加20分貝表示能量增加100:1,增加30分貝則增加1000:1。

        對我們的應用來說,我們是討論聲功率級-設定的W1參照值為10-12,其公式就變成了:

         

        PWL(dB)=10log W/10-12

        例如,如果我們有一個聲源,發出一個10-5瓦特的功率級,那聲功率是:

                               10-5

        PWL=10log ------- = 70dB

                              10-12

        當耳朵背對著噪音,人們發現耳朵就自動地“聽不到”低頻的噪聲,非常類似下面的“A”級網絡。

        為此,對工業噪聲的測量選擇的標準是“A”級噪聲水平,并使用dBA術語。

        由于反射的噪聲能容易地被測試探頭捕獲,所以設置另一個標準。該標準要求所有噪聲測量就在“空曠野外條件”下進行。

        測量氣體設備聲音的ANSIS51規則指出:噪聲應該在離機器一米遠,一點五米高處測量。

        因此,這里我們確定了測試探頭位置和測量地點并且以“A”級網絡測量噪聲。

        所有制造商使用這些相同的基本規定測量噪聲。

        如果兩臺同樣噪聲水平的機器并排運行,噪聲水平的結果將增加了3dBA(兩倍)

         

        例如:在我們原來的公式:     

                               10-5

        PWL=10log ------- = 70dB

                              10-12

        如果,我們加倍我們聲音功率水平到2×10-5

                                 2×10-5

        PWL= 10log --------- = 73 dB

                                10-12

         

        一個壓縮機制造商聲明:噪聲水平擔保為+3dBA是指其噪聲水平將是其所聲明的噪聲水平的兩倍或二分之一。

        兩臺以不同速度運轉的機組,可能有同樣的噪聲水平,但聽起來完全不同。一臺可能比另一臺更刺耳。這是因為噪聲是根據把頻譜中所有的頻率相加得出的一個數目來形成dBA。

        為測量噪聲水平,將測量到每一個音階帶的噪聲,以“A”反評定并對比相加以得出答數(dBA)。

         

        所有這些意味著什么:

         

        1、這意味著,由于反射我們不能將一臺壓縮機安置在房間里,然后期望有和在空曠野外條件下相同的噪聲水平。

         

        2、我們不能光憑兩臺不同的機組(以不同的速度,不同的驅動,不同的組件和不同的外殼)就能對噪聲水平做出一個聰明的猜測。測量噪聲的**方法是使用一臺聲音測量設備。

                

        我們怎樣克服噪聲水平中明顯的差異?

         

        1、通過準確測量噪聲水平

        2、通過知道噪聲水平是怎樣構成的來理智地指定頻率的差別和刺耳的因素。

        3、知道兩個有相同噪聲水平,然而不同頻率特性的機組噪聲對耳朵的傷害是相同的,即使其中一個確實“聽起來”更輕一些。

         

        我們怎樣才能進一步降低噪聲?

        1、保機體中的所有接頭是安全的,叉車孔關閉,機組在地面的基體是固封住的。

        2、通過管道輸送進氣和排氣。

        3、減少反射噪聲。

         

        聲音和噪聲測量充其量只不過是一種非常不精確的科學。對于這個課題的討論希望能避免野外問題,野外修正的大量費用和用戶的不滿意。

         

        1、所有噪聲水平測量使用ANSLS51標準。這是一個工業標準。我們應該通過這個標準的參考了引用所用的噪聲水平。簡短的說,該標準要求空曠野外測量(無反射墻和屋頂),機組周圍的多點測量,并對測量值取平均值。應該在機組一米以外,地面和基礎水平上的一點五米處測量。任何單點測量可以起過引用的A噪聲水平。只要平均讀數能滿足或低于引用水平。此外,所采用的測量是所衡量噪聲的應該寬頻帶的平均值。當要求或給予應該頻率帶分析時,一些中頻帶的讀數能而且通常確實比噪聲衡量平均值更高。再一次指出,這是標準所接受的。

         

        2、在標準結構中沒有給予和適用的公差

         

        3、沒有真正的在野外安置的機組應寫上“空曠野外”安置。實際上規則地點的噪聲水平總是要更高一些,因為從附近墻壁和或屋頂以及附近設備分布的反射。

         

        4、可能提交的噪聲水平數據是當測量應該特定壓縮機時采用實際的測量得到的并在一個同類型壓縮機在同樣的條件下重復運行可被解釋為典型的噪聲水平。

         

                                    注   意

        對于任何多點測量或重復壓縮機測量時,有一定的誤差聯系。這些誤差指出了為了擔保噪聲水平對一個特定壓縮機的問題,應該在總的dBA衡量值上加上3分貝。當給予一個用戶噪聲水平擔保時,服從以上要求是**必要的。

         

                                經驗公式

         

        一臺0.7MPa之空壓機每馬力生產0.1416M3氣量

         

        每0.007MPa壓降等于0.5%功率

         

        風冷壓縮機的熱載荷=HP×2545BTU/時(1BTU = 1.055KJ)

         

        水冷壓縮機的GPM(每分鐘用水升數)

              HP × 2545

              500×△T水

        或, 如△T水= 11.1℃(閉環路),為HP/4

            如△T水= 22.2℃ (城市供水系統) 為HP/8

         

        經后冷卻器后65%之冷凝水已去除

         

        經冷凍式干燥器后96%的冷凝水已去除

         

        排氣溫度每升高11℃,含水量會翻倍

         

        每0.028M3=7.48加侖 = 28.31升=1立方英尺

         

        空壓機每M3進氣量需配133.5升筒體貯氣能力

         

        從理想氣體定律推導出的泵氣公式

         

                    體積(立方米) ×壓力上升(MPa)

        時間(分)= ————————

                    氣量(立方米)× 0.1013(MPa)  電機皮帶輪尺寸(英寸)× 壓縮機轉速(RPM)

        電機皮帶輪尺寸(英寸)=電機轉速(RPM)



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