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1《化工机械与设备》往复式压缩机000绪论2前言压缩机是输送气体并提高气体压力能的机器。在石油化工厂中，压缩机主要压缩原料气、空气或中间过程的介质气体，以满足石油化工生产工艺的需要。压缩机按其工作原理可分为速度型和容积型两种。速度型压缩机靠气体在高速旋转的叶轮的作用下，得到巨大的动能，随后在扩压器中急剧降低，使气体的动能转变为势能，也就是压力能。容积型压缩机靠在气缸内作往复或回转运动的活塞，使容积缩小而提高气体压力。3前言压缩机速度型容积型轴流式离心式混流式回转式往复式滑片式螺杆式转子式膜式活塞式压缩机按结构型式不同，分类如下：41.工作原理往复式压缩机通过曲轴连杆机构将曲轴旋转运动转化为活塞往复运动。当曲轴旋转时，通过连杆的传动，驱动活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。51.1理论工作循环为了更好地理解活塞压缩机的工作原理，这里重点介绍理论工作循环。假定压缩机没有余隙容积，没有吸、排气阻力，没有热量交换，则压缩机工作时，汽缸内的压力和容积的关系如下图所示。压缩机的理论工作过程可以简化成下图示的三个热力过程。61.1理论工作循环吸气—活塞自0点移至1点，吸气阀打开，气体在P1压力下进入气缸。压缩—活塞自1点移至2点，吸排气阀均关闭，此过程为多变压缩过程，气缸内的气体压力升至P2。排气—活塞从2点移至3点，压力为P2的气体等压排出气缸。过程0-1-2-3-0构成了压缩机的理论工作循环，压缩机完成一个理论循环所消耗的功即为图中0-1-2-3-0所代表的面积。71.1理论工作循环压缩机在压缩气体的过程中，温度会逐步升高，是个多变的过程。实际压缩循环比理论压缩循环多了一个热膨胀的过程。随着热膨胀的逐步增加压力升高，温度也升高，功耗随之加大。所以，在理论上等温压缩循环的功耗最小。81.2实际工作循环压缩机中最常见的压缩过程为等温、绝热及多变过程。在同一压缩范围内，等温压缩耗功最小，绝热过程耗功最大，多变压缩介于两者之间。实际上，由于受冷却速度的限制以及和外界的热量交换，不可能实现等温过程和绝热过程，一般都为多变压缩过程。91.2实际工作循环101.2实际工作循环压缩机工作过程中活塞环、填料、气阀不可避免存在泄露，每个循环的排气量总小于实际吸气量。压缩机的进气阻力过大，会造成压缩机排气量减少。余隙容积过大会降低排气量，使指示功图面积变小。111.2.1实际过程与理论过程的区别由于余隙容积的存在，实际工作循环由膨胀、吸气、压缩、排气四个过程组成，而理论循环无膨胀过程。实际吸、排气过程中存在阻力损失，使实际气缸内吸气压力小于吸入管路内气压、实际气缸内排气压力高于排出管路内气压；吸、排气过程中有压力波动、温度变化。在膨胀和压缩过程中，因为气体与气缸壁之间存在热交换，使得压缩过程指数与膨胀过程指数不断变化，并非常数。122.性能参数往复式压缩机的性能参数主要包括：排气压力排气温度排气量功率和效率132.1吸气/排气压力往复压缩机的吸气和排气压力分别指第一级吸入管道处和末级排出接管处的气体压力，因为压缩机采用的是自动阀，气缸内的压力取决于进、排气系统中的压力，即由“背压”决定。所以吸、排气压力是可以改变的。压缩机铭牌上的吸、排气压力是指额定值，实际上只要机器强度、排气温度、电机功率和气阀工作许可，他们是可以在很大范围内变化的。142.2排气温度排气温度是指压缩机末级排出气体的温度，它应在末级气缸排出管处测得。多级压缩机末级之前各级的排气温度称为该级的排气温度，在相应级的排气接管处测得。排气温度可以计算校核，T2＝T1(P2/P1)n-1/n排气温度应进行监控：排气温度过高会造成润滑油润滑性能下降，轻质油挥发污染气体，润滑油积碳堵塞阀槽，活塞环软化或加速磨损，非金属阀片融化等。152.3容积流量往复压缩机的容积流量是指在单位时间内经压缩机压缩后在压缩机最后一级排出的气体，换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值，单位是M3/min或M3/h。压缩机的额定容积流量，即在压缩机铭牌上标注的容积流量是指在特定的进口状态下（进口压力0.1MPa，温度20℃）时的容积流量。对于实际气体，若是在高压下测得的气体容积，则换算时要考虑到气体可压缩性的影响。162.4供气量往复压缩机排气量随压缩机的进口状态而变，它不反映压缩机所排气体的物质数量。化工工艺中使用的压缩机，由于工艺计算的需要，需将容积流量则算到标准状态（1.013x105MPa，0℃）时的干气容积值，此值称为供气量或者标准容积流量。172.5功率和效率压缩机消耗的功，一部分直接用于压缩气体，另一部分是用于克服机械摩擦。前者称为指示功，后者称为摩擦功，二者之和为主轴所需的总功，称为轴功。单位时间所消耗的功称为功率。指示功率与总功率的比值即为压缩机的效率。182.6多级压缩所谓多级压缩是将气体的压缩过程分在若干级中进行，并在每级压缩后将气体导入中间冷却器进行冷却。如图所示1ststage2ndstage3bar8bar1bar3barQ192.6多级压缩的理由/优势1.可以节省压缩气体的指示功，下图为两级压缩与单级压缩所耗功之比。当第一级压缩达到压力P2后，将气体引入中间冷却器中冷却，使气体冷却到原始温度T1.因此使排出的气体容积由V2减至V2’，然后进入第二级压缩到最终压力。这样，从图中可以看出，实行两级压缩后，与一级压缩相比节省了图中绿色区域的功。采用多级压缩可以节省功的主要原因是进行中间冷却。如果没有中间冷却，第一级排出的气体容积不是因冷却而由V2减至V2’，而仍然以V2的容积进行二级压缩，则所消耗的功与单级压缩相同。202.5多级压缩p1级压缩曲线1级volumepressureV2ndstage2级压缩曲线单级压缩——压比很大通过中间冷却节省的压缩功减去级间冷却器产生的损耗2级1、2级级间冷却212.6多级压缩的理由/优势2.可以降低排气温度通过多级压缩中间冷却后降低了气体的进气温度，压缩过程接近等温压缩，可以显著降低排气温度。排气温度过高，会使润滑油粘度降低，性能恶化或形成积炭现象；使气阀的工作寿命下降。对某些特种气体压缩机，排气温度过高还会引发腐蚀或爆炸。222.6多级压缩的理由/优势3.提高容积系数随着压力比的上升，余隙容积中的气体膨胀所占的容积增加，气缸实际吸气量减少。采用多级压缩，压力比下降，因而容积系数增加。232.6多级压缩的理由/优势4.降低活塞力多级压缩由于每级容积因冷却而逐渐减少，当行程相同时，活塞面积减少，故能降低活塞上所受的气体力，因此使运动机构重量减轻，机器效率提高。242.7气量调节方式•卸荷器调节•旁通调节•变转速调节MQuantityCompressordeliverypressure•余隙腔调节3.6.4253结构压缩机主要由机体、曲轴、连杆、活塞组、阀门、轴封、油泵、能量调节装置、润滑油系统、进出口缓冲罐/气液分离器等部件组成。263.1机体机体包括机身、机座、曲轴箱等部件。机体一般采用高强度灰铸铁（HT20-40）铸成一个整体，是支承气缸套、曲轴连杆机构及其它所有零部件重量并保证各零部件之间具有正确的相对位置的本体。273.1机体的作用用来连接气缸和安装运动机构，并用作支承座。承受机器本身的全部或部分重量。作为传动机构的定位和导向部分。如曲轴支承在机体的主轴承上，十字头以机体滑道导向。承受压缩机工作时气体压力及转动部件的惯性力。连接某些辅助部件，如润滑油系统、盘车系统、冷却系统等。283.2气缸气缸是活塞式压缩机中组成压缩容积的主要部分。气缸与活塞配合完成气体的逐级压缩，它要承受气体的压力，活塞在其中往复运动，气缸应有良好的工作表面以利于润滑并应耐磨，为了散发气体被压缩时产生的热量以及摩擦生热，气缸应有良好的冷却，通常在气缸中设置冷却水夹套。293.2气缸303.2气缸气阀在气缸上的布置有三种方式：配置在气缸盖上、配置在气缸体上、混合配置。气阀在气缸上的布置方式对气缸的结构有很大的影响，是设置气缸所要考虑的主要问题之一。布置气阀的主要要求是：通道截面大，余隙容积小，安装和修理方便。313.3气阀气阀是压缩机的一个重要部件，属于易损件。它的质量及工作的好坏直接影响压缩机的输气量、功率损耗和运转的可靠性。气阀包括吸气阀和排气阀，活塞每上下往复运动一次，吸、排气阀各启闭一次，从而控制压缩机并使其完成吸气、膨胀、压缩、排气等四个工作过程。323.3气阀目前，活塞式压缩机所应用的气阀，都是随着气缸内气体压力的变化而自行开闭的自动阀，由阀座、运动密封元件（阀片或阀芯）、弹簧、升程限制器等组成。333.3气阀自动阀的阀片在两边压差的作用下开启，在弹簧作用力下关闭。阀片与阀座或升程限制器之间的粘附力、阀片与导向块之间的摩擦力等，也影响阀片的开启与关闭。343.3气阀的要求气阀是活塞式压缩机的重要部件之一，它的工作直接关系到压缩机运转的经济性和可靠性，对于气阀的基本要求如下：使用期限长（指阀片和弹簧的寿命长），不能由于阀片或弹簧的损坏而引起压缩机非计划停车。气体通过气阀时的能量损失小，以减少压缩机的动力消耗。气阀关闭时具有良好的密封性，以减少气体的泄漏量。阀片启、闭动作及时、迅速，而且要完全开闭，以提高机器效率和延长试用期。气阀所引起的余隙容积小，以提高气缸容积效率。结构简单，制造方便，便于维修。353.3气阀分类常用的压缩机气阀按照阀片结构分为：环状阀网状阀。363.3.环状阀环状阀由阀座、阀片、弹簧、升程限制器、连接螺栓、螺母等组成。373.3.环状阀环状阀使用的弹簧有环形弹簧、柱形（或锥形）弹簧。阀片为圆环状薄片，一般是制成单环阀片。阀片的启、闭运动是靠升程限制器上的导向块来导向的。为了防止气阀在工作时松动，连接螺栓和螺母都采取了放松措施。383.3.环状阀环状阀制造简单，工作可靠，可改变环数来适应各种气量要求，因此得到广泛使用，适用于各种压力、转速的压缩机。环状阀的主要缺点是：阀片的各环彼此分开，在开闭运行中很难达到步调一致，因而降低了气体的流通能力，增加了额外的能量损失。阀片等运动元件质量较大，阀片与导向块之间有摩擦力，环状阀经常采用柱形（或锥形）弹簧等因素，决定了阀片在开闭运动中不容易做到及时、迅速。由于阀片的缓冲作用较差，磨损严重。随着非金属耐磨材料的发展，用加填充剂的聚四氟乙烯、MC尼龙、玻璃钢等制造阀片，在一定程度上克服了之一弊病。393.3.网状阀网状阀在结构上与环状阀的区别在于阀片各环连在一起，呈网状，阀片与生成限制器之间设有一个或几个与阀片形状基本相同的缓冲片。下图为网状阀的组合图。403.3.网状阀从阀片、缓冲片中心算起的第二环，将径向连接片切断，并将阀片切断处的两个半环铣薄（b中阴影线部分），使气阀在工作时（阀片、缓冲片的中心环夹紧在阀座和升程限制器之间）阀片和缓冲片都能获得必要的弹性，保证阀片能上下平行运动。阀片、缓冲片的运动不需要导向块就能很好的导向，避免了环状阀中存在的导向块与阀片之间的摩擦，这是网状阀的一个优点。413.3.网状阀网状阀也同环状阀一样，适用与各种操作条件，在低、中压范围内应用较为普遍。但是由于网状阀阀片结构复杂，气阀零件多，加工困难，成本高，阀片任何一处损坏都导致整个阀片报废。423.4活塞活塞与气缸构成了压缩容积，活塞必须有良好的密封性，有足够的轻度和刚度，重量轻，制造工艺好。要求活塞和活塞杆的连接和定位可靠，活塞杆表面硬度高、耐磨、光洁度高。433.4活塞按活塞与气缸间的密封分为两种：活塞环密封迷宫密封443.4.1活塞环密封活塞环是密封气缸镜面和活塞间间隙用的零件，另外还起到布油和导热的作用。对活塞环的基本要求是密封可靠和耐磨损。其密封原理如下：453.4.1活塞环密封活塞环上有开口，在自由状态下，其直径大于气缸的直径，因此活塞环装入气缸时，由于材料本身的弹性，产生一个对气缸壁的预压力。活塞环装在活塞环槽中，与槽壁间应留有