过程流体机械课设计概要

长江大学过程装备与控制工程流体课程设计1摘要本文概述了活塞式压缩机设计计算的基本步骤，详细系统的介绍对2D3.5—15/9对称平衡型空气压缩机进行热力计算基本原理及方法。压缩机的热力计算是以热力学理论为基础，根据气体的压力、容积和温度之间存在的一定关系，结合压缩机具体的工作特性和使用要求进行的。其计算目的是要求得最有利的热力参数和适宜的主要结构尺寸。本次课程设计采用常规热力计算方法亦即设计性热力计算。目录第1章压缩机的热力计算………………………………………………………………11.1初步确定压力比及各级名义压力…………………………………………….11.2初步计算各级排气温度……………………………………………………….21.3计算各级排气系数…………………………………………………………….31.4计算各级凝析系数及抽加气系数…………………………………………….41.5初步计算各级气缸行程积…………………………………………………….61.6确定活塞杆直径……………………………………………………………….61.7计算各级气缸直径…………………………………………………………...81.8计算气缸直径圆整后的实际行程容积、各级名义压力及压力比…………81.9按修正后的名义压力考虑压力损失后计算缸内实际压力………………...101.10根据实际压力比，计算各级实际排气温度………………………………..121.11计算缸内虽大实际气体力并核算活塞杆直径………………………….....141.12复算排气量……………………………………………………………….....141.13计算功率并选取电机……………………………………………………….151.14热力计算结果数据………………………………………………………….16对2D3.5—15/9对称平衡型空气压缩机进行热力计算2第1章压缩机的热力计算1.1初步确定压力比及各级名义压力已知数据：吸气压力0.1Mpa,排气压力0.9Mpa,一级进气温度20℃，结构选取，根据总压比9，压缩机的级数取两级比较合适，为了获得较好的动力平衡性能，可选择V型结构，而且Ⅰ、Ⅱ级采用双作用气缸。另外，压缩机采用水冷方式。1.1.1按等压力比分配原则确定各级压力比zzIIkppⅠ12(1-1)两级压缩总压力比91.09.0ppⅠ1Ⅱ2取39ⅡⅠ为了使第一节有较高的容积系数，第一级的压力比取稍低值，1.1.2各级名义进、排气压力如下kkkpp12，kkpp2)1(1(1-2)表1-1各级名义进、排气压力（MPa）级次名义吸气压力P1名义排气压力P2Ⅰ0.10.29Ⅱ0.290.91.2初步计算各级排气温度按绝热过程考虑，各级排气温度可用下式求解：kkTT112（1-3）长江大学过程装备与控制工程流体课程设计3介质是空气，k=1.4。计算结果如表1-2示。计算结果表明排气温度T2＜160℃，在允许使用范围内。表1-2各级名义排气温度级次名义吸气温度计算参数名义排气温度CKKkk1CKⅠ202932.91.41.35527.1300.1Ⅱ252983.11.41.38234.5307.51.3计算各级排气系数因为压缩机工作压力不高，介质为空气，全部计算可按理想气体处理。由排气系数计算公式：lTpv（1-4）分别求各级的排气系数。1.3.1计算容积系数V)1(11mV（1-5）其中，多变膨胀指数m的计算按表1-3得：表1-3按等熵指数确定气缸膨胀过程等端点指数进气压力×105Pa任意k值时K=1.40时1.5m=1+0.5(k−1)1.201.5～4.0m=1+0.62(k−1)1.254.0～10m=1+0.75(k−1)1.3010～30m=1+0.88(k−1)1.3530m=k1.40I级多变膨胀指数mⅠ=1.2015.01II级多变膨胀指数mⅡ=1.3017.02对2D3.5—15/9对称平衡型空气压缩机进行热力计算4则各级容积系数为：111.201(1)10.15(2.91)0.786IIImv111.301(1)10.17(3.11)0.764IIIIIImv1.3.2压力系数p的选择考虑到用环状阀，气阀弹簧力中等，吸气管中压力波动不大，两级压力差也不大，可选取Ⅰp=0.97,Ⅱp=0.99（选择范围：Ⅰ级0.95～0.98；多级0.98～1.0）1.3.3温度系数T的选取考虑到压缩比不大，气缸有较好的水冷却，气缸尺寸及转速中等，从图II-1-6查得λT在0.935～0.975范围内，可选取λTⅠ=λTⅡ=0.96。1.3.4泄漏系数的选取10.971l20.973l1.3.5各级排气系数计算结果列入表1-5表1-5各级排气系数计算结果级数VpTlvvpTlⅠ0.7860.970.960.9710.711Ⅱ0.7640.990.960.9730.7071.4计算各级凝析系数及抽加气系数1.4.1计算各级凝析系数1.4.1.1计算在级间冷却器中有无水分凝析出来查表1-6得水在40℃和40℃时的饱和蒸汽压375.7PbIkPa（40℃）长江大学过程装备与控制工程流体课程设计5表1-6饱和水蒸汽的压力与密度温度t℃饱和蒸汽压bPkPa密度stkg/m3温度t℃饱和蒸汽压bPkPa密度stkg/m300.6110.00485314.4910.0320510.6560.00519324.7530.0338120.7050.00556335.0290.0356530.7570.00595345.3180.0375840.8130.00636355.6220.0396050.8720.00680365.9400.0417260.9350.00726376.2740.0439371.0000.00775386.6240.0462381.0690.00827396.9910.0486491.1470.00882407.3750.05115101.2270.00940417.7770.05376111.3120.01001428.1980.05649121.4010.01066438.6380.05935131.4970.01134449.1000.06234141.5980.01206459.5820.06545151.7040.012824610.0850.06868161.8170.013634710.6120.07205171.9370.014474811.1620.07557182.0620.015364911.7360.07923192.1960.016305012.3350.08300202.3370.017295112.9610.08696212.4850.018335213.6130.09107222.6420.019425314.2930.09535232.8080.020575415.0020.09980242.9820.021775515.7410.1044253.1670.023045616.5100.1092263.3600.024375717.3120.1142273.5640.025765818.1460.1193283.7790.027225919.0210.1247294.0040.028756019.9170.1302304.2410.03036第一级无水分析出，故11.0。而各级进口温度下的饱和蒸汽压sap由上述文献查的122337,3167sasappappa（1）计算各级凝析系数1.0Ⅰ对2D3.5—15/9对称平衡型空气压缩机进行热力计算61112111--bbppppppⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅡⅠ(1-7)111111--bbppppppⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅡⅡⅠ5510-0.823370.9910-131670.3=0.98461.4.2抽加气系数μ0因级间无抽气，无加气，故100ⅡⅠ1.5初步计算各级气缸行程容积odsIvVVnⅠⅠ(1-8)11150.0210.7111000dvuuVVnⅠⅠSⅠm301111dnvpVTVpTⅡⅡⅠⅡsⅡⅠⅡⅡ(1-9)01111dnvpVTVpTⅡⅡⅠⅡsⅡⅠⅡⅡ110.3300150.7070.93071000=0.0069m31.6确定活塞杆直径为了计算双作用气缸缸径，必须首先确定活塞杆直径，但活塞杆直径要根据最大气体力来确定，而气体力又需根据活塞面积（气缸直径）来计算，他们是互相制约的。因此需先估算压缩机中可能出现的最大气体力，按附表2中的数据初步确定活塞杆的直径。再根据相关公式确定气缸直径和最大气体力，然后校核活塞杆直径是否满足要求。1.6.1计算任一级活塞总的工作面积长江大学过程装备与控制工程流体课程设计7ZSVFhkk，（Z—同一级汽缸数）（1-10）有：VFSZⅠsⅠ=0.0210.281=0.075m2=750cm2VFSZⅡsⅡ=0.00690.281=0.0246m2=246cm21.6.2暂选活塞杆直径根据双作用活塞面积和两侧压差估算出该空气压缩机的最大气体力约为1.2吨左右，由《过程流体机械课程设计指导书》附表2，暂选活塞杆直径d=90mm。活塞杆面积222(9.0)63.6244ddfcm1.6.3非贯穿活塞杆双作用活塞面积的计算盖侧活塞工作面积)(21fFFdkg（1-11）轴侧活塞工作面积)(21fFFdkz（1-12）Ⅰ级：211()(75063.62)406.8122gdFFfcmⅠⅠ211()(75063.62)343.1922dFzFfcmⅠⅠⅡ级：211()(24663.62)154.8122gdFFfcmⅡⅡ211()(24663.62)91.1922zdFFfcmⅡⅡ1.6.4计算活塞上所受气体力（1）第一列（第Ⅰ级）外止点：FpFppg2z1-ⅠⅠⅠⅠⅠ外（1-13）FpFppg2z1-ⅠⅠⅠⅠⅠ外=0.1×106×343.19×10-4-0.29×106×406.81×10-4=8365.59N内止点：FpFppg1z2-ⅠⅠⅠⅠⅠ内对2D3.5—15/9对称平衡型空气压缩机进行热力计算8（1-14）FpFppg1z2-ⅠⅠⅠⅠⅠ内=0.29×106×343.19×10-4-0.1×106×406.81×10-4=5884.41N（2）第二列（第Ⅱ级）外止点：FpFppg2z1-ⅡⅡⅡⅡⅡ外（1-15）FpFppg2z1-ⅡⅡⅡⅡⅡ外=0.29×106×91.19×10-4-0.9×106×154.81×10-4=11288.39N内止点：FpFppg1z2-ⅡⅡⅡⅡⅡ内（1-16）FpFppg1z2-ⅡⅡⅡⅡⅡ内=0.9×106×91.19×10-4-0.29×106×154.81×10-4=3717.61N由以上计算可知，第二列的气体力最大，为-11288.39N。由《过程流体机械课程设计指导书》附表2可知，选取活塞杆直径d=30mm1.7计算各级汽缸直径1.7.1计算非贯穿活塞杆双作用气缸直径根据DK=2VhkπSZ+d22(1-17)有：DI=2VhlπSZ+d22=2×0.23193.14×0.28×1+0.1122=0.232mDII=2VhIIπSZ+d22=2×0.086403.14×0.28×1+0.1122=0.147m1.7.2确定各级气缸直径根据查表II-1-6，将计算缸径圆整为公称直径：DI=230mm;DII=150mm1.8计算气缸直径圆整后的实际行程容积、各级名义压力及压力比1.8.1计算各级实际行程容积Vh＇长江大学过程装备与控制工程流体课程设