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气体压缩机的选择--压缩机的分类、结构和技术特性
作者:Eduardo Larralde
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压缩机/分离/过滤机械展厅
压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ...
在为一项工业应用挑选合适的压缩机之前,必须了解这些压缩机的分类、物理结构和技术特性。

关于压缩机的类型,目前应用于工业领域的压缩机可以按照表2.1所示来进行分类。

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关于压缩机的设计和结构特点,应用最广泛的往复式和离心式压缩机可以按照下述细分标准作进一步分类。

往复式压缩机

根据压缩级数来分:

* 单级
* 多级

根据气缸的运动来分:

* 单作用(气体仅被活塞的一侧压缩)
* 双作用(气体被活塞的两侧压缩)

根据平行工作的气缸数来分:

* 单缸(只有一个气缸)
* 双缸/三缸(两个/三个气缸平行工作),等等

根据输气量来分:

* 小输气量(最大约600 m3/h)
* 中输气量(600 m3/h到1800 m3/h之间)
* 大输气量(大于1800 m3/h)

根据排气压力来分:

* 低(最大至1 MPa)
* 中(1 MPa到8 MPa之间)
* 高(8 MPa到100 MPa之间)
* 极高(大于100 MPa)(超级压缩机)

根据气缸的布置形式分:

* 卧式、立式、V型布置、W型布置、L型布置、M型布置(水平对置型)

根据所处理气体的化学成分来分:

* 空气、氟利昂、氮气、氨气、氢气、氧气、二氧化碳等

离心式压缩机

根据压缩机机壳的数量来分:

* 一、二、三个机壳,等等

根据转子上的叶轮数量来分:

* 一、二、三个叶轮,等等

根据压缩机机壳的设计来分:

* 水平剖分式
* 垂直剖分式(筒式、管式和悬挂式)

根据流向分类:

* 直列式
* 具有支流的直列式
* 具有级间冷却的直列式
* 双流式
* 有或无级间冷却的背向式

根据驱动器的类型分类:

* 蒸汽轮机
* 燃气轮机
* 电动机
* 膨胀式涡轮

根据与驱动器的联接方式分类:

* 直联式
* 带有减速器
* 带有倍速器
* 整体齿轮啮合式
* 集成电机压缩机

还有其他的一些压缩机分类方法,但由于它们非常特殊,故在本文中不予介绍。

工作原理

往复式压缩机

这种压缩机通过减小容纳气体空间的容积来达到压缩气体的目的。图2.1显示了采用横卧式气缸的活塞式压缩机的截面图。

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图2.1.横卧式气缸的活塞式压缩机

当活塞在气缸内移动时,连续发生吸气、压缩气体和排气的过程。这种理想循环过程就如图2.2所示,它假设经过吸气阀和排气阀时无压降产生,吸气和排气均为恒压过程,并且在排气结束时,气缸内无残留气体。

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图2.2.理想压缩机的p-V图

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图2.3.具有余隙的压缩机p-V图

图2.3显示的是具有一定余隙的压缩机的p-V图。它与图2.2的主要差异体现在,当排气过程结束时,有一些气体残留在气缸内,在吸气冲程的起始阶段,这些气体逐渐膨胀,阻止新气体进入系统,直至气缸内的压力变得稍低于吸气管内的压力。容纳这些气体的空间被称为余隙。它的存在无可避免,因为活塞头与气缸之间需要留有一定的间隙,还因为放置阀门也需要一定的空间。

压缩机的容积效率(ηv)取决于余隙容积(vc)与活塞排量(vd)之比(c),压力之比(p2/p1),以及多变指数(n),如下公式所示,该公式由带余隙的示意图确定:

ηv = 1 + c – c(p2/p1)1/n (2.1)

通常,根据压缩机的尺寸,余隙比(c)的值在0.06到0.14之间。在大型的多级压缩机中,该值可以低至0.025。

当压缩因子(Z)在压缩过程中不为常数时,应该采用下述方程式2.1的修正方程式:

ηv = 1 + c –(Z1/Z2)·c(p2/p1)1/n (2.2)

正如本系列第一篇文章[1]所述,容积效率为压缩机的实际输气量(Q)与排气量(vd)之比:

ηv = Q/vd (1.22)

对于一台给定的压缩机,随着余隙增大,其容积效率和输气量减小。可以利用该特点来控制活塞式压缩机内的气体流速。

容积效率的实际值,在65%到90%之间变化,可以通过试验测得其具体数值。影响实际容积效率值的因素包括余隙的尺寸,气体通过密封件、阀门和活塞环的泄露程度,以及气体在气缸内的受热情况。正是因为存在着这些影响,所以对方程式2.2做了一些修改,使其包含了经验数据,以便更好地表达活塞式压缩机的实际容积特性[2]:

ηv = 0.97 + c –(Z1/Z2)·c(p2/p1)1/n – GL (2.3)

其中,对于有润滑压缩机,GL的值为0.02–0.06,对于无润滑压缩机,GL的值为0.07–0.10。

但是,容积效率并不是评价压缩机品质的可靠指标,而应评估达到期望输气量所需的能量消耗。

旋转式压缩机

这种压缩机和往复式压缩机的工作原理相同,但是在旋转式压缩机中,实现容积减小的方法是,通过转子在压缩机壳内的转动来逐渐减小转子与外壳之间的空间。

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图2.4.螺杆式压缩机(图片由Boge压缩机公司提供)

如今,螺杆式压缩机(图2.4)在众多的正排量旋转式压缩机中脱颖而出。图2.5显示了一台工作在不同工况下的螺杆式压缩机的典型p-V图。通过阴阳转子的啮合实现压缩。当转子转动时,转子叶轮的啮合位置从进气孔向排气孔移动;相应地,转子凹坑内的气体——容纳于啮合空间内——被压缩并排出。无油旋转式螺杆压缩机完全依靠转子与转子,及转子与机壳之间的间隙来防止气缸内的受压缩气体从排气口回流至进气口。阴阳转子的正时齿轮同步旋转,避免了金属与金属接触,因此无需注油。

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图2.5.螺杆式压缩机的p-V图

螺杆式压缩机允许注入液体——通常是油——因而能够低速工作,并实现以下三项功能:

* 减小,甚至消除齿间容积公差。
* 在压缩期间使气体冷却。
* 润滑转子,因此无需采用正时齿轮。

通过注油,能够冲洗含有聚合物等物质的气流。当螺杆式压缩机工作在非设计工况时(图2.5),其效率会降低,特别是当它们具有固定的容积比时。正因为如此,我们首选使用具有可变容积比的压缩机,因为它们具有自动调节能力,能够使非设计工况下的效率达到最大值。

离心式(涡轮压缩机)

在离心式压缩机中,首先利用离心力的原理增大气体的动能,然后将动能转化为压缩能,从而实现气体的压缩。

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图2.6.离心压缩机叶轮内的气体运动

叶轮的旋转使其入口端形成一个低压区(图2.6),从而造成气体持续从吸气管流向叶轮叶片。在叶轮内部,离心力推动气体从入口端流向外围,增加了气流速度和叶轮叶片间的气流密度。气体接着向机壳或者膈膜移动,机壳和膈膜都具有扩压器,在这里,气体的高速被转化为压力。在多级压缩机中,从初级扩压器产生的气体在扩压器上导流叶片的作用下进入二级叶轮(图2.7)。最后,被压缩气体到达涡壳和排气管。在那些具有级间冷却的压缩机中,气体在经过每个压缩级或者一组压缩级之后流过换热器。

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图2.7.多级离心式压缩机(图片由美国Elliot集团提供)

级间冷却是应用得最为广泛的一种冷却方法,因为它会产生最接近等温线的过程,因此从能量的角度来看,它也是最为经济的方法。还有一种冷却方法,它利用循环冷却水流过膈膜内开凿的流道来实现冷却,但是这种解决方案使得压缩机壳的设计和制造变得更加困难。

由驱动器为压缩气体所提供的有效能量实际上大于等熵压缩所需要的能量,因为还需要一些额外的能量来克服气体与叶轮流道、扩压器流道以及外壳之间的摩擦,此外,还要克服叶轮浸入压缩气体所产生的流体摩擦力。所提供的所有额外的能量都会转化成热量。

轴流式压缩机

在这种转子动力压缩机中,压力的增大归因于两项因素的综合作用,一是气体流速增大,二是当转子旋转时,气体流过叶片的区域同时增大。

气体按照与压缩机轴平行的方向进入压缩机(图2.8)。气体在到达转子叶片之后,与它们一起旋转,同时沿轴向移动,从一排叶栅移至下一排叶栅。

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图2.8.轴流式压缩机(图片版权所有:Nuovo Pignone Spa公司)

在转子叶栅之间还有固定叶片。固定叶片的作用是消除由转动叶片的运动引起的气体涡流现象,并引导气流流向下一排转动叶片。通常,首排定子上的叶片可调,可以利用外部设备来调节它们,以获得更好的性能控制及更大的操作灵活性。

主要特点

下面介绍每种压缩机的主要特点和优缺点。在为特定的应用挑选合适的压缩机时,应该考虑到这些特点。

活塞式压缩机

* 低速(现在市场也有“高速”的往复式压缩机,功率范围为22 kW到6700kW,与转速为720 rpm到1800 rpm的原动机进行直联)。
* 排气压力高。
* 最适合用在单级或低输气量的高压应用场合。
* 压力范围广。
* 当以固定转速工作时,气体压力的变化仅使输气量发生极微小的改变。
* 适合于便携式应用。
* 占用空间比离心式和旋转式压缩机更大。
* 高振动及脉动气流。
* 需要对气缸进行冷却和润滑。无润滑压缩机需要使用自润滑材料。
* 对低气体密度敏感。
* 维护要求高。容易发生工作故障。.

隔膜压缩机

* 通常工作转速低于580 rpm。
* 适合于不允许泄漏或者产品污染的应用场合。
* 比活塞式压缩机的输气量小。
* 高压力比。
* 低效率。
* 应慎重设计整套隔膜组以获得令人满意的使用寿命。

螺杆式压缩机

* 高工作转速(低于离心式压缩机,但是高于往复式压缩机)。
* 工作转速范围宽。
* 根据压缩机类型和尺寸,压力比可达20。在多级压缩机中,总压力比甚至超过了25。
* 效率在60% 到70%之间。
* 在非设计工况下工作时,效率降低,特别是在内部容积固定的压缩机中。
* 排放无油气体。
* 对低气体密度有些敏感。
* 允许处理的气体中含有液体和非磨蚀性灰尘。
* 气体排放温度高。

叶轮式压缩机

* 输气量中等。
* 常规压缩率,不高于2.2。干式运转高压压缩机可达4.5。
* 平稳输送无油气体。
* 对于给定的速度,输气量几乎保持恒定。
* 自动调整压力,无功率损耗。
* 能够处理任何气体。
* 允许处理的气体中含有液体。
* 能够在设计范围内的任何压力下高效工作。
* 损耗小。

滑片式压缩机

* 中等输气量。压缩率不高于2.7。
* 高转速。
* 气流平稳。
* 不需要阀门。
* 占用空间小。
* 通常需要水冷却。
* 要求强制润滑。

液环压缩机

* 中等压力和输气量。
* 特别适合于处理爆炸性或者高腐蚀性气体。
* 气流排放平稳。
* 排放的气体冷却且清洁。
* 没有摩擦零件,无需润滑。
* 要求大功率。
* 效率低。最大效率值约为48%。
* 需要供水(或者其他液体)。
* 要求良好的建造材料。

涡旋压缩机

* 低压力和输气量。
* 不需要阀门。在某些应用中使用一个动态排气阀。
* 转矩波动小。
* 噪声和振动极低。
* 比活塞式压缩机的容积效率高。
* 小型涡旋压缩机具有更高的效率。

离心式压缩机

* 工作转速高。
* 所需起动扭矩较低,就像旋转式压缩机那样。
* 输气量高。限制低,在1000 m3/h到3000 m3/h之间。
* 能够在各种输气量和压力范围内顺利工作。
* 对于单个叶轮的情况,排气压力非常有限。几乎所有的应用都需要多级压缩。
* 排气压力为低、中、高(35 MPa以上)均可, 但是其排气压力小于活塞式压缩机。
* 气流排放平稳。
* 排放无油气体。
* 即使处理肮脏的气体,仍然具有高效率。允许液流注入。
* 振动小,可以使用轻质、廉价的基座。
* 工作可靠性高。
* 维护成本低。
* 压缩机的性能对于入口气体压力、温度及分子量非常敏感。
* 压力变化会引起输气量的明显变化。
* 在有限流量下工作不稳定(波动)。

轴流压缩机

* 低压力比(最高为10),流量极高(吸气量在100,000 m3/h到900,000 m3/h之间)。
* 压缩率有限,主要是因为难以安装级间冷却装置。
* 与离心式压缩机的特点非常相似。效率更高,因为输气量大于100,000 m3/h,而排气压力不高于1.0 MPa。占用空间及重量更小。
* 不适于便携式应用(就像离心式压缩机一样)。

以上针对每种压缩机给出的数据均符合标准设计。对于特定的应用,会发现某些参数超过上述限制值。

参考文献:
[1] E. Larralde and R. Ocampo, ‘Selection of gas compressors: part 1’, World Pumps, No. 536, pp. 24–28, (May 2011).
[2] Compressed Air and Gas Institute, Compressed Air and Gas Handbook, Third Edition, New York, NY, USA, (1961).(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/8/2012)
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