氣體壓縮機的選擇--壓縮機的分類、結構和技術特性

tags: 壓縮 壓縮機    時間:2014-03-12 17:34:48
氣體壓縮機的選擇--壓縮機的分類、結構和技術特性簡介
在為一項工業應用挑選合適的壓縮機之前,必須了解這些壓縮機的分類、物理結構和技術特性。關於壓縮機的類型,目前應用於工業領域的壓縮機可以按照表2.1所示來進……
氣體壓縮機的選擇--壓縮機的分類、結構和技術特性正文

在為一項工業應用挑選合適的壓縮機之前,必須了解這些壓縮機的分類、物理結構和技術特性。
關於壓縮機的類型,目前應用於工業領域的壓縮機可以按照表2.1所示來進行分類。

關於壓縮機的設計和結構特點,應用最廣泛的往複式和離心式壓縮機可以按照下述細分標準作進一步分類。
往複式壓縮機
根據壓縮級數來分:
*單級
*多級
根據氣缸的運動來分:
*單作用(氣體僅被活塞的一側壓縮)
*雙作用(氣體被活塞的兩側壓縮)
根據平行工作的氣缸數來分:
*單缸(只有一個氣缸)
*雙缸/三缸(兩個/三個氣缸平行工作),等等
根據輸氣量來分:
*小輸氣量(最大約600m3/h)
*中輸氣量(600m3/h到1800m3/h之間)
*大輸氣量(大於1800m3/h)
根據排氣壓力來分:
*低(最大至1MPa)
*中(1MPa到8MPa之間)
*高(8MPa到100MPa之間)
*極高(大於100MPa)(超級壓縮機)
根據氣缸的布置形式分:
*卧式、立式、V型布置、W型布置、L型布置、M型布置(水平對置型)
根據所處理氣體的化學成分來分:
*空氣、氟利昂、氮氣、氨氣、氫氣、氧氣、二氧化碳等
離心式壓縮機
根據壓縮機機殼的數量來分:
*一、二、三個機殼,等等
根據轉子上的葉輪數量來分:
*一、二、三個葉輪,等等
根據壓縮機機殼的設計來分:
*水平剖分式
*垂直剖分式(筒式、管式和懸挂式)
根據流向分類:
*直列式
*具有支流的直列式
*具有級間冷卻的直列式
*雙流式
*有或無級間冷卻的背向式
根據驅動器的類型分類:
*蒸汽輪機
*燃氣輪機
*電動機
*膨脹式渦輪
根據與驅動器的聯接方式分類:
*直聯式
*帶有減速器
*帶有倍速器
*整體齒輪嚙合式
*集成電機壓縮機
還有其他的一些壓縮機分類方法,但由於它們非常特殊,故在本文中不予介紹。
工作原理
往複式壓縮機
這種壓縮機通過減小容納氣體空間的容積來達到壓縮氣體的目的。圖2.1顯示了採用橫卧式氣缸的活塞式壓縮機的截面圖。
圖2.1.橫卧式氣缸的活塞式壓縮機當活塞在氣缸內移動時,連續發生吸氣、壓縮氣體和排氣的過程。這種理想循環過程就如圖2.2所示,它假設經過吸氣閥和排氣閥時無壓降產生,吸氣和排氣均為恆壓過程,並且在排氣結束時,氣缸內無殘留氣體。
圖2.2.理想壓縮機的p-V圖
圖2.3.具有餘隙的壓縮機p-V圖圖2.3顯示的是具有一定余隙的壓縮機的p-V圖。它與圖2.2的主要差異體現在,當排氣過程結束時,有一些氣體殘留在氣缸內,在吸氣衝程的起始階段,這些氣體逐漸膨脹,阻止新氣體進入系統,直至氣缸內的壓力變得稍低於吸氣管內的壓力。容納這些氣體的空間被稱為余隙。它的存在無可避免,因為活塞頭與氣缸之間需要留有一定的間隙,還因為放置閥門也需要一定的空間。
壓縮機的容積效率(ηv)取決於余隙容積(vc)與活塞排量(vd)之比(c),壓力之比(p2/p1),以及多變指數(n),如下公式所示,該公式由帶余隙的示意圖確定:
ηv=1+c?c(p2/p1)1/n(2.1)
通常,根據壓縮機的尺寸,余隙比(c)的值在0.06到0.14之間。在大型的多級壓縮機中,該值可以低至0.025。
當壓縮因子(Z)在壓縮過程中不為常數時,應該採用下述方程式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,容積效率為壓縮機的實際輸氣量(Q)與排氣量(vd)之比:
ηv=Q/vd(1.22)
對於一台給定的壓縮機,隨著余隙增大,其容積效率和輸氣量減小。可以利用該特點來控制活塞式壓縮機內的氣體流速。
容積效率的實際值,在65%到90%之間變化,可以通過試驗測得其具體數值。影響實際容積效率值的因素包括余隙的尺寸,氣體通過密封件、閥門和活塞環的泄露程度,以及氣體在氣缸內的受熱情況。正是因為存在著這些影響,所以對方程式2.2做了一些修改,使其包含了經驗數據,以便更好地表達活塞式壓縮機的實際容積特性[2]:
ηv=0.97+c?(Z1/Z2)·c(p2/p1)1/n?GL(2.3)
其中,對於有潤滑壓縮機,GL的值為0.02?0.06,對於無潤滑壓縮機,GL的值為0.07?0.10。
但是,容積效率並不是評價壓縮機品質的可靠指標,而應評估達到期望輸氣量所需的能量消耗。
旋轉式壓縮機
這種壓縮機和往複式壓縮機的工作原理相同,但是在旋轉式壓縮機中,實現容積減小的方法是,通過轉子在壓縮機殼內的轉動來逐漸減小轉子與外殼之間的空間。
圖2.4.螺桿式壓縮機(圖片由Boge壓縮機公司提供)如今,螺桿式壓縮機(圖2.4)在眾多的正排量旋轉式壓縮機中脫穎而出。圖2.5顯示了一台工作在不同工況下的螺桿式壓縮機的典型p-V圖。通過陰陽轉子的嚙合實現壓縮。當轉子轉動時,轉子葉輪的嚙合位置從進氣孔向排氣孔移動;相應地,轉子凹坑內的氣體——容納於嚙合空間內——被壓縮並排出。無油旋轉式螺桿壓縮機完全依靠轉子與轉子,及轉子與機殼之間的間隙來防止氣缸內的受壓縮氣體從排氣口迴流至進氣口。陰陽轉子的正時齒輪同步旋轉,避免了金屬與金屬接觸,因此無需注油。
圖2.5.螺桿式壓縮機的p-V圖螺桿式壓縮機允許注入液體——通常是油——因而能夠低速工作,並實現以下三項功能:
*減小,甚至消除齒間容積公差。
*在壓縮期間使氣體冷卻。
*潤滑轉子,因此無需採用正時齒輪。
通過注油,能夠沖洗含有聚合物等物質的氣流。當螺桿式壓縮機工作在非設計工況時(圖2.5),其效率會降低,特別是當它們具有固定的容積比時。正因為如此,我們首選使用具有可變容積比的壓縮機,因為它們具有自動調節能力,能夠使非設計工況下的效率達到最大值。
離心式(渦輪壓縮機)
在離心式壓縮機中,首先利用離心力的原理增大氣體的動能,然後將動能轉化為壓縮能,從而實現氣體的壓縮。
圖2.6.離心壓縮機葉輪內的氣體運動葉輪的旋轉使其入口端形成一個低壓區(圖2.6),從而造成氣體持續從吸氣管流向葉輪葉片。在葉輪內部,離心力推動氣體從入口端流向外圍,增加了氣流速度和葉輪葉片間的氣流密度。氣體接著向機殼或者膈膜移動,機殼和膈膜都具有擴壓器,在這裡,氣體的高速被轉化為壓力。在多級壓縮機中,從初級擴壓器產生的氣體在擴壓器上導流葉片的作用下進入二級葉輪(圖2.7)。最後,被壓縮氣體到達渦殼和排氣管。在那些具有級間冷卻的壓縮機中,氣體在經過每個壓縮級或者一組壓縮級之後流過換熱器。
圖2.7.多級離心式壓縮機(圖片由美國Elliot集團提供)級間冷卻是應用得最為廣泛的一種冷卻方法,因為它會產生最接近等溫線的過程,因此從能量的角度來看,它也是最為經濟的方法。還有一種冷卻方法,它利用循環冷卻水流過膈膜內開鑿的流道來實現冷卻,但是這種解決方案使得壓縮機殼的設計和製造變得更加困難。
由驅動器為壓縮氣體所提供的有效能量實際上大於等熵壓縮所需要的能量,因為還需要一些額外的能量來克服氣體與葉輪流道、擴壓器流道以及外殼之間的摩擦,此外,還要克服葉輪浸入壓縮氣體所產生的流體摩擦力。所提供的所有額外的能量都會轉化成熱量。
軸流式壓縮機
在這種轉子動力壓縮機中,壓力的增大歸因於兩項因素的綜合作用,一是氣體流速增大,二是當轉子旋轉時,氣體流過葉片的區域同時增大。
氣體按照與壓縮機軸平行的方向進入壓縮機(圖2.8)。氣體在到達轉子葉片之後,與它們一起旋轉,同時沿軸向移動,從一排葉柵移至下一排葉柵。
圖2.8.軸流式壓縮機(圖片版權所有:NuovoPignoneSpa公司)在轉子葉柵之間還有固定葉片。固定葉片的作用是消除由轉動葉片的運動引起的氣體渦流現象,並引導氣流流向下一排轉動葉片。通常,首排定子上的葉片可調,可以利用外部設備來調節它們,以獲得更好的性能控制及更大的操作靈活性。
主要特點
下面介紹每種壓縮機的主要特點和優缺點。在為特定的應用挑選合適的壓縮機時,應該考慮到這些特點。
活塞式壓縮機
*低速(現在市場也有「高速」的往複式壓縮機,功率範圍為22kW到6700kW,與轉速為720rpm到1800rpm的原動機進行直聯)。
*排氣壓力高。
*最適合用在單級或低輸氣量的高壓應用場合。
*壓力範圍廣。
*當以固定轉速工作時,氣體壓力的變化僅使輸氣量發生極微小的改變。
*適合於攜帶型應用。
*佔用空間比離心式和旋轉式壓縮機更大。
*高振動及脈動氣流。
*需要對氣缸進行冷卻和潤滑。無潤滑壓縮機需要使用自潤滑材料。
*對低氣體密度敏感。
*維護要求高。容易發生工作故障。.
隔膜壓縮機
*通常工作轉速低於580rpm。
*適合於不允許泄漏或者產品污染的應用場合。
*比活塞式壓縮機的輸氣量小。
*高壓力比。
*低效率。
*應慎重設計整套隔膜組以獲得令人滿意的使用壽命。
螺桿式壓縮機
*高工作轉速(低於離心式壓縮機,但是高於往複式壓縮機)。
*工作轉速範圍寬。
*根據壓縮機類型和尺寸,壓力比可達20。在多級壓縮機中,總壓力比甚至超過了25。
*效率在60%到70%之間。
*在非設計工況下工作時,效率降低,特別是在內部容積固定的壓縮機中。
*排放無油氣體。
*對低氣體密度有些敏感。
*允許處理的氣體中含有液體和非磨蝕性灰塵。
*氣體排放溫度高。
葉輪式壓縮機
*輸氣量中等。
*常規壓縮率,不高於2.2。乾式運轉高壓壓縮機可達4.5。
*平穩輸送無油氣體。
*對於給定的速度,輸氣量幾乎保持恆定。
*自動調整壓力,無功率損耗。
*能夠處理任何氣體。
*允許處理的氣體中含有液體。
*能夠在設計範圍內的任何壓力下高效工作。
*損耗小。
滑片式壓縮機
*中等輸氣量。壓縮率不高於2.7。
*高轉速。
*氣流平穩。
*不需要閥門。
*佔用空間小。
*通常需要水冷卻。
*要求強制潤滑。
液環壓縮機
*中等壓力和輸氣量。
*特別適合於處理爆炸性或者高腐蝕性氣體。
*氣流排放平穩。
*排放的氣體冷卻且清潔。
*沒有摩擦零件,無需潤滑。
*要求大功率。
*效率低。最大效率值約為48%。
*需要供水(或者其他液體)。
*要求良好的建造材料。
渦旋壓縮機
*低壓力和輸氣量。
*不需要閥門。在某些應用中使用一個動態排氣閥。
*轉矩波動小。
*雜訊和振動極低。
*比活塞式壓縮機的容積效率高。
*小型渦旋壓縮機具有更高的效率。
離心式壓縮機
*工作轉速高。
*所需起動扭矩較低,就像旋轉式壓縮機那樣。
*輸氣量高。限制低,在1000m3/h到3000m3/h之間。
*能夠在各種輸氣量和壓力範圍內順利工作。
*對於單個葉輪的情況,排氣壓力非常有限。幾乎所有的應用都需要多級壓縮。
*排氣壓力為低、中、高(35MPa以上)均可,但是其排氣壓力小於活塞式壓縮機。
*氣流排放平穩。
*排放無油氣體。
*即使處理骯髒的氣體,仍然具有高效率。允許液流注入。
*振動小,可以使用輕質、廉價的基座。
*工作可靠性高。
*維護成本低。
*壓縮機的性能對於入口氣體壓力、溫度及分子量非常敏感。
*壓力變化會引起輸氣量的明顯變化。
*在有限流量下工作不穩定(波動)。
軸流壓縮機
*低壓力比(最高為10),流量極高(吸氣量在100,000m3/h到900,000m3/h之間)。
*壓縮率有限,主要是因為難以安裝級間冷卻裝置。
*與離心式壓縮機的特點非常相似。效率更高,因為輸氣量大於100,000m3/h,而排氣壓力不高於1.0MPa。佔用空間及重量更小。
*不適於攜帶型應用(就像離心式壓縮機一樣)。
以上針對每種壓縮機給出的數據均符合標準設計。對於特定的應用,會發現某些參數超過上述限制值。
參考文獻:
[1]E.LarraldeandR.Ocampo,『Selectionofgascompressors:part1』,WorldPumps,No.536,pp.24?28,(May2011).
[2]CompressedAirandGasInstitute,CompressedAirandGasHandbook,ThirdEdition,NewYork,NY,USA,(1961).    
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