往复式压缩机容积系数对排气量的影响分析

刘进文

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

引 言

往复式压缩机是石油、化工、天然气等工业行业的主要流体输送机械之一，其工作原理是依靠活塞在气缸内的往复运动与气阀的开关动作相配合，使气缸里的气体依次实现膨胀、吸气、压缩和排气四个过程，不断循环往复地将低压气体升压并连续送出[1]。压缩机的排气量(也称容积流量)在一定程度上表征了压缩机的生产能力，对于选定了的压缩机，容积系数是影响其排气量的主要因素，通过分析和讨论其对往复式压缩机排气量的影响，可以充分发挥机器潜能，提高压缩机的工作效率。

1 压缩机的结构和特点

一台大型往复式压缩机的结构大致可分为由工作腔部分、传动部分、机身部分构成的主机和润滑系统、冷却系统、分离和净化系统、调节系统、缓冲和减振系统、安全防护系统等附属系统。其中的工作腔部分为包括气缸、活塞、气阀等构成有进排气通道的封闭空间，是直接接触气体的部分；传动部分是把电动机的旋转运动转化为活塞的往复运动的部分，包括曲轴、连杆和十字头等，其中往复运动的活塞通过活塞杆与十字头相连；机身部分是用来连接工作腔部分与传动部分的零部件，包括曲轴箱、中体和中间接筒等，其上还可能安装其他附属装置。往复式压缩机的主要特点如下，工作腔的容积变化规律只取决于机构尺寸，所以机器的压力与流量关系不大，工作稳定性好；气体的吸入和排出依靠工作腔容积变化，与气体性质关系不大，故机器适应性强且易于达到较高压力；机器热效率较高；但这种压缩机结构比较复杂，其外形尺寸和重量也较大，易损件较多，气流有脉动，易引起气柱和管道振动，适用于中、低流量和压力要求较高的场合。

2 压缩机的容积系数与排气量

单级往复式压缩机的实际循环压力指示图如第57页图1所示，由于压缩机的结构、制造、装配、运转等方面的需要，实际压缩机的气缸中某些部位留有一定的空间或间隙，将这部分空间或间隙称为余隙容积。由于余隙容积Vc的存在，余隙容积Vc中残存的高压气体首先进行降压膨胀，当气缸中的压力降低到吸气管路中的名义吸气压力p1时，气缸中的气体由Vc膨胀至Vc+ΔV的4点才开始吸气如图1所示。吸气终了时，气缸的实际吸气容积为V1。由此可见，由于余隙容积Vc的存在，使气缸的实际吸气量V1比理论吸气量Vs减少了ΔV，为了反映因余隙容积的存在而使气缸行程容积Vs利用率降低的程度，引入容积系数λv[2]，容积系数λv为气缸的实际吸气量V1与理论吸气量Vs的比，即λv=V1/Vs。压缩机在单位时间内的实际排气量qv(折算到进口压力和温度状态)计算公式见式(1)。

qv=λvλpλTλLVSn

(1)

式中：λv、λp、λT、λL为容积系数、压力系数、温度系数、泄漏系数；VS为气缸行程容积，m3；n为压缩机转速，r/min。

图1 实际循环压力指示图

其中压力系数与压缩机进气阀的弹簧力和进气导压管的压力波动有关，压力系数一般根据经验选取，在气阀的弹簧力设计正确时，压力系数约为0.95～1;温度系数的大小取决于压缩机进气过程中传给气体的热量，它的选取一般根据气体性质和压缩机转速、冷却情况来选一定值，约为0.65～0.98；而泄漏系数与压缩机的实际结构有关。对于已经选定了的压缩机，在众多系数中只有容积系数有较大的可调节范围，若要调节排气量则调节其容积系数是最可行的方法。

3 容积系数的影响因素

根据气体状态方程和过程方程可以推导出容积系数的表达式见式(2)。

(2)

式中：α为相对余隙容积，α=Vc/Vs；ε为压力比，ε=p2/p1；m为膨胀过程指数，m=1.1～1.5。

由上式可知容积系数的大小取决于α、ε、m三个参数，而这三个参数的大小主要由液击现象、气缸结构、工况需要和过程不同等因数决定[3]。

3.1 相对余隙容积

当行程容积一定时，在压力比和膨胀过程指数相同的情况下，余隙容积越大，容积系数就越小，即降低了排气量，余隙容积大到一定程度时，高压气体膨胀会占据整个气缸容积，此时的气缸就不能有新的气体吸入。余隙容积的存在实际是降低了气缸的工作容积。

气缸的余隙容积主要是由位于活塞与气缸盖间的间隙、气缸与活塞之间的间隙在第一道活塞环前的部分、气缸至气阀通道、和因气阀结构所形成的剩余容积所组成。适当的气缸余隙容积可以避免活塞与缸盖发生撞击损坏，也可以起到缓冲作用，使气阀开关平稳，便于检修气缸盖及死点间隙，而且在气体压缩会有部分汽水冷凝及润滑油存在时，不留余隙也会产生液击现象，损坏机件。但余隙过大会使吸入气体量减少，降低压缩机的排气量从而降低生产能力。所以，应控制余隙容积在合理在范围。

3.2 压力比

压力比过大不仅会使压缩机气缸的容积系数减小，降低排气量，还可能使气缸的排气温度过高，影响设备的安全运行，所以一般单级压力比不超过4。

图2 压力比对容积系数的影响

3.3 膨胀过程指数

如图3所示，当其他条件相同时，膨胀过程指数m减小过程曲线会变缓，其膨胀占据的气缸容积也会变大。膨胀指数的大小取决于气体膨胀过程中传给气体热量的多少，传热量越多，膨胀指数m值越小，反之则越大。一般膨胀指数比压缩指数小，主要是因为膨胀过程单位容积气体接触到的气缸面积比压缩过程大，传给气体的热量多[4]。所以气缸冷却良好的压缩机能提高其容积系数，进而提高其排气量。

4 结语

容积系数是影响往复式压缩机排气量的主要因素，通过减小气缸余隙容积，选取合适的压力比和给压缩机气缸进行良好的冷却以获得较大的膨胀指数，都能获得较大的容积系数，从而增加排气量，提高压缩机的产能。反之，则会减少排气量，降低压缩机的工作效率，或者可能因不满足工艺条件而引起生产工况的波动甚至引起事故的发生。