化工厂所用的压缩机主要有往复式和离心式两大类。

往复式压缩机的基本结构和工作原理与往复泵相似。但因为气体的密度小,可压缩,故压缩机的吸入和排出活门必须更加灵巧精密;为移除压缩放出的热量以降低气体的温度,必须附设冷却装置。

图722为单作用往复式压缩机的工作过程。当活塞运动至气缸的最左端(图中A点),压出行程结束。因为机械结构上的原因,活塞虽已达行程的最左端,但是气缸左侧还有一些容积,称为余隙容积。由于余隙的存在,吸入行程开始阶段为余隙内压强为p 2的高压气体膨胀过程,直至气压降至吸入气压p 1(图中B点)吸入活门才开启。压强为p 1的气体被吸入缸内。在整个吸气过程中,压强p 1基本保持不变,直至活塞移至最右端(图中C点),吸入行程结束。当压缩行程开始,吸入活门关闭,缸内气体被压缩。当缸内气体的压强增大至稍高于p 2(图中D点)排出活门开启,气体从缸体排出,直至活塞移至最左端,排出过程结束。

由此可见,压缩机的一个工作循环是由膨胀、吸入、压缩和排出四个阶段组成的。四边形ABCD所包围的面积,为活塞在一个工作循环中对气体所做的功。

根据气体和外界的换热情况,压缩过程可分为等温(CD″)、绝热(CD′)和多变(CD)三种情况。由图可见,等温压缩消耗的功最小,因此压缩过程中希望能较好冷却,使其接近等温压缩。实际上,等温和绝热条件都很难做到,所以压缩过程都是介于两者之间的多变过程。如不考虑余隙的影响,则多变过程出口气温T 2和一个工作循环所消耗的外功W分别为

和

式(7-33)和式(7-34)说明,影响排气温度T 2和压缩功W的主要因素是:

(1)压缩比越大,T 2和W也越大。

(2)压缩功W与吸入气体量(即式中的p 1V C)成正比。

(3)多变指数k越大则T 2和W也越大。压缩过程的换热情况影响k值,热量及时全部移除,则为等温过程,相当于k=1;完全没有热交换,则为绝热过程,k=γ;部分换热则1< k<γ。值得注意的是γ大的气体k也较大。空气、氢气等γ=1,而石油气则γ=1.2左右,因此在石油气压缩机用空气试车或用氮气置换石油气时,必须注意超负荷及超温问题。

式中,k称为多变指数,为一实验常数;V C为吸入容积。

压缩机在工作时,余隙内气体无益地进行着压缩膨胀循环,且使吸入气量减少。余隙的这一影响在压缩比p 2/p 1大时更为显著。当压缩比增大至某一极限值时,活塞扫过的全部容积恰好使余隙内的气体由p 2膨胀至p 1,此时压缩机已不能吸入气体,即流量为零。这是压缩机的极限压缩比。此外,压缩比增高,气体温升很高,甚至可能导致润滑油变质,机件损坏。因此,当生产过程的压缩比大于8时,尽管离压缩极限尚远,也应采用多级压缩。

图7 -23为两级压缩机示意图。在第一级中气体沿多变线ab被压缩至中间压强p,以后进入中间冷却器等压冷却到原始温度,体积缩小,图中以bc线表示。在第二级压缩中,从中间压强开始,图中以cd线表示。这样,由一级压缩变为两级压缩后,其总的压缩过程较接近于等温压缩,所节省的功为阴影面积bc d d′所代表。-5　某工艺需将20℃,0.1 MPa(绝)的原料气压缩至1 MPa(绝),入口气体流量为1 m3/s。压缩过程的多变指数k=1.25,试求下列两种情况下的出口温度T 2和所需消耗的外功功率:(1)一级压缩,压缩比为10;(2)二级压缩,气体在离开第一级后被冷却至20℃再进入第二级,每级的压缩比均为10。

在多级压缩中,每级压缩比减小,余隙的不良影响减弱。

往复压缩机的产品有多种,除空气压缩机外,还有氨气压缩机、氢气压缩机、石油气压缩机等,以适应各种特殊需要。

往复式压缩机的选用主要依据生产能力和排出压强(或压缩比)两个指标。生产能力用m3/min表示,以吸入常压空气来测定。在实际选用时,首先根据所输送气体的特殊性质,决定压缩机的类型,然后再根据生产能力和排出压强,从产品样本中选用适用的压缩机。

与往复泵一样,往复式压缩机的排气量也是脉动的。为使管路内流量稳定,压缩机出口应连接气柜。气柜兼起沉降机作用,气体中夹带的油沫和水沫在气柜中沉降,定期排放。为安全起见,气柜要安装压力表和安全阀。压缩机的吸入口需装过滤器,以免吸入灰尘杂物,造成机件的磨损。

例7

解　(1)由式(7-33)和式(7-34)得

(2)因两级入口温度、气体质量流量、压缩比相同,则出口温度和功率消耗也相同

比较计算结果可知,多级压缩可以降低功率消耗和气体出口温度。

离心式压缩机又称为透平压缩机,其工作原理与离心鼓风机完全相同,离心式压缩机之所以能产生高压强,除级数较多外,更主要的是采用高转速。例如,国产DA220—71型离心压缩机,进口为常压,出口约为1 MPa左右,其转速高达8 500 r/min,由汽轮机驱动。为获得更高的压强,叶轮的转速必须更高。

与往复式压缩机相比,离心式压缩机具有体积小、质量轻、运转平稳、操作可靠、调节容易、维修方便、流量大而均匀、压缩气可不受油污染等一系列优点。因此,近年来在化工生产中,往复式压缩机已越来越多地为离心式压缩机所代替。例如,在规模为1 000吨/天以上的大型合成氨厂,离心式压缩机在25~30 MPa使用获得圆满成功。离心式压缩机的缺点是:制造精度要求高,当流量偏离额定值时效率较低。