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两级喷油双螺杆空压机的性能分析与提升

文章出处:人气:48发表时间:2019-12-11 16:28:25

目前企业将两级喷油压缩机,作为提升压缩机性能的主要应用手段。本文通过计算两级喷油双螺杆空压机的理论热力性能,如内容积比、容积流量、绝热效率等等,并与单级压缩机对比其计算结果,对两级压缩如何节能进行分析。
1 引言
2009年12月1日起实施GB 19153-2009《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》,其对空压机的能效等级、试验方法及检测规则进行了具体的规定,对近几年空压机产品的发展有指向作用。目前90 kW以上机组往往无法通过单级压缩达到的1级能效。有些企业采用两级压缩来提高喷油螺杆空气压缩机的能效,达一级能效。
本文通过计算两级喷油螺杆空气压缩机的理论热力性能,分析其比单级压缩能效高的原因,同时对两级压缩的设计提供可行性的建议,旨在为两级螺杆空气压缩机提供合理的设计指导。
2 绝热效率计算
按压缩机理论,压缩机的等熵绝热功率Pad可按下式计算:
(1)
式中:Pad ——压缩机的等熵绝热功率;
Ps ——压缩机的吸气压力;
Pd ——压缩机的排气压力;
k  ——被压缩气体等熵绝热指数,k=1.4;
qv ——压缩机的实际容积流量。
而实际压缩功率等于绝热功率除以绝热效率。计算公式如下:
(2)
如表1,以GB 19153-2009中水冷机组1级能效比功率,推算出了要达1级能效机组所需要的主机机体所需的绝热效率。从表中看出,各压力下,输入功率越大的1级能效机组,对绝热效率要求越高。在目前国内螺杆空压机设计与制造水平下,单级90 kW以上机组很难达到。故采用两级压缩方式提高绝热效率。
3 两级压缩的效率分析
两级压缩能提高压缩机的能效,主要基于以下两个原因:一是降低了每级的压比,从而减少每级的内外泄漏,提高了每一级的容积效率和绝热效率;二是第一级排出的油气混合物,在进入第二级吸气前,油与气体可充分混后,起到级间冷却的作用,这使得第二级压缩过程趋近等温压缩过程,提高压缩机的能效。
3.1两级的压力配比
从以往热力学理论来讲,采用等压比方式设计多级压缩机。这种分配方法在理论上能达到低耗功,提高效率。然而由于机组元器件、管路损失等原因,机体必然存在吸气和排气压力损失,导致机体实际工况的压比与理论设计存在偏差。
且实际工况下,因二级会吹孔回漏原因,中间压力会往上产生偏移,并且二级进气温度,也很大程度上影响中间压力的设计。
根据根据理想气体方程式:
(3)
由公式(1)得出两级压缩理论绝热总功率计算公式如下:
(4)
式中:
d——中间压力
本文以汉钟双电机驱动两级压缩机体做测试实验研究,机体模型如图1。通过测试数据、公式(3)和(4)计算每一级的绝热效率。将总体绝热效率、一级和二级压缩的绝热效率做成图2。
图1 汉钟双永磁电机驱动的两级压缩机体组装图
本文以8bar,90kW双电机驱动两级压缩机体做测试实验研究,机体模型如图1。测试数据如表2,通过计算,将总体绝热效率、一级和二级压缩的绝热效率做成图2。
表2 两级压缩机体的绝热效率
如图2结果显示,在不同中间压力下,两级压缩机体的绝热效率都有提升,满足1级能效机组要求;优中间压力产生偏移,中间绝对压力在3.3bar,即第一级压比与第二级压比的比值为1.21时,性能优。在理论中间压力与实际优中间压力之间,性能误差为1%以内,分析其原因:二级会吹孔泄漏引起中间压力往上偏移,后调整内压比分配比值调整为1.1验证测试,性能有提升1%。
图2  各级绝热效率图
测试两级压缩机机体的不同排气压力,记录在其佳性能点时的中间压力,并取吸气压力损失1%和排气压力损失3%,计算其理论佳中间压力,得表3。绝压0.9MPa以下的两级外压比分配比例近似等于1.2,但随着排气压力升高,二级内泄漏越大,导致外压比分配值升高,而内压比分值要略小于外压比分配值,才能机体性能达优化。
表3 不同排气下的压比分配
3.2 级间冷却
在理论上,等温压缩为压缩所耗的功是少的。所以两级压缩为降低二级吸气温度,采用中间冷却方式,使二段趋近等温压缩。现压缩机体厂家多采用级间喷油强制冷却方式。此方案相对于中间冷却器,成本更低,机组结构更紧凑。级间喷油冷却效果取决于油的换热效果。其常用手段有二种:一是增大换热温差,即降低喷油温度;二是增大换热速度,即增大油滴的表面积,其决定了热交换的速度。
标准大气压下,自然油滴的容积为30mm3左右,直径约为3.87mm,雾化较好的油滴平均直径为100~152μm。表面积增大了25.44倍。喷油雾化程度差时,油滴外表面参与了热交换,油滴内心来不及热交换,形成冷心,无助于降低二级吸气温度,在第二级压缩开始时,也无助于提升二级效率。
影响油滴的大小的因数:一是油的粘度,油滴的直径与粘度的0.215次方成正比;二是喷油孔的大小,油滴的大小与其孔径的0.4~0.65次方成正比;三是喷油压力,油滴大小与压力的0.35~0.5次方成反比;四是喷嘴的结构,好的雾化喷嘴可以得到直径约为15~60μm的油滴。
4.结论
本文通过计算喷油螺杆空气压缩机的理论热力性能,对比分析得出以下结论:
(1)两级压缩在容积效率和绝热效率上优于单级压缩。如果90 kW以上机组做一级能效,双级压缩更容易实现。
(2)两级压缩的压比分配,应考虑二级泄漏三角形对中压的影响,外压比分配值1.2左右,内压比分配值应在1.1左右。
(3)级间冷却效果有助于提升二级效率,级间喷油冷却效果主要取决于油的雾化效果。
参考文献、
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[2]. 邢子文, 华根,束鹏程等,螺杆空压机设计理论与关键技术的研究和开发[J],西安交通大学学报,2007,41(7):755-810
[3]. 李庆刚、王发忠、刘敬辉,周雷等,基于实验的螺杆式压缩机容积效率计算方法[J],制冷与空调,2012,12(1):33-35
[4]. 邢子文, 螺杆空压机——理论、设计及应用[M].北京:机械工业出版社,2000.

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