容积式压缩机,过程流体机械课件,过程装备要控制工程

(2) 级的实际循环 实际吸气量、实际循环指示功——计算
参考书: 1. 《工程热力学》 2. 《活塞式压缩机》—西安交通大学 郁永章
2.1.2 压缩机级的理论循环
假设： 工作腔内无余隙容积，汽缸内气体全部排净； 气体通过进、排气阀时无压力损失，且没有压力波
动，无热交换，吸气和排气为定值； 压缩过程和排气过程气体无泄漏； 压缩气体为理想气体，压缩过程指数为定值；压缩
pV p1V1 p2V2 MRT1 MRT2
wi
V p1 V1 p
V
p1 p
V1
循环指示功Wi
Wi
p2 Vdp
p1
J
p
3
Wi dp
4 0
2
v
1
v
v
等温过程的指示功：
Wi
p2 Vdp
p1
p2 p1V1dp p p1
Wi
p1V1 ln
p2 p1
J
p1 , p2 进、排气压力， pa V1 ,V2 进气体积、排出体积，m3
气缸盖端面与活塞端面所 留必要的安全间隙而形成的 容积；
进气、排气阀与气缸相 联通部分的容积；
第一道活塞环到活塞顶 部在活塞与气缸的径向间隙 间形成的环状容积。
余隙容积大小
*活塞端面与汽缸盖的 间隙 Vc1= 2~3 mm
*活塞侧面与第一道活 塞环之间 Vc2 =0.5~1mm
余隙容积的影响
* 余隙容积存在使得吸气过程推 迟，吸气量减少，因而压缩机 的排气量减少。压缩机的生产 能力下降；
p1V1
p2 p1
k
1
J
（3）多变过程
非等温、非绝热下的相对较实际的压缩过程。
多变压缩过程方程式： p

(2) 实际循环指示图
(3) 实际循环级的进气量
余隙容积中高压气体的膨胀占去了活塞的一部分行程，使吸进的气体减少了 ΔV1
其次由于进气过程中存在阻力，使吸气终了时汽缸内压力 pa低于名义值，若 把气体由压力Pa折合到名义值，则容积又减少了ΔV2
另外由于热交换的影响使吸入终了温度Ta高于名义值，若把气体温度Ta再折 合到名义值,则容积又减少了ΔV3
实际循环级的进气量 VS3：令折算到进口压力和温度的实际吸入容积
V s3 sV s
吸气系数（充气系数）：实际循环级的进气量 VS3与行程容积Vs的比 值称为λs。
s
V s3 Vs
吸气系数
V V s1 V s2 s s3 V V V s s1 s2
容积系数
V s1 Vs
这部分热量与壁面和气体的温差、活塞平均速度以及气体密度有关， 而壁面得温度主要取决于压力比的大小和汽缸的冷却情况，以及气 阀的结构形成式和布置等。
其二为进气过程中由于压力损伤所消耗的功，它也变 热量而加给气体。
温度系数选取：
I 区范围适用于双原子气体；大气量、或汽缸冷却良好、或进气压力损失小、或高速压 缩机可取较高值；小气量、转低速或冷式压缩机较低值；
行程容积或扫气容积 Vs
理论循环中，级所吸进的气量为活塞迎风面积Ap与其行程s的乘积，即 活塞一个行程所扫过的容积
Vs Ap s
(3) 理论循环指示功
Wi Vdp
p1 p2
等熵压缩循环指示功
k p W p V [( 2) k 1 ] i ad 11 k 1 p 1
k 1
n 1 n n p V {[ ( 1 )] 1 } 0 n 1

三 传 一 反
能量传递 动量传递 化学反应
化学过程及设备
专业内涵
学科交叉性
混合工程、反应工程、分离工程及设备——学科独有
d
学 过程机器（压缩机、风机、泵）——流体机械与工程学科 科 Evaluation only. 主 压力容器设计计算——工程力学学科 with 要Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 过程装备选材与腐蚀防护——材料科学与工程学科 内 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 容 过程装备检验——检测技术与自动化学科
过程控制技术的创新 理论基础
流程性产品制造：化学、固体力学、流体力学、热力学、机械学、
化学工程与工艺学、电工电子学和信息技术科学 硬件产品制造：侧重于固体力学、材料与加工学、机械机构学、 电工电子学和信息技术科学
专业内涵
过程装备——组成过程工业的工作母机群 由一系列过程机器和过程设备，按一定的流程方式用管 道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必 要的控制仪表和设备。
Evaluation only. 流体动力过程及设备 d with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5 过 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 传热过程及设备 热量传递
程 装 备 分 类
传质过程及设备 热力过程及设备 机械过程及设备
d
5
Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.
1954年苏联专家杜马什涅夫来华讲学，重新修订专业教学 计划 —— 化工系统自己的机械师 2019年专业调整，更名为“过程装备与控制工程”专业， 归入机械学科教学指导委员会。 （目前有85所高校开设）

技术原理
性能特点
工程应用
学习建议
化工过程流体机械
①. 掌握扎实的工程技术理论基础 流体力学、热力学、空气动力学、转子动力学等 ②. 了解较多的实践知识和工程结构 生产实习，泵与压缩机结构等 ③. 具有较强的自学思考能力 自学、思考、实践、创新，传授能力非传授知识 ④. 认真阅读掌握教材内容 “ 教与学 ” ；基础课、讲座课、综合课（学习实践应用） 学时精简，尽量重点分析总结，推导论述自学 ⑤. 认真做习题、思考题和实验 ⑥. 重视课堂笔记 读书使人充实，不读书者须有狡诈诡谲之伎俩 讨论使人敏锐，不讨论者须有通权达变之天资 笔记使人严谨，不作笔记者须有过目不忘之记忆_培根 ⑦. 注意课程教学小结和总结
课程历史
化工过程流体机械
《化工过程流体机械》课程 主要讲述在石油化工生产过程中 发挥重要作用的能量传递机械设备——流体机械 讲述流体机械结构型式、工作原理、性能特点和工程应用 课程教学目标为培养学生从事流体机械 使用维护、调节控制和设计改造工作的基本能力 达到掌握现代工程技术、增强工程实践意识 和解决工程实际问题的培养目标 实现对学生知识、能力、素质的培养要求 《化工过程流体机械》课程 2004 年 6 月授予石油大学（华东）第五次校级优质课程 2004 年11月石油大学（华东）第一次校级精品课程建设立项 2007 年 1 月通过中国石油大学校级精品课程建设项目验收
1.3.3 二十一世纪流体机械技术展望
新型流体机械研究：环保型流体机械、可再生能源流体机械 （太阳能、风、地热、海洋、生物能） 微型流体机械、高能量密度流体机械 流体机械设计理论研究： 定常附体→定常脱体涡混合→非定常脱体涡流型
§1
概述

2．流体机械在石油化工行业的应用 3．（化工）过程流体机械

化工装备技术人 才培养方案
专业教学标准
化工设备检维修 作业X证书职业技 能（中级）标准
化工检修钳工岗 位职责
《化工机器维护 检修》课程标准
行业标准知识目标能力Fra bibliotek标思政目标
（1）掌握离心泵拆装工具、 （1）能阅读流体离心泵相关技术文件；
（1）培养工匠精神、劳模精神、
检修工具的使用方法;掌握典型 （2）具备对流体机械日常检查中发现问题的能力； 劳动精神；
化工机器维护检修
课程重构
基础 入门
中阶 高阶
项目一 流体流 动认知基础
项目二 离心泵 的运行维护
熟悉化工机器基础知识。 熟悉典型化工机器的组成、结构,了解离心泵的基本 原理。在开停车过程中,根据工艺，调节化工机器。 岗 能对典型设备进行巡检，具备离心泵故障诊断能力。 能对化工机器进行安装、调试与维修,具备对设备进
流体机械拆装及清洗过程； （3）能够读懂检修方案，掌握离心泵零件装配的 （2）培养爱岗敬业核心价值观；
（2）掌握各种离心泵的作用、 基本方法及技巧；能对典型流体机械进行开停车、 （3）培养学生的自学、自律能
原理、结构特点、性能指标和 拆装、清洗、检查、故障诊断和排除，会编写检修 力并具备较好的组织协调能力和
行改造的能力。
项目三 其他类 型机泵运行维护
项目四 活塞式 压缩机运行维护
项目五 离心压 缩机运行维护
能够实施化工设备常用零部件装配、更换和调整能 够完成机泵常见故障判断与处理,进行水平度、静平 衡等的校正，能够进行设备检修现场风险识别与控 证
制处理
能进行IH\DG泵及管路的拆卸与检查。能进行IH泵及
（4）掌握离心泵常见故障的 诸如扳手、锉刀、电钻、台钻、千斤顶、卷扬机等；能力；

一 离心压缩机的典型结构
按叶片类型分类：即按叶片出口角β2A
前弯型（β
2A>90）
后弯型（β2A<90）
径 向 型（β2A＝90）
一 离心压缩机的典型结构
（4）扩压器的结构形式
扩压器一般分为无叶扩压器、叶片扩压器两种。
无叶扩压器： 由两个平行壁面
构成的环形通道。气体从叶轮中排 出，经过该环形通道时降速增压。 是一种结构最简单的扩压器， 造价低，变工况适应性好。
一 离心压缩机的典型结构
（3）离心叶轮的结构形式
一 离心压缩机的典型结构
叶轮结构分类：
闭式叶轮
半开式叶轮
双面进气叶轮
闭式叶轮：由轮盘、叶片、轮盖组成。漏气量小，效率高；但 强度低，影响了叶轮圆周速度的提高，单级压力比较低。 半开式叶轮：由轮盘和叶片组成。叶轮强度高，可获得高的单 级压力比；但漏气量大，效率低。 双面进气叶轮：流量大，叶轮轴向力可得到平衡。
叶片扩压器： 在无叶扩压器的环形
通道上，沿圆周安装均布的叶片，就构 成叶片扩压器。
具有扩压程度大、结构尺寸小的优 点；缺点是变工况性能差。
一 离心压缩机的典型结构
（5）平衡盘
轴向力产生原因：
叶轮两侧间隙内气体压力分布不对称，使作用在叶轮两侧的
力不平衡所产生的轴向力； 气体以一定速度沿轴向进入叶轮，而后改为径向流入叶轮通 道，其速度大小和方向的改变，对叶轮产生一个轴向动反力。
0' 2 2 dp c0' c0 H hyd 00' 2
其中，第一项：气体在进出口获得的静压能增量； 第二项：气体在进出口获得的动能增量； 第三项：气体的级内的流动能量损失。
级内流体的伯努利方程：

§2.2.1压缩机的热力性能和计算
②供气量 qVN（标准容积流量）
•定义：单位时间内，压缩机整个装置排出气 体体积换算为标准状态（1atm，0℃） 时的干气体容积。
•注释：供气量是用户从整个压缩机系统中真 正获得的干气体量，包括中间加入和 抽出的，不包含分离掉的冷凝水和洗 涤掉的组分。
③理论容积流量 qVh
§2.2往复压缩机热力性能和动力性能
§2.2.2压缩机的动力性能和计算
内容：
• 作用力的分析 • 惯性力、惯性力矩的平衡 • 驱动力矩、阻力矩的平衡（即飞轮矩的确定）
一. 所受力：
• 惯性力：往复质量、不平衡旋转质量造成的； • 气体力：气体压力造成的； • 摩擦力：接触面相对运动造成的； • 重力：重量造成的（忽略不计）。
n 1
Td Ta n
（2-26）
§2.2.1压缩机的热力性能和计算
2.2.1.3 排气量和供气量（ m3 / min 或m3 / s ）一、 几个概念 ①排气量 qV（容积流量或输气量）
• 定义：单位时间内，压缩机最后一级排出气体 体积换算为第1级进口状态时的容积。
• 注释：排气量是压缩机的吸入量减掉各级泄漏 到压缩机之外的剩余气量，包括分离掉 的冷凝水、洗涤掉的组分和抽气容积， 如中途有气体添加进压缩机，计算时应 扣除该部分气体容积。
qVh n VS
§2.2.1压缩机的热力性能和计算
二、排气量计算：
1. 通过测量最后一级流量计算
qV
qVd
pd Ts1 ps1 Td
Z s1 Zd
qV
qVc
（2-27）
qVd —末级排出气体量；
qVφ—分离水分，折算为第一级进口状态
qV

在第二章会详细介绍简单系统的设计与工程整定等知 识，较为详细地介绍几种复杂类型的控制系统。
12
过程装备控制技术与应用
13
过程装备控制技术与应用
1.4.4 按系统克服干扰的方法分 1.反馈控制系统（FBC） 2.前馈控制系统（FFC，属于复杂系统在第二章 详细介绍） 3.前馈-反馈控制系统（FBC-FFC）
5
过程装备控制技术与应用
§1.1.2 过程装备控制的任务和要求
过程装备控制是针对过程装备的主要参数,即温度、 压力、流量、液位、成分和物性参数进行控制。 过程装备控制要求：安全性、经济性和 稳定性。 自动控制系统的要求：稳、准、快。
控制的任务：在了解、掌握工艺流程和生产过程的 静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应 用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适 的技术手段加以实现
回顾:《机械控制工程基础》§3.5 控制系统的动 态响应指标
20
过程装备控制技术与应用
偏差积分性能指标
误差： e(t)r(t)y(t) e(t)y( )y(t)
平方误差积分性能指标(ISE) 时间平方误差积分性能指标(ITSE) 绝对误差积分性能指标(IAE) 时间绝对误差积分性能指标(ITAE)
衰减振荡过程( 0 1)
非振荡的单调过程( 1)
回顾：《机械控制工程基础》§3.4.2 二阶系统的单位阶跃 响应
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过程装备控制技术与应用
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过程装备控制技术与应用
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过程装备控制技术与应用
过渡， ):
衰减比n ：过渡过程曲线上同方向的相邻两个 波峰之比,一般用n:1表示. 回复时间(过渡过程时间、调整时间) 余差：过渡过程终了时，被控变量新的稳态值 与设定值之差。 振荡周期T：

过程流体机械 西安交通大学
三、往复压缩机热力和动力性能(4h)
3.1 压缩机的热力性能和计算 (2h) 排气压力和进、排气系统 (20min) 排气温度和压缩终了温度 (5min) 排气量和供气量 (15min) 压缩机热力分析和计算 (35min) 功率和效率 (15min)
3.2 压缩机的动力性能和计算 (2h) 压缩机中的作用力 (40<+>10min) 飞轮矩计算及分析 (20min) 惯性力及其力矩的平衡 (20min)
膨胀指数影 响
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2.3 压缩机级的工作过程-3
② 压力系数P 推导过程(按多方压缩过程)
简化表达式(p误差110—1n20v%)pp1a
影响因素
受进气阀关闭状态弹簧力影响
受进气导管中的压力波动影响
多低高在压压0.级级95取取-1小大p.0些些间1按经验pp选1a取
多级压缩气体力示 意图
多级压缩气体力对比： ➢ 吸气绝对压力1bar ➢ 排气绝对压力9bar ➢ 中间回冷完全，等压比分配 ➢ 两级较单级减少活塞力约40 ％
过程流体机械 西安交通大学
2.3 压缩机级的工作过程-11
⑵ 级数的选择 等温指示效率——理论等温循环指示功与实际循环指示功之比 单级的最佳压力比 存在等温指示效率最大的 因为过程指数与进排气损失 一定压力损失，过程指数越小，级最佳压比越高(图示)
压缩机装置示意图
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3.1 压缩机的热力性能和计算-2
前一级排出的气体要在合适的压力下被后一级全部吸 入
多级压缩机级间压力的变化和建立也服从上述规律 多级压缩机各级依次建立压力，最后是系统的背压
一台四级压缩机对1m3容积充气压力上升过程

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第 十 章 基 本 理 论
两个啮合的螺旋转子以相反方向运动，它们当中自由 空间的容积沿轴向减少，从而压缩两转子间的空气。 利用喷油来润滑和密封两旋转的螺杆，油分离器将 油与输出空气分开。 此类压缩机可连续输出流量超过400M3/MIN，压力 高达10巴。 和叶片式压缩机 相比，此类压缩机能 输送出连续的无脉动 的压缩空气。
第五部分：离心机
16 学时
4 学时
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课程目标： • 以离心泵和压缩机为切入点，将以前学过的理论知 识和工程实际应用联系起来。 • 通过英文参考资料的使用，强化英语专业书籍和文 献的阅读能力。 • 通过自学和实验进一步扩展知识面。 教学方法：
学 习 要 求 和 目 标
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1.4 流体机械的发展
第 一 章 分 类 和 应 用
• 开发新的高效节能机型
• 流体机械内部流动规律的研究与应用 • 高速转子动力学的研究与应用 • 初步统计国内石化行业还有 新型制造工艺技术的发展 30%的离心压缩机、20% 的往复压缩机从国外进口。进口较多的压缩机仍然是大 • 流体机械的自动控制 型乙烯“三机”离心式裂解气压缩机、丙烯制冷压缩机、 乙烯压缩机 。 • 流体机械的故障诊断和消除 1000万吨/年炼油厂需要压缩机30～40台， • 新建一套 参与国际竞争 新建一套100万吨/年乙烯厂需要各种压缩机40～50台。如 大型压缩机整机效率提高1％，则每年可节约运行费用 500万～800万元。
3
• 作为动力用：如风动机械、喷雾干燥、仪器仪表的控 制、刹车、炼钢及武器的发射等。
空气悬架、座椅调节装置、车门控制甚至空调的新风换气机构等 • 其它 都在使用压缩空气。涡轮增压装置也是一种空气压缩机。