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  第 13 节


压缩机和膨胀机

  图 13-1

  术语



R = R = R=\mathrm{R}= 通用气体常数 = 8.314 kPa ( abs ) ⋅ m 3 kmole ⋅ K = 8.314 kPa ( abs ) ⋅ m 3 kmole ⋅ K =8.314(kPa(abs)*m^(3))/(kmole*K)=8.314 \frac{\mathrm{kPa}(\mathrm{abs}) \cdot \mathrm{m}^{3}}{\mathrm{kmole} \cdot \mathrm{K}}
= 213.6 kg ⋅ m kmole ⋅ K = 213.6 kg ⋅ m kmole ⋅ K =213.6((kg)*(m))/(kmole*K)=213.6 \frac{\mathrm{~kg} \cdot \mathrm{~m}}{\mathrm{kmole} \cdot \mathrm{K}}
= 8.314 kJ kmole ⋅ K = 8.314 kJ kmole ⋅ K =8.314((kJ))/(kmole*K)=8.314 \frac{\mathrm{~kJ}}{\mathrm{kmole} \cdot \mathrm{K}}

r = r = r=\mathrm{r}= 压缩比， P 2 / P 1 P 2 / P 1 P_(2)//P_(1)\mathrm{P}_{2} / \mathrm{P}_{1}
   s = s = s=\mathrm{s}= 熵， kJ / ( kg ⋅ K ) kJ / ( kg ⋅ K ) kJ//(kg*K)\mathrm{kJ} /(\mathrm{kg} \cdot \mathrm{K})
   SM = SM = SM=\mathrm{SM}= 浪涌余量

SVR = = == 标准容积率 m 3 / h m 3 / h m^(3)//h\mathrm{m}^{3} / \mathrm{h} 测量值

在 101.325 千帕（绝对压力）和 15 ∘ C 15 ∘ C 15^(@)C15^{\circ} \mathrm{C}

冲程 = = == 活塞运动长度，毫米

T = T = T=\mathrm{T}= 绝对温度，开氏度

T c = T c = T_(c)=\mathrm{T}_{\mathrm{c}}= 临界温度，K

T R = T R = T_(R)=\mathrm{T}_{\mathrm{R}}= 降低温度， T / T c T / T c T//T_(c)\mathrm{T} / \mathrm{T}_{\mathrm{c}}
   t = t = t=\mathrm{t}= 温度， ∘ C ∘ C ^(@)C{ }^{\circ} \mathrm{C}

U = U = U=\mathrm{U}= 叶轮尖端速度

V = V = V=\mathrm{V}= 比容， m 3 / kg m 3 / kg m^(3)//kg\mathrm{m}^{3} / \mathrm{kg}
   v = v = v=\mathrm{v}= 速度 m / s m / s m//s\mathrm{m} / \mathrm{s}

VE = 容积效率，百分比
   W = W = W=\mathrm{W}= 工作， N ⋅ m N ⋅ m N*m\mathrm{N} \cdot \mathrm{m}

w = w = w=\mathrm{w}= 质量流量， kg / h kg / h kg//h\mathrm{kg} / \mathrm{h}

X = X = X=\mathrm{X}= 温升系数
   y = y = y=\mathrm{y}= 摩尔分数

Z = Z = Z=\mathrm{Z}= 压缩系数

Z avg = Z avg  = Z_("avg ")=Z_{\text {avg }}= 平均压缩系数 = ( Z s + Z d ) / 2 = Z s + Z d / 2 =(Z_(s)+Z_(d))//2=\left(Z_{s}+Z_{d}\right) / 2

η = η = eta=\eta= 效率，以十进制表示
   ρ = ρ = rho=\rho= 密度， kg / m 3 kg / m 3 kg//m^(3)\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}

  下标

  avg = 平均值
  d = 排放量
   g = g = g=\mathrm{g}= 气体

是 = = == 等熵过程

L = L = L=\mathrm{L}= 用于计算或合同的标准条件
   m = m = m=\mathrm{m}= 机械
   p = p = p=\mathrm{p}= 多向过程

S = S = S=\mathrm{S}= 标准状态，通常为 101.325 千帕（绝对值）， 15 ∘ C 15 ∘ C 15^(@)C15^{\circ} \mathrm{C}
   s = s = s=\mathrm{s}= 吸力

t = t = t=\mathrm{t}= 总计或总体
   1 = 1 = 1=1= 入口条件
   2 = 2 = 2=2= 出口条件


压缩机和膨胀机用词和短语的定义


绝对压力：从绝对真空中测得的压力。它等于气压和压力表压力的代数和。

静压：以不受气流速度影响的方式测量气体中的压力。它是以与气流相同速度运动的测量仪器所显示的压力，也是定义流体热力学状态时作为属性使用的压力。

停滞（总）压力：当运动气流静止，其动能通过从流动状态到停滞状态的等熵压缩转换为焓升时，在停滞点测得的压力。通常用冲击管测量压力。在静止的气体中，静压和滞压在数值上相等。

速度压力（动态压力）：气流中的停滞压力减去静态压力。一般通过皮托管的压差读数来测量压力

绝对温度：高于绝对零度的温度。它等于摄氏度加 273.15，用开尔文度表示。

静态温度：以与流体流相同速度移动的测量仪器所显示的温度。它是用于定义气体热力学状态的温度属性。

停滞（总）温度：如果气流处于静止状态，其动能通过从流动状态到停滞状态的等熵压缩过程转化为焓升，则在停滞点测得的温度。

压缩机的容量：（实际流量）是指根据压缩机入口处的压力、温度和气体成分条件压缩和输送气体的体积流量。

标准或正常流量：在某些 "标准 "条件下的流速，例如 60 ∘ F 60 ∘ F 60^(@)F60^{\circ} \mathrm{F} 和 14.7 psia（美国标准）或 15 ∘ C 15 ∘ C 15^(@)C15^{\circ} \mathrm{C} 和 101.325 kPa（GPA-SI 标准）。

质量流量：以质量单位表示的流速。

等熵压缩：指可逆绝热压缩过程。

等熵功（压头）：在等熵压缩过程中，将单位质量的气体从入口压力和温度压缩到排出压力所需的功。

等熵功率：定义为等熵压缩所需的功率，以及从压缩机入口条件到压缩机排气压力的压缩机容量。

等熵效率：等熵功与压缩过程所需功耗的比值。

多向压缩：压缩机入口和排气条件之间的可逆压缩过程，其路径是，在路径上的任意两点之间，输入的可逆功与上升的焓之比恒定不变。换句话说，压缩过程被描述为无数个等熵压缩步骤，每个步骤之后都有等压热量补充。结果是一个理想的可逆过程，其吸气压力、排气压力、吸气温度和排气温度与实际过程相同。

多向功（压头）：在多向压缩过程中压缩单位质量气体所需的可逆功。

多极效率：多极压缩过程中多极功除以焓变的恒定比率。

  压缩机


根据不同的应用，压缩机分为正排量型、动力型和热力型（图 13-2）。

容积式分为两个基本类别：往复式和旋转式。

往复式压缩机由一个或多个气缸组成，每个气缸都有一个活塞或柱塞，活塞或柱塞来回运动，每次冲程都会产生正容积。

隔膜压缩机使用液压脉冲柔性隔膜来置换气体。

旋转式压缩机包括叶片式、螺杆式、叶片式和液环式，每种压缩机都有一个带有一个或多个旋转元件的机壳，这些旋转元件或相互啮合（如叶片或螺杆），或在每次旋转时排出固定的体积。

动态类型包括径向流（离心式）、轴向流和混流式机器。它们是旋转式连续流压缩机，其中的旋转元件（叶轮或叶片

转子）在气体通过元件时对其进行加速，将速度压头转化为静压，一部分在旋转元件中，一部分在静止的扩散器或叶片中。

喷射器是一种 "热 "压缩机，利用高速气体或蒸汽喷射夹带流入的气体，然后在扩散器中将混合物的速度转换为压力。

图 13-3 列出了市售类型压缩机的正常工作范围。

与往复式压缩机相比，离心式压缩机的优势在于

  1. 在压力和流量条件有利的情况下，降低首次安装成本、

  2. 降低维护成本、

  3. 提高服务的连续性和可靠性、

  4. 活动部件和易损部件较少，因此操作时无需过多关注、

  5. 连续流装置，因此单位地块面积的容量更大、

  6. 适应高速、低维护成本的驱动器。

与离心机相比，往复式压缩机的优势在于

  1. 容量和压力范围更加灵活、

  2. 压缩机效率更高，动力成本更低、

  3. 能够提供更高的压力、

  4. 能够处理较小的体积、

  5. 对气体成分和密度的变化不太敏感。


往复式压缩机


每台往复式压缩机的额定功率从零点几千瓦到超过 30000 千瓦不等。在气体处理过程中，使用大于 7500 kW 的设备并不多见。压力范围从吸气时的低真空到 207000 千帕，特殊工艺压缩机的排气压力更高。

往复式压缩机分为单级和多级两种。级数由总压缩比决定。每级压缩比（和阀门寿命）一般受排气温度的限制，通常不超过 4，但小型设备（间歇工作）的压缩比可高达 8。

气瓶一般都带润滑油，但也可根据需要采用无润滑油设计；例如氮气、氧气和仪表空气。

在多级机器上，级与级之间通常装有中间冷却器。中间冷却器是一种热交换器，用于去除气体中的压缩热，并将其温度降至与压缩机入口处的温度相近。这种冷却方式可减少进入高压气缸的实际气体量，降低压缩所需的功率，并将温度控制在安全运行范围内。

往复式压缩机应供应清洁气体，因为它们无法令人满意地处理气体中可能夹带的液体和固体颗粒。液体和固体颗粒容易破坏气缸润滑，缩短气阀寿命并导致过度磨损。液体是不可压缩的，它们的存在会对压缩机气缸或机架部件造成严重损坏。

往复式压缩机的设计通常符合以下行业标准规格之一：

API 标准 618 "用于石油、化工和天然气工业服务的往复式压缩机"。

ISO 标准 13631：2002，"石油和天然气工业--成套往复式压缩机"。

低速至中速压缩机（通常为 300-700 rpm）历来用于炼油厂和化工厂，也可用于天然气厂。它们通常由电机驱动。这些压缩机通常按照 API 标准 618 "用于石油、化工和天然气工业服务的往复式压缩机 "进行应用。

中高速压缩机，通常为 600-1800 rpm 的成套可分离式压缩机，用于现场气体压缩、中游压缩、气体工厂和干线压缩。这些设备通常由气体发动机或电动机驱动。这些压缩机的应用通常符合 ISO 标准 13631。
  图 13-2
  压缩机类型