氣閥對往復(fù)壓縮機(jī)排氣量的影響研究

潘樹林，張?jiān)品?，吳菊靳，歐勝芳

(1.湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000；2.浙江浙歐氣閥制造有限公司，浙江 溫州 325006)

1 引言

在石化、化工與化肥等流程工業(yè)中，往往需要壓縮機(jī)。往復(fù)壓縮機(jī)具有效率高同時(shí)適用介質(zhì)、工作壓力及排氣量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此在流程工業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1]。在許多流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)工藝中，從原料到成品必須經(jīng)過一個(gè)氣體壓縮流程，這種情況下，壓縮機(jī)的排氣量直接影響企業(yè)的產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)壓縮機(jī)排氣量不足時(shí)，傳統(tǒng)的應(yīng)對辦法包括：對壓縮機(jī)活塞環(huán)與填料等密封件進(jìn)行檢修或技術(shù)改造、減小壓縮機(jī)余隙容積或擴(kuò)缸、改變壓縮機(jī)運(yùn)行工況等[2]，較少考慮氣閥對壓縮機(jī)排氣量的影響并對氣閥進(jìn)行技術(shù)改造。近年來，隨著壓縮機(jī)領(lǐng)域技術(shù)人員對氣閥的研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)氣閥影響往復(fù)壓縮機(jī)排氣量。當(dāng)排氣量低于設(shè)計(jì)值時(shí)，分析氣閥存在的問題，通過對氣閥進(jìn)行技術(shù)改造，從而有效提升壓縮機(jī)的排氣量[3]。

壓縮機(jī)排氣量等于容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù)、行程容積及轉(zhuǎn)速的乘積[2]。氣閥對壓縮機(jī)排氣量的影響體現(xiàn)為：氣閥影響壓縮機(jī)的容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)及泄漏系數(shù)[3]，本文對此進(jìn)行系統(tǒng)闡述，并通過實(shí)例表明，氣閥對壓縮機(jī)排氣量存在較大影響。

2 氣閥對壓縮機(jī)容積系數(shù)的影響

氣閥的余隙容積計(jì)入壓縮機(jī)的余隙容積，從定性角度看，氣閥存在余隙容積使壓縮機(jī)容積系數(shù)和排氣量下降，這點(diǎn)為壓縮機(jī)領(lǐng)域技術(shù)人員所公認(rèn)，但實(shí)踐中更多的時(shí)候需要定量計(jì)算氣閥余隙容積對壓縮機(jī)排氣量的影響。

壓縮機(jī)工作介質(zhì)為理想氣體時(shí)，壓縮機(jī)容積系數(shù)計(jì)算公式如下[1]

(1)

式中λv——容積系數(shù)

α——相對余隙容積

ε——名義壓力比

m——膨脹過程指數(shù)

取m=1.2，λv隨α、ε變化關(guān)系如表1。從表1中可以看出，當(dāng)壓比為3，相對余隙容積由0.075下降到0.07時(shí)，容積系數(shù)由0.8876提升至0.8951，容積系數(shù)提升了約0.84%。當(dāng)壓比為6，相對余隙容積由0.145下降到0.14時(shí)，容積系數(shù)由0.4996提升至0.5169，容積系數(shù)提升了約3.46%。

表1 λv隨α、ε變化關(guān)系

對大型壓縮機(jī)而言，一級的壓比、相對余隙容積較小，通過降低一級氣閥余隙容積來提升容積系數(shù)與排氣量的效果不明顯。相對而言，當(dāng)微型、小型壓縮機(jī)一級的壓比、余隙容積較大時(shí)，通過降低一級氣閥余隙容積來提升容積系數(shù)與排氣量的效果較為明顯。

3 氣閥對壓縮機(jī)壓力系數(shù)的影響

壓力系數(shù)為吸氣終了壓力與名義吸氣壓力之比。假設(shè)吸氣閥在接近活塞止點(diǎn)時(shí)關(guān)閉，閥片與閥座密封邊完全貼合，活塞達(dá)到止點(diǎn)位置時(shí)閥片兩側(cè)壓差力正好等于所受彈簧力，則

(2)

式中λp——壓力系數(shù)

∑F′——壓在閥片上彈簧總剛度，N/m

H0——彈簧預(yù)壓縮量，m

∑d——閥座各流道中徑之和，m

b——閥座通道寬度，m

c——閥座密封邊寬度，m

ps——為名義吸氣壓力，Pa

由式(2)可知，壓力系數(shù)與壓在閥片上的彈簧力有關(guān)。當(dāng)彈簧力變大時(shí)，壓力系數(shù)變小。壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，通常先憑經(jīng)驗(yàn)選取壓力系數(shù)，計(jì)算所需的行程容積，而后進(jìn)行氣閥設(shè)計(jì)，因此常有選取的壓力系數(shù)與實(shí)際壓力系數(shù)不符的情況出現(xiàn)。某6M40-235/157二氧化碳壓縮機(jī)一級吸氣壓力為0.105 MPa(A)，吸氣閥壓在閥片上彈簧總剛度為32 N/mm，彈簧預(yù)壓縮量為3.6 mm，閥座有8個(gè)流道，各流道中徑之和為1.144 m，閥座通道寬度為4.5 mm，閥座密封邊寬為1.25 mm，由式(2)計(jì)算得該壓縮機(jī)一級壓力系數(shù)實(shí)際僅為0.947。由于該壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一級壓力系數(shù)選為0.97，這導(dǎo)致壓縮機(jī)實(shí)際排氣量低于設(shè)計(jì)值。

4 氣閥對壓縮機(jī)泄漏系數(shù)的影響

氣閥對壓縮機(jī)泄漏系數(shù)的影響主要體現(xiàn)為氣閥的氣密性對泄漏系數(shù)的影響以及氣閥運(yùn)動規(guī)律對泄漏系數(shù)的影響[4]。

由于閥片與閥座密封面存在平面度公差，關(guān)閉狀態(tài)下閥片與閥座密封面之間存在微小間隙，產(chǎn)生泄漏從而影響壓縮機(jī)排氣量。在有油壓縮機(jī)內(nèi)，潤滑油粘附在閥片表面、閥座密封面，使泄漏面積減小，壓縮機(jī)泄漏系數(shù)增大。近年來，隨著特種工程塑料PEEK的廣泛應(yīng)用，壓縮機(jī)氣閥越來越多采用PEEK材料閥片。塑料閥片的平面度公差較金屬閥片大，剛裝入壓縮機(jī)時(shí)泄漏較大，經(jīng)過一段時(shí)間跑合后，氣閥氣密性可得到較大幅度提升，使壓縮機(jī)排氣量增大。

良好的氣閥運(yùn)動規(guī)律要求氣閥及時(shí)關(guān)閉，當(dāng)氣閥彈簧力過小時(shí)，氣閥出現(xiàn)延遲關(guān)閉，如圖1所示。當(dāng)吸氣閥出現(xiàn)延遲關(guān)閉時(shí)，氣缸內(nèi)氣體回流至吸氣腔內(nèi)；當(dāng)排氣閥出現(xiàn)延遲關(guān)閉時(shí)，排氣腔內(nèi)的氣體回流至氣缸內(nèi)。這兩種情況均相當(dāng)于泄漏，使得壓縮機(jī)泄漏系數(shù)與排氣量下降。

圖1 延遲關(guān)閉型氣閥運(yùn)動規(guī)律

5 氣閥對壓縮機(jī)溫度系數(shù)的影響

壓縮機(jī)理論循環(huán)時(shí)，氣流流過吸氣閥沒有壓力降與功耗，流入氣缸內(nèi)的氣體推動功全部用于活塞對外做功，吸氣過程中氣缸內(nèi)氣體溫度保持不變，與吸氣腔內(nèi)氣體溫度一致。壓縮機(jī)實(shí)際循環(huán)時(shí)，由于氣流流過吸氣閥存在壓力降與功耗，導(dǎo)致活塞對外做功下降，活塞對外做功下降值等于吸氣閥的功耗。運(yùn)用熱力學(xué)第一定律分析可得，吸氣閥的功耗使得氣缸內(nèi)氣體熱力學(xué)能與溫度上升，壓縮機(jī)溫度系數(shù)下降。吸氣閥功耗越大，壓縮機(jī)溫度系數(shù)越小[4]。

吸氣閥工作過程中，氣體從吸氣腔流入氣缸內(nèi)，假定氣體密度不變，經(jīng)吸氣閥流入氣缸的氣體體積等于活塞掃過的容積，則[5]

(3)

式中 Δpsv——吸氣閥的壓力降，N/m2

ρs——流過吸氣閥的氣體密度，kg/m3

vsv——閥隙平均流速，m/s

θ——曲軸轉(zhuǎn)角，rad

γ——曲柄半徑與連桿長度之比

吸氣閥的功耗為[6]

(4)

式中Ws——吸氣閥的功耗，J

θ0——吸氣閥開啟角，rad

θd——吸氣閥關(guān)閉角，rad

Ap——活塞面積，m2

S——行程，m

吸氣閥功耗使得吸氣終了時(shí)氣體溫升為

(5)

式中 ΔTs——吸氣閥功耗導(dǎo)致的氣體溫升，K

Ms——吸入氣缸的氣體質(zhì)量，kg

cv——?dú)怏w的定容比熱容，J/(kg·K)

式(3)、式(4)及式(5)中，閥隙平均流速為[1]

(6)

式中vm——活塞平均速度，m/s

Ns——同側(cè)吸氣閥數(shù)量

Ase——單個(gè)吸氣閥的有效通流面積，m2

式(5)中吸入氣缸的氣體質(zhì)量與吸氣狀態(tài)下氣體密度、活塞面積及行程成正比，因此吸氣終了時(shí)，由氣閥功耗導(dǎo)致的溫升主要與閥隙平均流速、氣體定容比熱容等相關(guān)。當(dāng)氣閥有效通流面積設(shè)計(jì)得過小或壓縮機(jī)運(yùn)行過程中氣閥嚴(yán)重堵塞時(shí)，閥隙平均流速與吸氣閥功耗過大，導(dǎo)致吸氣終了時(shí)氣缸內(nèi)氣體溫度過高，壓縮機(jī)溫度系數(shù)與排氣量過小。

6 氣閥對壓縮機(jī)排氣量的影響實(shí)例

某化工企業(yè)6M50-308/314氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)其排氣量不足，由此導(dǎo)致合成氨達(dá)不到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。該壓縮機(jī)采用7級，轉(zhuǎn)速為333 r/min，行程為400 mm，一級缸徑為1340 mm，活塞桿直徑為110 mm。一級氣缸蓋側(cè)、軸側(cè)分別配吸氣閥、排氣閥各5組，氣閥為閉式結(jié)構(gòu)，其安裝直徑為325 mm，外緣直徑為340 mm。

6M50-308/314氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)一級原采用菌狀閥，每組氣閥的閥片數(shù)及彈簧數(shù)均為60，氣閥升程為3 mm。菌狀閥閥座、升程限制器氣流通道為圓孔，由于圓孔通道布置型式所形成的總通流面積要小于環(huán)形通道結(jié)構(gòu)的總通流面積[2]，因此菌狀閥通流面積較小，氣閥功耗大，一級溫度系數(shù)小。由于氣流流過菌狀閥時(shí)，阻力較大，閥片兩側(cè)壓差較大，導(dǎo)致閥片所受氣流推力較大，所需匹配的氣閥彈簧力也較大，因此一級壓力系數(shù)較小。菌狀閥閥片數(shù)量大，因加工及氣流偏吹等原因開啟、關(guān)閉步調(diào)很不一致，同時(shí)當(dāng)工作介質(zhì)中粉塵、焦油等雜質(zhì)較多時(shí)，氣閥易于堵塞[7]。堵塞后的菌狀閥清洗及檢修困難，氣閥氣密性較難保證，因此一級泄漏系數(shù)較小。

改造后的6M50-308/314氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)一級氣閥為大通道環(huán)狀閥。環(huán)狀閥片數(shù)為6，閥片材料采用PEEK，氣閥升程為3.6 mm。氣閥彈簧數(shù)為54，單個(gè)彈簧的剛度為0.7 N/mm。改造后氣閥抗堵塞性能與氣密性較好，且易于清洗及檢修[7]。氣閥改造設(shè)計(jì)過程中，通過軟件分析計(jì)算氣閥運(yùn)動規(guī)律、功耗等氣閥特性[6]，優(yōu)化影響壓縮機(jī)排氣量的氣閥參數(shù)。

6M50-308/314氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)一級設(shè)計(jì)工況、一級氣閥改造前后實(shí)際工況如表2。從表2中可看出，一級氣閥改造后，在一級排氣壓力上升的情況下，一級排氣溫度大幅下降，這表明改造后的一級氣閥功耗大幅下降[8]。

表2 6M50-308/314氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)一級工況

多級壓縮機(jī)二級工作狀況正常的情況下，可以根據(jù)一級壓比的變化近似計(jì)算壓縮機(jī)排氣量的變化。6M50-308/314氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)一級氣閥改造前后當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?.1 MPa，得壓縮機(jī)排氣量的相對變化量為[8]

(7)

式中λQ——排氣量的相對變化量

ε1——?dú)忾y改造前一級實(shí)際壓比

7 結(jié)論

氣閥影響壓縮機(jī)容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)及泄漏系數(shù)，從而影響壓縮機(jī)排氣量。壓縮機(jī)設(shè)計(jì)或?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)，應(yīng)充分考慮氣閥對壓縮機(jī)排氣量的影響。當(dāng)氣閥有效通流面積過小或是嚴(yán)重堵塞時(shí)，氣閥功耗過大導(dǎo)致壓縮機(jī)溫度系數(shù)與排氣量過小。