空压机内部受热学进程和它对放气度数的制约剖析

　　1往复压缩机中的热交换分析

　　对于工艺流程用压缩机，由于被压缩气体的温度较低（<150℃），再加上含量高的氢气没有发射和吸收辐射能的能力等原因，我们不考虑气体与固体间的辐射换热。下面的讨论均基于对流换热。

　　1.1吸、排气腔内的换热

　　气体进入吸气腔后，主要通过吸、排气腔隔离壁，吸收从排气腔高温气体传来的热量，因而气体的温度会升高；而气体进入排气腔后正好相反，一方面将大部分换热量传给吸气腔中的低温吸气，一方面还将小部分换热量散向大气。

　　这部分换热综合起来对压缩机排气温度的影响较小。

　　1.2吸、排气阀通道内的换热

　　目前用在氢压机上的气阀一般有两类，一类是网状阀（如奥地利HOERBIGER气阀，金属或非金属PEEK阀片），一类是菌状阀（如美国DRESSERAND，POPPET阀），气阀的流速较大（网状阀一般为几十米每秒，POPPET阀可达一百多米每秒），热交换时间短；且气阀通道的换热面积较小，故这部分换热综合起来对压缩机排气温度的影响更小。

　　1.3气缸内的换热

　　这部分换热是影响压缩机排气温度的关键因素，本文将主要分析此部分的热交换对排气温度的影响。

　　因为被压缩的气体与缸壁、缸盖、活塞、活塞杆等零部件之间存在温差，产生了对流换热，文献给出气体与缸壁、缸盖、活塞、活塞杆等表面换热量的一般表达式。

　　与气体接触的气缸镜面面积F 1，气缸盖表面面积F 2，活塞活塞杆表面面积F 3与气体的换热量d

　　气体与整个接触面F的换热量相应的缸壁，活塞、活塞杆等表面的平均温度，K；αDDD相应的气体与缸壁、缸盖、活塞、活塞杆等表面的平均换热系数，W/（m 2 K）；TDDD相应的气体温度，K.

　　换热系数α的计算方法本文不详述，请参见文献。

　　F i为活塞位移的函数，T i的确定很复杂，没有通用计算公式，需用试验确定。

　　T i与压缩机的功率，压缩比，气缸尺寸，冷却水温度，冷却水流速，吸气温度，转速等因素有关。

　　目前对换热量d Q进行定量计算较困难，但是可对换热量d Q进行理论分析。d Q的变化对排气温度的影响至关重要。

　　2缸内工作过程及影响排气温度的因素

　　2.1气缸工作过程的热力学过程

　　气缸的控制容积及其能量平衡关系见图1，文献推导出气缸内理想气体的热力学**定律表达式中：pDDD气体压力，N/m 2；vDDD气体比容，m 3 /kg；VDDD缸内气体容积，m 3；TDDD气体温度，K；nDDD过程指数；QDDD气体与外界换热量，气体由外界吸热取正号，气体向外界放热取负号，J；WDDD气体对外界所做功，气体向外界做功取正号，外界向气体做功取负号，J；c pDDD定压热容，J/（kg？K）；c vDDD定容热容，J/（kg？K）；RDDD气体常数，J/（kg？K）；MDDD气体质量，kg；svo，dviDDD吸气阀出口，排气阀入口；uDDD气体流速，m/s；tDDD时间，s.

　　为了更好的分析，现把缸内的工作过程分成4个阶段叙述如下：①吸气阶段

　　（常数），故得到吸气阶段的表达此阶段进入的气体温度一般比接触的固体表面温度T i低，因而气体会吸收热量，d Q /d t >0，同时气体推动活塞做功，d W /d t >0，一般d T / d t >0且比绝热时大，气体温度比绝热时会提高。参，d→a为实际过程，d→a 1为绝热过程。

　　②压缩阶段，故得到压缩阶段的表达式压缩的开始段，外界对气体做功，d W /d t <0，同时气体温度一般比接触的固体表面温度T i低，此时气体将吸收热量，d >0且比绝热时大，故气体温度会比绝热时提高。

　　并且β<0，过程指数可知此段为多变过程且气体温度比绝热时大（注：k为绝热过程指数）。参见，a→b 1为实际过程，a→b 2为绝热过程。

　　压缩的中间段，d W/dt<0，但由于Ti的温度不一样，气体温度介于T1，T2，T3之间，所以是吸热还是放热要由式来定；并且β>或<0，过程指数；可知此段为多变过程或介于等温和绝热过程之间，气体温度与绝热温度关系不确定。压缩的末段，d W /d t <0，此时气体温度大于T i，气体将放出热量，d Q /d t <0，气体温度比绝热时会降低；并且β>0，过程指数，可看出此过程是介于等温和绝热之间，气体温度比绝热时要低。中间段和末段，参，b 1→b为实际过程，b 1→b 3为绝热过程。

　　③排气阶段

　　此阶段排出的气体温度一般比接触的固体表面温度T i高，因而气体会放出热量，d Q /d t <0，同时d W /d t <0，一般d T /d t <0且比绝热时低，气体温度比绝热时会降低。参，b→c为实际过程，b→c1为绝热过程。

　　④膨胀阶段此阶段，气体对外界做功，d W /d t >0，膨胀初期气体温度一般比接触的固体表面温度T i高，此时气体将放出热量，d Q /d t <0，所以d T /d t <0且比绝热时低，气体温度比绝热时会降低。膨胀后期因气体温度降低，低于T i，此时气体将吸收热量，d Q /d t >0，一般d T /d t <0且比绝热时高，气体温度比绝热时要高。

　　膨胀初期，β>0，过程指数此阶段为多变过程且气体温度比绝热膨胀温度要低。但是此阶段放出的热量基本用来推动活塞做功，对排气温度没什么影响；膨胀后期β>0，过程指数此阶段介于绝热与等温之间，气体温度比绝热膨胀温度要高，但对吸气温度影响不大。

　　此阶段参，膨胀初期c→c 2为实际过程，c→c 3为绝热过程；膨胀后期，c 2→d为实际过程，c 2→d 1为绝热过程。

　　2.2排气温度的影响因素分析

　　综合以上，进一步分析可知：

　　（1）从吸气→压缩→排气→余隙膨胀工作过程中，吸气阶段及压缩阶段的前段，气体的预期温度Tpre应比绝热温度T ad高，ΔT（T pre - T ad）>0；而压缩阶段的末段及排气阶段，气体的预期温度应比绝热温度低，ΔT <0.另外，膨胀阶段的初期，余隙气体的预期温度T pre应比绝热温度T ad低，ΔT = T pre - T ad <0；而膨胀阶段末期，气体的预期温度应比绝热温度高，ΔT>0.

　　（2）吸气阶段，排气阶段及压缩阶段缸内气体的热交换及温度的变化是影响排气温度的首要因素，而膨胀阶段余隙气体热交换及温度的变化对于整个吸气及排气温度的变化影响较小。

　　（3）气缸的输入功率、压缩比、气缸尺寸是影响气缸吸气、排气及压缩阶段缸内气体的热交换的关键因素。

　　（4）气缸缸套冷却通道面积及冷却水流速也影响缸内的热交换及气体温度。

　　3实例分析

　　列出意大利新比隆（NP）4HE/3-1（用于润滑油加氢装置新氢/循环氢联合压缩机），上海德莱塞兰压缩机有限公司（DRSC）10 -2HHE-FB（用于催化重整装置预加氢循环氢压缩机）以及瑞士苏尔寿公司（SULZER）2B2SC1.26（用于加氢装置）各个气缸及介质的特性数据以及对排气温度的影响。

　　4结语

　　首先，压缩机制造商须分别给出预期排气温度及绝热排气温度。一般来说，氢压机单级的预期/实际排气温度比绝热排气温度要高。

　　无油润滑氢压机级的预期/实际排气温度比有油润滑的要高，这是因为润滑油能带走工作过程产生的热量和降低滑动摩擦热。对于大功率、大压比、大尺寸气缸，预期/实际排气温度与绝热排气温度的温差会稍大；对于小功率、小压比、小尺寸气缸，预期/实际排气温度与绝热排气温度的温差会稍小。气缸冷却水的流速及冷却面积也是影响排气温度的一个因素，合适的流速及面积会降低预期/实际排气温度与绝热排气温度的温差；可以断定，对于小功率、小压比、小尺寸气缸，预期/实际排气温度与绝热排气温度的温差会很小，此温差会≤0，预期/实际排气温度可低于绝热排气温度。其他工艺气（氢含量低或不含氢）的压缩机缸内热交换及气体温度的变化可参照以上进行分析。