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1、第四篇 矿山压缩空气设备第十一章 矿山压缩空气设备概述及热力学基础知识第一节 矿山压缩空气设备概述概述 现代企业中，使用压缩气体的机愈来愈多，例如：化工、石油、冶金、轻工、纺织及采矿等，许多工业中无不广泛使用各种各类的气体压缩机。因此，气体压缩机是近代工业生产中不可缺少的通用机械。压缩空气一直是矿山所采用的原动力之一，用以带动凿岩机、风镐及其它风动机械进行。由于像凿岩机这类风动工具的冲击力强，适用于钻削坚硬的岩石，而且风动工具结构简单、重量轻、操作方便，尤其在有瓦斯和煤层爆炸危险的矿井里，使用这种动力比电力安全。虽然整个气力系统（包括压缩空气的生产和输送，以及在风动机具中的使用）的效率很低，成
2、本较高，但目前矿山采掘工作，仍然普遍采用风动工具来凿岩和落煤。空气压缩设备是指压缩和输送气体的整套设备。包括空气压缩机（简称空压机）、输气管路和附属设备。一、矿山空压机站的组成 矿山空压机站主要包括：空压机、电动机及电控设备、冷却泵站、附属设备、管路等。二、空压机的分类 现代工业中使用的压缩机种类很多，按其结构型式不同，分类如下：第二节热力学基础知识v一、气体的状态参数v 1、压力（压强）v 2、温度Tv 温标分摄氏温标t（C）和绝对温标T（K）v T=t+273v 3、比容=V/M=I/（m3/kg)v 二、理想气体状态方程式v 1、理想气体概念：分子无体积、无相互作用力、完全弹性体。v 2
3、、波义耳-马略特定律：T一定v 3盖-吕萨克定律：p一定v 三、内能U与T有关,单位：卡（cal）或千卡(kcal)，焦耳（J）,1cal=4.2Jv 四、焓H=U+Pvv 比焓1kg介质的焓v 五、熵气体从一个状态转变为另一个状态后的改变程度即无序度。v 空压机压缩过程中，伴有热量损失，其熵值增加；熵的增加值越小，说明热量损失越小，空压机效率越高。v 六、热力学第一、第二定律v 1、热力学第一定律v Q=U2-U1+Wv 式中：Q热量，吸热Q0,放热Q0,反之W0v 2、热力学第二定律单一热源来循环做功是不可能的，如从海水中吸热来带动机器工作。v 热量传递和热功间的转变是有方向性的，功能转变
4、为热，热不能全部转变为功，如热量不可能自动从低温物体传递给高温物体v 3、定压比热Cp吸放热是在气体压力不变情况下的比热。v T升高，Cp升高，常取一定温度范围的空气平均比热Cp=1005J/kgKv 4、空气的绝热指数k=Cp/CV=1.4v 2、等压过程：p=常数v（1）状态参数关系:v（2）p-V()线图及意义v（3）热力学第一定律应用意义v v v 吸收（或放出）的热量一部分用于增加（或减少）气体的内能，一部分用于做功。v 3、等温过程：T=常数v（1）状态参数关系:v（2）p-V()线图及意义v（3）热力学第一定律应用意义v v v 吸收（或放出）的热量全部用于用于做功。v（2）p-
5、V()线图及意义v（3）热力学第一定律应用意义v v v 绝热过程，气体膨胀将消耗内能；压缩气体将增加内能。v 5、多变过程：状态参数同时变化v（1）状态参数关系:v n多变指数，在-+内变化v（2）p-V()线图及意义v（3）热力学第一定律应用意义v n多变指数第十二章 螺杆式空压机的工作理论v掌握螺杆式空压机的工作原理和类型v掌握螺杆式空压机的工作理论v掌握螺杆式空压机的工作参数v了解活塞式空压机的工作理论第一节 螺杆式空压机概述v 在压缩机的主机中平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子，通常把节圆外具有凸齿的转子（从横截面看），称为阳转子或阳螺杆；把节圆内具有凹齿的转子（从横截面看），称为
6、阴转子或阴螺杆。一般阳转子作为主动转子，由阳转子带动阴转子转动。v 转子上的球轴承使转子实现轴向定位，并承受压缩机中的轴向力。转子两端的圆锥滚子推力轴承使转子实现径向定位，并承受压缩机中的径向力和轴向力。v 在压缩机主机两端分别开设一定形状和大小的孔口，一个供吸气用的叫吸气口；另一个供排气用的叫排气口。v一、螺杆空压机的工作原理v螺杆空压机的工作循环可分为吸气过程（包括吸气和封闭过程）、压缩过程和排气过程。随着转子旋转每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，为简单起见我们只对其中的一对齿进行研究。v(a)吸气过程(b)封闭过程v 2、压缩过程v 随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减
7、少，被密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致气体压力升高，从而实现气体的压缩过程。压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气口连通之前。v v 二、螺杆空压机的类型v 1、按润滑方法分:无油螺杆空压机v 喷油螺杆空压机v 2、按螺杆数量分:单螺杆空压机v 双螺杆空压机v 3、按是否固定分:固定式空压机v 移动式空压机v补充：单螺杆空压机的工作原理v 螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。当螺杆在壳体内转动时，螺杆与壳体的齿沟相互啮合，空气由进气口吸入，同时也吸入机油，由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送；在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小，油气受
8、到压缩；当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时，较高压力的油气混合气体排出机体。第二节 螺杆空压机的工作理论v螺杆空压机是依靠工作容积的变化来实现压缩气体的，其工作容积在周期性扩大和缩小的同时，其空间位置也在变化。v一、螺杆空压机的理论工作过程v 理论工作过程的假定条件：v（1）气体在流动中没有摩擦，没有压力损失；v（2）工作过程无热量交换；v（3）无泄漏v（一）理想工作过程v 基元容积V即齿间容积或工作容积，是转角的函数；v 空压机理论工作过程示功图及说明。PVP2P10v（二）内、外压力比不相等的工作工程v 1、内压力比：内压缩终了压力Pi与吸气压力P1的比值。v 外压力比：排气管气体压力Pp与吸
9、气压力P1的比值。v 2、内压力取决于吸、排气孔口的位置和形状；v 外压力取决于运行工况和工艺要求。v 3、内、外压力比不等时的工作过程分析v 产生附加能量损失及气流冲击、强烈周期性排气噪声。v 见P193图12-4v 二、螺杆空压机不同压缩过程的理论工作循环v 规定：转子对空气做功为正v 1、吸气功：v 2、压缩功：v 3、排气功：v 4、理论循环总功：v（一）等温压缩时的理论工作循环v 因为：v 所以：v 理论工作循环总功v（二）绝热压缩时的理论工作循环v 总功：总功是绝热压缩过程功的k倍v 压缩比v（三）多变压缩的理论工作循环v 总功：总功是多变压缩功的n倍v（四）三种压缩过程的理论工作
10、循环比较v 1、总功的比较v W绝热 W多变 W等温v 2、压缩终了温度T2的比较v T2绝热 T2多变 T2等温v 3、结论：等温最好v 三、螺杆空压机的实际工作过程v 1、气体泄漏的影响v 低转速空压机的主要影响因素v 内泄漏不影响Q，但T2、W增高增大；v 外泄漏降低Q，使W增大。v 2、气体流动损失的影响v 沿程阻力损失和局部阻力损失存在，随流速增大而增大。v 3、流体流动损失的影响v 转子扰动气体的摩擦损失、转子对润滑液的扰动损失存在，随转速而增大。v 4、热交换的影响v 气体与机体的热交换存在，使气体温度上升，降低排气量。第三节 螺杆空压机的工作参数v 一、排气量Qv 1、理论排气
11、量Qlv 式中：C扭角系数，C=V0/Vm0.971.0v V0、Vm、L、A01、A02分别为实际、最大基元容积、转子长度、阳转子端面齿间面积、阴转子端面齿间面积；v z1、n、D1分别为阳转子齿数、转速、直径v 阳转子长径比=L/D1v Cn1面积利用系数，Cn1=（A01+A02）z1/D12v 2、实际排气量Qv 式中：v容积效率，反映空压机尺寸利用的完善程度，取决于泄漏量v v=Q/Ql0.750.95v 实践证明：n大、Q大、小、喷油空压机v高v 二、等熵绝热压缩功率及绝热效率v 1、等熵绝热压缩功率v 理想气体：v 非理想气体：v hds排气压力下气体转为与吸气状态熵相等的比焓；
12、v hs吸气状态下气体的比焓v2、绝热效率adv ad=Pad/Pv ad反映空压机能量利用的完善程度v 低，Q大，ad=0.750.85；v 高，Q小，ad=0.650.75v 三、指示效率和机械效率v 1、指示效率jv j=Pad/Pjv 式中：Pad等熵绝热压缩过程总功率v Pj指示功率，空压机实际工作过程所消耗的功率v j反映空压机内部工作过程的完善程度，当内、外压力不等时，指示效率较低。v 2、机械效率m=ad/j=Pj/P=0.900.98一、活塞式空压机的工作原理1、吸气过程2、压缩过程3、排气过程4、膨胀过程补充：第四节 活塞式空压机原理二、一级活塞式空压机的工作循环（一）一级
13、活塞式空压机的理论工作循环几点假设：（1）无余隙容积；（2）在整个吸气过程，气缸内空气的状态保持不变并与周围大气状态相同；（3）在整个排气过程，气缸内空气的状态保持不变并与风包中的空气状态相同；（4）气缸不漏气，气阀、吸排气管道无阻力；（5）压缩过程为等温过程、绝热过程或多变过程，但压缩指数保持不变。在上述假设条件下，空压机的工作循环称为理论工作循环。它由吸气、压缩和排气三个基本过程组成，只有压缩过程是复杂热力过程。其工作循环可用示功图表示。示功图的横坐标表示气缸容积V，纵坐标表示空气压力。1、吸气过程2、压缩过程 当活塞返回行程时，吸气呈封闭状态，空压机进入压缩过程，随着活塞向左移动，气缸的
14、容积不断减小，气体压力逐渐升高。此时属于热力过程，其压缩规律为等温、绝热、多变三种情况。（1）按等温规律压缩（3）按多变规律压缩（2）按绝热规律压缩3、排气过程4、理论循环功按等温规律压缩时：按绝热规律压缩时：按多变规律压缩时：所以，等温压缩的循环功就是等温压缩的压缩功，压缩终了空气温度T2=T1；因此，；绝热压缩过程的循环功等于绝热压缩过程功的K倍，压缩终了空气温度；多变压缩循环功等于多变压缩过程功的n倍，压缩终了温度。（二）一级活塞式空压机的实际工作循环1、实际工作循环图 实际工作循环的工作过程：吸气、压缩、排气、膨胀等四个过程。2、影响实际工作循环的因素（1）余隙容积的影响（2）吸、排气
15、阻力的影响（3）压缩过程中压缩规律变化的影响（4）其它因素的影响三、活塞式空压机的两级压缩（一）采用两级压缩的原因1、压缩比受余隙容积的限制2、压缩比受气缸润滑油温的限制因此，大型空压机的压缩比，一般限制在5左右，当需要压力较高时，一般采用两级或多级压缩（二）两级压缩的工作系统（三）两级压缩的优点1、节省功耗；2、降低排气温度；3、提高空压机的排气量；4、可以降低活塞力；5、中间冷却器可以分离一部分油和水，提高压气的 质量。第四节 活塞式空压机的性能参数和型号一、活塞式空压机的性能参数1、排气量（V）在单位时间内测得空压机排出的气体体积数，然后换算到空压机吸气状态下的体积数，称为空压机的排气量
16、。单位m3/min。2、排气压力（p）空压机出口的压力称为空压机的排气压力，用相对压力度量（理论计算时采用绝对压力）。单位Pa。3、吸、排气温度空压机吸入气体与排出气体的温度。用T1、T2表示，单位K。v 4、功率(N)单位时间所消耗的功v 理论功率理想工作循环下的功率v 实际功率含理论功率和阻力损失的功率v 轴功率实际空压机的输入功率v 驱动功率原动机的输出功率v 5、比功率（Nb）当吸入的空气为标准状态时，其轴功率与排气量之比称为空压机的比功率。单位Kw/m3/min。6、效率理论功率与实际功率之比v 7、结构参数v（1）曲轴转速v（2）活塞的平均速度v（3）活塞行程与缸径比活塞行程与第一
17、级气缸直径之比。v（4）气缸缸数同级气缸数v（5）级数v二、活塞式空压机的型号v/排气压力/10（MPa）v 排气量（m3/min）v 活塞力的大小（吨）v 附加特点如风冷式F，移动式Yv 结构代号如L、V、W等v 序号或气缸列数，按排气量大小排列v 类型代号：螺杆式LG、滑片式HPv 例1：4L20/8排气压力0.8MPav 排气量20 m3/minv 直角式v 序号4v 例2：L5.540/8排气压力0.8MPav 排气量40 m3/minv 活塞力为5.5吨v 直角式v 特例：HPY179/9排气压力0.9MPav 排气量9 m3/minv 气缸直径为17cmv 移动滑片式第十三章 螺杆
18、空压机的结构v第一节螺杆空压机的主要组成部分v一、主机结构v二、气路系统v三、油路系统v四、冷却系统v五、智能控制系统v一、主机结构v（一）喷油螺杆空压机v LGY-17/7 排气压力0.8Mpa，吸气压力0.1Mpav 排气量17m3/minv 喷油型v 螺杆式v 其他参数见铭牌：v 排气温度小于100C，轴功率100KW，风冷，电动机通过空压机内藏增速齿轮直联驱动v（二）无油螺杆空压机v LGW-40/7 排气压力0.8Mpa，吸气压力0.1Mpav 排气量40m3/minv 无油型v 螺杆式v 其他参数见铭牌：v 吸气温度小于40C，轴功率260KW v 二、气路系统v 1、流程：空气过
19、滤器 主机压缩室 油气分离器 最小压力阀 气冷却器 水气分离器 风包 用气装置v 2、组件作用v 空气过滤器：过滤空气。去除杂质v 油气分离器：分离油、气v 最小压力阀：保证润滑油流动，保证油气分离器工作效果v 气冷却器：冷却空气v 水气分离器：分离水蒸汽、空气、油等v 风包：储存压力空气，保证供气压力恒定v 三、油路系统v 1、流程：油气分离器（油箱）油冷却器 油过滤器 回油阀 压缩室及机体两端 随压缩空气排出v 2、组件作用v 油气分离器：分离油、气v 断油阀：停机时迅速切断油路，避免油继续进入压缩室。断油阀故障将导致空压机因失油而烧毁。v四、冷却系统v 风冷机组（含电机、风扇、换热器）v
20、 使用环境温度不超过40Cv五、智能控制系统v1、保护系统v2、显示系统v3、增值功能第二节 螺杆空压机的主要部件v一、机体v二、转子v三、轴承v四、轴封v五、同步齿轮v六、内容积比调节滑阀v 一、机体v 1、端盖：有吸排气通道、轴承座孔v 2、气缸：双层壁、单层壁两种v 3、机体材料：普通灰铸铁、铸钢、球墨铸铁、高合金钢、不锈钢等v 二、转子v 1、整体式（d350mm）v 2、转子内部冷却结构v 3、密封齿、密封槽v 4、材料：中碳钢、合金钢、球墨铸铁v 三、轴承v 1、滚动轴承（喷油、无油用）、滑动轴承（部分中高压无油螺杆空压机用）v 2、排气端固定、吸气端可伸缩v 3、承受径向力，由大
21、到小依次为阴转子排气端、阳转子排气端、阴转子吸气端、阳转子吸气端v 4、承受轴向力，阳转子的轴向力是阴转子的4倍，承受轴向力的轴承放在排气端v四、轴封v（一）无油螺杆空压机的轴封v1、石墨环式轴封：含45个密封盒，排气端多于吸气端v2、迷宫式轴封v3、机械式轴封v（二）喷油螺杆空压机的轴封v 五、同步齿轮v 可调式、不可调式：调整啮合间隙即调整容积v 材料：合金钢v六、内容积比调节滑阀v1、内容积比：指压缩室脱离吸气口瞬间容积与压缩室接通排气口瞬间容积之比v2、调节内容积比的原理：增大或减小排气孔口的尺寸，改变内容积比v3、调节内容积比的方法：滑阀调节或旁通阀调节第十四章 空压机的使用v掌握螺杆空压机的安装与操作v掌握螺杆空压机的日常维护与保养v掌握螺杆空压机的常见故障及其产生原因和处理措施第一节 螺杆空压机的安装与操作v一、安装v1、起吊要求：按照包装箱上的标识方向套系钢丝绳，不要过度倾斜。v2、安装前的检查v3、安装要求：见教材v二、操作第二节 螺杆空压机的日常维护与保养第三节常见故障及其产生原因和处理措施