往复式压缩机冷却系统的设计与研究

理工学院 毕业设计(论文)开题报告

题 目： 往复式压缩机 冷却系统的设计与研究 学生姓名： 杨凯中 学 号：10L******* 专 业： 热能与动力工程 指导教师： 朱玉峰（教授）

2014年3月26日 毕业设计（论文）开题报告 １ 文献综述 压缩机在石油、化工、机械、采矿、制冷、制药、冶金、建筑、土木、食品和国防等工业部门得到广泛应用。冷却系统是压缩机的重要组成部分之一，它的优劣直接影响着压缩机的性能和正常操作，因此对冷却系统的设计应予以足够重视。目前中国大量生产和应用的压缩机的冷却部件技术十分落后，大都处于20世纪50~60年代水平。然而冷却器在多级压缩机中起着举足轻重的作用，对压缩机的结构、性能、经济性、成本和安全操作等都有影响。国产压缩机冷却系统与国外产品相比差距很大，主要是冷却性能不佳。对于水冷压缩机，由于冷却系统性能差，操作工人只有开大水阀、加大冷却水量以提高其冷却能力，因此国产机组的耗水量往往是国外机组的3倍多。绝大多数石油化工、化工气体压缩机所用的级间冷却器多数仍沿用光滑管作为传热元件。 1.1 水冷式冷却系统 1.1.1 水冷式冷却系统分类 水冷式冷却系统可分为3类[1]: (1)串联式冷却系统 冷却水首先进入中间冷却器，经过一级气缸水套，再经过二级气缸水套，这样有利于提高温度系数，保证压缩机的排气量，最后经后冷器排出。该系统结构简单、耗水量小，但发生故障时不便于检修，通常用于两级压缩机。 (2)并联式冷却系统 冷却水从总水管分别流到每一应予冷却的部分（各级气缸、中冷器），最后经总溢水槽汇入总泄水管。由于进入中冷器的均为最冷的水，故冷却效果好，且各部分的水量、水温均可调节，查找故障方便，但管线复杂，水耗高，可用于级数多的压缩机。 (3)混联式冷却系统 每一中冷器与其相应的气缸水套构成串联系统，而各级之间为并联系统。该系统具有串联和并联两者的优点，冷却水利用合理，各级间具有相同的回冷完善程度，综合性能较佳。 1.1.2 水冷式冷却器 目前常用的水冷式冷却器有管壳式、元件式、套管式和蛇管式等[2]。管壳式冷却器由外壳和管束组成，冷却器的传热系数和水在管内还是关外流动有很大关系，因为气体容易冷凝。所以，可使冷却水走管外，而气体走管内，气体流动速度得到提高。这样可以大大增加传热系数。另外通过增加换热面积也可以增加传热系数。传统的换热管都是采用光管的，这样的传热系数不高而如果可以采用低翅的螺纹管或在光滑管外滚压翅片而得的翅片管，其总传热系数会比光滑管提高0.5~1倍，气体出口温度降低10℃左右[3]。由于采用翅片管式风冷却器强制冷却，换热效果好，在满足冷却循环水流量情况下，实际所需要的水量不大。因此，可加注蒸馏水或纯净水，完全避免了冷却水本身水质差及蒸发浓缩等造成的损失、腐蚀、结垢等一系列问题。特别是可以改加注防冻冷却液，以适应冬季高寒的北方地区及沙漠缺水地区。元件式冷却器是将管束外穿散热片组，固定组合后作为整体放入壳体，结构紧凑，广泛用于L型压缩机，但不便于除垢清洗。套管毕业设计（论文）开题报告 式冷却器是2根同心管套在一起组成的冷却器，管间、管内分别走2种流体，通流面积小，流速大，利于传热，但消耗的金属多，结构笨重，用于中、高压体积流量小、换热面积较小的场合。将套管式冷却器的套管直径加大，可改善冷却效果[4]。蛇管式冷却器是将换热管绕成螺旋形置于水箱中，气体在管内流动，具有结构简单、制造方便、冷却效果不受水质的影响等优点，用于小型压缩机或高压压缩机。 水冷式压缩机气缸的冷却是通过水在缸内壁与缸套之间的空隙内流动来实现的。无论整体式气缸、有湿式气缸套的气缸，还是组合式气缸，设计时应保证水流通道畅通，不应在流道中产生死区或气囊，以免影响冷却效果。要保证压缩机不工作时水腔中的冷却水能全部放出，以使机器气缸在0℃以下时不致冻裂[5]。还要尽量使其结构简单、密封性好，便于铸造、加工，以降低成本。 1.1.3 采用水冷式冷却系统方案还应注意以下问题 ① 在冬天使用应注意防冻问题。高寒地域冬季气温大部分时间在0℃以下，防冻问题应引起足够重视。11月份气温降低时，需适时将软化水更替为防冻液。防冻液一般由基础液和添加剂组成，基础液主要是乙二醇和水，添加剂主要是染色剂等。纯乙二醇凝固点为－12.5℃左右，沸点为198℃左右，随着水的加入，它的凝固点不断降低，当达到乙二醇质量分数为70%时，其凝固点可达－68℃。市场上一些劣质防冻液基本是采用甲醇和乙醇勾兑，其沸点只有 80℃左右，如果夏季仍然使用，会影响换热效果。 ② 选择合理的冷却器结构型式，提高冷却器换热效果，尽可能使冷却器结构尺寸小、重量轻。 ③ 避免腐蚀、结垢，便于清洗。循环冷却水一般虽采用电子除垢器或钠离子交换软化法进行处理，但效果不佳。循环冷却水的水质受各种因素的综合影响，如浊度较高、悬浮物含量高、硬度较高，甚至含油，菌藻滋生严重。冷却水的循环使用，给冷却器带来腐蚀、结垢问题[6]，尤其是管间环隙结垢相当严重，甚至被堵死，或者腐蚀严重，水气泄漏，导致冷却效果降低，从而使排气温度过高，对压缩机的安全、稳定、长期运行构成较大危害。冷却器中换热管一旦结垢，采用抽出后人工清除的办法极难处理。如果换热管采用不锈钢材质，可便于进行定期化学清洗除垢。 1.2 风冷式冷却系统 风冷式冷却系统包括风扇、中冷器及压缩机上的散热装置等。 1.2.1 风扇 风扇是将冷却空气强制性送给中间冷却器和气缸组件的装置，绝大多数采用轴流式风扇。平直叶片由于制造方便，为厂家所广泛采用，但噪声较大。叶片数一般取4~6片，并对称布置。对于微型压缩机，一般用飞轮兼作风扇，因此设计时不仅要使之满足飞轮矩的要求，还要满足冷却所需要的风量。为保证冷却效果，对采用抽气式，即将中间冷却器置于风扇进风侧，先冷却中冷器，后冷却气缸组件，故在其上应标明旋转方向[7]。小、中型压缩机常将冷却风扇由单独的电机经皮带传动驱动，一般将风扇置于中冷器与毕业设计（论文）开题报告 主机之间。 1.2.2 风冷式中冷器 微型压缩机常采用由铜管弯制而成的蛇管式中冷器。其结构简单、安装方便，但冷却效果不佳。绝大多数小、中型压缩机采用列管式中冷器。压缩气体在管内流动，由风扇产生的冷却空气则垂直于管束方向掠过。为保证气缸组件冷却良好应设置导流风罩。由于光管散热性差，可在管外缠绕翅片，但必须保证钎焊质量以使翅片与管子间紧密贴合[8]。散热翅片间距不可过密，以避免增加热阻、流动阻力和减小风量。为制造方便，多采用平翅片，取片厚0.2~0.3mm，片距2.8~3.2mm为佳。 1.2.3 气缸组件 主要指气缸及缸盖的冷却。除用来自风扇的冷风冷却外，其本身的结构也应作处理，主要是外加散热片。按铸造工艺要求，散热片的根部较厚，端部较薄。气缸上的散热片有环向和纵向两种方式布置，由于环向布置式冷却均匀，多被采用。靠近缸盖的散热片较长，以加强缸盖的冷却[9]。缸盖上也设有散热片，进风阀室一侧可不设或少设散热片，因进气温度较低。 1.2.4 原理 对于风冷式压缩机，无论是单级还是多级都需设置风扇，将冷却空气按一定顺序和方式强制性地吹送到需冷却的部位进行冷却。绝大多数风扇采用轴流式，广泛采用便于制造的平直叶片，沿圆周对称布置4~6片叶片。对于微型压缩机，飞轮通常兼作风扇，因此设计时不仅要满足飞轮矩的要求，还要满足冷却所需要的风量。风冷式冷却系统有吹气式和抽气式2种送风方式。吹气式先冷却气缸组件，后冷却中冷器。抽气式则是把中冷器置于风扇进风侧，最冷的空气先冷却中冷器，而后才冷却气缸组件，冷却效果好，但必须在机身上标明旋转方向。小、中型压缩机常用单独的电机通过皮带传动驱动冷却风扇，此时风扇需置于中冷器与主机之间[10]。 对于微型压缩机，为简化结构、方便安装，常采用由传热效果好的铜管弯制而成的蛇管式中冷器，为改善冷却效果，绝大多数小、中型压缩机采用管壳式中冷器。压缩气体走管内，由风扇产生的冷却空气横向掠过管束，对其进行冷却。可在管外缠绕翅片提高散热效果，但必须保证翅片与管子间贴合紧密。 对于气缸和缸盖，除用风扇吹来的冷风冷却外，还通过在其上设散热片来增加散热面积，提高散热效果。散热片的厚度应从根部到头部递减以符合铸造工艺要求。气缸上的散热片可沿环向或纵向布置，多采用冷却均匀的环向布置式。缸盖上也应设散热片，而进气阀室一侧的进气温度较低，可不设或少设散热片。 1.3 强化传热技术的应用 近10余年来，强化传热技术发展迅速，而其在压缩机冷却系统上的应用一般限于管壳式水冷中冷器，目前已有一些应用于工程实际的例子，取得了满意的效果。华南理工大学化工所研制的花瓣状翅片管(PT管)冷却器[11]已成功应用于D-100/7型空压机。毕业设计（论文）开题报告 PT管是在铜或铝管外壁轧制出尖齿状的整体翅片，流经花瓣翅片的流体呈三维流动，湍动程度高，传热及流阻性能均优于绕片管、翅片管。不锈钢波纹管是一种新型高效强化传热管，冷热流体在波纹管的波峰与波谷之间流动时流速和压力发生周期性变化，产生强烈的扰动而达到充分的湍流。由波纹管制成的波纹管冷却器的换热系数比普通管壳式冷却器高61%[12]。另外，波峰与波谷的存在使其可以轴向伸缩，相当于设置了膨胀节，可有效减小温差应力，便于污垢的脱落，具有防垢、自动除垢能力。在2D12-70/0.1-1.3型天然气压缩机上应用波纹管冷却器表明，每年减少停机20次，减少停机时间100 h，设备维护费用大幅度下降。 1.4 全无油压缩机的冷却 随着强化传热新技术的不断出现，对压缩机冷却系统，特别是冷却器的研究不断深入，已有许多新的结构、型式应用于工程实际，达到了良好的效果。对于全无油润滑压缩机，由于不能像有油压缩机那样通过润滑油来带走部分摩擦热，并且活塞环、导向环采用非金属材料制造，导热性能比金属环差得多。因此，冷却系统的作用显得尤为重要，而风冷型全无油润滑压缩机的冷却系统设计与水冷型相比更应引起重视。板翅式冷却器结构紧凑，安装使用方便，由于采用全铝材料而使得其质量轻、外观精美，比传统的元件式冷却器传热系数高。全无油润滑压缩机处理、排出的气体洁净无油污，不存在阻塞问题，因而板翅式冷却器特别适于在全无油润滑压缩机上应用。板翅式冷却器已被应用到WW-2.5/10-Q型全无油润滑压缩机上[13]，并逐渐在小型压缩机上得到推广。在对一些有要求的气体作要求时需要用到无油润滑的压缩机，比如医用氧气的压缩[14]。在对SW-2.5/7型风冷全无油润滑压缩机进行设计研究时，为保证冷却效果，采取了诸多措施：考虑到曲轴箱中不需要润滑油，在曲轴箱底部采用全开通结构，使冷却空气经底部开口直接进入曲轴箱内部，对气缸和活塞组件进行冷却，进一步降低了气缸和活塞组件的工作环境温度，有利于提高非金属活塞环和导向环的运行寿命；采用了三级风扇冷却方式，一级风扇轮上加装了二级风扇轮，在曲轴的另一端增加了三级风扇轮，使冷却风量充足;设置了导流风罩，便于引导冷却空气对气缸体和缸头进行良好的冷却；中冷器选用结构紧凑的翅片管换热器。上述措施不仅使活塞环和导向环的性能、可靠性得到了保证，还避免了密封轴承过快磨损或烧毁等故障的发生。经用户实际应用反映，该机性能稳定可靠，排气温度低，活塞环和导向环的使用寿命高，不易损坏。SW-2.5/7型全无油润滑压缩机性能很好。该机已获得中国实用新型专利[15]。刘卫华[16]经过对微型风冷压缩机进行实验发现:在一定风速下存在最佳的散热片高度，而一般的空气压缩机的散热片偏高。散热片间距过小、高度过高时，会不利于空气的湍动，冷却效果反而降低。因此应确定出合适的散热片高度，提高风速，以保证冷却效果。 1.5 结束语 冷却系统是往复活塞式压缩机运行可靠性和经济性的重要保证之一，而国产压缩机冷却系统的相关技术与国外相比仍然十分落后，急需不断更新改进。特别是在能源紧张、