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制氮机(制氧机)的效率及膨胀过程

一、i-s图上的睇胀机过程
考虑五大损失后, 膨胀工质在通流部分的
膨胀过程, 在i-s图上的表示, 如图26所示。
该图表示了膨胀工质在通流部分四个零件进出
口处的状态,因此明确的表示了膨胀的热力过
程。但因注意的是,假定膨胀气流为一元稳定
流动。
=、绝热效率及流动效率
由图26可见,考虑了各项损失后,膨胀机
的实际出口状态为5,则膨胀工质所获得自弹
位制冷量为t
h= 。一 J/kg (1—86)
在理想的等熵膨胀时, 膨胀工质所获得的
理论制冷量为。
= 一 2 (1- 87)
因此,膨胀机的效率为。
= h/h (1—88)
该值习惯上称为等熵效率,若只考虑口 ,
q,、qK三项损失的散率称为流动效率t
田28 向心遁平蓐臃机的工作进程

= ( 。一 Ⅳ一 一 )/h =1一 Ⅳ一} 一} (1—89)
膨胀机的总制冷量为t
0=G·h=G·h ·札 (1—9O)
由于膨胀机的单位制冷量与单位输用功相等,则总制冷量与总输用功相等,而膨胀机轴
上输出的总功还应考虑在传递时的损失。该损失用机械效率 表示,则膨胀机总输出功为t
W =G·h · · (1— 91)
机械效率一般为0.9O~O.99。
三,形响效率的主要因素
在制造水平及结构允许的条件下,提高透平膨胀机的效率始终是人们追求的目标 因此,
需要分析影响效率的各因素, 以及怎榉确定这些因素才能获得高的效率。由图26,机器的效 .
率可以表示为;
3=(^I+^z)/h。
式中 五1= 】 一口Ⅳ 五t=屯Ⅳ+五 一 一 口一 f一口 ·
则 。: 丝 且 韭二里 韭
为了讨论问题方便,假设 。= 。, 刚^。= +h:。,得:
%s=1一}N一} 一}x一}g一}t+hx7h。
式中h,},, ,} }f分别可用式(1—76),(1—78),(1—81),
示。等熵焓值觅或岛 ,^“及 ,在假设 为常数时可表示为,
o( 。 ‘)=刍ZRT~[ 一(鲁) ”‘]
(1— 92)
(1—82)和(1—86)表
(1— 03)
hh= ( :。一 )=击z矾I[1一(Pz/P E)【肛1)』 ] (I-94)
在应用式(卜一92)表示机器效率时,应注意式(卜一7” 中的 :的表示式应考虑轮盘摩擦热传
入的影响, 即
z= 瓦 干
= 、/2( .+^ +qn)+W 1 一 1 (1一扯 ) (1— 95)
综合起来,透平膨胀机的效率可表示为下列因素的函数关系;
=,[(P5/PD,Pz/P6,To),K,(“/D1, i,F¨ 凡,五B,6,/t ),
( , ),p, _I, )]
对一个给定设计参数的透平膨胀机, /P口, 及工质绝热指数 是已知的,其它如工作轮形
状系数噩 , 间隙 可选择。
影响效率的因素可分析如下;
1. P, 1,
按照反动度的定义,可知反动度是表示工作轮中能量^z。在总能量 中的分配比例,而P
又可表示为t
p以=士(矸,I 一 1t)+÷nI。(1一 ) p=( 。一 I )+iI (1一 )
当P给定后,特性比 的大小将影响到( /)/2与( 。一 - >12之间的能量分倪,也
即影响到向心透平膨胀机克服离心力所作功的部分( 一 z ),2在所做总功中的比例。轮径比
起着与i 同样的作用,只是效果相反。r由此分析可知,P、_J、 的变化影响透平膨胀机能
量分配的变化,而引起机器中气流流动情况的改变,造成各部分损失的变化,最终影响到透
平膨胀机效率。因此,从能量分配的角度看,这三个参数对机器的效率有着主要的影响。如
果,不考虑其它参数对透平膨胀机效率的影响,可以通过预计算得到一组最佳的p1_J、 ,而
使机器的效率最大 预计算的方法有最大流通道效率法,9O。进排气法,和转比速法等。
2.
无疑 和 值愈大,机器的效率愈高。已经分析过 的改变对效率的影响不大,从能量
分配的角度看,能量 。V2也只占总能量 中的一部分,而且随着 的减少,其所占比例
也愈小。因此, 的改变所引起的能量损失改变占总能量的比例是不大的。因而对中小型透
平膨胀机的制造及设计良好的反动式工作轮,可以合理的取较高的 值,并认为是常数。
值的变化对效率的影响较大,好的喷嘴叶型有高的 值, 目前使用的叶型几乎都这样。 主
要取决于马赫数 和气流角 ,。
在 较小时,气流的雷诺数小,气流的粘性作用较强,流动损失也大,随着马赫数的
增大粘性作用减弱,而使得流动损失减小。许多资料表明M 在1附近改变时,流动损失不
仅绝对值小而且马赫数改变时 变化极小,只是不同的叶型其损失值不同而已。实验资料也
表明, 角小,流动效率 较高。所以在取 较小值(12。~16。)时,限定 fal的值在1附
近设计喷嘴,可以合理的认为 为定值。遗憾的是对应不用叶型的 值的公开资料很少,这
增加了取 值的盲目性。
3·Fl
叶片径向安装时可与离心力作用方向一致,而改善叶轮强度,所以太多数工作叶片进口
安装角 =90。。为了形成无冲击进气,取气流角F,=Fta=90。。B口工作轮进口速度三角形
是直角三角形,为此存在下述条件t
≈l=Cl COSgt= 、/ c c0s
l= l— pCOS l
式(1—96)表明在 =90。时特性比和反动度不再是各自独立的变量。
4.P2/P,
为了使扩压器的结构合理,应使 /P:≤1.1,而出口管道速度C。应在5~lOm/s内由
系统管道要求确定,这就意味着有如下关系式,
C2/ +2古船 [ ) ” 1] (1—97)
式中 —— 扩压器进口温度,见图26。
但工作轮出口速度 和工作轮结构有关, 由工作轮进出口流量连续方程式(1—55)和(1—
57)、(1—58)可得l
( )=z击·臣·等·岳+五r. c卜。s
式中E =D。Iml=0.15~0.3_T-作轮轮毂比,推存值是从工作轮强度考虑。
由此,P:/ 的取值不仅关系刭扩压器的结构台理,也关系到工作轮的结构合理。此外
工作轮的结构还应保证气流的流动是增速的,设 :=A o t,一般低温工作轮的增速系数为
A。=1.2~2.0, 由式(1—95)可推导出l
=1-嘉[2( 一 -1) ]一擎 .(1--99)
在某一个增速系数也的条件下,若取定P,及f /D , ,n, 结构参数,联介式
(1-98)~(1-99)就可确定 /P 及 由于膨胀机出口管道速度的约束条件,而使 不能
成为独立的变量。值得注意的是 。及C 也随之确定,而 及 也是确定,则出口速度三
角形确定,而无需选定F:。
6.fI/DI ·
It/Dt是一个不仅影响 大小的数,而且还影响 值的大小[见式(1—98)],导致影响
气体的能量的分配。此时,fl/D。增大,D 减小, ,。增大, 增大,逸将形成一个所谓矮胖
型工作轮, 影响速度在流道串分布的均匀性及 。的大小 工作轮的转速也会由于D。的减小
而增高,须考虑轴承的工作。所以fl/D。是一个十分重要的参数。