КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ

Компрессоры предназначены для сжатия и перемещения газов. Они на­шли широкое применение в технике, являясь одним из основных агрегатов в газотурбинных, а также в некоторых поршневых двигателях.

По способу сжатия газа компрессоры подразделяются на две группы.

К первой группе относятся объемные компрессоры (поршневые, ротацион­ные и др.),

а ко второй - центробежные (турбинные). Несмотря на конструк­тивные различия термодинамика процессов, протекающих в обеих группах компрессоров, одинакова. Поэтому для анализа процессов, протекающих в машинах для сжатия газов, ниже будет рассмотрена работа поршневого ком­прессора, как наиболее простого по конструкции.

Рис. 8.1

Компрессор состоит (рис. 8.1) из цилиндра 1, поршня 2, всасывающего клапана 3 и нагнетательного клапана 4. Рабочий процесс совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При движении поршня вправо через открытый всасывающий клапан газ поступает в цилиндр. При обратном движении поршня (влево) всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие газа до определенного давления, при котором открывает­ся нагнетательный клапан и производится нагнетание газа в резервуар.

Компрессор называется идеальным если:

1. сжатый в цилиндре газ полно­стью без остатка выталкивается поршнем,

2. отсутствуют потери энергии в клапанах,

3. отсутствуют утечки и перетечки газа через неплотности,

4. отсутст­вуют силы трения поршня о цилиндр.

Теоретическая индикаторная диаграмма идеального поршневого ком­прессора показана на рис. 8.1. На диаграмме

линия 4 -1 - называется линией всасывания;

1-2 - процесс сжатия по изотерме;

1-2" - процесс сжатия по адиабате;

1-2' - политропный процесс сжатия;

2-3 - линия нагнетания;

3-4 -условная линия, замыкающая цикл.

Следует отметить, что линии всасыва­ния 4 -1 и нагнетания 2-3 не изображают термодинамические процессы, т.к. состояние рабочего тела здесь не меняется, а меняется лишь его количество.

Термодинамический расчет компрессора выполняется с целью определе­ния работы, затрачиваемой на сжатие, что в свою очередь дает возможность определить мощность приводного двигателя.

Удельная работа l , затрачиваемая на получение сжатого газа при условии обратимости всех процессов и отсутствии приращения кинетической энергии газа, определяется по следующей формуле

где;

p₁v₁ - работа всасывания (затрачивается внешней средой при заполнении цилиндра);

p₂v₂ - работа нагнетания (затрачивается на вытеснение газа из цилиндра);

- работа, затраченная на сжатие газа.

Так как

то

Ввиду того, что работа l_к на получение сжатого газа затрачивается, она имеет отрицательный знак. Эта работа называется технической работой ком­прессора.

Работа компрессора l_к на диаграмме в рv - координатах изобра­жается площадью 12341 (работа изотермического сжатия).

Работа, затраченная на привод идеального компрессора при изотермиче­ском сжатии определяется по формуле (см. § 4.4)

(8.1)

При адиабатном сжатии работа на природ компрессора будет (см. § 4.5)

Эта работа численно равна площади 12"341. Работа на привод компрес­сора при адиабатном сжатии может быть также записана в виде формулы

где

работа адиабатного сжатия.

В случае сжатия по политропе формула для определения работы на при­вод идеального компрессора будет (см. § 4.6)

(8.3)

Работа на привод компрессора при политропном сжатии численно равна площади 12'341.

Таким образом, сжатие по изотерме дает наименьшую площадь и, следо­вательно, наименьшую затрату работы. Наибольшая затрата работы получа­ется при адиабатном сжатии.

Для того чтобы процесс сжатия газа приблизить к изотермическому, не­обходимо от него в процессе сжатия отводить теплоту. С этой целью в стен­ках цилиндра компрессора делаются полости, через которые прокачивается охлаждающая жидкость.

Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора представлена на рис.

8.2.

На этой диаграмме

процесс всасывания изображается линией 4-1, сжатие - 1-2,

нагнетание - 2-3.

Линия 3-4 характеризует процесс расширения газа, оставшегося во вредном пространстве.

Вредным пространством называется некоторый свободный объем V₀ между поршнем и крышкой цилиндра в мо­мент нахождения поршня в крайнем верхнем положении. Его объем состав­ляет 4-10 % от рабочего объема V_h цилиндра. После нагнетания газ, остав­шийся во вредном пространстве, имеет давление нагнетания р₂. При обратном движении поршня происходит расширение газа, оставшегося во вредном пространстве. Всасывание новой порции газа начинается лишь то­гда, когда давление расширяющегося в цилиндре газа станет меньше давле­ния всасывания р₁ (окружающей среды). При этом всасывание начинается только в точке 4 и в цилиндр поступит новая порция газа V = V_h - V₀ , объем которой меньше рабочего объема V_h

Рис. 8.3

Таким образом, отличие действительной индикаторной диаграммы одно­ступенчатого компрессора от теоретической (рис. 8.1) заключается в наличии вредного пространства в реальном компрессоре, а также наличием потерь на дросселирование во всасывающем и нагнетательном клапанах. Вследствие этого всасывание новой порции газа в цилиндр происходит при давлении, меньшем p₁а нагнетание - при давлении, большем давления р₂в нагнета­тельном трубопроводе.

Вредное пространство уменьшает количество всасываемого газа и, следо­вательно, уменьшает производительность компрессора.

Степень использова­ния рабочего объема цилиндра оценивается объемным кпд компрессора

Объемный кпд уменьшается с увеличением объема вредного пространст­ва, т.к. в этом случае уменьшается объем всасываемого в цилиндр газа и при некоторой величине V λ_v может стать равным нулю.

Объемный кпд уменьшается также и с повышением давления сжатия. На графике рис. 8.3 дана диаграмма сжатия газа в одноступенчатом компрессо­ре для трех разных давлений р₂ , р₂ , р' В этой диаграмме процесс

1-2 -адиабатный процесс сжатия до давления р₂ ;

2-3 - линия нагнетания газа в резервуар при давлении р₂ ;

3-4- адиабатный процесс расширения газа, ос­тавшегося во вредном пространстве;

4-1 - линия всасывания газа.

Объем га­за, поступающего в цилиндр, в этом случае будет равен V.

Если давление сжатия повысить до давления р'₂ , то в этом случае будем иметь следующие процессы: 1 - 2' - процесс сжатия; Т - У - нагнетание газа в резервуар;

3'-4'- расширение газа, оставшегося во вредном пространстве;

4' -1 - всасывание новой порции газа в цилиндр компрессора.

Можно заме­тить, что с увеличением давления сжатия объем газа, поступающего в ци­линдр, уменьшается (V / V). Это связано с тем, что газ, оставшийся в ци­линдре при большем давлении, при расширении занимает больший объем. В результате рабочий объем цилиндра уменьшается.

И в пределе, когда линия сжатия 1 - 3" пересекает

линию вредного про­странства (линия 3-3"), компрессор будет сжимать и расширять одну и ту же порцию газа, так как будет отсутствовать процесс всасывания. Это связа­но с тем, что газ, оставшийся во вредном пространстве при давлении , в результате расширения (процесс 3" -1) занимает весь объем цилиндра и всасывания новой порции газа не происходит. Объемный кпд в этом случае равен нулю, производительность компрессора также равна нулю.

С увеличением давления увеличивается температура сжатого газа, в том числе и температура газа, оставшегося во вредном пространстве. Повышает­ся также и температура стенок цилиндра. При всасывании новой порции газа происходит его нагрев от стенок цилиндра и от перемешивания с нагретым газом, оставшимся во вредном пространстве.

Этот нагрев сопровождается увеличением удельного объема газа, всасываемого в цилиндр, что сопровож­дается уменьшением массы поступающего в цилиндр газа.

Это уменьшение массы оценивается отношением , где - температура всасываемого газа;

Т₁ - температура газа, нагретого в цилиндре в результате всасывания.

Суммарное уменьшение производительности компрессора из-за нагрева газа и влияния вредного пространства оценивается коэффициентом наполне­ния

Теоретическая работа, затраченная на привод компрессора с учетом влияния вредного пространства, численно равна площади 12341 (при сжатии до давления p₁, см. рис. 8.3).

Уменьшение объемного кпд λ_v с ростом р₂ / p₁ , и ухудшение при этом условий смазки из-за роста температуры газа делают одноступенчатый (одноцилиндровый) компрессор непригодным для получения газа высокого давления.

Обычно одноступенчатый компрессор применяется при степенях повы­шения давления не выше 10-12. Для получения газа высокого давления применяется многоступенчатое сжатие в трех, четырех и т.д. цилиндрах, по­следовательно соединенных между собой. При переходе газа из одного ци­линдра в следующий применяется промежуточное охлаждение газа, что по­зволяет улучшить условия смазки компрессора и получить экономию электроэнергии за счет приближения процесса сжатия к изотермическому, при котором работа компрессора l_к оказывается наименьшей (см. § 8.2).