ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
Основной частью компрессора является система (рисунок 54 ) состоящая из цилиндра 1, поршня2, всасывающего 3 и нагнетательного 4 клапанов, штока 5 и кривошипно – шатунного механизма – крейцкопфа 6, шатуна 7, кривошипа 8
1-цилиндр; 2-поршень; 3-всасывающий клапан; 4-нагнетательный клапан; 5- шток; 6-клейцкопф; 7-шатун; 8-кривошип
Рисунок 54-Термодинамический цикл компрессора
Полный цикл работы поршневого компрессора состоит из отдельных периодов:
«4 – 1»: расширение газа, который находился в мёртвом пространстве цилиндра (пространство, ограниченное дном цилиндра и плоскостью АА); снижение Р2 до Р1, закрывается нагнетательный клапан.
«1 – 2»: всасывание (расширение газа и всасывание происходит при движении поршня от плоскости А-А до плоскости В-В при длине хода S); давление и температура не изменяются, объём изменяется от V0 до V1.
«2 - 3» сжатие рабочего агента (движение поршня от плоскости 0 – 0 до А-А); начинается, когда давление в цилиндре становится больше давления в трубопроводе; работа компрессора аналогична работе поршневого насоса с добавлением процессов расширения и сжатия газа, а это ведёт к изменению температуры; при нагнетании Р и Т не изменяются, весь газ переходит в трубопровод.
Процессы, протекающие в компрессорах, основываются на первом начале термодинамики – законе сохранения энергии
dQ = du + Adl, (18)
и на характеристическом уравнении газа (формула Клайперона):
PV = RT (19)
где P,V,T – давление, объём, температура газа: этими параметрами определяется состояние газа;
R – газовая постоянная;
R = 848 / m , (20)
где m - молекулярный вес газа;
dQ – работа перешедшая в тепло, которое может быть подведено или отведено в процессе сжатия или расширения;
du – внутренняя энергия газа, зависящая от температуры и теплоёмкости газа;
А – механический эквивалент, равный 1 /427;
dl – внешняя работа, совершаемая над газом, или работа, совершаемая газом.
Теоретический цикл работы компрессора изображён на рисунок 55.
Процесс сжатия или расширения может происходить: а) без теплообмена с окружающей средой – адиабатический б) с полным обменом и сохранением температуры газа постоянной – изотермический; в) с частичным теплообменом – политропический: отвод тепла от газа, когда он нагрет выше стенок цилиндра и частичный подвод когда – ниже.
При адиабатическом процессе Q = 0, так как тепло не подводится и не отводится. Уравнение адиабаты принимает вид:
P1V1к = P2V2к , (79)
1-2-всасывание; 2-3 – сжатие; 3-4- нагнетание; 4-1-расширение
Рисунок 55-Теоретияческая диаграмма идеального компрессора
Работа при адиабатическом процессе выражается формулой:
Lад = К / К – 1 (P2V2 - P1V1) , (80)
где К – показатель адиабаты (К = Ср / Сv);
Ср – теплоёмкость при постоянном давлении;
Сv – теплоёмкость газа при постоянном объёме (для воздуха К = 0,41);
P2V2 и P1V1 – давления и объёмы в начале и конце сжатия.
При изотермическом процессе Т = const, du = 0.
dQ = Adl , (21)
или Q = AL , (22)
Уравнение изотермы
P1V1 = P2V2 (23)
Работа при изотермическом процессе
Lиз = 2,3 P1V1lg P2 / P1 , (24)
При политропическом процессе
P1V1m = P2V2m, (25)
Работа
Lпол = (m / m – 1) P1V1[(P2 / P1)m-1/m - 1], (26)
Где m - показатель политропы.
При m = 1 – изотерма, при m = К – адиабата.
В идеальном цикле (рис. 55) не учитывается вредное пространство, затраты энергии на преодоление сопротивления в клапанах, не постоянен тепловой режим, нет потерь на трение.
Работа сжатия от давления всасывания Р1 до давления нагнетания Р2 описывается площадью индикаторной диаграммы 1 – 2 – 3 – 4.
Рисунок 56- Диаграмма реального компрессора
В реальном компрессоре (рис. 56) процесс сжатия соответствует линии 2 – 3. Холодный газ нагревается от горячего цилиндра (привод тепла) и политропа отклоняется вправо от идеальной (изображена пунктиром). В конце процесса температура повышается и становится больше температуры цилиндров (отвод тепла): политропа отклоняется влево. В начале цикла сжатия давление в цилиндре меньше, чем во всасывающей линии из – за сопротивления во всасывающем клапане. (точка 2).
В конце цикла сжатия (точка 3) выше из – за сопротивлений в нагнетательном клапане (пружины).
Линия 3 – 4 изображает процесс нагнетания. Точка 4 выше идеальной ввиду сопротивления потоку газа в клапане, волнистость линии – неравномерность подачи.
Линия 4 – 1 – процесс расширения газа, оставшегося в мёртвом пространстве (от Р2² до Р4 – снижение давления), в конце процесса открывается всасывающий клапан. В конце процесса Р в цилиндре будет ниже, чем во всасывающем трубопроводе.
Линия 1 – 2 – всасывание газа. Сопротивление в клапанах и неравномерность подачи также описывается волнистой линией.
При степенях сжатия свыше 6 в цилиндре развивается температура Т свыше 473°К, что ведёт к разложению смазки, образованию нагара и взрывам. Поэтому поднимать степень сжатия свыше 6 не рекомендуется.
Во избежании указанных явлений степень сжатия в цилиндре выбирают такой, чтобы Т < 180° (степень сжатия 4,8), а высокие давления получают путём многоступенчатого сжатия. Схема трёхступенчатого сжатия приводится на рисунке 57
1 – цилиндр низкого давления; 2 – холодильник; 3 – цилиндр высокого давления; 4 – холодильник.
Рисунок 58- Схема многоступенчатого сжатия
Газ поступает в цилиндр низкого давления 1 с параметрами Р0Т1 и компенсируется до Р1Т2. затем охлаждается в холодильнике 2 до Р1Т1 и поступает во II ступень цилиндра высокого давления 3, где получается Р2Т2 и направляется в холодильник 4. Здесь газ охлаждается до Р2Т1 и поступает в III ступень цилиндра высокого давления 4. Здесь газ приобретает Р3Т2 и поступает в сеть.
Индикаторная диаграмма трёхступенчатого компрессора может быть выражена графиком, изображённым на рисунок 59.
Рисунок 59-Индикаторная диаграмма трёхступенчатого компрессора
В I ступени газ сжимается от Р0 до Р1, во II ступени – от Р1 до Р2, в третьей – от Р2 до Р3.
Газ поступая из первой ступени в холодильник, охлаждается до температуры всасывания Т1 и его состояние соответствует сжатию его в первой ступени по изотермическому процессу.
Сжатие во II ступени начинается с точки В1 и идёт по политропе до точки С2. Объём газа, поступающего во II ступень меньше, чем в I.
Газ под давлением Р2 поступает в холодильник, где охлаждается до первоначальной температуры Т1 и поступает на приём III ступени по политропе В2С3.
Если бы процесс сжатия происходил в одной ступени, то индикаторная диаграмма описывалась бы фигурой А0ВСД3А0.
Объём газа в конце ступени V1 будет соответствовать прямой С1Д1. При охлаждении объём газа станет:
V1 = V1¢ ×T1 / T2 , (27)
где Т1 – температура первоначальная;
Т2 – температура после I ступени.
Во II ступень поступает V1, которому будет соответствовать на графике прямая А2В1. После сжатия объём газа примет объём V2¢ (прямая С2Д2), а после холодильника V2<V2¢ (V2¢ соответствует прямой В2С3) в трубопровод.
Из полученной площади диаграммы, ограниченной линией ВС1В1С2 В2С3 следует, что в результате ступенчатого сжатия уменьшается величина затраченной работы. Заштрихованная часть есть выигрыш в работе при трёхступенчатом сжатии. Кривая ВВ1В2В3 характеризует изотермический процесс.
Дата добавления: 2016-06-18; просмотров: 3380;