40. Теоретическое и действительное сжатие в компрессоре. Многоступенчатое сжатие.

Понятие теоретического процесса сжатия вводится потому, что реальный процесс является достаточно сложным. В теоретическом процессе принимаются следующие допущения:

1. не учитывается трение поршня;

2. механическое и гидравлическое сопротивления клапанов отсутствуют;

3. нагнетание происходит при постоянном давлении в ресивере;

4. давление и температура всасываемого воздуха не изменяются;

5. в конце сжатия в цилиндре не остаётся воздуха.

Индикаторная диаграмма идеального процесса имеет вид, представленный на рис. 5.6 а.

Из диаграммы следует, что на участке 1 – 2 поршень движется вправо, газ заполняет рабочее пространство цилиндра. Процесс происходит изобарно, то есть, при постоянстве давления всасывания на уровне p₁. На участке 2 – 3 происходит начало движения поршня влево со сжатием газа. При этом давление увеличивается по кривой 2 – 3. Вид кривой определяется условиями, при которых происходит сжатие. Возможные варианты представлены на рис. 5.6 б.

Р ис. 5.6. Индикаторная диаграмма идеального сжатия

В случае, если обеспечивается идеальное отведение тепла от цилиндра, имеет место изотермическое сжатие (кривая 2 – 3 на рис. 5.6 б). Если тепло, выделяющееся при сжатии, не отводится совсем, происходит адиабатическое сжатие (кривая 2 – 3’ на рис. 5.6 б).

В реальности же, процесс сжатия происходит по политропе (кривая 2 – 3’’ на рис. 5.6 б), которая находится между изотермой и адиабатой. Политропный процесс описывается уравнением: pωⁿ =const.

где n – показатель политропы, обычно он принимает значения в диапазоне (1,2 1,3).

После достижения давлением в цилиндре значения p₂, работа продолжается на участке 3 – 4. На этом участке открыт нагнетательный клапан, а газ изобарно нагнетается в ресивер. Этот процесс продолжается до тех пор, пока поршень цилиндра не придёт в так называемую верхнюю мёртвую точку. Далее начинается обратный ход поршня.

Степенью повышения давления в компрессоре называется отношение давления нагнетания к давлению всасывания:

Действительный процесс сжатия в компрессоре

Действительный процесс работы компрессора отличается от теоретического. Учесть все факторы сложно, поэтому рассмотрим влияние только некоторых из них:

1. Наличие пространства между верхним положением поршня и клапанной крышкой;

2. Сопротивление клапанов при всасывании и нагнетании;

3. Пульсации давления.

П ространство между крайним положением поршня и клапанной крышкой, называемое «вредным» пространством. Это пространство необходимо для того, чтобы не произошло столкновения поршня с клапанами. Из-за наличия «вредного» пространства в конце сжатия под поршнем остаётся определённый объём газа. В результате, при обратном ходе поршня всасывание начнётся не сразу, а лишь после того, как давление в цилиндре снизится до p₁. Снижение давления происходит по политропе (линия 2 – 3 на рис. 5.7 а).

Рис. 5.7. Реальная индикаторная диаграмма сжатия

Отношение всасываемого объёма газа к максимальному объёму между поршнем и клапанной крышкой называется объёмным коэффициентом компрессора:

где V’ – всасываемый объём газа; V_h – объём, описываемый поршнем; V₀ – объём «вредного» пространства.

Следует отметить, что наличие вредного пространства имеет и положительные стороны. Во-первых, работа клапанов более плавна, во-вторых, при обратном ходе поршня энергия, затраченная на сжатие газа во «вредном» пространстве, возвращается поршню.

И, наконец, из-за наличия вибраций клапанных пружин и пульсаций давления в системе процессы нагнетания и всасывания газа не будут изобарными, то есть линии 1 – 2 и 3 – 4 не будут прямыми. Реальная индикаторная диаграмма работы компрессора представлена на рис. 5.7 в.

МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ СЖАТИЕ

С ростом степени сжатия в цилиндре увеличивается и температура газа в конце сжатия. При степени сжатия = 8 температура в цилиндре может достигать (443 493) К. Поэтому, на практике не делают степень сжатия в одном цилиндре более 7. Для получения более высоких степеней сжатия одним компрессором применяют многоступенчатое сжатие. Схема двухступенчатого сжатия приведена на рис. 5.8.

Р ис. 5.8. Двухступенчатое сжатие

Сжатие газа сначала происходит в первом цилиндре 1, а затем сжатый газ попадает во второй цилиндр 2 через холодильник 3. Холодильник обычно представляет собой трубку с большой площадью внешней поверхности (змеевик), которая обдувается атмосферным воздухом.

Необходимость промежуточного охлаждения воздуха обусловлена двумя основными причинами: во-первых, так процесс наиболее приближается к изотермическому, во-вторых, это необходимо для улучшения условий работы смазки компрессора.

Приводятся в движение поршни посредством шатунов, соединённых с коленчатым валом 4. Для сглаживания пульсаций вращающего момента и скорости на валу устанавливается маховик 5.

При z ступенях сжатия (z последовательно соединённых цилиндрах) давление на выходе компрессора будет определяться выражением:

p_z+1=p₁ε^z ,

где p_z+1 – давление на выходе z-го цилиндра.

Следовательно, если известны начальное (обычно атмосферное) и конечное давления, то степень повышения давления на каждой из ступеней определяется как:

Если считать, что процессы сжатия во всех цилиндрах происходят изотермически, то рабочие объёмы цилиндров должны изменяться обратнопропорционально давлениям.:

где V_i – рабочий объём i-го цилиндра.