1.13. Поршневые компрессоры

По принципу действия (т. е. по способу сообщения энергии) компрессоры разделяют на объемные и динамические.

В объемных компрессорах давление газа повышается вследствие уменьшения пространства, в котором находится газ; в идеальном случае это пространство является абсолютно герметичным и никаких утечек в процессе повышения давления не происходит. К объемным компрессорам относятся поршневые, мембранные и роторные. Последние в свою очередь подразделяются на пластические, жидкостно-кольцевые и винтовые.

К динамическим компрессорам относятся центробежные и осевые. В них давление повышается при непрерывном движении газа через проточную часть машины за счет энергии, которую сообщают частичкам газа лопатки вращающегося ротора. При этом кинетическая энергия преобразуется в работу сил давления.

Все компрессоры независимо от принципа действия подразделяются по основным эксплуатационным параметрам - давлению и подаче. Компрессоры, сжимающие газ до избыточного давления 0,2 - 1,0 МПа, называют компрессорами низкого давления, до давления 1,0 - 10,0 МПа - среднего и до давления 10 - 100 МПа - компрессорами высокого давления.

Схема и принцип действия компрессора аналогичен схеме и принципу действия поршневого насоса.

Основы теории. Как известно, компрессоры предназначены для сообщения дополнительной энергии движущемуся газу. Это происходит вследствие того, что газ в рабочем пространстве поршневого компрессора сжимается под действием движущегося поршня. Дополнительной энергии передается газу ровно столько, сколько затрачивается работы на сжатие газа. Процесс сжатия - расширения газа в компрессоре принято изображать в диаграммах чаще всего в координатах р - v (р - давление газа, v - удельный объем).

Рассмотрим теоретический процесс работы поршневого компрессора, изображенного на Рисунок 1 .46. Поршень П из крайне правого положения (на р – V - диаграмме точка 1) начинает двигаться влево. Всасывающий (выпускной) клапан В мгновенно закрывается и начинается процесс сжатия газа в рабочем пространстве компрессора. Этот процесс, который на диаграмме происходит вдоль линии 1 - 2, характеризуется уменьшением объема рабочего пространства и возрастанием давления газа. Когда поршень достигает положения 2, давление газа в рабочем пространстве компрессора становится равным давлению в напорном трубопроводе р₂. В этом случае открывается выпускной (нагнетательный) клапан Н и происходит выталкивание газа из рабочего пространства компрессора в напорный трубопровод. На р – v -диаграмме этот процесс изображен линией 2 - 3. Точка 3 соответствует крайне левому положению поршня. Поскольку мы рассматриваем теоретический цикл, то исходим из предположения, что весь газ, находящийся в рабочем пространстве компрессора, выталкивается в напорный трубопровод. В этом случае как только начинается обратное движение поршня (вправо), происходит мгновенное уменьшение давления до значения p₁ и открывается впускной клапан В. Этот процесс на р – v - диаграмме соответствует линии 3 - 4. По мере перемещения поршня вправо происходит процесс всасывания газа, т. е. процесс заполнения газом рабочего пространства компрессора, который на р – v - диаграмме изображается линией 4 - 1. Полученная диаграмма называется теоретической диаграммой работы поршневого компрессора.

Рисунок 1.46 - Индикаторная диаграмма работы, поршневого компрессора

Как видно из диаграммы, процесс всасывания и нагнетания происходит при постоянном давлении, а в процессе сжатия меняется и давление, и объем. Известно, что при сжатии газ нагревается и температура его повышается. Если при этом газ не обменивается теплотой с окружающей средой, то такое сжатие называется адиабатическим и связь между давлением и объемом определяется выражением:

,

(1.0)

где k - показатель адиабаты.

В том случае, когда теплота нагретого от сжатия газа отбирается, можно создать условия, при которых газ будет сжиматься при постоянной температуре. Такой процесс сжатия называется изотермическим, а связь между удельным объемом и давлением определяется выражением:

.

(1.0)

Если в процессе сжатия отбирается не вся теплота, то такой термодинамический процесс называется политропическим и связь между давлением и удельным объемом определяется выражением

,

(1.0)

где показатель политропы n находится в пределах

1  n k.

Если считать, что кривая 1 - 2 на р - v-диаграмме соответствует политропическому процессу сжатия, то кривая 1 - 2' отражает изотермический процесс, а кривая 1 - 2" - адиабатический.

Из курса термодинамики известно, что работа, затрачиваемая в компрессоре на сжатие газа и его перемещение, равна произведению объема на изменение давления, т. е.

(1.0)

На р – v диаграмме это произведение изображается заштрихованной площадью. Если иметь в виду, что процесс сжатия газа в компрессоре происходит от p₁ до р₂, то работа, затрачиваемая в компрессоре на изотермическое сжатие, определится площадью фигуры 1 - 2 - 3 - 4 и может быть рассчитана на основе выражений (2.69) и (2.70)

(1.0)

Рисунок 1.47 - Индикаторная диаграмма работы, поршневого компрессора

Работа, затрачиваемая в компрессоре на адиабатическое сжатие, определится площадью фигуры 1 - 2" - 3 - 4 и может быть рассчитана на основе выражений {6.16) и (6.18)

(1.0)

Работа, затрачиваемая в компрессоре на политропическое сжатие, определится площадью фигуры 1 - 2 - 3 - 4 и рассчитана быть не может, так как для каждого отдельного случая показатель политропы зависит от температуры газа, находящегося в компрессоре.

Как видно из р – v - диаграммы, минимальная работа, затрачиваемая на сжатие газа в компрессоре, соответствует изотермическому процессу, который следует реализовать с помощью различных охлаждающих устройств.

Действительная индикаторная диаграмма отличается тем, что при ее построении не был учтен ряд особенностей, вызванных конструктивными элементами. Чтобы понять их влияние, построим индикаторную диаграмму в тех же р - v координатах. Пусть, как и прежде, поршень расположен в крайнем правом положении / (рис. 6.15) и в рабочем пространстве цилиндра находится газ под давлением р\. При движении поршня влево газ начнет сжиматься, но при достижении давления р2 нагнетательный клапан не откроется. Для открытия клапана необходимо создать несколько большее"^ давление, чтобы преодолеть его инерцию покоя (линия 1 - 2).

После открытия клапана давление в рабочем пространстве компрессора выравнивается и газ выталкивается поршнем в напорный трубопровод. На р – v - диаграмме это соответствует линии 2 - 3. Однако весь газ вытолкнуть из рабочего цилиндра невозможно, так как поршень не может вплотную подойти к крышке, где находятся клапаны. Поэтому часть газа останется в цилиндре. Объем, занятый этим газом, оставшимся под давлением нагнетателя р2, называется объемом «вредного» пространства. Этот объем действительно вреден, так как он мешает полному использованию рабочего пространства компрессора. Точка 3 соответствует крайне левому положению поршня. При движении поршня вправо газ, находящийся во вредном пространстве, должен расшириться, чтобы давление стало несколько ниже, чем давление во всасывающем трубопроводе (линия 3 - 4). После открытия клапана давление выравнивается и всасывание газа происходит при постоянном давлении р\. Полученная замкнутая кривая / - 2 - 3 - 4 на р – v - диаграмме называется индикаторной диаграммой поршневого компрессора Площадь этой диаграммы определяют экспериментально с помощью индикатора.

Вредное пространство. Наличие вредного пространства приводит к уменьшению объема всасываемого газа, так как всасывание новой порции газа начинается не в начале обратного хода поршня, а в конце процесса расширения объема газа, оставшегося во вредном пространстве. Таким образом, объем всасываемого газа v_вс всегда меньше рабочего объема цилиндра v_р. Отношение объема всасываемого газа к рабочему объему цилиндра называется объемным КПД λ₀:

		(1.0)
Рисунок 1.48 - Учет вредного пространства при работе поршневого компрессора

Для оценки объёмного КПД обратимся к Рисунок 1 .48 из которого очевидным является следующее равенство:

,

(1.0)

где V₀ - объем вредного пространства; V - объем расширившегося газа.

Из выражения (2.75) получаем

,

(1.0)

откуда выражение для λ₀ будет иметь вид

.

(1.0)

Отношение V₀/V_р = a называется относительным объемом вредного пространства.

При адиабатическом процессе сжатия газа в компрессоре связь между объемом и давлением определится из уравнения адиабаты

,

(1.0)

откуда

.

Отношение р₂/р₁ =  называется степенью сжатия газа в компрессоре. Таким образом, для λ₀ можно записать

(1.0)

Как видно из выражения (2.80), значение λ₀ тем больше, чем меньше степень сжатия. Действительно, если посмотреть на диаграмму, изображенную на рис. 2.47, то можно видеть, что при уменьшении , т. е. при р₁ < p₂, сжатие закончится в точке 2', выталкивание газа из компрессора закончится в точке 3' и после расширения газа, занимающего мертвый объем, всасывание начнется из точки 4'. Как видно из диаграммы, для рассмотренного случая объем всасываемого газа V'_вс больше, чем для предыдущего V'_вс > V_вс.

Если же увеличить степень сжатия, то объем всасываемого газа уменьшится. Итак, объем всасываемого газа, вычисленный на основе выражений (2.76) и (2.77), составит

(1.0)

Однако действительный объем газа, подаваемый компрессором, будет еще меньше. Это объясняется двумя причинами:

1. При всасывании газ, приходя в соприкосновение с горячими поверхностями клапанов стенок цилиндра и поршня, нагревается (и, следовательно, расширяется).

2. Цилиндр компрессора не герметичен (утечки могут возникнуть через клапаны, сальники, между поршневыми кольцами и внутренней поверхностью цилиндра).

Первое из указанных обстоятельств учитывают, вводя термический коэффициент λ_т, второе - коэффициент герметичности λ_г.

Произведение

(1.0)

называют коэффициентом подачи.

Подача. Теоретическая объемная подача поршневого компрессора простого действия определяется произведением площади поршня на ход поршня S и частоту вращения привода п

,

(1.0)

где D - диаметр поршня, n – число двойных ходов поршня в секунду.

Действительную подачу можно определить из выражения

Q = Q_т.

Массовая подача равна:

Q_м = ₁ Q.

где ₁ - плотность всасываемого газа.

КПД компрессора. Вся работа компрессора расходуется не только на сжатие газа, но и на преодоление сопротивления, вызванного наличием трения, т. е. действительная работа

А=A_ад+A_тр.

Случай отсутствия потерь на трение A_тр = 0 является идеальным при работе компрессора без охлаждения. При этом чем лучше работает компрессор, тем ближе значение А к значению A_ад.

Отношение A_ад/A называется адиабатическим КПД и равняется

(1.0)

Обычно _ад = 0,7-:-0,9.

Аналогичные рассуждения можно провести для случая изотермического сжатия, т. е. когда имеется полный отвод теплоты от нагретого газа. Коэффициент полезного действия, получаемый из сравнения с идеальным изотермическим циклом, называется изотермическим КПД и определяется из равенства

(1.0)

Обычно _из = 0,65-:-0,75.

Мощность. Если числитель и знаменатель в выражениях (2.84) и (2.85) умножить на массовую подачу, то придем к понятию мощности. Действительно, A_ад и A_из - это удельная адиабатическая и изотермическая работа соответственно, т. е. работа, совершаемая над единицей массы газа.и имеющая размерность Дж/кг. Умножая удельную работу на массовую подачу, кг/с, получаем мощность, Дж/(с-Вт). Таким образом,

(1.0)