Одноступенчатый поршневой компрессор

Сжатие и перемещение газов в компрессорах происходит за счет того, что газ в рабочем пространстве поршневого компрессора сжимается под действием перемещающегося поршня.

Процесс сжатия – расширения газа в компрессоре изображают обычно на диаграммах в координатах р-V (рис. 1.3).

Рассмотрим теоретический процесс работы одноступенчатого поршневого компрессора (количество ступеней обычно обозначают через z, в данном случае z=1).

Поршень из крайнего правого положения (точка 0) начинает двигаться влево. Впускной клапан В закрывается, и начинается процесс сжатия газа в рабочем пространстве компрессора.

Рис. 1.3. Теоретическая индикаторная диаграмма работы поршневого компрессора

Этот процесс, который на диаграмме ответствует кривой 0-1, характеризуется уменьшением объема рабочего пространства и возрастанием давления газа. Когда поршень достигает точка 1, давление газа в рабочем пространстве компрессора уравновешивается давлением в напорном трубопроводе. В этом случае открывается выпускной клапан В₁ и происходит выталкивание газа из рабочего пространства компрессора в напорный трубопровод при постоянном давлении (кривая 1-2). Точка 2 соответствует крайнему левому положению поршня. Так как рассматривается теоретический цикл, то исходят из предположения, что весь газ, находившийся в рабочем пространстве компрессора, выталкивается в напорный трубопровод. В этом случае, как только начинается обратное движение поршня (вправо), происходит мгновенное снижение давления. Как только давление достигнет значения р₀, откроется впускной клапан В. Этот процесс на р-V-диаграмме соответствует линии 2-3. По мере перемещения поршня вправо происходит процесс всасывания газа, т. е. процесс заполнения газом рабочего пространства компрессора, который на р-V-диаграмме изображается линией 3-0. Полученная диаграмма называется теоретической индикаторной диаграммой работы поршневого компрессора.

Процесс всасывания и нагнетания происходит при постоянном давлении, а в процессе сжатия изменяются 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 адиабатным.

В том случае, когда вся теплота нагретого от сжатия газа отбирается, (т. е. газ сжимается при постоянной температуре), то такой процесс сжатия называется изотермическим. Однако, на практике это трудно осуществимо, так как для этого необходимо интенсивное охлаждение цилиндра компрессора: количество отведенной теплоты должно быть равным затраченной работе.

В большинстве случаев, несмотря на устройство охлаждающих рубашек на цилиндрах компрессоров, удается отвести лишь часть этой теплоты. В этом случае термодинамический процесс сжатия называется политропным.

На рис. 1.3 кривая 0-1 соответствует политропному процессу сжатия, кривая 0-1’ отражает изотермный, а кривая 0-1"– адиабатный про- цессы.

Так как в процессе сжатия газа в компрессоре давление изменяется от p₀ до р₁, то работа, затрачиваемая в компрессоре на изотермическое сжатие, характеризуется площадью 0-1'-2-3; на адиабатное сжатие площадью фигуры 0-1"-2-3 и на политропное сжатие площадью 0-1-2-3.

Как видно из р-V-диаграммы, минимальная работа, затрачиваемая на сжатие газа в компрессоре, соответствует изотермическому процессу.

Соотношения параметров газа в политропном процессе, которые являются следствием уравнений:

(1.10)

(1.11)

имеют вид:

(1.12)

(1.13)

(1.14)

Расход энергии на производство 1 кг сжатого газа при политропном сжатии определяется по формуле:

(1.15)

Здесь n – показатель политропы, соответствует значениям 1<n <к.

Задавая определенные значения показателя n, получают частные случаи политропного процесса сжатия:

а) при изотермическом сжатии (n=1):

(1.16)

б) при адиабатном сжатии (n=к):

(1.17)

Действительная индикаторная диаграмма (рис. 1.4) отличается от идеальной тем, что при построении последней не были учтены особенности, обусловленные конструктивными элементами, а именно:

1) при достижении давления P₁ нагнетательный клапан не откроется, для этого необходимо создать несколько большее давление (кривая 0-1) для преодоления его инерции покоя (после открытия клапана давление в рабочем пространстве выровняется до давления P₁);

2) после открытия нагнетательного клапана весь газ вытолкнуть из рабочего цилиндра невозможно, так как поршень не может вплотную подойти к крышке, где находятся клапаны (точка 2), поэтому часть газа остается в цилиндре. Объем, занятый газом, оставшимся под давлением нагнетания P₁, называется объемом мертвого пространства. Этот объем действительно вреден, так как всасывание новой порции газа начинается не в начале обратного хода поршня, а в конце процесса расширения объема газа, оставшегося в «мертвом» объеме. Следовательно, наличие «мертвого» объема не позволяет полностью использовать рабочее пространство компрессора;

Рис. 1.4. Действительная индикаторная диаграмма работы поршневого компрессора

3) при движении поршня вправо газ, находящийся в «мертвом» объеме, должен расшириться до давления, которое ниже, чем давление во всасывающем трубопроводе (линия 2-3). Это необходимо для того, чтобы всасывающий клапан открылся (после открытия клапана давление выровняется и всасывание газа будет происходить при постоянном давлении P₀).

Замкнутая кривая 0-1-2-3 в р-V-диаграмме в таком виде называется действительной индикаторной диаграммой поршневого компрессора. Площадь этой диаграммы определяют экспериментально с помощью индикатора.