Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел

В поршневом компрессоре перемещение газа из области низкого давления в область высокого давления достигается всасыванием, сжатием и нагнетанием газа. Совокупность этих процессов, повторяющихся при каждом обороте вала, составляет цикл компрессора.

Одноступенчатое сжатие применяют при небольшом отношении конечного давления к начальному.

Цикл отдельной ступени многоступенчатого компрессора не отличается от цикла одноступенчатого компрессора, действующего в условиях тех же давлений.

Рассмотрим теоретический одноступенчатый цикл (рис. 1), представляющий упрощенную схему действительного.

При рассмотрении теоретического процесса работы поршневого компрессора допускают наличие следующих условий, практически осуществить которые трудно:

процессы всасывания и нагнетания происходят при постоянных параметрах рабочего тела (давлении и температуре), но при переменных количествах рабочего тела в цилиндре;

при движении поршня не возникает трений;

в компрессоре отсутствуют утечки рабочего тела и вредное пространство, то есть предполагается, что когда поршень приходит в крайнее левое положение, в цилиндре компрессора не остается рабочего тела;

отсутствуют потери давления в клапанах.

Теоретический процесс работы поршневого компрессора изображается в координатах Р–V диаграммой, на которой линия а–1 соответствует процессу всасывания газа при постоянном давлении, а линия 1–2 – процессу политропного сжатия, линия 2–б – процессу выталкивания газа в нагнетательный трубопровод при постоянном давлении.

Всасывание газа в цилиндр через клапан происходит в теоретическом цикле на протяжении всего хода поршня (точка 1), всасывающий клапан закрывается и начинается сжатие газа, продолжающееся до тех пор, пока давление в цилиндре не достигнет величины за нагнетательным клапаном (точка 2). При этом открывается нагнетательный клапан и начинается нагнетание (выталкивание) сжатого газа из цилиндра, которое происходит на остальной части хода поршня.

В момент второй перемены хода поршня нагнетательный клапан закрывается, давление в цилиндре падает, всасывающий клапан снова открывается. В процессах всасывания и нагнетания объем газа V в цилиндре изменяется вместе с массой газа, но удельные объемы v остаются постоянными. Вследствие этого цикл компрессора, изображаемый в координатах v–Р, не может быть представлен в координатах V–Р.

Рассматривая теоретические циклы, полагают, что процесс сжатия протекает по изотерме, адиабате или политропе. Соответственно цикл компрессора называют изотермическим, адиабатическим или политропическим.

Площадь, ограниченная линиями а–1–2–б представляет работу, затрачиваемую за один оборот коленчатого вала компрессора, то есть работу нагнетания.

Величина работы, затрачиваемой на нагнетание, складывается из трех частей: работы всасывания, изображаемой площадью а–1–V1 –0; работы сжатия (площадь V1–1–2–V2) и работы выталкивания (площадь V2–2–б–0).

Работу, принимаемую газом в компрессоре, принято считать положительной, а возвращаемую газом – отрицательной.

Работа всасывания противоположна по знаку работе сжатия и выталкивания, так как она совершается самим газом, то есть, получена поршнем не от привода, а от газа, в то время как работа сжатия и выталкивания совершается поршнем за счет энергии, получаемой от привода.

Условно считают, что работа всасывания имеет отрицательный знак, работа сжатия и выталкивания – положительный. Таким образом, работа компрессора за один оборот коленчатого вала будет равна алгебраической сумме работ.

При рассмотрении теоретического процесса поршневой компрессорной машины не было учтено наличие в цилиндре мертвого пространства.

Мертвым или вредным пространством называется пространство между днищем поршня, находящегося в верхней мертвой точке, и крышкой цилиндра. Наличие мертвого пространства сокращает количество поступательного газа в цилиндр компрессора.

Регулирование линейной величины мертвого пространства производится прокладками или изменением длины штока. Замер объема мертвого пространства производится водой. Для конструктивных расчетов, а также для определения объемного коэффициента, вводится понятие основных величин в цилиндре, определяемых при движении поршня от ВМТ к НМТ и обратно.

Вредное пространство в цилиндре ликвидировать нельзя, но необходимо его уменьшать до безопасного минимума.

Объем мертвого пространства можно выразить в процентах от объема, описываемого поршнем. Относительная величина мертвого пространства обозначается символом «а» и составляет для действующих компрессоров 3–10 %, а величина линейного мертвого пространства – от 0,8 до 1,5 мм.

В средних и крупных компрессорах, при радиальном расположении всасывающих и нагнетательных клапанов на боковых стенках цилиндров относительное мертвое пространство ступеней низкого давления колеблется в пределах 6–12 %, а у ступеней высокого давления – 12–18 %.

При расположении клапанов в крышках цилиндров мертвое пространство значительно меньше. Устройство комбинированных клапанов, размещенных в крышках цилиндра, может уменьшить мертвое пространство до 5 %.

При отсутствии сжатия, когда давление нагнетания равно давлению всасывания, то есть при степени сжатия, равной 1, объемный КПД тоже равен 1, hv = 1.

С увеличением степени сжатия объемный КПД уменьшается, и когда весь газ, сжатый в цилиндре до давления нагнетания, умещается в мертвом пространстве, достигает 0, hv = 0.

На индикаторной диаграмме концы линии сжатия и расширения совпадают и компрессор прекращает нагнетание, а, следовательно, и всасывание.

Значение степени сжатия, при которой это происходит, легко определить из условия

hv = 1 – а (ε 1/n – 1) = 0, ε = (1/а + 1)n,

где ε – степень сжатия;

hv – объемный КПД;

c – удельная теплоемкость.

Если принять а = 0,1, а показатель политропы конечных параметров в процессе расширения положить равными 1; 1,2; 1,4, то предельное значение степени сжатия, при которых прекращается подача газа, равны соответственно 11; 17,8; 28,7.

Из графика видно, что предел нагнетания наступает тогда, когда линия процесса сжатия и процесса расширения газа, оставшегося в мертвом пространстве, совпадают. Это указывает на то, что при расширении газа, оставшегося в мертвом пространстве, его давление становится равным атмосферному при переходе поршня в нижнюю мертвую точку, то есть процесса всасывания новой порции газа цилиндром компрессора не происходит.

При движении поршня к верхней мертвой точке данный газ сжимается и весь помещается в объеме мертвого пространства, то есть процесса выталкивания газа из цилиндра компрессора не происходит. Таким образом, происходит сжатие и расширение одной и той же порции газа, объемный КПД hv = 0.

Сжатие в компрессоре допускается до определенной температуры, которая должна быть на 60° ниже температуры самовоспламенения смазочного материала.