Одноступенчатое сжатие

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

В машинах, предназначенных для сжатия газа. увеличение давления происходит или за счет уменьшения объема просторную, в котором находится газ (объемные компрессоры, к числу которых относятся поршневые и винтовые), или за счет сообщения потока газа энергии от динамического влияния на него лопат рабочих колес (центробежные компрессоры).

На рис. 87 показанные схемы поршневых компрессоров одностороннего и двустороннего действия. В современных компрессорах вместо кривошипного вала применяется коленчатый. В компрессоре одностороннего действия, где цилиндр не имеет задней крышки, механизм движения более простой, в нем отсутствуют крейцкопф и шток.

В компрессоре одностороннего действия (рис. 87, а) всасывание воздуха из атмосферы в цилиндр происходит через всасывающий клапан при походке поршня по левую сторону по правую сторону. При походке поршня по правую сторону по левую сторону этот клапан закрывается. воздух сжимается и выталкивается через нагнетательный клапан в воздухопроводную сеть. В компрессоре двустороннего действия эти процессы протекают с обеих сторон поршня (рис. 87, б).

Описанные компрессоры называются одноступенчатыми, сжатие воздуха в них от начального к конечному давлению вырабатывается сразу за один ход поршня. В многоступенчатых компрессорах сжатие воздуха от начального до некоторого промежуточного давления вырабатывается в первой ступени, а потом в следующих ступенях он сжимается к необходимому конечному давлению.

Рис. 87. Схемы поршневых компрессоров:

а —одностороннего действия; б-двустороннего действия; 1- цилиндр; 2 — поршень; 3,4— всасывающий и нагнетательный клапаны; 5 - вал; 6- кривошип; 7 – шатун; 8 — крейцкопф; 9 – шток.

Процессы, которые протекают в компрессорах, как известно из термодинамики, могут быть изображены в координатных осях давления р и объема В, а также в осях абсолютной температуры Т и энтропии 5. При изображении в осях р-V может быть определенная затрачиваемая в компрессоре робота как площадь, ограниченная линией кругового процесса, при изображении в осях Т—5 — теплота.

Низшее относительно поршневых компрессоров используются координаты р-V, а к центробежных — как координаты р-V, так и Т — 8.Теоретический процесс поршневого компрессора можно было бы осуществить при следующих условиях: 1) после выталкивания в цилиндре компрессора не останется сжатый воздух; 2) давление и температура воздуха при всасывании не изменяются и остаются такими же, как в окружающей компрессор атмосфере; 3) давление и температура сжатого воздуха при его выталкивании не изменяются и одинаковые с давлением и температурой воздуха в напорном трубопроводе.

По диаграмме теоретического процесса в одноступенчатом компрессоре одностороннего действия в координатных осях давления р (здесь и дальше принятые обозначения: р — абсолютное давление, р_и — избыточное давление) и объема V (рис. 88) процесс всасывания в компрессор воздуха объемом V₁ при давлении р₁ изобразится линией 1-2,

процесс сжатия его — кривой 2-3, процесс выталкивания сжатого воздуха объемом V₂ при давлении р₂ в напорный трубопровод — линией 3-4, процесс выравнивания давления в цилиндре от р₂ к р₁— линией 4-1. Процессы в компрессоре двустороннего действия изобразятся двумя такими диаграммами, повернутыми друг относительно вторая на угол 180°.

Полная работа L_k, израсходованная в компрессоре, представляет собой площадь кругового процесса 1-2-3—4-1 и равняется сумме работ процессов всасывания L_вс = р₁ V₁, сжатия и выталкивание L_выт = p₂V₂, то есть (106)

Масштаб работы определяется на основании принятых масштабов давления и объема. Допустим, что 1 МПа (1 000 000 Н/м²) отвечает 2см, а 1 м² - 5см, тогда 1 000 000 Н·м (Дж) отвечает 10 см'².

Диаграмма теоретического процесса в одноступенчатом поршневом компрессоре одностороннего действия показанная на рис. 88. Процесс сжатия может быть изотермической (2-3), адиабатным (2-3') и политропным (2-3").

При изотермическом сжатии температура постоянная и от воздуха отводится вся теплота, которая выделяется в процессе сжатия.

При этом процессе

(107)

В цикле с изотермическим сжатием L_вс ⁼ L_выт,так как Р₁V₁=P₂V₂. Ведь

L_к.с = L_сж, то есть работа, затрачиваемая в компрессоре,

(108)

Если объемы выражены в м³, то для получения работы в Дж (Н·г) в формуле (108) и в следующих формулах работы давление должный быть выражен в Па (Н/м²).

При изотермическом процессе от воздуха при сжатии отводится теплота (Дж)

(109)

При адиабатном сжатии к воздуху не привстает и от него не отводится теплота. Линия адиабатного процесса сжатия в координатах р-V круче линии изотермического процесса.

При адиабатном процессе справедливые следующие зависимости между давлениями р и абсолютными температурами Т, с одной стороны, и объемами V — с другого, а также между температурами и давлениями:

(110)

где k==1,4 — показатель адиабаты (отношение теплоемкост воздух при постоянном давлении порівн к теплоемкости его при постоянном объеме С_v);

; (111)

.; (112)

При цикле с адиабатным сжатием

откуда

. (113)

На основании выражений (110) и (113)

(114)

Политропное сжатие воздуха в компрессоре применяется с отводом теплоты, то есть с охлаждением (п < k).

При цикле с политропным сжатием справедливые те же зависимости, то есть (110)—(114), что и при адиабатном сжатии, но с применением вместо показателя адиабаты k показателя политропы г.

Количество теплоты Q (Дж), что відводиться от т кг воздух при сжатии его по политропному процессу,

(115)

где C_v = 0,7243 кдж/(кг·КР)-средняя массовая теплоемкость воздуха при постоянном объеме и температуре 0 ... 200 °С.

Минимальная работа будет затрачиваться в компрессоре с изотермическим сжатием (площадь 1-2-3—4-1), а максимальная — при адиабатном сжатии (площадь 1-2-3'—4-1). Максимальная площадь будет больше минимальной на величину площади 2-3-3'—2. При изотермическом сжатии за все время процесса температура сжимаемого воздуха будет равняется температуре всасываемого. При адиабатном сжатии температура сжатого воздуха будет выше температуры всасываемого, и это может появиться причиной взрыва от вспышки смазочного масла. Адиабатное сжатие тем более невыгодно, чем больше степень повышения давления ε= р₂/p₁.

Так как изотермическое сжатие в компрессоре через условия охлаждения практически осуществить невозможно, то сжатие вырабатывается по политропному процессу (линия 2-С") при п = = 1, 3, ... 1,35 с частичным отводом тепла от воздуха, что выгоднее адиабатного.

Соответствующей действительности процесс поршневого компрессора отличается от теоретического следующим:

1) при выталкивании сжатого воздуха его часть остается в просторному между поршнем, который находится в крайнем положении, и крышкой цилиндра, а также в каналах, которые соединяет клапаны с цилиндром; это пространство называется вредной;

2) имеют место сопротивления при всасывании атмосферного воздуха в фильтре и в всасывательных клапанах, а при выталкивании сжатого воздуха — в нагнетательных клапанах;

3) имеются неплотности между поршнем и стенками цилиндра, в клапанах и сальниках;

4) в конце всасывание температура воздуха в цилиндре повышается;

5) сжимаемый воздух содержит частицы водного пара. При походке всасывания сжатый воздух, который остался в вредном пространстве, расширяется (рис. 89, а, кривая 4-1} и давление его _падает от р₂ к р1. Очевидно, что всасывание начинается не

Рис. 89. Диаграмма процесса в одноступенчатом компрессоре с учетом влияния:

а — вредного пространства; бы — вредного пространства и клапанов

в начале хода поршня; а только тогда, если давление в цилиндре станет ниже давления атмосферного воздуха, то есть будет всасываться меньший объем воздуха, чем при теоретическом процессе.

Отношение α₀ объема V₀ вредного просторную к объему V_п, описываемому поршнем за один ход, называется коэффициентом вредного пространства. Обычно α_в = 0,03...0,06.

Отношение α₀ объемаV_в всасываемого в компрессор воздуха с учетом влияния вредного пространства к объему V_пназывается объемным коэффициентом компрессора.

Для общего случая расширения воздух, который остался в вредному просторные, по политропе

p2 =p₁(V_п+V_о+V_в)ⁿ (116)

На основании этого выражения и понятия про “в и “про имеем

(117)

то есть объемный коэффициент тем более, чем меньше коэффициент вредного пространства α_В и степень повышения давления ε и чем больше показатель политропы п расширение воздух, который остался в вредном пространстве.

Вредное пространство почти не влияет на работу, затрачиваемую в компрессоре, но снижает производительность компрессора.

Давление р₁ воздух в цилиндре при всасывании будет меньше давления р_а атмосферного воздуха в связи с сопротивлением:

1) при проходе воздуха через фильтр, который всасывает трубу и под пластинками клапана;

2) обусловленным инерцией клапанных пластинок и пружины при открытии клапана;

3) от инерции воздуха, вследствие чего линия всасывания снижается в первой половине и немного повышается в второй половине хода поршня.

При этом объем V_В всасываемого в компрессор воздуха, приведенный к атмосферному давлению, будет еще меньшее, а затрачиваемая работа возрастает на величину, изображаемую заштрихованной площадью, которая розташованаі ниже линии атмосферного давления (рис. 89, б).

Давление р₂ сжатые воздух в компрессоре будет больше давления р_рез сжатого воздуха в воздухосборнике и воздухопроводной сети в связи с сопротивлением: 1) при проходе воздуха под пластинками нагнетательного клапана; 2) обусловленным инерцией клапанных пластинок и пружины, которая проявляет в момент открытия клапана; 3) при проходе воздуха от клапана к нагнетательному патрубку компрессора. При этом затрачиваемая работа возрастает на величину, пропорциональную заштрихованной площади, которая розмещена выше линии давления сжатого воздуха в резервуаре.

Выступ в начале линии всасывание и выталкивание на диаграмме объясняется инерцией подвижных элементов клапанов.. Неплотности в компрессоре имеют место: в всасывательных клапанах (из-за чего при сжатии и выталкивании часть воздуха просачивается назад в всасывающий трубопровод); в нагнетательных клапанах (в связи с чем во время всасывания частично поступает воздух из напорного трубопровода); между поршнем и стенками цилиндра и в сальниках (вследствие чего воздух при сжатии и выталкивании может перетекать с одной пустоты цилиндра в другую и просачиваться из него). В результате соответствующей действительности производительность компрессора уменьшается, причем работа на сжатие воздуха, который вытекает через неплотности, затрачивается напрасно.

В момент всасывания снова поступает воздух смешивается с оставшимся в цилиндре и непрерывно подогревается от стенок цилиндра. При этом уменьшаются плотность воздуха и, итак, массовая производительность компрессора, хотя его объемная производительность остается бывшей. Затрачиваемая работа остается такой же, но относится уже к меньшей массовой производительности компрессора.

В воздухе помещается водный пар, который, конденсируя после выхода из цилиндра, также уменьшает массовую производительность компрессора.

Таким образом, соответствующей действительности производительность компрессора меньше теоретической. Все потери производительности в компрессоре учитываются коэффициентом подачи.

Отношение соответствующей действительности подаваемого за один ход объема Vд воздух, перечисленного на давление и температуру всасывания, к объему, описываемому поршнем компрессора за один ход, называется коэффициентом подачи компрессора α_г, что обычно равняется 0,75...0,9.

Повысить коэффициент подачи и, итак, соответствующей действительности производительность компрессора можно:

1) правильным выбором объема вредного пространства;

2) уменьшением сопротивления при всасывании;

3) красивым уплотнением в компрессоре;

4) чистотой цилиндра и других частей машины;

5) обеспечением по возможности более низкой температуры всасываемого воздуха.

Соответствующей действительности, индикаторную ли диаграмму компрессора можно снять с помощью индикатора .