ІНДИЦІЮВАННЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕСОРА

Компресор – це теплова машина, призначена для стиснення і нагнітання газів або пари. Слово «нагнітання»означає переміщення стисненого газу з однієї області в іншу.

В сучасній техніці компресори одержали широке розповсюдження. В промисловості, будівництві, в сільському господарстві вони є джерелами стиснення газів і пари, зокрема, стисненого повітря. В газотурбінних, поршневих і комбінованих двигунах, в холодильних машинах компресор є одним із основних агрегатів.

Для здійснення робочого процесу потрібна витрата енергії від зовнішнього середовища, тобто привід компресора здійснюється від стороннього джерела енергії – двигуна будь-якого типу.

За конструкцією і принципом роботи існує декілька типів компресорів. Їх будова і принцип роботи розглядаються в навчальній і спеціальній літературі.

В сільському господарстві широко застосовуються поршневі компресори.

Схема поршневого компресора наведена на рис.4

Рис. 4. Принципова схема і індикаторна діаграма одноступінчастого поршневого компресора:

1 – поршень; 2 – циліндр; 3 – шатун; 4 – впускний патрубок;

5 – впускний клапан; 6 – нагнітальний клапан; 7 – нагнітальний патрубок

Поршневий компресор складається з циліндра 2, в якому зворотно-поступально рухається поршень 1. Рух поршень одержує від колінчастого валу через його кривошип і шатун 3. В свою чергу колінчастий вал одержує рух через відповідний передавальний механізм від двигуна. Зверху циліндра розміщена кришка (головка), в якій знаходиться два клапани: впускний 5 і випускний або нагнітальний 6. Клапани притиснені до своїх сідел пружинами: впускний слабою, а нагнітальний - жорсткою. Жорсткість пружини нагнітального клапана визначає величину тиску стисненого газу. Відкриваються і закриваються клапани автоматичною під дією різниці тисків до і після клапану.

Для індиціювання швидкохідних поршневих машин застосовується механічний індикатор тиску прутково-пружинного типу. Принцип його дії заснований на зрівноваженні тиску, що виникає в циліндрі машини, і дією на поршень приладу сили пружної деформації стержневої пружини.

Працює поршневий компресор так. Коли поршень рухається від верхньої до нижньої мертвої точки, в циліндрі створюється розрідження. Тиск на тарілку впускного клапану 5 з боку циліндра становиться меншим, ніж з боку впускного патрубка 4. в результаті впускний клапан, навантажений слабою пружиною, відкривається, а циліндр заповнюється газом. При зворотному ході поршня від НМТ до ВМТ об'єм циліндра зменшується, а тиск газу в циліндрі росте і впускний клапан закривається. Нагнітальний клапан, навантажений жорсткою пружиною, залишається закритим, поки сила стисненого газу не зрівняється з силою пружини клапану. Тоді нагнітальний клапан відкривається, і поршень, рухаючись до ВМТ, виштовхує стиснений газ в нагнітальний патрубок 7.

При русі поршня в циліндрі змінюється його об'єм і тиск газу. Якщо записати в координатах р- тиск газу, V- об'єм циліндра залежність тиску газу в циліндрі від об'єму циліндра, будемо мати робочу або індикаторну діаграму. Індикаторною вона називається тому, що прилад, який її записує, називається індикатором. Сам процес запису діаграми має назву "зняття індикаторної діаграми" або "індиціювання машини" (компресора або двигуна).

Основними параметрами роботи компресора є міра підвищення тиску λ і об'ємна продуктивність або подача компресора V.

Міра підвищення тиску є якісною характеристикою компресора. Вона показує, в скільки раз збільшується тиск газу в циліндрі компресора:

де Р₁ - тиск газу перед впускним клапаном;

Р₂ - тиск газу при відкритті нагаітального клапану (в нагнітальному патрубку).

В поршневому компресорі найбільше значення міри підвищення тиску не перевищує λ ≈ 10. Критичною є температура стисненого газу: чим більше тиск газу, тим більше його температура. В циліндрі компресора знаходиться не чистий газ, а його суміш з парою компресорного масла. При високих температурах ця суміш може спалахнути, компресор почне працювати як двигун, внаслідок чого може виникнути поломка машини. Щоб цього не було, обмежують величину λ. В реальних машинах вона дорівнює λ≈ 5...8.

Для одержання більш високих тисків Р₂ (і λ) застосовують багатоступінчасте стиснення. Спочатку газ стискують в одному циліндрі до певного значення λ. Далі стиснений газ направляють в холодильник, де його температура знижується майже до початкової без зміни тиску Р₂ на виході з першого циліндра. Потім охолоджений газ поступає в другий циліндр, де його тиск Р₂ знову підвищується, а температура не перевищує максимальну, таку як і на виході з першого циліндра.

Подачею компресора називається об'ємна кількість газу, яку подає компресор за одиницю часу, віднесену до параметрів газу перед впускним клапаном, м³/с, м³/хв. і т. ін.

V = V_h· n · η_v,

де V_h - робочий об'єм циліндра;

n - частота обертання колінчастого валу, об/с, об/хв. і т. ін.

η_v - об'ємний коефіцієнт корисної дії або коефіцієнт подачі.

Фізичний зміст коефіцієнта подачі η_v пов'язаний з такими поняттями як "ідеальний" і. "дійсний" поршневий компресор.

Технічна термодинаміка розглядає ідеальний поршневий компресор, в якому:

а) відсутній зазор між кришкою циліндра і поршнем, коли він знаходиться в ВМТ (поршень упирається в кришку);

б) відсутнє тертя;

в) відсутній гідравлічний опір впускної і нагнітальної систем;

г) відсутній витік газу через зазор між поршнем і циліндром.

На рис. 4.а наведені індикаторні діаграми ідеального компресора (1'2 34') і дійсного (122'34). В ідеальному компресорі в кінці процесу нагнітання газу 23 поршень упирається в кришку і весь газ виходить із циліндра. При ході поршня від ВМТ до НМТ тиск газу падає від Р₂ до Р₁ ( (процес 34'), зразу відкривається впускний клапан і в циліндр заходить газ, об'єм якого рівний V_h.

В дійсності не можна зробити машину, в якої не було б зазору між кришкою і поршень, коли він знаходиться в ВМТ. Інакше при роботі поршень буде стукатись об кришку і машина вийде з ладу. Об'єм V_o називається шкідливим. В кінці нагнітання в ньому залишається стиснений газ при тиску Р₂. Цей тиск діє на впускний клапан з боку циліндра і при відході поршня від ВМТ не дає можливості відкритись впускному клапану. Щоб впускний клапан відкрився, в циліндрі повинен бути тиск Р₁. Для зменшення тиску газу від Р₂ до Р₁ поршень повинен відійти від ВМТ на певну відстань, газ, який залишився в об'ємі V_o, розшириться (процес 34), і при тиску Р₁ впускний клапан відкриється (т. 4). Але в цьому випадку в циліндр поступить об'єм газу V_вс < V_h і подача дійсного компресора буде менша, ніж в ідеальному. Шкідливий вплив об'єму V_o на величину подачі компресора оцінюється коефіцієнтом подачі .= .

Для компресорів, що випускає промисловість, шкідливий об'єм становить від 4 до 10 % робочого об'єму циліндра.

Індикаторна діаграма складається з чотирьох процесів: стиснення газу 1-2, нагнітання газу в ресивер (в лабораторній роботі в холодильник) 2-3, розширення газу, який залишився в шкідливому об'ємі 34 і всмоктування газу в циліндр 4-1.