Объемный компрессор.

Сжатый воздух получается с помощью различного типа компрессоров. Компрессоры низкого давления называют вентиляторами и применяют для перемещения и подачи воздуха в калориферы сушильных установок, воздухоподогреватели, топки, а также для преодоления сопротивления движению газов, чтобы обеспечить тягодутьевой режим в различных установках.
По принципу устройства и работы компрессоры делятся на две группы – объемные и лопаточные. Объемные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные, а лопаточные – на центробежные и осевые (аксиальные). Несмотря на конструктивные различия термодинамические принципы их работы аналогичны между собой.
Объемный компрессор – это компрессор статического сжатия, которое происходит в нем вследствие уменьшения объема, где заключен газ.
Одноступенчатый поршневой компрессор. На рис.17.1,а показана принципиальная схема одноступенчатого поршневого компрессора. Коленчатый вал компрессора приводится во вращение от электродвигателя или от поршневого двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндр с охлаждаемой рубашкой через автоматически открывающийся клапан А из окружающей среды всасывается газ. Нагнетательный клапан В закрыт под действием давления газов в резервуаре, которое больше атмосферного. При обратном движении поршня от НМТ к ВМТ газ начинает сжиматься, давление его увеличивается, и всасывающий клапан закрывается. Процесс сжатия продолжается до тех пор, пока давление в цилиндре не станет равным (практически несколько больше) давлению в резервуаре. Тогда клапан В открывается, и начинается процесс нагнетания сжатого газа в резервуар до тех пор, пока поршень не придет в ВМТ.

Рассмотрим рабочий процесс в рV - координатах для идеального одноступенчатого компрессора (идеального в том смысле, что в нем не учитываются потери на трение, а утечки газа и объем вредного пространства (объем между крышкой цилиндра и днищем поршня при его положении его в ВМТ) принимаются равными нулю, т. е. на рис.17.1,б положение ВМТ будет совпадать с осью ординат). Обозначим: V_h - рабочий (полезный) объем цилиндра; P₁ — давление окружающей среды; P₂ - давление газа в резервуаре; процессы: D - 1 - всасывание; 1-2 - сжатие; 2-C - нагнетание.
С началом нового хода поршня снова открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает от Р₂ до Р₁ теоретически мгновенно, т. е. по вертикали С-D, и рабочий процесс повторяется, завершаясь, таким образом, за два последовательных хода поршня. Следовательно, компрессор представляет собой двухтактную машину. Площадь теоретической индикаторной диаграммы D-1-2-C, которая графически изображает круговой процесс, измеряет работу, расходуемую компрессором за один оборот его вала. Нужно иметь в виду условность названия кругового процесса (цикла) компрессора, так как всасывание и нагнетание не являются термодинамическими процессами, поскольку они происходят при переменном количестве газа. В этом состоит отличие индикаторной диаграммы от pх-диаграммы, которая строится для постоянного количества рабочего тела. В индикаторной диаграмме D-1-2-C сжатие газа 1-2 - термодинамический процесс, ибо в нем участвует постоянное количество газа. Очевидно, что при одном и том же конечном давлении P₂ конечный объем х₂будет различен в зависимости от характера кривой процесса сжатия 1-2, а значит, будет различна и работа, затрачиваемая на привод компрессора.
Как следует из рис. 17.1б, наиболее выгодным процессом сжатия по затрате работ извне для привода компрессора является изотермический процесс 1-2'. В этом случае соблюдаются также идеальные условия для сохранения качества смазочных масел (вязкость, температура вспышки и др.). Однако изотермическое сжатие газа в компрессоре практически неосуществимо, и кривая сжатия обычно располагается между изотермой и адиабатой и может быть принята за политропу с показателем n = 1,2—1,25. Чем интенсивнее будет охлаждение газа при сжатии (чаще всего водой, проходящей через рубашку компрессора), тем больше будет политропа сжатия 1-2 отклоняться от адиабаты 1-2" в сторону изотермы 1-2'. С уменьшением теплообмена показатель n увеличивается. Очевидно также, что с увеличением n при одном и том же отношении P₂/P₁ конечная температура сжатого газа Т₂ будет возрастать по закону:

Tⁿ₁P^1-n₁ = Tⁿ₂P^1-n₂
или T₂ = T₁(P₂/P₁)^(n-1)/n . (17.1)

Например, при P₁ = 0,1 МПа, t₁ = 16°С и конечной температуре t₂ = 160°С при адиабатном сжатии давление воздуха можно увеличить в 4 раза, а при политропном (n = 1,2) в 10 раз. То есть конечная температура сжатия Т₂ зависит от характера процесса сжатия. Наиболее невыгодным процессом является адиабатное сжатие.
Абсолютное значение работы, затрачиваемой на сжатие 1 кг газа в одноступенчатом идеальном компрессоре (А₀) может быть подсчитано так:

А₀ = А_сж + А_нагн - А_всас = ò Рdv + Р₂ v₂ - Р₁ v₁ . (17.2)

По смыслу работы А₀, А_сж, А_нагн являются отрицательными, а работа процесса всасывания А_всас - положительной, так как на ее совершение энергия не затрачивается (трение отсутствует), и сопротивление воздуха, находящегося справа под поршнем при ходе всасывания, не учитывается, ибо не принимается также во внимание положительная работа этого воздуха при сжатии и нагнетании.
В зависимости от характера процесса сжатия ò Рdv имеет значения:
для изотермического процесса:
А^т = Р₁ v₁ln(Р₁/Р₂);
для адиабатного процесса:
А^ад = 1/(b – 1)(P₁ v₁ – Р₂ v₂);
для политропного процесса:
А^пол = 1/(n – 1)(Р₁ v₁ – Р₂ v₂).
Чтобы не иметь дело с отрицательными величинами при подсчете работы сжатия, их умножают на -1. Это дает:
А^т = Р₁ v₁ln(Р₂/Р₁); А^ад = 1/(b – 1)(P₂ v₂ – Р₁ v₁);
А^пол = 1/(n – 1)(Р₂ v₂ – Р₁v₁).
Тогда теоретическая работа компрессора затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, при изотермическом процессе сжатия выразится равенством:

А^т₀ = Р₁ v₁ln(Р₂/Р₁); (17.3)

при адиабатическом процессе сжатия:

А^ад₀ = b/(b – 1)P₁ v₁[(Р₂/Р₁) ^{(b - 1)/b} – 1]; (17.4)

при политропном процессе сжатия:

А^пол₀ = n/(n – 1)Р₁ v₁[(Р₂/Р₁) ^{(n - 1)/n} – 1]; (17.5)

При уменьшении производительности компрессора с увеличением давления сжатого воздуха и ухудшении при этом условий смазки из-за повышения температуры Т₂ одноступенчатый компрессор становится непригодным для получения сжатого газа высокого давления. Обычно одноступенчатые компрессоры применяют для получения сжатого газа давлением не выше 0,8—1 МПа. При необходимости иметь сжатый газ более высокого давления используют многоступенчатые компрессоры.
Многоступенчатый поршневой компрессор. В многоступенчатых компрессорах сжатие газов осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах (до семи) с промежуточным охлаждением после каждого цилиндра в специальных холодильниках. При таком принципе работы сжатие газа в каждом цилиндре возможно при допустимом температурном режиме, обеспечивающем благоприятные условия смазки. В промежуточных холодильниках после каждого цилиндра газ охлаждают при постоянном давлении, равном давлению конечного сжатия в соответствующей ступени.
Рассмотрим в качестве примера работу трехступенчатого поршневого компрессора, схема которого приведена на рис.17.2, а рабочий процесс в pх- и тs- координатах (для идеального компрессора) — на рис.17.3.

Газ всасывается в цилиндр низкого давления (процесс D-1 на рис.17.3), сжимается по политропе 1-2 до давления P₂ и нагнетается в промежуточный холодильник x₁, где при постоянном давлении P₂ охлаждается вследствие отдачи теплоты воде, омывающей змеевик. Из промежуточного холодильника сжатый газ при том же давлении P₂ всасывается во вторую ступень. Конечный объем всасывания V₃<V₂; так как P₂ = Const, а T₃<T₂. Во второй ступени газ сжимается по политропе до давления P₄ (процесс 3-4), нагнетается при этом давлении во второй промежуточный холодильник х₂ и оттуда поступает в третью ступень, где и сжимается до конечного заданного давления P₆ (процесс 5-6) и нагнетается в резервуар.
Работу многоступенчатого компрессора стремятся организовать так, чтобы обеспечивались следующие три условия:
1) полное охлаждение газа во всех холодильниках, т.е. температуру газа доводят до начальной температуры Т₁, которую он имел при входе в первую ступень (Т₁ = Т₃ = Т₅);
2) одинаковая конечная температура сжатия газа во всех ступенях, обеспечивающая во всех цилиндрах надежные условия смазки (Т₂ = Т₄ = Т₆);
3) одинаковые показатели политроп сжатия во всех цилиндрах, т.е.
n^I = n^II = n^III = n.
При выполнении этих условий перепады давлений (отношение конечного давления к начальному) во всех ступенях одинаковы, т.е. Р₂/Р₁ = Р₄ /Р₃ = Р₆/Р₅.
Для определения общей работы, затрачиваемой на привод многоступенчатого компрессора, необходимо просуммировать работы, затрачиваемые на сжатие газа по отдельным ступеням. Нетрудно показать, что при выполнении трех указанных условий А^I₀, А^II₀, А^III₀ будут одинаковы.
В соответствии с формулой (17.5) имеем:

А^I₀ = n/(n – 1)Р₁ v₁[(Р₂/Р₁) ^{(n - 1)/n} – 1] =
= n/(n – 1)RT₁[(Р₂/Р₁) ^{(n - 1)/n} – 1]; (17.6)

А^II₀ = n/(n – 1)Р₃ v₃[(Р₄/Р₃) ^{(n - 1)/n} – 1] =
= n/(n – 1)RT₃[(Р₄/Р₃) ^{(n - 1)/n} – 1]; (17.7)

А^III₀ = n/(n – 1)Р₅v₅[(Р₆/Р₅) ^{(n - 1)/n} – 1]=
= n/(n – 1)RT₅[(Р₆/Р₅) ^{(n - 1)/n} – 1]; (17.8)

Так как правые части уравнений равны, то А^I₀ = А^II₀ = А^III₀. Тогда теоретическая работа m ступенчатого компрессора, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, будет определяться произведением m•А₀.
Теоретическая мощность N₀ (Вт), затрачиваемая на привод компрессора, может быть определена по равенству:

N₀ = M·m•А₀ , (17.9)

где: M – производительность компрессора, кг/с; А₀ – теоретическая работа на сжатие 1 кг газа в одной ступени, Дж/кг; m – число ступеней компрессора.
Для определения действительной (эффективной) мощности N_е, необходимой для привода компрессора, нужно знать потери работы на преодоление сопротивлений клапанов и трубопроводов и на трение в соприкасающихся частях компрессора, которые учитываются механическим КПД:

N_е = N₀ / з_м = M·m•А₀ / з_м . (17.10)

Для поршневого компрессора з_м = 0,8—0,9.