17. Общая характеристика компрессоров

О дноступенчатый поршневой компрессор, его устройство, цикл и

КПД.

Компрессор - машина, предназначенная для сжатия и перемещения газов и паров.

Компрессоры классифицируют по следующим признакам.

По роду сжимаемой среды: воздушные, газовые, паровые.

По принципу действия:

объемные - поршневые, ротационные; лопастные - осевые, центробежные;

И ногда встречаются струйные компрессоры (точнее насосы).

По степени повышения давления

компрессоры низкого, среднего и высокого давления; или вентиляторы, нагнетатели и собственно компрессоры. Кроме того, компрессоры классифицируют по конструктивным признакам (число и расположение цилиндров, число ступеней сжатия), наличию системы охлаждения и т. д.

К объемным компрессорам относят поршневые, ротационные и шестеренчатые.

Одноступенчатый поршневой компрессор, схематическое устройство которого изображено на рис. 15.1, состоит из следующих элементов:

1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - впускной клапан; 4 - выпускной клапан; 5 - система охлаждения цилиндра; 6 - кривошипно шатунный механизм.

Ротационный компрессор (см. рис. 15.2) включает корпус 1, в котором эксцентрично установлен ротор 3 с подвижными пластинами 2. При вращении ротора объем газа между двумя соседними пластинами уменьшается, поэтому повышается давление газа.

Ц икл идеального компрессора представлен на рис. 15.3 в ру - координатах. Он состоит из следующих процессов:

4-1 - заполнение цилиндра при давлении р1; 1-2 - сжатие газа до требуемого давления р2; 2-3- выталкивание сжатого газа через выпускной клапан

Клапаны в компрессорах обычно открываются автоматически при достижении заданного давления.

Линия всасывания 4-1 и нагнетания 2-3 не являются термодинамическими процессами, т. к. состояние рабочего тела на этих линиях остается

п остоянным, а изменяется лишь количество рабочего тела. Общая работа сжатия составит 0, где n - показатель политропы сжатия. Если сжатие осуществляется по изотерме.

При сжатии по изотерме работа сжатия меньше, чем при сжатии по политроне или адиабате.

На рис. 15.4а показаны циклы идеального компрессора со сжатием по этим трем процессам. При сжатии по изотерме р абота цикла минимальна. На рис. 15.4б представлены процессы сжатия в TS - координатах.

Для приближения процесса сжатия к изотермическому применяют охлаждение компрессоров (обычно водяные).

Для охлаждаемых компрессоров вводятся понятие изотермического КПД.

В реальных поршневых компрессорах всегда имеется вредное пространство, определяемое объемом между крышкой цилиндра и поршнем, находящимся в верхней мертвой точке.

Часть газа, оставшаяся в вредном пространстве, при движении поршня от верхней мертвой точки вниз, расширяется. Поэтому полезный рабочий объем цилиндра уменьшается.

Если Vh - рабочий объем цилиндра;

V0 - объем вредного пространства, то   V1-V4 - действительный объем всасывания.

Vh - V1 - всегда

При повышений давления величина действительного объема всасывания уменьшается и в пределе может достигнуть нуля.

Объемный КПД компрессора учитывает влияние вредного пространства.

При увеличении степени повышения давления объемный КПД поршневого компрессора уменьшается. Кроме того, несмотря на охлаждение, температура газа или воздуха в конце процесса сжатия достигает ~ 200°С, что может привести (и приводит) к вспышкам масла, смазывающего стенки цилиндра, вследствие его разжижения и повышения температуры.

В силу указанных причин для одноступенчатых поршневых компрессоров величина степени повышения давления

обычно не превышает 10

Для достижения больших давлений применяют многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением газа после каждой ступени сжатия.

18-19. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются двигатели, в которых топливо сжигается в цилиндрах, где возвратно-поступательно двигается поршень.

Несмотря на то, что цикл Карно имеет наивысший КПД, в реальных машинах он не реализуется. Дело в том, что цикл Карно, будучи сильно растянутым в координатах р–v, связан с весьма большими значениями удельного объема и давления.

Рис. 43. Цикл Карно в координатах p-v

Отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания = v_c/v_a (эта величина в поршневых ДВС называется степенью сжатия), работающего по циклу Карно, достигает 400, а давление в точке (а) – = 280 – 300 МПа.

Термодинамических циклы ДВС: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто),состоящий из двух изохор и двух адиабат (a₁-b-c₁-d-a₁) и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля), состоящий из изобары a₂–b, изохоры с₁–d и двух адиабат b–c₁ и d–a₂ (a₂-b-c₁-d- a₂). Полученные циклы имеют КПД меньше, чем КПД цикла Карно

Рис. 45. Цикл Отто в координатах p-v (а) и T-s (б)

Процесс (1–2) в цикле Отто характеризует адиабатное сжатие рабочего тела, процесс (2–3) - изохорный подвод теплоты q₁, процесс (3–4) - адиабатное расширение и процесс (4–1) - изохорный отвод теплоты q₂.

Полезная работа в цикле равна разности подведенной и отведенной теплоты и численно равна площади (1-2-3-4-1). Степень сжатия цикла весьма сильно влияет на КПД цикла. Чем выше степень сжатия, тем выше КПД цикла. Термический КПД цикла

.

Это значит, что КПД цикла Отто растет с увеличением степени сжатия.

Цикл Дизеля состоит из процесса адиабатного сжатия (1–2), изобарного подвода теплоты (2–3), адиабатного расширения (3–4) и изохорного отвода теплоты (4–1) (рис. 46). Степень сжатия в двигателях, работающих по циклу Дизеля, составляет = 14 – 18.

а б

Рис. 46. Циклы Отто и Дизеля в координатах p-v (а) и T-s (б)

Сравним между собой циклы Отто и Дизеля при одинаковых параметрах точек (1) и (4) с помощью диаграммы Т–s (рис. 46). Если в этих циклах будет одинаковая степень сжатия ε и одинаковое количество отводимой теплоты q₂ , то КПД цикла Отто будет выше КПД цикла Дизеля.

КПД цикла Дизеля, в условиях одинакового максимально возможного давления, больше, чем КПД цикла Отто.

Подачу топлива можно осуществлять так, что одна его часть будет сгорать при постоянном объеме, а другая – при постоянном давлении. Такой цикл называется циклом смешанного сгорания топлива или циклом Тринклера .Цикл со смешенным подводом теплоты занимает по эффективности промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля как в условиях сравнения при одинаковой степени сжатия ε, так и при сравнении по условию одинакового максимального давления в цилиндре двигателя.

а б

Рис. 47. Цикл смешанного сгорания в координатах p-v (а) и T-s (б)

Выведем уравнение для определения термического КПД смешанного цикла. Количество подводимой теплоты на изохоре (2–3) равно , а в изобарном процессе (3–4) – . Количество отводимой теплоты q₂ на изохоре (5–1) по абсолютной величине составляет . Следовательно, термический КПД цикла

.

Из уравнения видно, что КПД цикла со смешанным подводом теплоты растет с увеличением ε и λ и с уменьшением ρ. Если ρ = 1, то цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл Отто, термический КПД которого находится из соотношения

Если λ = 1, то смешанный цикл превращается в цикл Дизеля, термический КПД которого находится из выражения

.