4.8. Компрессоры

Машины, применяемые для сжатия воздуха и газов, называют компрессорами. Подобно насосам, компрессоры делят на поршневые, центробежные, осевые и ротационные.

Поршневые компрессоры. Схема простого поршневого компрессора, напоминающего поршневой насос, приведена на рис. 4.15. В рабочем цилиндре 3 компрессора перемещается поршень 4 под действием кривошипно-шатунного механизма 5. На крышке цилиндра устроены всасывающий клапан 2 и нагнетательный 1. При движении поршня слева направо происходит всасывание газа или воздуха через открывающийся под действием разности давления клапан 2. Затем при движении поршня справа налево газ в цилиндре сжимается. При некотором рабочем давлении открывается клапан 1 и газ под этим постоянным давлением поступает в ресивер, откуда подаётся потребителям.

Для анализа работы компрессора и получения основных расчётных уравнений воспользуемся рабочей диаграммой идеального поршневого компрессора, называемой индикаторной диаграммой (рис. 4.16). Индикаторную диаграмму строят в координатах , где: р — давление рабочего тела, Па, a v — удельный объём рабочего тела, м³/кг. Заметим, что в идеальном компрессоре отсутствуют потери на трение, нет потерь давления при прохождении газа через клапаны и трубопроводы, отсутствует вредное пространство и поршень вплотную подходит к крышке цилиндра.

Всасывание воздуха происходит при постоянном давлении и изображается на диаграмме горизонтальной прямой 1 – 2. Если засасывается атмосферный воздух, равно атмосферному давлению. В зависимости от конструкции компрессора процесс сжатия может быть изотермическим (линия 2 – 3"), адиабатным (линия 2 – 3) или политропным (линия 2 – 3'). Нагнетание сжатого газа изображается горизонтальной прямой 3 – 4, что соответствует постоянному давлению . После удаления газа из рабочего цилиндра давление в нём мгновенно падает от до (линия 4 – 1) и цикл повторяется.

Удельная работа, затрачиваемая на сжатие газа, в диаграмме изображается площадью, ограниченной линиями цикла. Из рис. 4.16 видно, что наименьшей площади 1 – 2 – 3" – 4 соответствует цикл с изотермическим сжатием по линии 2 – 3". Наибольшая работа (площадь 1 – 2 – 3 – 4) совершается при адиабатном сжатии по линии 2 – 3.

На практике из-за сложности отвода теплоты для поддержания постоянной температуры рабочего тела осуществить изотермическое сжатие не удаётся. Поэтому действительный процесс сжатия соответствует политропному с показателем политропы .

Удельная (отнесенная к 1 кг сжимаемого газа) работа, затрачиваемая в компрессоре, складывается из суммы работы, затрачиваемой на сжатие газа и на его нагнетание, за вычетом работы всасывания. Последняя совершается за счёт давления во всасывающем патрубке до компрессора, так как в цилиндре образуется вакуум при ходе поршня слева направо. Таким образом,

.

Здесь:

работа сжатия

= площадь 6 – 2 – 3' – 5 = ;

работа нагнетания

= площадь 0 – 4 – 3' – 5 = ;

работа всасывания

= площадь 0 – 1 – 2 – 6 = .

Следовательно,

.

Все удельные работы в уравнениях (4.18) и (4.19) имеют размер ность Дж/кг.

При политропном сжатии удельная работа сжатия равна с учетом уменьшения объема :

.

Запишем закон политропного сжатия в виде:

,

где:

С — константа политропы.

Подставим в подынтегральное выражение и проинтегрируем, учитывая, что , получим:

.

Перепишем уравнение, заменяя константу С соответственно произведением и :

.

Полная удельная работа компрессора в соответствии с уравнением (4.18):

.

После упрощения полученного уравнения будем иметь:

;

.

И окончательно, помножив и поделив на получим:

.

Ещё раз воспользуемся уравнением политропы в виде:

,

или:

.

Полученное соотношение объёмов подставим в уравнение (4.24):

;

или:

.

Если массовая производительность компрессора (кг/с), то мощность компрессора (Вт)

.

Или после подстановки из уравнения (4.25):

Как уже отмечалось, все слагаемые исходного уравнения энергетического баланса, включая произведение имеют размерность Дж/кг.

Следовательно:

.

Здесь единица измерения давления Па, а единица измерения м³/кг. Это значит, что в наших уравнениях v выступает как удельный объём рабочего тела, величина обратная плотности:

.

Воспользуемся этим выводом, чтобы от массовой производительности перейти к объемной :

После подстановки выражения (4.28) в уравнение (4.27) получим ещё одно выражение для расчёта мощности компрессора:

.

Рассчитанная по уравнениям (4.27) и (4.29) теоретическая мощность компрессора не учитывает потерь, возникающих из-за наличия мёртвого объёма (объёмный КПД), различия в работе, определяемой в теоретическом процессе сжатия и по реальной индикаторной диаграмме (КПД сжатия), и механических потерь на трение (механический КПД). Общий КПД компрессора учитывает все возникающие потери:

.

Действительная потребляемая компрессором мощность (Вт):

.

Производительность поршневого компрессора (м³/с):

,

где:

коэффициент подачи, учитывающий все потери производительности: мёртвый объём, утечки газа через неплотности, потери от нагрева газа на стенках рабочего цилиндра; площадь сечения поршня, м²; ход поршня, м; частота вращения вала компрессора, с^-1.

Полученные здесь закономерности справедливы и для более сложных, многоступенчатых компрессоров, позволяющих сжимать воздух и газы до весьма высоких давлений, с устройством которых можно познакомиться в специальной литературе.

Центробежные компрессоры. Как и в насосах, для сжатия воздуха может быть использована центробежная сила, возникающая на лопатках быстровращающегося ротора. Центробежный компрессор, работающий на этом принципе, отличается от поршневого большой производительностью. Компрессор (рис. 4.17) состоит из корпуса 1, внутри которого вращается ротор 2 с лопатками 3. Ротор закреплён на валу электродвигателя. При вращении ротора 2 воздух, находящийся между лопатками 3, под действием центробежной силы с большой скоростью отбрасывается через неподвижные направляющие лопатки 6 к диффузору 4. Форма диффузора подобрана таким образом, чтобы скорость воздуха уменьшалась и в соответствии с уравнением Бернулли возрастало давление. Далее сжатый воздух через направляющие лопатки поступает из корпуса в нагнетательный трубопровод.

Для получения высокого давления центробежные компрессоры делают многоступенчатыми. Роторы многоступенчатых компрессоров закреплены на одном валу, а воздух, переходя с одной ступени на другую, охлаждается в специальных устройствах.

Осевые компрессоры. В осевых компрессорах, как и в осевых вентиляторах, газ или воздух перемещается вдоль оси вращения ротора. Благодаря более короткому и менее извилистому пути, проходимому воздухом, осевые компрессоры более компактны и имеют больший КПД по сравнению с центробежными.

На рис. 4.18 приведена схема осевого компрессора. В коническом корпусе 1 вращается цилиндрический ротор 2 с рабочими лопатками 3. Рабочие лопатки перемещаются между рядами неподвижных, закреплённых на корпусе направляющих лопаток 4. Неподвижные лопатки образуют направляющий аппарат, стабилизирующий движение газа, переходящего с одной ступени рабочих лопаток на другую. Газ или воздух засасывается в левую кольцевую камеру корпуса 1 и выбрасывается в напорный трубопровод из правой кольцевой камеры при давлении до 6·10⁵ Па.

Для нормальной работы осевого компрессора необходима высокая частота вращения ротора. Поэтому они приводятся в действие непосредственно от электродвигателя или от быстроходных газовых турбин.

Контрольные вопросы и задания. 1. Для чего предназначены компрессоры? 2. Чему равна работа, затрачиваемая на сжатие газа в компрессоре? Как изображается эта работа на индикаторной диаграмме? 3. По какому закону совершается сжатие в реальном компрессоре? 4. Что такое «мертвый объем»? 5. Сформулируйте принцип, использованный в центробежном и осевом компрессорах. Чем эти компрессоры отличаются один от другого?