Вопрос 3. Реальный компрессор

Индикаторная диаграмма реального поршневого компрессора (действительная индикаторная диаграмма).

Основные отличия действительного поршневого компрессора от идеального:

1) поршень никогда не доходит до крышки цилиндра вплотную, поэтому в крайнем положении поршня остается объем газа высокого давления между крышкой цилиндра и поршнем V₀, который называется вредным («мертвым») объемом;

2) существуют потери давления при течении газа через всасывающие и нагнетательные клапаны, а также запаздывание срабатывания этих клапанов из-за инерции движущихся частей, поэтому давления открытия и закрытия клапанов в реальном компрессоре не соответствуют давлениям р₁ и р₂ на индикаторной диаграмме идеального компрессора;

3) процесс сжатия происходит с переменным показателем политропы: в начале процесса сжатия идет подвод теплоты к газу и n>k, в конце процесса сжатия отвод теплоты от газа и n<k;

4) газ имеет разные температуры и давления в разных точках рабочей камеры;

5) имеются потери на трение, которые подогревают газ и вызывают дополнительные затраты мощности.

Перечисленные выше отличия действительного поршневого компрессора от идеального приводят к уменьшению объема всасываемого газа, то есть производительности компрессора, и увеличению потребляемой компрессором мощности.

В неохлаждаемых, в частности, центробежных и осевых компрессорах также существуют потери на трение газа в проточной части компрессора, и процесс сжатия идет с переменным показателем политропы.

Так как реальный процесс сжатия в компрессоре происходит с переменным показателем политропы, то вводится условный постоянный показатель политропы n_усл= . Этот показатель политропы учитывает как потери на трение, так и теплообмен с окружающей средой. Он может быть определен из опытных данных с использованием уравнения политропного процесса: .

Откуда и

Так как процессы сжатия в реальном компрессоре характеризуются наличием потерь, то работа, затраченная на сжатие газа, оказывается больше, чем теоретическая работа идеального компрессора. Для определения энергетической эффективности процессов сжатия используются различные КПД, которые оценивают степень приближения реального процесса сжатия к какому-либо теоретическому (идеальному) процессу.

Все потери (т.е. все дополнительные затраты работы, связанные с необратимостью процесса сжатия газа) в реальном компрессоре оцениваются относительным внутренним КПД, представляющим собой отношение работы, затраченной на сжатие газа в идеальном процессе сжатия l_ид, к работе, затраченной на сжатие газа в действительном процессе сжатия l_к

Для характеристики охлаждаемых компрессоров в качестве идеального, энергетически совершенного процесса принимают равновесный изотермический процесс сжатия и используют изотермический КПД

где l_из – работа обратимого сжатия в изотермическом процессе

l_из .

Для характеристики неохлаждаемых компрессоров (обычно это турбокомпрессоры) в качестве идеального, энергетически совершенного процесса принимают изоэнтропный процесс сжатия и используют изоэнтропный (адиабатный) КПД

где l_к_s – работа при равновесном изоэнтропном (адиабатном) сжатии

l_к_s .

Зная можно определить удельную энтальпию газа на выходе из неохлаждаемого компрессора в действительном процессе сжатия 1-2

Рис.– Процесс сжатия газа в нагнетателе в T,S- координатах.

В компрессоре существует два вида потерь:

- диссипация энергии (потери на трение) – ψ₁₂=q_тр=l_тр ≡12s₂s₁;

- потери на разогрев газа (т.е. дополнительные затраты работы на сжатие газа за счет увеличения удельного объема газа из-за диссипации энергии) - Δl_раз≡12_s2.

Эти потери приводят к общим потерям работы Δl_к= ψ₁₂+ Δl_раз≡ s₁2_s2s₂.

Величина потерь на трение l_тр, т.е. энергия диссипации ψ₁₂, учитывается гидравлическим (политропным) к.п.д.: