11. Сжатие газов. Компрессоры.

11.1. Одноступенчатый компрессор объемного действия

Компрессором называют машину, предназначенную для сжатия и перемещения различных газов. В современной технике компрессоры получили очень широкое применение. Их используют в химической, машиностроительной, металлургической, горнорудной промышленности, в авиации, на железнодорожном и водном транспорте, в газотурбинных установках, холодильных установках и т.д.

По конструкционным признакам компрессоры подразделяют на две группы: объемные и лопаточные. В свою очередь объемные компрессоры делятся на поршневые и ротационные, а лопаточные - на центробежные и осевые (или аксиальные).

Несмотря на различие принципов сжатия газа в компрессорах и их конструктивные отличия, термодинамические принципы их работы аналогичны и процессы сжатия в различных компрессорах описываются одними и теми же уравнениями. Поэтому для исследования и анализа процессов, протекающих в компрессоре, рассмотрим работу наиболее простого и распространенного одноступенчатого поршневого компрессора.

Компрессор (рис. 11.1) состоит из цилиндра 1 с пустотелыми стенками, в которых циркулирует охлаждающая вода, и поршня 2, связанного кривошипно-шатунным механизмом с электродвигателем или другим источником механической работы. В крышке цилиндра помещаются два клапана: всасывающий 3 и нагнетательный 4, которые открываются автоматически под действием изменения давления в цилиндре. Рабочий цикл компрессора совершается за один оборот вала или два хода поршня. При ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан 3 и в цилиндр всасывается газ. При обратном ходе поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие газа до заданного давления, после чего открывается нагнетательный клапан 4 и происходит нагнетание сжатого газа в резервуар или потребителю. Величина давления нагнетания определяется пружиной, установленной на нагнетательном клапане. Поршень 2 имеет два крайних положения, называемых верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ, умноженное на площадь поршня, называется рабочим объемом V_h цилиндра компрессора. Объем между поршнем в ВМТ и крышкой цилиндра называется вредным пространством V₀.

Рассмотрим теоретический или идеальный процесс компрессора при следующих допущениях: 1) геометрический объем цилиндра компрессора равен рабочему объему (отсутствует вредное пространство); 2) отсутствуют потери на трение поршня и дросселирование в клапанах; 3) всасывание и нагнетание осуществляется при постоянных давлениях.

При этих допущениях теоретическая индикаторная диаграмма (рис. 11.2) будет состоять из следующих процессов: 4-1 - линия всасывания (наполнение цилиндра при p₁ = const); 1-2 - процесс сжатия; 2-3 - линия нагнетания.

Следует отметить, что линия всасывания (4-1) и линия нагнетания (2-3) не являются термодинамическими процессами, поскольку они протекают при переменном количестве газа. Поэтому индикаторная диаграмма 1-2-3-4 может быть лишь условно названа циклом. Предполагается, что перед началом следующего цикла давление мгновенно падает от р₂ до р₁.

Задачей термодинамического анализа компрессора является определение работы, которую необходимо затратить для получения определенного количества (например, 1 кг) сжатого газа при заданных начальных и конечных его параметрах. Теоретическая работа, затрачиваемая на получение 1 кг сжатого газа, в компрессоре:

l_к = l_сж + l _наг - l_вс, (11.1)

где = пл. 12 nm - работа сжатия;

l_наг = p₂₂ = пл. n 23 0n - работа нагнетания;

l_вс = p₁₁ = пл. 041 m0 - работа всасывания.

Работа l_к, определяемая уравнением (11.1), называется технической работой компрессора. Работы l_к, l_сж и l_наг будут отрицательными, т.к. они совершаются над газом, а работа l_вс - положительна, т.к. в этом случае поступающий газ совершает работу. Если просуммировать площади, соответствующие работам l_сж и l_наг (рис. 11.2) и вычесть площадь, соответствующую l_вс, то получим l_к = пл. 12341. Но по определению эта работа есть техническая работа процесса сжатия, следовательно:

. (11.2)

Процесс сжатия газа в компрессоре в зависимости от условий теплообмена может осуществляться по изотерме 1-2, адиабате 1-2 и политропе 1-2 (рис. 11.2). При сжатии по каждой из кривых затрачивается различная работа. Наименьшая работа затрачивается при сжатии по изотерме 1-2, наибольшая - при сжатии по адиабате 1-2.

Следовательно, наиболее выгодно осуществлять работу сжатия по изотерме. Однако практически изотермическое сжатие осуществить невозможно и кривая сжатия располагается между изотермой и адиабатой, т.е. сжатие осуществляется по политропе с показателем политропы для двухатомных газов n = 1,2 - 1,25. Чем интенсивнее будет охлаждение газа, тем ближе будет политропа к изотерме, т.е. тем меньше будет n.

Найдем работу l_к, затрачиваемую на привод компрессора при различных процессах сжатия. В соответствии с уравнением (11.2), воспользовавшись уравнениями (4.12), (4.26) и (4.32), можно записать следующее.

При изотермическом сжатии

. (11.3)

Количество отводимой теплоты равно затраченной работе

. (11.4)

При адиабатном сжатии

. (11.5)

Другая формула работы компрессора при адиабатном сжатии, удобная для расчета с помощью диаграмм, может быть получена из уравнения первого закона термодинамики dq = dh - dp. В адиабатном процессе dq = 0 и dh = dp. Проинтегрировав последнее выражение в пределах от р₁ до р₂ и учитывая (11.2), получим

l_к^ад = h₁ - h₂ = -(h₂ - h₁). (11.6)

При политропном сжатии

. (11.7)

Согласно (4.34) количество отводимой теплоты:

. (11.8)

Процессы сжатия газа в компрессоре могут быть изображены на диаграмме T, s (рис. 11.3). Здесь 1-2 - изотермическое сжатие, 1-2 - адиабатное сжатие и 1-2 - политропное сжатие. Процессы всасывания и нагнетания в диаграмме T, s не изображаются (превращаются в точки, т.к. не являются термодинамическими процессами).

Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора (рис. 11.4) отличается от теоретической, во первых, наличием потерь на дросселирование во всасывающем и нагнетательном клапанах. Поэтому всасывание происходит при давлении газа в цилиндре меньшем, чем давление среды, из которой происходит всасывание, а нагнетание при давлении большем, чем давление в нагнетательном трубопроводе. Во-вторых, в реальном компрессоре имеется вредное пространство V₀ ( о котором говорилось выше).

По окончании нагнетания сжатого газа (линия 2-3) некоторое его количество остается во вредном пространстве и занимает объем V₀. При обратном ходе поршня оставшийся во вредном пространстве газ расширяется и всасывание новой порции газа начинается только тогда, когда давление газа в цилиндре упадет до давления всасывания р₁. Процесс расширения газа, оставшегося во вредном пространстве, 3-4. Всасывание начинается в точке 4. Следовательно, в цилиндр из-за наличия вредного пространства поступит не V_h газа, а V (см. рис. 11.4). Вредное пространство уменьшает количество засасываемого газа и тем самым уменьшает производительность компрессора.

Отношение _об = V/V_h- объемный к.п.д. компрессора. Объемный к.п.д. уменьшается с увеличением вредного пространства и при определенном V₀ может стать равным нулю.

При неизменном V₀ с повышением давления сжатия объемный к.п.д. и производительность компрессора также уменьшаются (рис. 11.5) и в пределе, когда линия сжатия будет пересекать линию вредного пространства (точка 2),

_об = 0. В этом случае линия сжатия 1-2 совпадает с линией расширения 2-1 и компрессор начинает работать сам на себя, т.е. поршень работающего компрессора периодически сжимает одно и то же количество газа без нагнетания и всасывания.

Массовое количество газа, поступающего в цилиндр компрессора при всасывании, уменьшается также еще за счет нагревания его горячими поверхностями цилиндра и нагретым газом, оставшимся во вредном пространстве. Это уменьшение характеризуется отношением T₁/T₁, где Т₁ - температура газа, нагретого в цилиндре в процессе всасывания; T₁- температура всасываемого газа. Общее уменьшение производительности компрессора из-за наличия вредного пространства и нагревания газа характеризуется коэффициентом наполнения _нап = _об  Т₁/Т₁.

Уменьшение производительности компрессора с увеличением давления сжатого газа не позволяет получать газы высокого давления в одном цилиндре. Кроме того, при высоких давлениях сжатия температура газа может превысить температуру самовоспламенения смазочного масла в цилиндре, что недопустимо. Обычно одноступенчатые компрессоры применяются лишь в том случае, когда отношение р₂/р₁  4 - 5. При необходимости получить большее повышение давления применяют многоступенчатое сжатие.