14.2. Поршневой компрессор. Индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора

Поршневой компрессор – это компрессорная машина объемного типа. Принцип его работы аналогичен принципу работы поршневого насоса. В конструктивном же отношении поршневой компрессор существенно более сложный агрегат. Помимо основных конструктивных элементов, присущих насосу (поршня, цилиндра, клапана, привода), компрессор снабжен рядом систем:

- газоочистки, предназначенной для очистки всасываемого газа от механических примесей (пыли, капельной влаги и т. п.);

- масловлагоотделения, предназначенной для очистки сжатого газа от капель смазывающего внутреннюю поверхность цилиндра масла и капельной влаги, образующейся при сжатии и последующем охлаждении газа;

- охлаждения, предназначенной для охлаждения нагревающегося при сжатии газа;

- смазки трущихся поверхностей машины.

При конструировании компрессора стремятся достичь полного вытеснения газа из рабочей камеры. Объем газа, остающийся в рабочей камере при положении поршня в мертвой точке, называется объемом «мертвого» пространства V_м. Как будет показано в дальнейшем, с увеличением объема «мертвого» пространства уменьшается производительность компрессора.

Рис. 41. Поршневой компрессор

Компрессор, рис. 41, состоит из цилиндра 1, поршня 2, всасывающего клапана 3 и нагнетательного клапана 4. Рабочий процесс совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При движении поршня вправо через открытый всасывающий клапан газ поступает в цилиндр. При обратном движении поршня (влево) всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие газа до определенного

давления, при котором открывается нагнетательный клапан и производится нагнетание газа в резервуар.

При теоретическом анализе удобнее рассматривать идеальный компрессор, который обладает следующими нереализуемыми свойствами:

1. объем «мертвого» пространства V_м = 0;

2. к лапаны безынерционны, их сопротивление равно нулю;

3. отсутствует теплообмен между газом и компрессором;

4. отсутствуют утечки газа;

5. перекачиваемый газ – идеальный.

Теоретическая индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора показана на рис. 42. На диаграмме:

- линия 4–1 – линия всасывания;

- линия 1–2' – процесс сжатия по изотерме;

- 1–2'' – процесс сжатия по адиабате;

- линия 1–2 – процесс сжатия по поли-тропе;

- линия 2–3 – линия нагнетания;

- линия 3–4 – условная линия, замыкающая цикл. Следует отметить, что линии всасывания 4–1 и нагнетания 2–3 не изображают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела здесь не меняется, а изменяется лишь его количество.

Термодинамический расчет компрессора выполняется с целью определения работы, затрачиваемой на сжатие, что, в свою очередь, дает возможность определить мощность приводного двигателя.

Удельная работа l_к, затрачиваемая на получение сжатого газа при условии обратимости всех процессов и отсутствии приращения кинетической энергии газа, определяется по формуле:

где – работа всасывания (затрачиваемая внешней средой при заполнении цилиндра), ; – работа нагнетания (затрачиваемая на вытеснение газа из цилиндра), ; – работа, затрачиваемая на сжатие газа, .

Так как то

Ввиду того, что работа l_к на получение сжатого газа затрачивается, она имеет отрицательный знак. Эта работа называется технической работой компрессора. В диаграмме (рис. 42) в -координатах она изображается площадью 12'341 (работа изотермического сжатия).

Работа, затрачиваемая на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии, определяется по выражению:

При адиабатном сжатии работа на привод компрессора составит:

Эта работа численно равна площади 12''341. В то же время работа на привод компрессора при адиабатном сжатии может быть вычислена по формулам:

где – работа адиабатного сжатия, .

В случае сжатия по политропе выражение для определения работы на привод идеального компрессора будет:

Работа на привод компрессора при политропном сжатии численно равна площади 12341.

Таким образом, сжатие по изотерме дает наименьшую площадь и, следовательно, наименьшую затрату работы, наибольшую – по адиабате. Для того чтобы процесс сжатия приблизить к изотермическому, необходимо в процессе отводить теплоту. С этой целью в стенках цилиндра компрессора делаются полости, через которые прокачивается охлаждающая жидкость.