14.3. Индикаторная диаграмма реального поршневого компрессора

Рис. 43. Индикаторная диаграмма поршневого компрессора при наличии «мертвого» пространства

Индикаторная диаграмма компрессора представлена на рис. 43. На этой диаграмме процесс всасывания изображается линией 4–1, сжатия 1–2, нагнетания 2–3. Линия 3–4 характеризует процесс расширения газа, оставшегося в «мертвом» пространстве. «Мертвым» пространством называется некоторый свободный объем Vм между поршнем и крышкой цилиндра в момент нахождения поршня в крайнем левом положении. Его объем составляет от рабочего объема цилиндра Vh.

Влияние «мертвого» пространства

При наличии в компрессоре «мертвого» пространства V_м = V₃, где V₃ – объем в точке 3, рис. 43, в рабочей камере после завершения нагнетания остается объем V_м газа давлением р₃ = р₂. При движении поршня вправо только после снижения давления в рабочей камере до р₄ = р₁ открывается всасывающий клапан, т. е. процесс всасывания газа начинается лишь в точке 4, и всасываемый объем составляет объем которого меньше рабочего объема V_h. «Мертвое» пространство уменьшает количество всасываемого газа и, следовательно, снижает производительность компрессора.

Для расчета производительности реального поршневого компрессора принята зависимость:

где – производительность теоретического или идеального компрессора; S – площадь поперечного сечения цилиндра; L – ход поршня; n – число двойных ходов в единицу времени;  – коэффициент подачи. При наличии «мертвого» пространства производительность машины составит:

где – коэффициент всасывания, характеризующий снижение производительности из-за «мертвого» пространства.

Если процесс расширения газа на линии 3–4 политропный, а показатель политропы расширения n_p, то параметры газа в точках 3 и 4 можно связать уравнениями:

или

Из этих равенств следует:

и

где – коэффициент «мертвого» пространства.

Влияние сопротивления клапанов и теплообмена между газом и компрессором (при )

Из-за наличия сопротивления при всасывании газа давление в рабочей камере , а при нагнетании рис. 44.

Рис. 44. Индикаторная диаграмма поршневого компрессора при наличии сопротивления клапанов

Контакт всасываемого газа с нагретыми деталями машины и смешение его с газом «мертвого» пространства приводит к повышению температуры всасываемого газа. В момент окончания всасывания (в т. 1) газ имеет параметры и . Приведем всасываемый объем ( ) к начальным параметрам. Для этого воспользуемся уравнением: где

Получим

Формула для расчета производительности примет вид

где – коэффициент подачи, учитывающий влияние подогрева газа на производительность; – коэффициент подачи, учитывающий влияние сопротивление всасывающего клапана на производительность компрессора.

Учет прямых утечек газа в компрессоре

Учет прямых утечек газа в компрессоре ведется с помощью коэффициента герметичности который является аналогом объемного КПД насосов. Если сжимается влажный газ, то после его сжатия и охлаждения часть водяных паров сконденсируется, что приведет к дополнительному снижению объема сжатого газа. Для учета этого фактора и вводится коэффициент

Для политропного процесса компрессора коэффициент герметичности определяется выражением

Как следует из данного выражения, коэффициент герметичности уменьшается с увеличением степени сжатия и при некотором ее значении может стать равным нулю. Степень сжатия при которой называется пределом сжатия. При предельном значении степени сжатия газ, находящийся в «мертвом» пространстве, расширяясь, занимает весь объем цилиндра. Всасывание газа в цилиндр прекращается, и производительность компрессора становится равной нулю.

Рис. 45. Индикаторная диаграмма компрессора при пределе сжатия

На индикаторной диаграмме, рис. 45, линии сжатия и расширения сливаются в одну линию; площадь индикаторной диаграммы и, следовательно, индикаторная мощность при пределе сжатия равны нулю. Предел сжатия при политропном расширении газа в «мертвом» пространстве может быть определен при условии из уравнения:

В действительности в качестве предельной принимают значительно меньшую степень сжатия. При этом считают, что компрессоры, имеющие коэффициент герметичности менее ( ), практически невыгодны. Соответствующий этому объемный предел степени сжатия из уравнения

Следовательно, для расчета коэффициента подачи можно воспользоваться зависимостью

В реальном компрессоре процесс сжатия газа всегда происходит при наличии теплообмена со стенками рабочей камеры. При этом начало процесса сжатия, когда температура газа еще ниже температуры стенок машины, сопровождается подводом теплоты к газу и характеризуется показателем политропы Окончание процесса сжатия сопровождается отводом теплоты от газа, так как компрессорная машина в целом охлаждается окружающей средой и ее температура вблизи точки 4 уже ниже температуры газа и Таким образом, процесс сжатия протекает с переменным показателем политропы. Среднее же значение показателя

Рис. 46. Индикаторная диаграмма реального поршневого компрессора

Окончательный вид индикаторной диаграммы приведен на рис. 46. Всплески давления вблизи точек 2 и 4 связаны с инерционностью клапанов, с запаздыванием их открытия. Следующим ограничением, обусловливающим сравнительно небольшие степени сжатия в одноступенчатых компрессорах, является температура газа после сжатия, которая не должна быть выше 150–160 С.

При более высоких температурах начинается выделение летучих веществ, которые, соединяясь со сжимаемым газом, могут образовывать взрывоопасные смеси.