Департамент образования и науки Кемеровской области

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Томь-Усинский горноэнерготранспортный колледж

РАССМОТРЕН И ОДОБРЕН на заседании цикловой комиссии общепрофессиональных и специальных транспортных дисциплин Председатель цикловой комиссии _________ М.В. Григорьева (подпись) протокол № 07 от 31.08.2012

УТВЕРЖДЕНО на заседании методического совета колледжа Председатель методического совета _________ Т. Г. Малютина протокол № 7 04.09.2012 (дата)

Методические указания

по проведению практического занятия № 10

Тема: Устройство поршневых компрессоров.

По дисциплине: СД. 02 Горная механика

Продолжительность: 2 часа

Для специальности: 140613 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)

Автор: Скрипченко Н.Ф.

2012

Практическое занятие № 10

Тема : Устройство поршневых компрессоров.

Цель: Изучение конструкции и типов шахтных поршневых компрессоров

Входной контроль

1. Объемные компрессоры.

2. Центробежные компрессоры.

3. Как происходит сжатие воздуха в многоступенчатых компрессорах?

Теоретический материал

Одноступенчатое сжатие

В машинах, предназначенных для сжатия газа, увеличение давления происходит либо за счет уменьшения объема пространства, в котором находится газ (объемные компрессоры, к числу которых относятся поршневые и винтовые), либо за счет сообщения потоку газа энергии от динамического воздействия на него лопастей рабочих колес (центробежные компрессоры). На рис. 87 показаны схемы поршневых компрессоров одностороннего и двустороннего действия.

В современных компрессорах вместо кривошипного вала применяется коленчатый. В компрессоре одностороннего действия, где цилиндр не имеет задней

крышки, механизм движения более простой, в нем отсутствуют крейцкопф и шток.

В компрессоре одностороннего действия (рис. 87, а) всасывание воздуха из атмосферы в цилиндр происходит через всасывающий клапан при ходе поршня слева направо. При ходе поршня справа налево этот клапан закрывается, воздух сжимается и выталкивается через нагнетательный клапан в воздухопроводную сеть.

В компрессоре двустороннего действия эти процессы протекают с обеих сторон поршня (рис. 87, б).

Описанные компрессоры называются одноступенчатыми, сжатие воздуха в них от начального до конечного давления производится сразу за один ход поршня.

В многоступенчатых компрессорах сжатие воздуха от начального до некоторого промежуточного давления производится в первой ступени, а затем в последующих ступенях он сжимается до требуемого конечного давления.

Процессы, протекающие в компрессорах, как известно из термодинамики, могут быть изображены в координатных осях давления р и объема V, а также в осях абсолютной температуры Т и энтропии s. При изображении в осях р — V может быть определена затрачиваемая в компрессоре работа как площадь, ограниченная линией кругового процесса, при изображении в осях Т—s — теплота.

Ниже применительно к поршневым компрессорам используются координаты р—V, а к центробежным — как координаты р—V, так и T — s.

Теоретический процесс поршневого компрессора можно было бы осуществить при следующих условиях: 1) после выталкивания в цилиндре компрессора не

останется сжатый воздух;

2) давление и температура воздуха при всасывании не изменяются и остаются такими же, как в окружающей компрессор атмосфере;

3) давление и температура сжатого воздуха при его выталкивании не изменяются и одинаковы с давлением и температурой воздуха в напорном трубопроводе.

По диаграмме теоретического процесса в одноступенчатом компрессоре одностороннего действия в координатных осях давления р (здесь и далее приняты обозначения: р — абсолютное давление, ри — избыточное давление) и объема V (рис. 88) процесс всасывания в компрессор воздуха объемом V₁ при давлении р₁ изобразится линией 1—2, процесс сжатия его — кривой 2—3, процесс выталкивания сжатого воздуха объемом V₂ при давлении р₂ в напорный

трубопровод — линией 3—4, процесс выравнивания давления в цилиндре от р₂ до р₁ — линией 4—1.

Процессы в компрессоре двустороннего действия изобразятся двумя такими диаграммами, повернутыми друг относительно друга на угол 180°.

Полная работа Lи, затраченная в компрессоре, представляет собой площадь кругового процесса 1—2—3—4—1 и равна сумме

Масштаб работы определяется на основании принятых масштабов давления и объема. Допустим, что 1 МПа (1 000 000Н/м²) соответствует 2 см, а 1 м³ — 5 см, тогда 1 000 000 Н -м (Дж) соответствует 10 см².

Диаграмма теоретического процесса в одноступенчатом поршневом компрессоре одностороннего действия показана на рис. 88.Процесс сжатия может быть изотермическим (2—3), адиабатным (2—3') и политропным (2—3").

При изотермическом сжатии температура постоянна и от воздуха отводится вся выделяющаяся в процессе сжатия теплота.

где cv — 0,7243 кДж/(кг·К) — средняя массовая теплоемкость воздуха при постоянном объеме и температуре 0 ... 200 °С.

Минимальная работа будет затрачиваться в компрессоре с изотермическим сжатием (площадь 1—2—3—4—1), а максимальная — при адиабатном сжатии (площадь 1—2—3'—4—1).

Максимальная площадь будет больше минимальной на величину площади

2—3—3'—2. При изотермическом сжатии за все время процесса температура сжимаемого воздуха будет равна температуре всасываемого. При адиабатном сжатии температура сжатого воздуха будет выше температуры всасываемого и это может явиться причиной взрыва от вспышки смазочного масла.

Адиабатное сжатие тем более невыгодно, чем больше степень повышения давления ε = p₂ / p₁

Так как изотермическое сжатие в компрессоре из-за условий охлаждения практически осуществить невозможно, то сжатие производится по политропному процессу (линия 2—3") при п = 1, 3, ... 1,35 с частичным отводом тепла от воздуха, который выгоднее адиабатного.

Действительный процесс поршневого компрессора отличается от теоретического следующим:

1) при выталкивании сжатого воздуха его часть остается в пространстве между поршнем, находящимся в крайнем положении, и крышкой цилиндра, а также в каналах, соединяющих клапаны с цилиндром; это пространство называется вредным;

2) имеют место сопротивления при всасывании атмосферного воздуха в фильтре и во всасывающих клапанах, а при выталкивании сжатого воздуха — в нагнетательных клапанах;

3) имеются неплотности между поршнем и стенками цилиндра, в клапанах и сальниках;

4) в конце всасывания температура воздуха в цилиндре повышается;

5) сжимаемый воздух содержит частицы водяного пара.

При ходе всасывания оставшийся во вредном пространстве сжатый воздух расширяется (рис. 89, а, кривая 4—1) и давление его падает от р₂ до р₁.

Очевидно, что всасывание начинается не в начале хода поршня; а только тогда, когда давление в цилиндре станет ниже давления атмосферного воздуха, т. е. будет всасываться меньший объем воздуха, чем при теоретическом процессе.

Вредное пространство почти не влияет на работу, затрачиваемую в компрессоре, но снижает производительность компрессора.

Давление р₁ воздуха в цилиндре при всасывании будет меньше давления р_а атмосферного воздуха в связи с сопротивлением:

1) при проходе воздуха через фильтр, всасывающую трубу и под пластинками клапана;

2) обусловленным инерцией клапанных пластинок и пружины при открытии клапана;

3) от инерции воздуха, вследствие чего линия всасывания понижается в первой половине и несколько повышается во второй половине хода поршня.

При этом объем V_B всасываемого в компрессор воздуха, приведенный к атмосферному давлению, будет еще меньше, а затрачиваемая работа возрастает на величину, изображаемую заштрихованной площадью, которая расположена ниже линии атмосферного давления (рис. 89, б).

Давление р₂ сжатого воздуха в компрессоре будет больше давления р_рез сжатого воздуха в воздухосборнике и воздухопроводной сети в связи с сопротивлением:

1) при проходе воздуха под пластинками нагнетательного клапана;

2) обусловленным инерцией клапанных пластинок и пружины, проявляющей в момент открытия клапана;

3) при проходе воздуха от клапана до нагнетательного патрубка компрессора. При этом затрачиваемая работа возрастает на величину, пропорциональную заштрихованной площади, которая расположена выше линии давления сжатого воздуха в резервуаре. Выступ в начале линии всасывания и выталкивания на диаграмме объясняется инерцией подвижных элементов клапанов.

Неплотности в компрессоре имеют место:

• во всасывающих клапанах (из-за чего при сжатии и выталкивании часть воздуха просачивается обратно во всасывающий трубопровод);

• в нагнетательных клапанах (в связи с чем во время всасывания частично поступает воздух из напорного трубопровода);

• между поршнем и стенками цилиндра и в сальниках (вследствие чего воздух при сжатии и выталкивании может перетекать из одной полости цилиндра в другую и просачиваться из него).

В результате действительная производительность компрессора уменьшается, причем работа на сжатие утекающего через неплотности воздуха затрачивается бесполезно.

В момент всасывания вновь поступающий воздух смешивается с оставшимся в цилиндре и непрерывно подогревается от стенок цилиндра. При этом уменьшаются плотность воздуха и, следовательно, массовая производительность компрессора, хотя его объемная производительность остается прежней. Затрачиваемая работа остается такой же, но относится уже к меньшей массовой производительности компрессора.

В воздухе содержится водяной пар, который, конденсируясь после выхода из цилиндра, также уменьшает массовую производительность компрессора. Таким образом, действительная производительность компрессора меньше теоретической. Все потери производительности в компрессоре учитываются коэффициентом подачи.

Отношение действительно подаваемого за один ход объема V_д воздуха, пересчитанного на давление и температуру всасывания, к объему, описываемому поршнем компрессора за один ход, называется коэффициентом подачи компрессора α_п , который обычно равен 0,75 ... 0,9.

Повысить коэффициент подачи и, следовательно, действительную производительность компрессора можно:

1) правильным выбором объема вредного пространства;

2) уменьшением сопротивления при всасывании; 3) хорошим уплотнением в компрессоре;

4) чистотой цилиндра и других частей машины;

5) обеспечением по возможности более низкой температуры всасываемого воз-

духа.