Индикаторная диаграмма

Рассмотрим рабочий процесс идеального компрессора, у которого: во всасывающем и нагнетательном клапанах отсутствует сопротивление прохождению газа; во всасывающем и нагнетательном трубопроводах давление постоянно; температура газа на линиях всасывания или нагнетания остается неизменной; в конце сжатия весь газ выталкивается из цилиндра.

При движении поршня 9 вправо при закрытом нагнетательном клапане 8 в цилиндр через открытый всасывающий клапан 7 поступает газ. Процесс всасывания на диаграмме изображен линией 1-6. При движении поршня влево всасывающий клапан закрывается и газ сжимается, так как объем рабочей камеры уменьшается. Если при сжатии отводится вся выделившаяся теплота, то сжатие будет изометрическим (линия 6-3), если сжатие происходит без теплообмена со внешней средой, то оно будет адиабатным (линия 6-5). В действительности из-за частичного теплообмена сжатие будет происходить по политропе (линия 6-4). Затем открывается нагнетательный клапан и газ выталкивается из цилиндра (линия 5-2). При повторном движении поршня вправо давление в цилиндре мгновенно снижается (линия 2-1), начинается всасывание через открывшийся всасывающий клапан и все процессы повторяются.

Площадь диаграммы, ограниченная линиями всасывания, сжатия, нагнетания и падения давления, показывает в определенном масштабе работу, которая затрачивается в компрессоре на сжатие единицы объема газа. Эта работа будет различной в зависимости от того, по какой линии происходит сжатие газа. При изотермическом сжатии работа будет минимальной. На практике процесс сжатия газа стремятся приблизить к изотермическому, для чего охлаждают компрессоры и газ.

Действительный процесс сжатия газа в цилиндре компрессора существенно отличается от теоретического. Прежде всего в конце нагнетания не весь газ выталкивается в нагнетательный трубопровод, часть его остается в каналах клапанов, клапанных гнездах и в зазоре между крайним положением поршня и крышкой цилиндра. Сжатый газ, оставшийся после нагнетания в цилиндре, занимает объем, называемый вредным пространством . При движении поршня вправо газ, находящийся во вредном пространстве , расширяется (линия 2-1) и отдает почти всю энергию, которая была затрачена на его сжатие. Таким образом, наличие вредного пространства не влияет на расход энергии. Кроме того, сжатый газ, находящийся во вредном пространстве, служит как бы буфером между поршнем и крышкой цилиндра.

Всасывание газа начинается в точке 1 лишь тогда, когда газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется и давление его понизится до давления . Всасывание газа происходит не на всем ходе поршня, а лишь на части его, т.е. наличие вредного пространства уменьшает рабочий объем цилиндра. Всасывающие клапаны и всасывающий трубопровод оказывают сопротивление движению газа, особенно при подъеме клапанов. Поэтому давление в начале всасывания несколько ниже давления . Всасывание газа (линия 1-4) происходит почти при постоянном давлении. Сжатие газа протекает по политропе 4-3. когда давление в цилиндре в процессе сжатия достигает значения, несколько превышающего давления , то открывается нагнетательный клапан и начинается процесс нагнетания (линия 3-2). Некоторый избыток давления требуется для преодоления инерции и сопротивления нагнетательного клапана.

Если сжимать газ до высоких давлений в одном цилиндре, то возникает много осложнений: в результате высокого сжатия чрезмерна нагревается газ и оказывает большое сопротивление движению поршня; при высокой температуре ухудшаются условия смазывания – смазка разжижается, разлагается, образует нагар на стенках цилиндра, поршня, клапанах; уменьшается коэффициент использования рабочего объема цилиндра, так как оставшийся во вредном пространстве газ будет расширяться на большей части хода поршня; увеличивается расход мощности на сжатие газа.

Чтобы избежать эти нежелательные последствия сжатия в одном цилиндре, процесс разбивают на несколько ступеней, т.е. используют многоступенчатое сжатие.

Но увеличение числа ступеней сжатия усложняет конструкцию, обслуживание и ремонт компрессора. Поэтому экономически оправдано разбивать сжатие не более чем на семь ступеней.