6.4. Действительный цикл в поршневом компрессоре

В реальном поршневом компрессоре (в отличие от идеального, теоретического) термодинамические процессы протекают иначе, так как в цилиндре после завершения цикла остается часть сжатого воздуха объемом V₀ с давлением Р₃ (рис.48).

В компрессоре всегда есть вредное пространство с объемом V₀ за счет зазора между крышкой цилиндра и крайним положением поршня (необходим для исключения ударов из-за неточности сборки, износа, теплового расширения элементов). Расширение объема V_o уменьшает объем всасывания на V = V₁–V'₄.

Рис.48. Цикл реального компрессора

Кроме того, процессы в цилиндре идут с постоянным изменением параметров состояния P,V,T.

Рассмотрим процесс сжатия (линия 1-2, рис.48). Точка 1 – начало сжатия, здесь параметры состояния Р₁,V₁,Т. В точке 1 давление P₁ будет равно давлению в приемном трубопроводе.

Линия 1-2 является линией политропы, показатель которой n изменяется в процессе сжатия вследствие изменения направления теплового потока в начале и в конце сжатия (в начале воздух холодный – тепло к нему подводится, в конце горячий – он сам отдает тепло). Сжатие заканчивается в точке 2 и здесь давление Р₂ больше давления Р₃ в напорном трубопроводе. Разница P_н = P₂–P₃ обеспечивает открытие напорного клапана, т.е. идет на преодоление силы напряжения пружины.

Процесс нагнетания (линия 2-3). В точке 2 открывается нагнетательный клапан и начинается процесс нагнетания. В начальный период, когда скорости поршня и воздуха малы – давление падает. В середине хода поршня скорость воздуха будет максимальной, увеличиваются потери на гидравлические сопротивления, это вызывает повышение давления до P'₂. Далее скорость уменьшается и падает давление. В точке 3 нагнетание воздуха заканчивается и давление в цилиндре равно давлению в напорном трубопроводе.

Процесс расширения (линия 3-4). В положении 3 в цилиндре остается объем воздуха V₀ с давлением P₃ . С началом движения поршня вправо этот объем расширяется, давление в цилиндре падает и напорный клапан закрывается.

При достижении давления Р₁ открытие всасывающего клапана не происходит. Это произойдет в точке 4, так как в цилиндре должно создаться разряжение, а перепад давлений P_вс пойдет на преодоление натяжения пружины и рабочей пластины клапана. Таким образом, рабочий объем в цилиндре будет равен V_р = V₁–V₄.

Процесс всасывания (линия 4-1). В точке 4 открывается клапан и начинается процесс заполнения воздухом цилиндра. Изменение скорости движения поршня, а значит и воздуха, приводит к неравномерности давления в цилиндре. В точке 1 давление в полости цилиндра равно давлению воздуха во всасывающем трубопроводе. Рассмотрим факторы, влияющие на производительность компрессора.

Влияние вредного пространства на производительность учитывается объемным коэффициентом ₀ = V_п/V_т, где V_р = V_т + V₀–V₄ – рабочий объем; V_т – теоретический объем (рис.49).

При окончании нагнетания (точка 3) в компрессоре остается объем V_o с давлением Р₂, который затем расширяется до V₄ с давлением P₁. Уравнение политропы имеет вид:

Рис.49. Влияние вредного пространства

на работу компрессора

или

Так как степень сжатия  = P₂/P₁, получим

(106)

где m = V₀/V_т – относительное вредное пространство; n – показатель политропы.

Следовательно, объемный коэффициент есть величина, определяющая степень использования рабочего объема компрессора, поэтому при конструировании машины стремятся к максимальному увеличению ₀ за счет уменьшения объема вредного пространства (₀ = 0,85-0,95).

Из-за теплообмена между всасываемым воздухом и нагретыми стенками цилиндра, поршнем и клапанами компрессора температура воздуха в конце фазы всасывания будет выше температуры воздуха перед компрессором. Вследствие наличия сопротивления во всасывающем клапане, трубопроводе и фильтре давление во время всасывания будет ниже атмосферного, поэтому клапан открывается позже и рабочий объем уменьшается. Уменьшение производительности при этом учитывается коэффициентом всасывания _вс.

В конце фазы сжатия температура воздуха выше, чем температура стенок цилиндра поэтому тепло воздуха отводится и его температура снижается, что приводит к изменению производительности компрессора. Давление в конце процесса выталкивания из-за сопротивления клапанов и нагнетательного патрубка будет выше давления в воздухосборнике, поэтому расширение воздуха, оставшегося во вредном пространстве, начнется чуть раньше, а это уменьшает объем засасываемого воздуха и производительность компрессора. Это учитывается коэффициентом _выт. Потери при всасывании и выталкивании учитываются: ₁ = _вс_выт = 0,92-0,95.

При сжатии воздуха происходят его потери через неплотности (сальники, поршневые кольца, прокладки, клапаны и т.д). Эти потери повышают затраты энергии и снижают производительность компрессора. Такие потери учитываются коэффициентом герметичности (_0,92-0,95).

Фактор, влияющий на производительность компрессора – отсутствие влаги в воздухе, которое учитывается коэффициентом влажности (_вл0,97-0,99).

Все перечисленные факторы учитываются одним коэффициентом производительности  = ₀₁₂_вл. Обычно берется  = 0,75-0,9.

Действительная производительность поршневого компрессора будет Q = FSniz_y, где F,S – площадь и ход поршня; n – частота вращения кривошипного вала машины;    – коэффициент, учитывающий уменьшение площади поршня за счет штока; i – число рабочих циклов за один оборот кривошипного вала машины; z_y – число параллельно работающих цилиндров в машине.