2.2 Мощность привода и коэффициенты полезного действия компрессора

В энергетике под кпд обычно понимают отношение полезно используемой энергии ко всей затраченной. И чем выше процент полезно используемой энергии из всего ее затраченного количества, тем выше кпд. В случае компрессорных машин такое определение кпд оказывается неприемлемым.

Поэтому для оценки степени совершенства реальных компрессорных машин их сравнивают с идеальными. При этом для охлаждаемых компрессоров вводится изотермический кпд

где l_из - работа на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии; l_д - действительная работа на привод реального охлаждаемого компрессора; N_из = ml_из, N_д - соответствующие мощности приводных двигателей; m - массовая производительность компрессора.

При расходе газа G кг/с затраченная работа определяется по формуле

Отсюда мощность приводного двигателя в ваттах (Вт) будет

Для неохлаждаемых машин вводится адиабатический кпд.

где l_ад - работа на привод идеального компрессора при адиабатическом сжатии.

Значения η_из и η_ад для различных типов компрессоров определяются из заводских испытаний и указываются в справочниках.

Мощность двигателя для привода компрессора при изотермическом сжатии будет определяться по формуле

Адиабатный и изотермический процессы сжатия могут рассматриваться лишь как теоретические. В реальном компрессоре процесс сжатия происходит по политропе. Формула для определения эффективной мощности в политропном процессе сжатия с учетом потерь на трение, влияния вредного пространства, а также уменьшения подачи из-за нагрева газа имеет вид

где l_п - работа на привод компрессора при политропном сжатии; η_п - кпд компрессора при политропном сжатии; η_м - механический кпд, учитывающий потери на трение.

Работа l_п определяется по формуле (2.3), где показатель политропы п находится, как правило, по параметрам газа в начале и конце процесса сжатия.

2.3 Многоступенчатый компрессор

Для получения газов высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры. В них сжатие газа осуществляется политропно в нескольких последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после сжатия в каждом цилиндре.

Принципиальная схема многоступенчатого компрессора, состоящего из трех ступеней, представлена на рис. 2.3.

Здесь: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - шатун; 4 - коленчатый вал; 5 - подшипник; 6 - всасывающий клапан; 7 - нагнетательный клапан; 8, 9 - промежуточные охладители. В направлении стрелок 10, 11 осуществляется вход и выход охлаждающей воды.

Рис. 2.3

Принцип работы многоступенчатого компрессора состоит в следующем. Через клапан 6 первой ступени происходит всасывание газа. После сжатия газ через охладитель 8 направляется во вторую ступень компрессора. Причем всасывание газа во второй ступени происходит при давлении сжатия ступени. Всасывание газа в третьей ступени выполняется через промежуточный охладитель 9 при давлении сжатия во второй ступени. Через нагнетательный клапан третьей ступени осуществляется нагнетание газа в резервуар.

Рис.2.4

Диаграмма процессов сжатия в трехступенчатом компрессоре в рv- координатах представлена на рис. 2.4. Рассмотрим процессы: 0-1 - линия: всасывания газа в первой ступени компрессора (не является термодинамическим процессом, т.к. происходит лишь перемещение газа без изменения его термодинамических параметров); 1-2 - политропный процесс сжатия в первой ступени; 2-а - линия нагнетания газа в промежуточный охладитель 8; а-3 линия всасывания во второй ступени компрессора; 3-4 - политропный процесс сжатия во второй ступени; 4-b - линия нагнетания в промежуточный охладитель 9; b-5 - линия всасывания в третьей ступени компрессора; 5-6 - политропный процесс сжатия в третьей ступени; 6-с - линия нагнетания газа в резервуар.

Отрезки 2-3 и 4-5 изображают уменьшение объема газа в процессе при постоянном давлении от охлаждения в охладителях 8 и 9. Охлаждение производится до одной температуры, равной температуре всасывания газа в первой ступени Т₁. Поэтому температуры в точках 1, 3, 5 будут одинаковыми, и через них можно провести изотерму 1-7.

Отношение давлений для каждой ступени обычно принимается одинаковым и равным некоторой величине х.

В случае равенства начальных температур и показателей политропы конечные температуры также будут равны, т.е. Т₂-Т₄=Т₆. Отсюда следует, что

Так как р₂=р₃ и р₄ = р₅ то

.

При z-ступенях компрессора для величины х получим следующую формулу

Ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением приближает рабочий процесс компрессора к наиболее экономичному изотермическому сжатию и чем больше число ступеней сжатия, тем больше процесс сжатия будет приближаться к изотермическому процессу. При равенстве температур газа на входе в каждую ступень и равенстве отношений давлений затраты работы на сжатие во всех ступенях будут одинаковыми l₁=l₂=l₃,

где

Отсюда l_к = 3 l₁. Или при z-ступенях l_к = z l₁.

Работа на привод трехступенчатого компрессора при политропном сжатии во всех ступенях в рv-координатах может быть определена площадь фигуры 0-1-2-3-4-5-6-С-0.

Если процесс политропного сжатия до давления р₆ производить в одноступенчатом компрессоре, то затраченная на это работа будет равна площади фигуры 0-1-8-с-0. Отсюда экономия работы будет численно равна площади 2-3-4-5-6-8-2.