Лекция № 8

8.1 Термодинамический цикл поршневого компрессора

Компрессор- это устройство, предназначенное для сжатия газов до избыточного давления не ниже 0,2МПа и их перемещения.

В зависимости от сжимаемого рабочего тела компрессоры подразделяются на:

1) Воздушные;

2) Углекислотные;

3) Аммиачные и т.д.

По конструкции компрессоры делятся на:

1) Поршневые;

2) Винтовые;

3) Ротационные и т.д.

Если сжатие рабочего тела осуществляется в одном цилиндре или в нескольких цилиндрах параллельно, то такой компрессор называется одноступенчатым.

Если сжатие рабочего тела осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах, то такой компрессор называется многоступенчатым.

Несмотря на то, что существуют различные конструкции компрессоров, термодинамические процессы, протекающие в них- одинаковые по своей сути. Поэтому нет необходимости анализировать работу всего многообразия конструкций компрессоров. Достаточно рассмотреть процессы, происходящие, например, в одноступенчатом поршневом компрессоре.

Одноступенчатый компрессор представляет собой цилиндр 1, внутри которого движется поршень 2. Вокруг цилиндра располагается охлаждающая рубашка 3. Цилиндр снабжен нагнетательным (выхлопным) клапаном 4 и всасывающим клапаном 5.

И ндикаторная диаграмма цикла поршневого компрессора представлена на рисунке 12.

В процессе 4-1 поршень движется слева направо, открывается всасывающий клапан и в цилиндр поступает атмосферный воздух с давлением . После заполнения цилиндра атмосферным воздухом (после достижения поршнем НМТ), всасывающий клапан закрывается, и поршень начинает двигаться справа налево. При этом воздух в цилиндре сжимается и его давление возрастает (процесс 1-2).

Когда давление газа достигнет требуемого значения давления , несколько превышающего давление в резервуаре, в который подается газ, открывается выхлопной клапан и сжатый газ вытесняется поршнем из цилиндра в резервуар. При этом поршень достигает ВМТ. Это процесс 2-3.

После вытеснения газа из цилиндра, выхлопной клапан закрывается, открывается всасывающий клапан, и поршень снова начинает двигаться слева направо, всасывая атмосферный воздух.

Таким образом, теоретически процесс 3-4 не совершается, поскольку в цилиндре отсутствует рабочее тело- газ. В действительности это не так. Поршень не может вплотную придвинуться к всасывающему и нагнетательному клапану и вытеснить весь воздух из цилиндра вследствие особенностей конструкции цилиндра. Объем между ВМТ и клапанами цилиндра называется мертвым объемом.

Поэтому после вытеснения сжатого воздуха при давлении в резервуар, часть сжатого воздуха остается в цилиндре и в процессе 3-4 происходит его расширение в цилиндре.

Д ействительная индикаторная диаграмма поршневого компрессора изображена на рисунке 13.

Мертвый объем составляет около от объема цилиндра.

Следует различать индикаторную диаграмму и идеализированный цикл компрессора в координатах. Идеализированный цикл в координатах строится для постоянной массы рабочего тела (для 1кг рабочего тела), а индикаторная диаграмма в координатах изображает процессы, протекающие в цилиндре компрессора при изменяющейся массе газа в нем.

В цикле компрессора, в отличие от циклов двигателей внутреннего сгорания, работа сжатия газа превышает работу расширения газа. Поэтому для осуществления такого цикла к компрессору необходимо подводить энергию извне. Поршень цилиндра присоединяется, например, к электродвигателю или двигателю внутреннего сгорания.

Определим работу, которую необходимо затратить для сжатия газа в цилиндре или, другими словами, определим мощность электродвигателя или ДВС, которым необходимо оснастить компрессор.

Работа, затрачиваемая на сжатие газа в процессе 1-2, определяется по формуле:

, (8.1)

Работа сжатия всегда отрицательная, поскольку и, следовательно, . На индикаторной диаграмме величина изображается площадью под кривой 1-2.

Работа, совершаемая над сжатым газом в процессе его вытеснения в резервуар (процесс 2-3), это работа, совершаемая над газом в изобарном процессе:

, (8.2)

Поскольку :

, (8.3)

На индикаторной диаграмме величина изображается площадью под кривой 2-3.

В процессе 3-4 работа ни самим рабочим телом, ни над самим рабочим телом не совершается, поскольку в процессе 3-4 отсутствует само рабочее тело:

(8.4)

, (8.5)

В процессе всасывания атмосферного воздуха в цилиндр (процесс 4-1) давление в полости поршня меньше атмосферного, поэтому воздух в полости цилиндра расширяется, совершая тем самым работу.

Работа расширения воздуха в процессе 4-1 положительная, поскольку совершается самим рабочим телом.

Процесс расширения протекает при постоянном давлении ( ). Для изобарного процесса:

, (8.6)

Поскольку :

, (8.7)

Таким образом, работа, затрачиваемая на сжатие 1кг рабочего тела в компрессоре, равна:

, (8.8)

, (8.9)

Работа, затрачиваемая на сжатие 1кг рабочего тела в компрессоре, изображается площадью 1-2-3-4-1.

Каким образом можно максимально уменьшить величину работы сжатия в компрессоре ?

Величины работ и зависят от того, для чего необходим сжатый газ, поэтому изменить их величину невозможно. Однако возможно организовать процесс сжатия таким образом, чтобы работа сжатия была как можно меньше.

Поскольку в процессе сжатия рабочего тела 1-2 его давление и объем изменяются, то очевидно, что процесс сжатия 1-2 можно постараться осуществить либо при постоянной температуре ( ) либо при отсутствии теплообмена с внешней средой ( ).

Процесс адиабатного сжатия рабочего тела ( ) можно осуществить, если сжимать рабочее тело достаточно быстро, а цилиндр компрессора снабжен толстым слоем изоляции.

Процесс изотермического сжатия рабочего тела ( ) можно осуществить, если отводить теплоту, выделяющуюся при сжатии, а соответственно и нагревании газа, посредством охлаждения стенок цилиндра.

Сравнение процессов адиабатного и изотермического сжатия рабочего тела показывает, что работа цикла компрессора с изотермическим сжатием меньше работы компрессора с адиабатным сжатием.

Таким образом, сжатие рабочего тела в изотермическом процессе является энергетически более выгодным.

Поскольку идеально организовать процесс охлаждения рабочего тела в компрессоре не удается, то он никогда не бывает изотермическим. Действительный процесс сжатия рабочего тела протекает по линии, находящейся между изотермой и адиабатой.