Особенности процессов, происходящих в поршневых компрессорах.

1. Краткие сведения о компрессорах холодильных машин.

2. Теоретический и действительный процессы в компрессорах.

3. Схемы поршневых компрессоров.

Компрессоры предназначены для сжатия и перемещения газа или пара, являющихся рабочими веществами компрессорных холодильных машин. Компрессор в значительной степени определяет технико-экономические показатели производства и эксплуатации холодильных машин.

По принципу действия компрессоры делятся на два класса (или две группы):

1. компрессоры объёмного принципа действия (компрессоры объёмного действия). Рабочие органы машины этого класса засасывают определённый объём рабочего вещества, сжимают его благодаря уменьшению замкнутого объёма и затем перемещают (нагнетают) в камеру нагнетания. Это машины дискретного действия, рабочие процессы в которых совершаются строго последовательно, повторяясь циклически. Объёмные компрессоры условно можно назвать машинами статического действия, поскольку перемещение рабочего вещества в процессе сжатия в них совершается сравнительно медленно;

2. компрессоры динамического принципа действия (компрессоры динамического действия). В этих машинах рабочее вещество непрерывно перемещается («течёт») через проточную часть компрессора, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную. Плотность в потоке рабочего вещества постепенно повышается от входа в машину к выходу. Это машина непрерывного действия.

По конструктивному признаку основанных рабочих деталей компрессоры делятся на следующие типы:

поршневые, винтовые, пластинчатые ротационные, ротационные с катящимся поршнем и многие другие, основанные на объёмном принципе действия;

лопаточные компрессорные машины, к которым относятся: радиальные (центробежные), осевые и вихревые, основанные на динамическом принципе действия.

Поршневые компрессоры классифицируют:

1. По производительности:

– малые (до 12 кВт);

– средние (от 12 до 120 кВт);

– крупные (свыше 120 кВт).

2. По числу цилиндров:

– многоцилиндровые (2,4,8);

– одноцилиндровые.

3. По расположению цилиндров:

– горизонтальные;

– вертикальные;

– V образные;

– W образные;

- оппозитные.

4. По направлению движения холодильного агента:

– прямоточные;

– непрямоточные.

непрямоточный прямоточный

5. По особенности конструкции:

– бескрейцкопфные;

– крейцкопфные.

В крейцкопфных компрессорах на поршень не воздействует радиальная составляющая, которая приводит к износу зеркала цилиндра. Эти компрессоры большой производительности.

6. По конструкции уплотнения картера:

– открытые (сальниковые);

– герметичные (компрессор и электродвигатель находятся в одном герметичном корпусе);

– полугерметичные (бессальниковые). В таких компрессорах предусмотрены крышки для ремонта и монтажа основных деталей компрессора.

В аммиачных холодильных машинах все компрессоры открытого типа, т.к. аммиак агрессивен с цветными металлами.

7. По типу привода:

– с приводом через муфту;

– через клиноременную передачу;

– компрессор на одном валу с электродвигателем.

Компрессор служит для сжатия паров хладагента от давления, кипения до давления конденсации.

Производительность компрессора выражается массой или объемом засасываемого в единицу времени пара, а также холодопроизводительностью холодильной машины.

Массу засасываемого пара при заданной холодопроизводительности и удельной массовой холодопроизводительности определяют по формуле:

, [кг/с]

где:

Q₀ – холодопроизводительность машины,

q₀ – удельная массовая холодопроизводительность.

Действительный объем засасываемых паров определяют:

[м³/с]

где:

– удельный объем пара перед всасыванием в компрессор;

М – массовая холодопроизводительность.

Холодопроизводительность компрессора можно определить:

,

– удельная объемная холодопроизводительность.

Рисунок 1. Схема непрямоточного поршневого компрессора: 1- цилиндр, 2- поршень, 3 – шатун, 4 - нагнетательный клапан, 5 – всасывающий клапан.

Поршневой компрессор состоит из цилиндра 1, в котором совершает возвратно-поступательные движения поршень 2. Поршень приводится в действие посредством кривошипно-шатунного механизма 3, который превращает вращательное движение от электродвигателя в возвратно-поступательное.

Рабочий процесс в компрессоре совершается за один оборот электродвигателя (за два хода поршня).

В крышке цилиндра расположены всасывающие 5 и нагнетательные 4 клапаны.

Условия работы холодильных компрессоров отличаются от условий работы общепромышленных (машин общего назначения), в том числе воздушных. Условия работы холодильных компрессоров характеризуются следующими особенностями:

из-за изменения внешних условий работы холодильной машины, компрессор работает в широком диапазоне изменения давлений нагнетания, всасывания и значительной разности этих давлений;

многие рабочие вещества легко растворяются в смазочном масле, что оказывает существенное влияние на рабочие процессы в холодильном компрессоре и, как правило, снижает надёжность подшипниковых узлов;

всасываемый в компрессор пар имеет низкую температуру и может содержать неиспарившиеся капли рабочего вещества;

рабочие процессы поршневого компрессора могут сопровождаться периодической конденсацией некоторого количества рабочего вещества на внутренних стенках цилиндра с последующим его испарением;

многие рабочие вещества (например, хладоны) обладают высокой степенью проницаемости не только через разъёмы, но и через поры чугунных отливок. Утечки рабочего вещества в атмосферу и подсос воздуха в компрессор совершенно не допустимы;

компрессоры холодильных машин работают с холодильными агентами, имеющими большой диапазон изменения физических и химических свойств: плотности, вязкости, текучести, химической стойкости и активности.

Важной особенностью компрессоров объемного принципа действия является возможность их работы на любых холодильных агентах без изменения конструкции. Эти компрессоры работают, как правило, при наличии масла в рабочем пространстве. Особенностью компрессоров динамического действия является полное отсутствие масла в рабочем пространстве, так как они работают на холодильном агенте, не содержащем масла.

К холодильным компрессорам предъявляются высокие требования, вытекающие из их роли и условий работы в составе холодильной машины. Основными из них являются:

высокая надёжность и достаточный моторесурс работы основных узлов и компрессора в целом, обеспечивающего заданные режимы работы холодильной машины;

высокая энергетическая эффективность в широком диапазоне изменения параметров работы компрессоров – перепада и степени повышения давлений, а также производительности;

возможность полной автоматизации работы компрессоры и надёжная эксплуатация его без обслуживающего персонала;

высокая степень герметизации;

низкие скорости движения пара в клапанах и трактах компрессоров, работающих с холодильными агентами;

технологичность конструкции, высокая степень унификации деталей и узлов компрессора, доступность материалов для их изготовления, малая материалоёмкость;

низкий уровень шума и вибрации.

Выбор того или иного типа компрессора зависит от условий работы, требуемой холодопроизводительности и свойств холодильного агента. Научно обоснованный выбор производится только на основе технико-экономического расчёта.

В справочной литературе по холодильной технике даются достаточно подробные рекомендации по этим вопросам.

Теоретический объёмный компрессор. Рабочие процессы, происходящие в теоретических объёмных компрессорах в сущности своей одинаковы. Наиболее наглядно они могут быть проанализированы на примере поршневого компрессора. Основными элементами поршневого компрессора являются: цилиндр, поршень, всасывающий и нагнетательный клапаны.

Возвратно–поступательное движение поршня в сочетании с работой клапанной группы обеспечивает протекание следующих рабочих процессов: всасывания, сжатия и нагнетания. Совокупность этих процессов составляет рабочий цикл компрессора, повторяющийся при каждом обороте коленчатого вала. Рабочий цикл компрессора не является термодинамическим круговым циклом, так как процессы всасывания и нагнетания проходят с переменной массой рабочего вещества, и только процесс сжатия может быть описан уравнениями термодинамики постоянной массы.

Рабочие процессы компрессора удобно рассматривать в так называемой индикаторной диаграмме, показывающей зависимость давления сжимаемой среды от переменной величины её объёма в цилиндре или, что тоже самое, от хода поршня. Индикаторная диаграмма теоретического компрессора 1 – 2 – 3 – 4 показана на рис. 2.

V_д= V_h

Рисунок 2. Теоретический процесс работы компрессора в P–V координатах

V_д – действительный объем;

V_h – объем, описываемый поршнями компрессора.

Процессы: а-1 – всасывание паров хладагента при постоянном давлении; 1-2 – адиабатное сжатие; 2-б – выталкивание паров при давлении Р_к = const..

При движении поршня слева направо происходит процесс всасывания а – 1 при полностью открытом всасывающем клапане. В точке 1, соответствующей правому мёртвому положению поршня, всасывающий клапан закрывается и при обратном движении поршня происходит процесс сжатия пара 1 – 2. В точке 2 открывается нагнетательный клапан и осуществляется процесс нагнетания 2 – б, в конце которого нагнетательный клапан закрывается.

При анализе рабочих процессов условились считать работу, подводимую к сжимаемой среде, положительной, а возвращаемую ею – отрицательной. С учётом этого работу компрессора , затрачиваемую на сжатие пара от давления p₀ до давления p_к можно представить как алгебраическую сумму трёх работ: всасывания, сжатия и нагнетания.

Из этого выражения следует два важных вывода:

1. работа компрессора в общем случае не равна работе сжатия;

2. работа компрессора при прочих равных условиях определяется характером термодинамического процесса сжатия.

Работу в механическом процессе всасывания а – 1 можно представить как произведение силы pF (F – площадь поршня) на соответствующий ход поршня S, т.е.

L_в=p₀FS.

Произведение FS - есть объём цилиндра, поэтому:

L_в=p₀ V₁.

Аналогично для работы нагнетания можно написать:

L_в=p_к V₂.

Для определения работы сжатия в процессе 1 – 2 выделим элементарный процесс и запишем для него работу как произведение - pdV. Знак минус обусловлен тем, что в процессе 1 – 2 объём сжимаемого пара уменьшается. Работа сжатия равна сумме работ элементарных процессов:

Работа компрессора:

Р абота сжатия и работа компрессора получены для пара или для пара при давлении р₀. Для 1кг пара будем иметь:

С другой стороны, при отводе теплоты работа компрессора может быть найдена из уравнения первого начала термодинамики в дифференциальной форме:

откуда:

Подставив , окончательно получим:

.

Уравнение имеет важное теоретическое и практическое значение, так как оно, во-первых, позволяет определить работу любого типа компрессора при любых термодинамических процессах сжатия, во-вторых, оно справедливо для сжимаемых сред, подчиняющихся законам как идеальных, так и реальных газов.

Действительный поршневой компрессор.

Отличие рабочих процессов компрессора от теоретических. В реальном компрессоре действует ряд конструктивных и функциональных факторов, приводящих в конечном итоге к снижению производительности и экономичности действительного компрессора по сравнению с теоретическим. Рассмотрим основные из этих факторов:

1. Наличие мертвого пространства. В действительном компрессоре объем цилиндра больше объёма, описанного поршнями за один ход, на величину так называемого мертвого пространства, т.е. на величину того объема, откуда пар не может быть вытеснен при достижении поршня мертвой точки в процессе нагнетания. Различают линейное и объемное мертвое пространство. Линейное мертвое пространство — это зазор (мм) между днищем поршня в верхней точке и клапанной плитой. Этот зазор предусматривается для компенсации температурного расширения деталей компрессора в процессе его работы. Объемное мертвое пространство складывается из следую объемов: 1) части объема цилиндра высотой, равной мертвому пространству; 2) кольцевого объема между стенками поршня и высотой равной расстоянию от днища поршня до первого уплотнительного кольца; 3) объема в каналах клапанов, обращенных с одной стороны в цилиндр и ограниченных с другой стороны запорными органами в закрытом состоянии.

При обратном движении поршня процесс всасывания начинается только после того, как сжатый пар, оставшийся в мертвом пространстве, расширятся и понизит свое давление до давления всасывания. Этот процесс происходит на некоторой части хода поршня и называется процессом обратного расширения. Таким образом, наличие мертвого пространства уменьшает объемную производительность действительного компрессора.

2. Гидравлические потери. Во всасывающем и нагнетательном трактах, включая клапаны, имеет место потери давления пара, что приводит к снижению объемных и энергетических коэффициент компрессора.

З. Подогрев пара. На участке от всасывающего патрубка до цилиндра компрессора происходит повышение температуры поступающего пара и, как следствие, уменьшение массовой производительности.

4. Теплообмен в цилиндре. В процессах сжатия и обратного расширения между паром и стенками цилиндра и поршня имеет место теплообмен различной направленности и интенсивности. В результате этого показатели политроп в этих процессах имеют переменные значения, а эффективность работы компрессора снижается.

5. Пульсации давлений. Поршневой компрессор является машиной периодического действия, поэтому во всасывающей и нагнетательной полостях давление меняется с определённой частотой и амплитудой. Это явление называется пульсацией давлений. Оно увеличивает мощность привода компрессора, но в некоторых случаях повышает действительную производительность по сравнению с теоретической.

6. Перетечки. В процессе работы компрессора имеют место перетечки пара через различные конструктивные зазоры: в разъемах поршневых колец; в зазорах между поршнем и поршневыми кольцами стенками; через неплотности в клапанах и др.

7. Трение. Часть энергия привода действительного компрессора расходуется на преодоление трения в механических парах.

Влияние большей части перечисленных факторов отражается на действительной индикаторной диаграмме, которая позволяет провести качественный анализ действительных рабочих процессов.

Д ействительные рабочие процессы существенно отличаются от теоретических. Это наглядно показывает сравнение индикаторных диаграмм теоретического и действительного компрессоров.

Рисунок 3. Действительная индикаторная диаграмма поршневого компрессора

Процесс всасывания 4^/ - 1^/ проходит при переменном давлении более низком, чем давление во всасывающем патрубке р_в=р₁. Точки 4^/ и 1^/ соответствуют началу открытия и полному закрытию всасывающего клапана. Разность давлений во всасывающем патрубке и в цилиндре в процессе 4^/ - 1^/ вызвана сопротивлением движению пара на пути между ними, а переменная величина этой разности обусловлена двумя обстоятельствами: во-первых, изменением степени открытия всасывающего клапана; во-вторых, изменением скорости пара в нем из-за переменой скорости поршня. Разность давлений в патрубке р_в и в начале сжатия р^/_в называется депрессией на всасывании: Δр_в.

А налогичная картина наблюдается в процессе нагнетания 2^/ - 3^/. Здесь моменту открытия нагнетательного клапана соответствует точка 2^/. Из-за малого проходного сечения щели давление продолжает возрастать и после начала открытия клапана. После достижения максимума давление перед клапаном падает. Но в конце нагнетания продолжает еще оставаться выше, чем давление в нагнетательном патрубке. Разность конечного давления р^/_н в точке 3^/ и давления р₂ = р_н называется депрессией на нагнетании.

Действительная индикаторная диаграмма отражает также техническое состояние важных узлов и деталей компрессора. Например, нормально работающие клапаны должны закрываться в мертвых точках. При запаздывании закрытия обоих клапанов (например, из-за слабых пружин) начальные участки линий сжатия и обратного расширения будут близки к горизонтальным. При излишне сильных пружинах клапанов последние закрываются преждевременно: сжатие будет начинаться при пониженном, а обратное расширение – при повышенном давлениях.

Реальные факторы, в том числе и техническое состояние некоторых узлов и деталей, приводят, как отмечалось, к снижению эффективности работы компрессора. Определение действительных значений производительности и мощности необходимо как при разработке новых, так и при переводе существующих конструкций компрессоров с одного режима работы на другой.

П роизводительность. Количественным показателем уменьшения действительной производительности по сравнению с теоретическим объёмом, описанным поршнем , служит коэффициент подачи λ:

Разделив обе части этого равенства на удельный объём пара при давлении и температуре во всасывающем патрубке v₁, для действительной массовой производительности получим:

М_д=λМ_т.

Для удобства анализа и расчета коэффициент подачи условно определяют в виде произведения отдельных сомножителей, каждый из которых оценивает уменьшение производительности от действия соответствующего фактора:

Объемный коэффициент λ_с и коэффициент дросселирования λ_др могут быть определены по индикаторной диаграмме, поэтому их произведение λ_і= λ_с λ_др называют индикаторным объемным коэффициентом. Коэффициент подогрева λ_ω и плотности λ_пл не могут быть определены по индикаторной диаграмме, поэтому их иногда называют коэффициентами скрытых потерь.

Схемы поршневых компрессоров.

По конструктивному исполнению поршневые компрессоры делят на крейцкопфные и бескрейцкопфные с различным расположением осей цилиндров. Крейцкопфными проектируют поршневые компрессоры при мощности привода более 50 кВт, а также при сжатии взрывоопасных и токсичных газов.

Холодильные поршневые компрессоры в зависимости от холодопроизводительности Q_o проектируют в различных конструктивных исполнениях. Малые поршневые компрессоры (Q_o<12кВт) проектируют бескрейцкопфными бессальниковыми со встроенным электроприводом и частотой вращения для стационарных машин 24 с^-1 и для транспортных 50с^-1. При проектировании холодильных поршневых компрессоров средней производительности (Q_o=12…120кВт) предпочтение отдают также бескрейцкопфным непрямоточным поршневым компрессорам, в основном со встроенным электроприводом и частотой враще­ния 24с^-1. Крупные поршневые компрессоры (Qo>120кВт) проектируют как крейц­копфными непрямоточными с цилиндрами двойного действия (Q_о>600 кВт), так и бескрейцкопфными прямоточными и непря­моточными, с цилиндрами простого действия (Q_o>500кВт), с внешним электроприводом и частотой вращения от 8,33 до 24с^-1. В последнее время предпочтение отдают непрямоточным конструкциям, имеющим лучшую уравновешенность и мень­шие габариты. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна принимают в диапазоне 0,18…0,22.

Рисунок 4. Кинематические схемы поршневых компрессоров: а- вертикального; б – V-образного; в – W – образного; г и е – оппозитного; д –углового;

При выборе схемы поршневого компрессора необходимо учитывать его назначение, физические свойства сжимаемого газа, производительность, начальное и конечное давление. От выбора схемы зависит величина утечек газа, износ поршней и цилиндров, размеры маховика и в большой мере экономичность, габариты и масса машины. При выборе схемы для компрессоров производительностью менее 1,0 м³/мин предпочтение следует отдавать конструкциям, обеспе­чивающим простоту монтажа и эксплуатации. Для компрессо­ров большей производительности предпочтение отдают схемам с большей надежностью и экономичностью.

Холодильные компрессоры проектируют V, W-образными и вертикальными. При большой холодопроизводительности ис­пользуют оппозитное исполнение.

Проектирование газовых поршневых компрессоров в конструкторских организациях, в целях сокращения сроков освоения, повышения качества и сни­жения трудоемкости изготовления проводится на основе норма­лизованных баз. Основной характеристикой всех рядов нормализованной базы является номинальная поршневая сила давле­ния газов. Параметрами базы являются также ход поршня S, частота вра­щения n, средняя скорость поршня и габаритные размеры.

Лекция 3.