Будова і принцип роботи компресора

Компресор складається із циліндра з пустотілими стінками, в яких циркулює охолоджуюча вода, зв'язаного кривошипно-шатунним механізмом з колінчатим валом, що приводиться в обертання від електродвигуна або від поршневого двигуна внутрішнього згоряння. У кришці циліндра в спеціальних коробках містяться два клапани: усмоктувальний і нагнітальний, які відкриваються автоматично під дією тиску, що змінюється, у циліндрі.

Робочий цикл компресора відбувається за один оборот вала й два ходи поршня. При русі поршня від ВМТ до НМТ відбувається усмоктування газу з навколишнього середовища. Нагнітальний клапан закритий під дією тиску газів у резервуарі, що більше атмосферного. При зворотному русі поршня від НМТ до ВМТ газ починає стискуватися, тиск його збільшується, і всмоктувальний клапан закривається. Процес стиску триває доти, доки тиск у циліндрі не стане більше тиску в резервуарі. Тоді відкривається нагнітальний клапан, і починається процес нагнітання стисненого повітря доти, доки поршень не прийде у ВМТ. Величина тиску нагнітання визначається пружиною, установленої на нагнітальному клапані. При початку наступного ходу поршня нагнітальний клапан закривається, тиск у циліндрі Р₂ миттєво падає до Р₁, відкривається всмоктувальний клапан і повторюється весь робочий процес стиску газу.

Розглянемо робочий процес в PV-координатах для ідеального одноступінчастого компресора при наступних допущеннях.

1. Геометричний об'єм циліндра компресора дорівнює робочому об'єму, тобто відсутній шкідливий простір (об'ємом шкідливого простору називається об'єм між кришкою циліндра й днищем поршня при положенні його у ВМТ).

2. Відсутні втрати роботи на тертя поршня об стінки циліндра і дроселювання в клапанах.

3. Всмоктування газу в циліндр і нагнітання його в резервуар здійснюється за постійного тиску.

Позначаємо: V_p – робочий (корисний) об'єм циліндра; P₁ – тиск навколишнього середовища; P₂ – тиск газу в резервуарі.

Процеси: 4-1 – всмоктування, 1-2 – стиск, 2-3 – нагнітання.

Очевидно, що при тому самому кінцевому тиску P₂ кінцевий об'єм V₂ буде різний залежно від характеру кривої процесу стиску 1-2, а виходить, буде різна робота, затрачувана на привід компресора.

Найбільш вигідним процесом стиску при витраті робіт для приводу компресора є ізотермічний процес 1-2' (найменша площа 012'30). Стиск по адіабаті 1-2" дає найбільшу площу 012"30 і найбільшу витрату роботи. При політропному стиску 1-2 величина витраченої роботи приймає проміжне значення.

Однак ізотермічний стиск газу в компресорі практично нездійснений, і крива зазвичай розташовується між ізотермою й адіабатою і може бути прийнята за політропу з показником n = 1,2 – 1,25. Чим інтенсивніше буде охолодження газу при стиску (найчастіше водою, що проходить через сорочку компресора), тим більше буде політропа стиску 1-2 відхилятися вбік ізотерми 1-2', тобто тим більше процес стиску буде наближатися до ізотермічного. Охолодження дає можливість стискати газ до більш високих тисків. У компресорів малої продуктивності при невеликих тисках стисненого газу стінки циліндра роблять ребристими. Ребра обдуваються повітрям, що сприяє охолодженню стінок циліндра.

Дійсна індикаторна діаграма (діаграма називається індикаторної, тому що вона записується спеціальним приладом – індикатором тиску, приєднаним до циліндра компресора) відрізняється від теоретичної насамперед наявністю втрат на дроселювання у впускному й нагнітальному клапанах. Внаслідок цього усмоктування відбувається за меншого тиску газу в циліндрі, ніж тиск середовища, з якого відбувається всмоктування, а нагнітання відбувається при тиску, більшому, ніж тиск у нагнітальному трубопроводі.

Крім того, у реальному компресорі між кришкою циліндра і поршнем у його крайньому положенні при виштовхуванні стисненого газу залишається деякий вільний об'єм, називаний шкідливим простором. Об'єм шкідливого простору зазвичай становить 3-10% робочого об'єму циліндра компресора V_p. Внаслідок наявності шкідливого простору не весь газ виштовхується з циліндра в процесі нагнітання, деяка кількість газу залишається при тиску P₂. При зворотному русі поршня частина робочого об'єму заповнюється повітрям, що розширюється з шкідливого простору. Таким чином, наявність шкідливого простору вводить в PV-діаграмі додатковий процес 3-4 - процес розширення стисненого повітря, що заповнює наприкінці нагнітання об'єм V_вр. При цьому всмоктувальний клапан відкриється лише тоді, коли тиск стисненого повітря, що заповнює об'єм V_вр, зменшиться при розширенні до тиску нижче навколишнього середовища. Всмоктування в компресор повітря починається в точці 4.

З мал. 13 видно, що наявність шкідливого простору зменшує кількість газу, що засмоктується в циліндри компресора, і зменшує його продуктивність.

Звичайно одноступінчасті компресори застосовують для одержання стисненого газу тиском не вище 0,8 - 1 МПа. При необхідності мати стиснений газ більше високого тиску використовують багатоступінчасті компресори, у яких стиск газів здійснюється послідовно в декількох циліндрах (до семи) із проміжним охолодженням після кожного циліндра в спеціальних холодильниках.

Використання проміжного охолодження газу зменшує витрати енергії на привід компресора, наближаючи робочий процес у компресорі до ізотермічного.