1.7. Компрессорные машины

Компрессорные машины используют внешний источник энергии и предназначены для сжатия газа. По принципу действия разделяют­ся на объемные и лопаточные.

В зависимости от величины требующегося конечного давления га­за процесс сжатия может быть однократным и многократным. В первом-случае сжатие называется одноступенчатым, во втором — многоступенчатым.

Компрессорные машины всех типов широко используются на же­лезнодорожном транспорте для весьма различных целей. Классифи­кация названных машин основывается на величине степени повыше­ния давления , представляющей собой отношение давления Р₂ в конце сжатия к начальному давлению Р₁._.

На локомотивах вентиляторы используются для охлаждения тя­говых двигателей, водяных и масляных холодильников; воздуходув­ка служит для наддува двигателя внутреннего сгорания; компрессор подает сжатый воздух в тормозную систему, а также для привода в дей­ствие некоторых механизмов на локомотивах и строительных путевых машинах.

Важной характеристикой компрессора является затрата энергии на его привод при данной производительности.

Под производительностью понимают количество га­за, нагнетаемого компрессором в единицу времени.

Производительность, выраженная в кубических метрах, называется объемной, в килограммах — массовой.

Расход энергии, т. е. экономичность и производительность в зна­чительной степени определяются характером процессов, проходящих в рабочих органах компрессорной машины, в результате которых по­лучается сжатый газ. Поэтому важно установить условия, при которых затрачивается наименьшая работа на сжатие газа и достигается наибольшая производительность при данных размерах компрес­сора.

Мощность, расходуемая компрессором, и его производительность.

Подсчет затрачиваемой работы (технической) производится по од­ной из следующих формул:

– изотермическое сжатие или

– адиабатическое сжатие

или

где: и — энтальпия воздуха в начале и конце сжатия;

–политропическое сжатие

Вследствие необратимости процессов и отступления реального про­цесса сжатия от изотермического или адиабатического действительная работа больше теоретической.

Отношение к называется изотермическим к.п.д. , показывающим степень приближения действительных процессов в компрессоре к теоретическим при изотермическом сжатии.

Для характеристики компрессоров, работающих с незначительным охлаждением, пользуются адиабатическим к.п.д. , представляю­щим отношение к . Величина адиабатического к.п.д. определяет­ся только необратимостью процессов и равна приблизительно 0,85.

Для 1 кг сжимаемого воздуха часовая объемная производитель­ность м³/ч, поэтому затрачиваемая теоретическая мощность N будет равна: изотермическое сжатие

, кВт (56)

адиабатическое сжатие

, кВт (57)

Отношение теоретической мощности N к действительной индикатор­ной мощности N_h затрачиваемой компрессором, называется отно­сительным индикаторным, или относитель­ным внутренним, к. п. д. компрессора. В качестве теорети­ческой принимается мощность изотермического или адиабатического сжатия. В первом случае получается внутренний изотермический η_iиз, во втором — внутренний адиабатический η_iад к. п. д. компрессо­ра; следовательно,

и

Для сравнительной технико-экономической оценки компрессоров может быть использована величина расхода мощности на подачу 1 м³ в 1 ч сжатого воздуха. Для локомотивных компрессоров при сжа­тии воздуха до Р₂ = 9МПа абсолютный расход мощности на при­вод компрессора составляет по опытам 0,14—0,17 кВт/(м³ ·ч).

Стационарные одно- и двухступенчатые компрессоры имеют интен­сивное водяное охлаждение цилиндров и промежуточных холодильни­ков, снижающее работу на сжатие. Поэтому удельный расход мощности у таких компрессоров при Р₂ = 0,9МПа около 0,12 кВт/(м³ ·ч).

Локомотивные компрессоры имеют η_n = 0,74–0,75, у стационар­ных компрессоров η_п ≈ (0,9 – 0,98) η_v.

Производительность компрессора V при условиях всасывания рав­няется

V = V_h ·n·z· η_п ·60 м³/ч,

Где: п — частота вращения вала компрессора;

z — число всасывающих ходов поршня за один оборот вала (для локомотивных компрессоров — число цилиндров первой сту­пени).

Приведенная формула позволяет определить основные размеры компрессора по заданной его производительности. Подставляя

получим V_h=0,785·D² ·30с_m ·60· η_п, отсюда диаметр цилиндра

Задача 1. Определить индикаторный к.п.д. шестицилиндрового двухтактного дизельного двигателя, если среднее эффективное давление р_е=6,36ּ10⁵ Па, низшая теплота сгорания топлива =45 000 кДж/кг, степень сжатия ε=16, объем камеры сгорания V_с =7,8ּ10^-4 м³, частота вращения коленчатого вала n=2100 об/мин, расход топлива B=1,03ּ10^-2 кг/с и мощность механических потерь N_м=29,8 кВт.

Ответ: η_i =0,43;

Задача 2. Определить индикаторный и эффективный к.п.д. четырехцилиндрового четырехтактного дизельного двигателя, если степень сжатия ε=17, полный объем цилиндра V_a =11,9ּ10^-4 м³, угловая скорость вращения коленчатого вала ω=157 рад/с, низшая теплота сгорания топлива =42 600 кДж/кг, расход топлива В=2,2ּ10^-3 и механический к.п.д. η_i =0,81. Индицированием двигателя получена индикаторная диаграмма полезной площадью F=1,9ּ10^-3 м², длиной l=0,19 м, при масштабе давлений m=0,72 ּ10⁸ Па/м.

Ответ: η_i =0,43; η_e =0,35;

Задача 3. Определить расход топлива для восьмицилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя, если среднее эффективное давление р_е=7ּ10⁵ Па, полный объем цилиндра V_a =7,9ּ10^-4 м³, объем камеры сгорания V_c =7,0ּ10^-5 м³, частота вращения коленчатого вала n=53 об/с, низшая теплота сгорания топлива =46 000 кДж/кг и эффективный к.п.д. η_e =0,28

Ответ: B=8,3 ּ10^-3 кг/с.