2.3.1. Индикаторная диаграмма идеального рабочего процесса компрессора

При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения:

• отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в клапанах);

• давление и температура газа во всасывающей и нагнетательной линиях постоянны;

• давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются;

• мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует.

• нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.

Индикаторная диаграмма идеального цикла представлена на рис. 2.6. Процесс сжатия газа поршнем характеризуют кривые 1-2. При изотермическом процессе это будет кривая 1-2"', при адиабатическом 1-2", а при политропическом 1-2 или 1-2". Рассматривая политропический процесс 1-2, видим, что за этот период цикла, объем газа уменьшится с V₁ до V₂, давление изменится от Р₁ до Р₂, а температура - от Т₁ до Т₂. Далее идет нагнетание газа в трубопровод 2-3. Давление и температура газа остаются в этот период неизменными (Р₂ и Т₂). Весь объем газа V₂ переходит в нагнетательный трубопровод. За период 3-4 в цилиндре снижается давление до давления во всасывающем трубопроводе (Р₁) закрывается нагнетательный клапан и с началом движения поршня вправо открывается всасывающий клапан. Период всасывания характеризуется линией 4-1. Здесь давление и температура газа равны Р₁ и Т₁, в цилиндр поступает объем газа, равный V₁.

Рис. 2.6. Индикаторная диаграмма  идеального цикла компрессора простого действия

Работа сжатия газа от давления всасывания Р₁ до давления нагнетания Р₂ в цилиндре компрессора за время одного цикла характеризуется площадью индикаторной диаграммы, ограниченной линиями, которые соединяют точки 1-2-3-4. В случае идеального процесса, когда исключены все непроизводительные потери энергии, затрачиваемая энергия равна полезной. Таким образом, индикаторная диаграмма в этом случае дает величину затрачиваемой и полезной работы.

При изотермическом процессе газ сжимается без нагрева и выходит с меньшей температурой, чем при адиабатическом или политропическом процессах.

Поскольку компрессор предназначен только для сжатия и перемещения газа, то повышение его температуры не является полезной для нас частью работы. Поэтому изотермический процесс (без нагрева газа) более выгоден. При этом процессе на сжатие газа от давления Р₁ до давления Р₂ затрачивается меньше энергии (см. рис. 2.6, площадь 1-2"'-3-4 наименьшая).

Однако изотермический процесс трудно осуществить на практике, и компрессоры работают при политропическом или адиабатическом процессе.

Работа на сжатие единицы массы газа в компрессоре

Работа идеального цикла компрессора (Lполн) равна сумме работы сжатия газа (L₁) и работы вытеснения газа в нагнетательный трубопровод (L₂) за вычетом работы, обусловленной энергией газа, имевшейся у него уже во всасывающем трубопроводе (L₃):

Lполн = L₁ + L₂ — L₃. (2.4)

Работа сжатия газа от давления Р₁ до давления Р₂ характеризуется площадью индикаторной диаграммы, ограниченной линиями 1-2-6-7 (см. рис. 2.6). При политропическом процессе:

(2.5)

При адиабатическом процессе:

(2.6)

При изотермическом процессе:

(2.7)

Работа нагнетания (площадь 2-3-5-6):

L₂ = Р₂ · V₂. (2.8)

Работа, совершаемая газом благодаря имеющейся у него энергии (площадь 1-4-5-7):

L₃ = Р₁ · V₁  (2.9)

Тогда полная работа при политропическом процессе сжатия получится:

(2.10)

Аналогично получаем работу и при адиабатическом процессе:

(2.11)

А полная работа при изотермическом процессе сжатия получится:

или, так как в изотермическом процессе, имеем окончательно:

(2.12)

В этих формулах:

P₁ - начальное давление в Па,Р₂ - конечное давление в конце процесса сжатия,V - удельный объем газа в м3/кг,L - удельная работа в Дж/кг.

В действительном цикле работы поршневого компрессора имеются значительные отличия (рис. 2.7.).

Когда поршень перемещается из верхней мёртвой точки – давление в зоне сжатия снижается ниже давления всасывания (точка 4). Впускной клапан открывается и воздух из всасывающей области поступает в зону сжатия. Поршень в этот момент перемещается вверх и давление в зоне сжатия возрастает. Как только оно превысит давление всасывания, впускной клапан закрывается (точка 1).Давление продолжает расти до тех пор, пока не превысит давления нагнетания (точка 2). Выпускной клапан открывается, и сжатый воздух дух поступает в линию нагнетания вплоть до достижения поршнем верхней мёртвой точки.При завершающем ходе поршня вниз, давление в цилиндре очень быстро понижается и выпускной клапан снова закрывается (точка 3).

Рис. 2.7. Действительный цикл поршневого компрессора

Отличия реальной индикаторной диаграммы от идеальной.

Во-первых рабочий объем используется не на 100%, в пространствемежду поршнем и крышкой цилиндра, включая каналы до плоскости клапанов, остается газ или воздух в то время, когда поршень достигает своего крайнего положения. Это положение называют мертвым, а объем пространства, в котором задерживается газ, называется вредным пространством. Объем вредного пространства может быть измерен количеством залитой в ней воды, так как непосредственное определение вредного пространства оказывается затруднительным из-за сложности каналов. Обычно объем вредного пространства составляет от 2 до 7% рабочего объема цилиндра.

Во-вторых не представляется возможным закрывать клапаны полностью герметично, а значит будут утечки.

В-третьих, механизм клапанов обладает инертностью, а значит открытие и закрытие клапанов будет всегда запаздывать, что приводит к падению давления газа. Также отметим и тот факт, что газ при попадании в цилиндр для сжатия успевает нагреться, что также не позволяет сжимать газ по идеальной диаграмме.