3. Системи стислого повітря.

Компресорами називають машини, призначені для під­вищення тиску газів. Компресорна установка включає ком­пресор, механізм привода та допоміжне обладнання.

За принципом дії компресори поділяють на об'ємні та лопатеві. В об'ємних компресорах підвищення тиску газу відбувається шляхом зміни об'єму робочого простору ма­шини, а саме, періодичною зміною геометричних розмірів зони, яку займає газ. Компресори об'ємного типу бувають поршневими, гвинтовими, мембранними, роторно-пластин­частими та ін.

У поршневому компресорі стискання газу відбувається за рахунок зворотно-поступального руху поршня в цилінд­рі. У гвинтовому — за рахунок зміни об'єму робочих камер, утворених обертовими гвинтовими поверхнями рото­рів та нерухомими гвинтовими поверхнями корпусу ком­пресора. У мембранному — за рахунок зворотно-посту­пального коливального руху пружної мембрани. У ротор­но-пластинчастому компресорі стискання газу відбуваєть­ся при зміні об'єму робочих камер, утворених внутрішньою циліндричною поверхнею статора, зовнішньою циліндрич­ною поверхнею ротора, що ексцентрично обертається в статорі та радіальними пластинами, що переміщуються в пазах ротора під дією відцентрових сил.

Лопатеві компресори — це машини динамічної дії. В них стискання газу відбувається в результаті взаємодії з обертальною і нерухомою решітками лопатей. Характер­ною особливістю лопатевих компресорів є відсутність пуль­сацій тиску в нагнітальному патрубку. Лопатеві компресо­ри поділяють на радіальні, радіально-осьові та осьові.

У відцентровому компресорі стискання газу відбува­ється при його переміщенні від центра до периферії в ре­зультаті безперервної взаємодії з обертальною та нерухо­мою решітками компресора. В осьовому процес стискання газу відбувається аналогічно тільки при переміщенні газу, практично, паралельно осі обертання ротора.

За призначенням компресори класифікують залежно від галузей їх застосування (енергетичні, хімічні, загального призначення та ін.).

Залежно від роду стискуваного газу бувають повітряні, кисневі, хлорні та ін.

За безпосереднім використанням — пускові, гальмівні та ін. За кінцевим тиском розрізняють: вакуум-компресо­ри — машини, що відсмоктують газ з вакуумованого про­стору; компресори низького тиску — машини, що стиска­ють газ до тиску 0,15...1,2 МПа; середнього— 1,2...10 МПа; високого—10...10 МПа; надвисокого — більше 100 МПа. За подачею компресори поділяють на: компресори малої подачі —до 0,015 м³/с; середньої — 0,015... 1,5 м³/с; вели­кої — більше 1,5 м³/с.

За способом відведення теплоти компресори поділяють на компресори рідинного та компресори повітряного охо­лодження.

Залежно від типу приводного двигуна — з приводом від електродвигуна, двигуна внутрішнього згоряння, газової турбіни.

Застосування електродвигуна, вал якого є також валом компресора (моноблок), забезпечує зменшення габарит­них розмірів компресорної установки.

Поршневі компресори

У сільськогосподарському виробництві найширше за­стосовують поршневі компресори. їх розрізняють за кон­структивним виконанням, схемами та компонуванням.

Залежно від призначення, подачі, тиску поршневі ком­пресори можуть мати різні конструктивні вирішення, що різняться кількістю циліндрів та їх рядів, кількістю сту­пенів. Вони можуть бути одно- та двобічної дії. їх вико­нують крейцкопфними та безкрейцкопфними. У перших поршень виконує зворотно-поступальний рух за допомогою механізму, що складається з шатуна, крейцкопфа та што­ка поршня. Шатун передає рух від кривошипа колінчастого вала крейцкопфу (повзуну), котрий переміщається в пря­мокутних напрямних. Крейцкопф шарнірно зв'язаний з ша­туном та жорстко зі штоком, з'єднаним з поршнем. У безкрейцкопфних компресорах рух від колінчастого вала передається поршню безпосередньо шатуном. Безкрейцкопфні схеми застосовують для компресорів невеликої потужно­сті (до 100 кВт).

Компресор, в якому кілька циліндрів працюють пара­лельно, подаючи стиснутий газ в один спільний нагніталь­ний колектор, називають багатоциліндровим одноступінчастим. Якщо в компресорі кілька циліндрів працюють по­слідовно, а значить, стиснуте повітря з одного циліндра надходить для подальшого стискування в наступний ци­ліндр, то такий компресор називають багатоступінчастим.

За розміщенням циліндрів компресори поділяють на вертикальні, горизонтальні та кутові. До кутових відно­сять компресори з вертикально-горизонтальним та похи­лим розміщенням циліндрів. Можливі наступні конструк­тивні вирішення кутових компресорів: V-, IІІ-подібні, вія­ло- та зіркоподібні.

Залежно від об'ємної витрати повітря на всмоктуваль­ній лінії поршневі компресори класифікують на: мікрокомпресори — до 0,6 м³/хв; малої — 0,6...6 м³/хв та великої продуктивності — більше 6 м³/хв.

Розглянемо роботу вертикального одноступінчастого компресора однобічної дії (рис. 12.1, а). У циліндрі 7 ком­пресора поршень 8 за допомогою кривошипно-шатунного механізму здійснює зворотно-поступальний рух. Відкрит­ій та закриття всмоктувального 2 та нагнітального 4 клапанів відбувається під дією різниці тисків. При руху поршня від ВМТ до НМТ в циліндрі створюється розрі­дження, яке й зумовлює відкриття всмоктувального кла­пана і засмоктування газу в циліндр. У процесі всмокту­вання нагнітальний клапан закритий. Коли поршень до­сягає НМТ, тиски в циліндрі та у всмоктувальному пат­рубку зрівнюються і під дією пружини всмоктувальний клапан закривається. Наступний рух поршня від НМТ до ВМТ викликає стискання газу в циліндрі і коли сила тис­ку газу на нагнітальний клапан перевищить силу натиску пружини нагнітального клапану і силу тиску на нагніталь­ний клапан газу, що знаходиться в нагнітальному патруб­ку, нагнітальний клапан відкриється і стиснутий у цилінд­рі газ почне виштовхуватись поршнем у нагнітальний патрубок. При досягненні поршнем ВМТ процес нагнітан­ня завершиться і нагнітальний клапан закриється. Об'єм робочої порожнини циліндра в цей момент буде мінімаль­ним і носить назву мертвого об'єму V₀. Газ, що знаходить­ся в мертвому об'ємі при тиску нагнітання в процесі руху поршня від ВМТ до НМТ буде спочатку розширюватись при закритому всмоктувальному клапані і займе на момент відкриття всмоктувального клапана якусь частку робочого об'єму циліндра. Зазначений процес розширення газу, що залишився в мертвому об'ємі,

називають процесом зворот­ного розширення.

Рис. 4. Конструктивні схеми поршневих ком­пресорів:

а — безкрейцкопфний однобічної дії; б — крейцкопфний двобічної дії; 1 — всмоктувальний клапан; 2 — всмоктувальний патрубок; 3 — нагнітальний па­трубок; 4 — нагнітальний клапан; 5 — сорочка охо­лодження кришки циліндра; 6 — кришка циліндра; 7 — циліндр; 8 — поршень; 9 — сорочка охоло­дження циліндра; 10 — шатун; 11 — колінвал; 12 — станина картера; 13 — нагнітальний патрубок; 14 — шток; 15 — напрямні крейцкопфа; 16 — крейцкопф

У подальшому процеси всмоктування, стискання і на­гнітання циклічно повторюються за період повного обер­тання колінчастого валу компресора.

У поршневих компресорах двобічної дії (рис. 8.1,6) робочий процес протікає одночасно в обох робочих порож­нинах циліндра. Коли поршень 8 в циліндрі 7 рухається в правий бік, то в лівій порожнині циліндра створюється розрідження і цей рух слід оцінювати як рух до НМТ. Одночасно з всмоктуванням газу в ліву порожнину в пра­вій порожнині відбувається стискання газу і його нагні­тання. Тобто, зазначений рух поршня відносно об'єму пра­вої порожнини циліндра слід розглядати як рух до ВМТ.

У багатоступінчастому поршневому компресорі стис­кання відбувається багаторазово (за числом ступенів стискування) у послідовно з'єднаних циліндрах. Між цилінд­рами потік газу охолоджується в охолоджувачах. Тим са­мим процес стискання газу в багатоступінчастому компре­сорі наближається до ізотермічного процесу стискання, що обумовлює зменшення витрат потужності компресора на стискання.

Основні показники роботи компресора

Теоретичний процес ступені компресора розглядається в курсі «Технічна термодинаміка». Реальний процес відріз­няється від теоретичного тим, що враховує: наявність мерт­вого об'єму; втрати енергії при всмоктуванні та нагнітанні і несталість тиску в цих процесах; витікання газу через не­щільності в клапанах та через поршневі ущільнювачі; теп­лообмін між газом і поверхнями, що утворюють робочий об'єм циліндру; тривалість спрацьовування впускного та нагнітального клапанів; механічне тертя в спряженні поршень-циліндр та ін.

З метою визначення основних показників роботи ком­пресора розглянемо індикаторну діаграму, що являє собою графічну залежність тиску газу в циліндрі від переміщення поршня протягом одного оберту колінчастого вала.

Справжня (реальна) індикаторна діаграма ступені пор­шневого компресора зображена на рис. 5. Процеси всмок­тування d'a та нагнітання be протікають при змінній кіль­кості газу в циліндрі і при змінних тиску і температурі. Змінний тиск газу в робочій порожнині циліндра зумовле­ний змінним гідравлічним опором у клапанах і несталістю швидкості руху поршня в циліндрі. Несталість гідравліч­ного опору всмоктуваль­ного і нагнітального кла­панів зумовлена, голов­ним чином, зміною площі прохідного перерізу впуск­ного і випускного клапа­нів при їх відкриванні та закриванні.

Рис. 5. Дійсна інвекторна ді­аграма ступеня поршневого компресора

Температура газу в ро­бочій порожнині циліндра під час всмоктування зростає за рахунок передачі тепла від гарячих поверхонь поршня, циліндра та кришки циліндра. Тому температура Т_а і тиск Р_а газу в циліндрі в кінці пе­ріоду всмоктування відрізняються від температури Т_bс і тиску газу Р_bс перед всмоктувальним патрубком компре­сора.

Процес стискання газу починається в точці а і закінчу­ється в точці Ь, коли починає відкриватися нагнітальний клапан. Тиск газу в точці Ь більший за тиск нагнітання Р_н на величину втрат при перетіканні газу через нагнітальний клапан. У початковій фазі стискання газу його температура менша за температуру стінок робочої порожнини циліндра і тому процес стискання супроводжується підведенням теп­лоти до газу, тобто показник процесу політропи п менший за показник адіабати k (n<k). При подальшому стисканні газу його температура стає більшою температури стінок робочої порожнини циліндра і процес стискання супрово­джується відведенням теплоти від газу (n>k).

Зворотне розширення газу (процес cd) спочатку відбу­вається з відведенням теплоти від газу (n>k), а потім з підведенням теплоти до газу (n<k).

Зазначені особливості роботи справжнього компресора зумовлюють зменшення подачі і збільшення затрат енергії на стискання та переміщення газу в порівнянні з ідеальним компресором.

Робочий об'єм V_h ступені поршневого компресора визна­чається об'ємом, який описує поршень за один хід S.

Для ступені однобічної дії:

V_h = πD²S/4.

Для ступені двобічної дії:

V„= [ (2D²-d )S]/4,

де d_шт — діаметр штока крейцкопфного механізму.