4. КОМПРЕССОРЫ

Компрессоры предназначены для сжатия и перемещения газа или пара. По принципу действия компрессоры делятся на два класса:

1. Компрессоры объемного действия. Рабочие органы этого клас-

Сса засасывают определенный объем рабочего вещества, сжимают его благодаря уменьшению замкнутого объема и затем перемещают (нагнетают) в камеру нагнетания. Это машины дискретного действия, рабочие процессы в которых совершаются строго последовательно, повторяясь ц кл чески. Объемные компрессоры условно можно такжеприназвать маш нами статического действия, поскольку перемещение рабочего вещества в процессе сжатия в них совершается сравнительно медленно.

образуется бв потенц альную. Плотность в потоке рабочего вещества постепенно повышается от входа в машину к выходу. Это машины непрерывного действияА.

2. Компрессоры д намического действия. В данных машинах рабочее вещество непрерывно перемещается («течет») через проточ-

ную часть компрессора, этом кинетическая энергия потока пре-

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

– поршневые, винтовые, пластинчатые ротационные, ротационные с катящимся поршнем и многие другие, основанные на объемном

принципе действия;

– лопаточные компрессорные машины, к которым относятся радиальные (центробежные), осевые и вихревые, основанные на динами-

4.1. ПоршневыеДкомпрессоры

Поршневой компрессор – объемная машина, у которой всасывание, сжатие и вытеснение газа производятся поршнем, перемещающимся в цилиндре.

На рис. 4.1 представлена схема поршневого компрессора простого действия. В цилиндре 1 расположен поршень 2, который под действием кривошипного механизма совершает возвратно-поступательное движение. На крышке 12 цилиндра расположены всасывающий 7 и нагнетательный 10 клапаны, которые составляют механизм распреде-

82

ления, регулирующий поступление газа в цилиндр и подачу его из цилиндра в нагнетательный трубопровод.

При движении поршня вверх происходит сжатие газа, находящегося в цилиндре. Когда давление газа в цилиндре превысит давление газа в нагнетательном трубопроводе, нагнетательный клапан открывается и газ «выталкивается» из цилиндра. При достижении поршнем крайнего верхнего положения процесс «выталкивания» заканчивается и нагнетательный клапан закрывается. Далее процесс всасывания и нагнетания повторяется.

Процессы всасывания и нагнетания совершаются за один оборот коленчатого вала, составляют полный цикл работы компрессора.

83

Недостатком рассмотренного компрессора является то, что полезная работа совершается только при движении поршня в одном направлении.

Более экономичной и производительной является конструкция компрессоров двойного действия (рис. 4.2). При движении поршня

башки для охлаждения задней и передней крышек цилиндра; 14 – всасывающий патрубок; 15 – всасывающие клапаны; 16 – передняя крышка цилиндра

Компрессоры простого и двойного действия могут иметь один или несколько цилиндров.

6 – сальник; 7 – шток; 8 – ползунД; 9 – шатун; 10 – кривошип коленчатого вала; 11 – коленчатый вал; 12 – станинаИ; 13, 17 и 18 – ру-

Компрессор, который имеет несколько цилиндров, работающих параллельно и выталкивающих сжатый газ в один и тот же нагнета-

тельный коллектор, называется многоцилиндровым одноступенчатым компрессором.

Если в компрессоре несколько цилиндров работают последовательно, т.е. сжатый воздух из одного цилиндра поступает для даль-

84

случае, как только начинается движение поршня вправо, происходит мгновенное снижение давления. При достижении значения давления Р1 открывается впускной клапан К1 (процесс 3-4). При перемещении поршня вправо происходит всасывание газа (процесс 4-1). Получен-

ная диаграмма называется теоретической индикаторной диаграммой работы поршневого компрессора.

Процесс всасывания и нагнетания происходит при постоянном давлен , а в процессе сжатия изменяются давление и объем. Объем газа, засасываемого компрессором, соответствует объему, описываемому поршнем.

В том случаеб, когда теплота нагретого от сжатия газа отбирается, можно создать услов я, при которых газ будет сжиматься при постоянной температуре. Этот процесс сжатия называется изотермическим. Уравнение изотермического процесса имеет вид

где k – показатель ад а аты.

р V = const.

Если считать, что линия 1-2 на Р-V-диаграмме (см. рис. 4.3) соответствует политропному процессу сжатия, то линия 1-2' – отражает изотермический, а линия 1-2" – адиабатный процессы.

Из термодинамики известно, что располагаемая работа, затрачиваемая в компрессоре на сжатие газа и его перемещение, равна произведению объема на изменение давления

L V P.

На P-V-диаграмме (см. рис. 4.3) это произведение соответствует заштрихованной площади. Так как в процессе сжатия газа давление

86

изменяется от P1 до P2, то работа, затрачиваемая на изотермическое сжатие, соответствует площади 1-2'-3-4 и может быть определена по формуле

Работа, затрачиваемая на адиабатное сжатие, соответствует площади 1-2"-3-4 может быть рассчитана по формуле

где n – среднее значение показателя политропы для процесса сжатия. Проанализируем ра оту компрессора в термодинамической диа-

площадью 1-2-а-с-1.

При адиабатном сжатии реального газа (рис. 4.5, а) работа компрессора эквивалентна площади 2-2'-в-с-2. Для идеального газа (рис. 4.5, б) работа компрессора выражается площадью 2-3'-а-с-2.

При политропном процессе сжатия, когда от сжимаемой среды теплота отводится к внешнему источнику, будет иметь место соотношение n < k и процесс сжатия отклоняется влево от адиабаты – линия 1-2' на рис. 4.6. В этом случае работа эквивалентна

87

площади 1-2'-5-а-с-1. На практике процесс сжатия с отводом теплоты имеет место в компрессорах с водяным охлаждением цилиндра.

При подводе теплоты извне n > k и процесс сжатия отклоняется вправо от адиабаты – линия 1-2 на рис. 4.6. Работа компрессора эквивалентна площади 2-5-а-с-1-2. Из последнего можно заключить, что подвод теплоты лишен практического смысла, так как кроме затраты теплоты увеличивается и работа сжатия по сравнению с адиабатным процессом.

88

для преодоления его инерции покоя (процесс 1 2).

После открытия клапана давление в рабочем пространстве компрессора выравнивается и газ выталкивается поршнем в напорный трубопровод (процесс 2–3).

Но весь газ вытолкнуть из рабочего цилиндра невозможно, так как поршень не может вплотную подойти к крышкеИ, где находятся клапаны (точка 3). Поэтому часть газа остается в цилиндре. Объем, занятый газом под давлением P2 , называется объемом «мертвого» пространства. Этот объем вреден, так как он не позволяет полностью использовать рабочее пространство компрессора, но и необходим, потому что исключает возможность удара поршня в крышку цилиндра, когда кривошипно-шатунный механизм удлиняется от нагревания или при избытке смазки. Точка 3 соответствует крайнему левому положению поршня.

При движении поршня вправо газ, находящийся в «мертвом» пространстве, должен расширяться до давления, которое ниже, чем давление во всасывающем трубопроводе (процесс 3–4). Это необходимо

89

для того, чтобы всасывающий клапан открылся. После открытия клапана давление выравнивается и всасывание газа будет происходить при постоянном давлении р1. Полученная замкнутая кривая 1-2-3-4 в P-V-диаграмме называется действительной индикаторной диаграммой.

Наличие «мертвого» объема приводит к уменьшению объема всасываемого газа, так как всасывание новой порции газа начинается не в начале обратного хода поршня, а в конце процесса расширения объема газа, оставшегося в «мертвом» объеме.

V0 + VP = V + VBC ,

где V0 – «мертвый» объем; V – объем расширяющегося газа.

Из последнего выражения имеем

VBC = VP – V + V0 ,

откуда

90

Отношение V0 / VP = a называется относительным «мертвым» объемом. Для большей части современных компрессоров a = 3 5%, а в специальных конструкциях компрессоров оно может быть уменьшено до 1,5 2%.

При адиабатном процессе сжатия газа в компрессоре связь между объемом и давлением имеет вид

Отношен е P2 / P1 = называется степенью сжатия газа в компрессоре. Так м о разом,

циент подачиб0 тем ольше, чем меньше степень сжатия. Действительно, согласно рис. 4.8, при уменьшении = P2' / P1 сжатие оканчивается в точке 2', а выталкивание газа из компрессора – в точке 3'. По-

1 a 1/ k 1 .

Анал з последнего выражения показывает, что объемный коэффи-

сле расширения газа, занимающего «мертвый» объем, всасывание начнется в точке 4'. Очевидно, что VBС' > VBС.

1.При всасывании газ, проходя в соприкосновениеИс нагретыми поверхностями клапанов, стенок цилиндра и поршня, нагревается и, как следствие, расширяется.

2.При работе компрессора наблюдаются утечки газа через неплотности в клапанах, сальниках, между поршневыми кольцами и внутренней поверхностью цилиндра, в разъемах поршневых колец.

3.Во всасывающем и нагнетательном трактах, включая клапаны,

имеют место потери давления газа, что приводит к снижению объемных и энергетических коэффициентов компрессора.1 a 1/ k 1 V .V V

91

4. В процессах сжатия и обратного расширения между газом и стенками цилиндра и поршня имеет место теплообмен различной направленности и интенсивности. В результате этого коэффициент политропы имеет переменные значения, а эффективность работы ком-

прессора снижается.

Спрессора вл яет на действительную производительность компрессора.

Поршневой компрессор является машиной периодического действия, поэтому во всасывающей и нагнетательной полостях давление меняется с определенной частотой и амплитудой. Это явление, называемое пульсац ей давлений, увеличивает мощность привода ком-

множителей объемный, каждый з которых оценивает уменьшение производи-

Показателем уменьшения действительной производительности по сравнен ю с теорет ческим о ъемом, описанным поршнем, служит

коэфф ц ент подачи . Для удо ства анализа и расчета коэффициент

подачи условно представляют в виде произведения отдельных со-

тельности от действ я соответствующего фактора.

= О ДР Т ПЛ ,

где о – коэффициент подачи, учитывающий наличие

«мертвого» пространства; ДР – коэффициент дросселирования, учи-

тывающий потери давления газа при его течении по тракту компрес-

эффициент плотности, учитывающий утечки газа через различные неплотности.

ставляющих от степени сжатия.

На рис. 4.9 приведены зависимостиДкоэффициента подачи и его со-

Производительность (подача) компрессора. Теоретическая объ-

емная производительность, м3/с, поршневого компрессора простого

где D – диаметр поршня, м; S – ход поршня, м; n – частота вращения коленчатого вала, с-1; i – число цилиндров.

Действительная производительность

VД ' VT '.

92

93

При известных lК и GT мощность теоретического компрессора

Многоступенчатое сжатие. В компрессорах процесс сжатия происходит в течение очень короткого промежутка времени, в большинстве случаев его можно считать адиабатным. Основываясь на этом

Таким образом, t2 = Т2 – 273 = 160,6 0С.

94

Так как компрессорные смазочные масла легко воспламеняются, то большая степень сжатия является опасной. Поэтому во избежание чрезмерного нагрева воздуха в компрессоре процесс сжатия разбивается на ряд ступеней. При этом в первой ступени сжимают газ от P1

газа в холодильнике температура его уменьшается, точка 2 переместится на исходную изотерму (точка 2'). Сжатие газа во второй ступени

происходит по адиабате 2'-3 от P до P . В холодильнике между вто-

2 3 И

рой и третьей ступенями газ охлаждается до начальной температуры (линия 3-3') и выталкивается в третью ступень, где происходит аналогичное адиабатное сжатие от P3 до P4 (линия 3'-4'). иаграмма такого трехступенчатого сжатия определяется фигурой, ограниченной линиями 1-2-2'-3-3'-4'-4"-1'-1. Сравнивая диаграммы одноступенчатого и трехступенчатого сжатия, можно отметить, что уменьшение работы сжатия в последнем случае характеризуется заштрихованной площадью.

Таким образом, многоступенчатое повышение давления является менее энергоемким.

95