книги из ГПНТБ / Селиверстов В.М. Теплосиловое оборудование подъемно-транспортных машин учебник

По производительности они делятся на компрессоры малой про­ изводительности — до 10 м3/мин, средней — от 10 до 100 м3/мин и боль­ шой — от 100 м3/мин и выше.

Компрессоры малой производительности, как правило, выполня­ ются многооборотными (с частотой вращения 700 об/мин и более). Пор­ шневые компрессоры бывают с воздушным и водяным охлаждением.

В р о т а ц и о н н ы х компрессорах сжатие и нагнетание воздуха производятся равномерно вращающимся в одну сторону ротором с ло­ патками. Их применяют обычно при давлениях не выше 1,5 МН/м2 и производительностях до 50 м3/мин. Эти компрессоры имеют высокую частоту вращения и могут быть непосредственно соединены с электро­ двигателем.

Сжатие воздуха в в и н т о в о м компрессоре происходит за счет сокращения объема рабочей полости, образованной корпусом и вин­ товыми поверхностями сопряженных роторов. Такие компрессоры надежны в работе, не загрязняют смазкой воздух, обеспечивают рав­ номерную подачу.

§ 121. Действительная индикаторная диаграмма поршневого компрессора

Принцип работы и индикаторная диаграмма идеального поршне­

ное пространство Ѵ0, заключенное между крышкой цилиндра и дни­

щем поршня, находящегося в в. м. т. Вредное пространство компрес­ сора расположено главным образом в клапанах и подводящих к ним каналах. Как видно из диаграммы, при расширении воздуха, находя­ щегося во вредном пространстве, уменьшается объем всасывания (ли­ ния 3—4). Всасывание воздуха из атмосферы начинается после того, как давление воздуха в цилиндре снизится до атмосферного (точка 4).

228

Отношение объема вредного пространства Ѵ0 к объему, описываемому

Величина относительного вредного объема обычно составляет 2— 6% и сильно влияет на производительность компрессора.

2. При рассмотрении идеального компрессора принималось, что давление всасывания равно атмосферному. В действительности из-за сопротивления во всасывающей магистрали и клапанах давление в цилиндре будет меньше атмосферного на величину Аръ зависящую

главным образом от скорости воздуха при прохождении его через кла­ пан, размеров всасывающего трубопровода и сопротивления воздуш­ ного фильтра. Наибольшее разрежение в цилиндре компрессора со­ здается в момент, предшествующий открытию клапана, поскольку этот перепад давления должен преодолеть усилие пружины, вес клапана и его инерцию. Потеря давления при всасывании примерно составляет

&Рі = (0,05 -у- 0,2)рг.

3.Давление сжатия воздуха в цилиндре выше давления р 2 в на­ гнетательной магистрали на величину Ар2 из-за сопротивления кла­

пана и нагнетательного патрубка. Так же, как при всасывании, наи­ больший перепад давления Ар 2 наблюдается в начальный момент от­

крытия нагнетательного клапана в связи с преодолением силы пружи­ ны, веса и инерции пластины клапана.

На диаграмме рѴ заштрихованная площадь характеризует работу,

затраченную на преодоление сопротивлений во всасывающих и нагне­ тательных клапанах и подводящих к ним каналах.

4.При рассмотрении идеального компрессора принималось, что процесс сжатия может протекать по изотерме, адиабате или политро­ пе с постоянным показателем п.

Вдействительности в начале сжатия температура воздуха ниже температуры окружающих его стенок цилиндра. Поэтому на первой части хода поршня воздух дополнительно нагревается от стенок и про­ цесс сжатия протекает по политропе с п > k, кривая сжатия проходит

круче адиабаты.

По мере сжатия в дальнейшем температура воздуха повышается и тепло от него начинает передаваться стенкам цилиндра, в результате чего показатель политропы становится меньше показателя адиабаты Сn<Lk). Кривая сжатия в этом случае проходит более полого, чем

адиабата. Таким образом, в отличие от теоретического процесса, про­ текающего в идеальном компрессоре, показатель политропы сжатия воздуха является переменной величиной. При расчетах компрессоров процесс сжатия с переменным показателем обычно заменяют процес­ сом со средним постоянным показателем п, равным 1,2— 1,4.

5. При утечках воздуха из цилиндра вследствие неплотности при­ легания всасывающего клапана, поршневых колец или сальника кри­ вые сжатия на диаграмме располагаются более полого, а кривая расши­ рения — более круто.

22Э

В конце всасывания (точка а) давление воздуха всегда меньше ат­

мосферного из-за сопротивления во всасывающей магистрали. Поэто­ му давление рх обеспечивается лишь в точке 1, вследствие чего наблю­ дается потеря рабочего объема, равная АП" = Ѵ[ — Ѵ'[.

Отношение объемов Ѵ\ и Vj, характеризующее уменьшение

объема всасываемого воздуха из-за гидравлических потерь при всасы­ вании, называется к о э ф ф и ц и е н т о м д а в л е н и я :

(434)

Произведение объемного коэффициента на коэффициент давления называется и н д и к а т о р н ы м к о э ф ф и ц и е н т о м в с а с ы ­ в а н и я :

К о э ф ф и ц и е н т э ф ф е к т и в н о с т и в с а с ы в а н и я может быть представлен также в виде произведения двух частных коэф' фициентов подогрева \ и герметичности Кт:

(436)

На индикаторной диаграмме объем Ѵ'{ не отражает снижения про­

изводительности действительного компрессора по сравнению с идеаль­ ным вследствие повышения температуры воздуха в период всасывания от горячих поверхностей. Уменьшение массы газа в цилиндре в резуль­ тате повышения температуры характеризуется к о э ф ф и ц и е н т о м п о д о г р е в а

К о э ф ф и ц и е н т г е р м е т и ч н о с т и Хг характеризует

снижение производительности компрессора в результате утечек через неплотности в поршневых кольцах, клапанах и сальниках.

Величина коэффициента эффективности всасывания А.9фф зависит от конструкции компрессора, степени его изношенности, соблюдения правил эксплуатации и колеблется в пределах от 0,8 до 0,95.

Зная коэффициент подачи компрессора К, можем найти действи­

.231

§ 123. Мощность поршневого компрессора и его

коэффициент полезного действия

Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха в цилиндре реального компрессора, называется и н д и к а т о р н о й . Ее находят по инди­ каторной диаграмме, снятой с компрессора, используя следующую формулу:

где, кроме уже известных величин, Р і — среднее индикаторное давление, определяемое по индикатор­

ной диаграмме так же, как и для ДВС, Н/м2; F — площадь поршня, м2.

По формуле (439) вычисляют мощность (в кВт) компрессора про­ стого действия. В компрессорах двойного действия мощность опреде­ ляют для каждой полости цилиндра, а затем полученные величины скла­ дывают.

гДе "Пм— механический к. п. д. компрессора, величина которого у сов­ ременных поршневых компрессоров при номинальной нагрузке со­ ставляет 0,85—0,9.

N t

С понижением нагрузки компрессора механический к. п. д. умень­ шается .

При отсутствии индикаторной диаграммы мощность, потребляемую компрессором, определяют расчетным путем. В этом случае не учиты­ вают вредное пространство, поскольку оно не оказывает заметного вли­ яния на мощность, расходуемую компрессором, так как работа, затра­ ченная на сжатие воздуха в нем, в значительной степени возвращается в процессе расширения. Работу идеального компрессора при изотерми­ ческом, адиабатном и политропном сжатии рассчитывают по форму­ лам, приведенным в главе VI.

Степень совершенства компрессорных машин нельзя оценивать термическим к. п. д., так как их рабочий процесс не является термо­ динамически замкнутым. Эффективность работы различных компрес­ соров оценивают по о т н о с и т е л ь н о м у т е р м о д и н а м и ­ ч е с к о м у к. п. д., характеризующему степень приближения действи­ тельного рабочего процесса к идеальному. В качестве идеального про-

232

цесса сжатия в охлаждаемых компрессорах применяется изотерми­ ческий процесс, как потребляющий наименьшую работу.

ляемой идеальным изотермическим компрессором, к индикаторной ра­

к. п. д. достигается при ß та 3. При меньших значениях ß он резко на­

чинает падать, что объясняется ростом относительной величины поте­ ри энергии в клапанах. Это одна из основных причин нецелесообраз­ ности применения поршневых компрессоров при малых степенях по­

Если поршневой компрессор приводится во вращение через ременную передачу, то к. п. д. всей компрессорной установки

где г|п — к. п. д. передачи.

У большинства современных воздушных компрессорных устано­ вок к. п. д. изменяется в пределах от 0,45 до 0,65.

§ 124. Предел сжатия воздуха в одной ступени

поршневого компрессора

Предельная степень повышения давления ß в одной ступени ком­ прессора зависит от величины вредного пространства и допустимой

Если принять а = 0,05 и п = 1, то предельное значение ß, при

котором прекращается подача воздуха, будет равно 21.

В реально выполненных компрессорах величина объемного к. п. д. Ху составляет обычно не менее 0,7. Исходя из этого, предельная сте­ пень повышения давления при а = 0,05 и п = 1 будет равна

234

Для смазки компрессоров обычно применяют компрессорные масла с температурой вспышки 200—300° С.

При сжатии воздуха в компрессоре повышается его температура, которая возрастает с увеличением ß. Температура воздуха в цилиндре в конце сжатия не должна превышать 160— 180° С, так как при более высоких температурах возможно выделение летучих веществ из масел, которые, соединяясь с воздухом, образуют взрывоопасную смесь. Пре­ дельную степень повышения давления в зависимости от этих темпера­ тур определяют по формуле (123). Показатель политропы сжатия при

Таким образом, исходя из условий допустимой температуры в кон­ це сжатия, степень повышения давления ß, приходящуюся на одну сту­ пень постоянно работающего компрессора, принимают обычно не более 5. В компрессорах, работающих кратковременно, она может быть больше 5, поскольку указанный температурный предел будет обеспе­ чиваться при больших значениях ß.

Для получения высоких давлений воздуха применяют многосту­ пенчатое сжатие с охлаждением его после каждой ступени в специаль­ ном холодильнике. Термодинамические основы многоступенчатого сжатия воздуха в компрессоре были рассмотрены в главе VI.

Число ступеней т, необходимое для достижения заданного конеч­

ного давления, принимают в следующих пределах:

до 0,6 МН/м2 — т = 1; 0,5 — 3 МН/м2 — т = 2;

1,3 — 15 МН/м2 — т = 2 +- 3;

3,5 — 4 МН/м3 — т = 3 +- 4.

При увеличении числа ступеней компрессора сжатие воздуха все более приближается к изотермическому процессу, при этом дополни­ тельная экономия работы, достигаемая введением новой ступени, сни­ жается .

§ 125. Схема компрессорной установки. Типы

многоступенчатых поршневых компрессоров

Двухступенчатая компрессорная установка с промежуточным хо­ лодильником (рис. 134) состоит из воздушного фильтра 1, компрессора с двумя цилиндрами 2 и 5, электродвигателя, промежуточного холо­ дильника 3, масловлагоотделителя 4 и ресивера 7.

Атмосферный воздух через воздушный фильтр поступает в цилиндр первой ступени, имеющий больший диаметр. В нем воздух сжимается

от давления рх до давления р 2. Температура воздуха при этом повы­ шается от tx до 12. Сжатие воздуха в цилиндре компрессора, в зависи­

мости от интенсивности охлаждения, протекает по политропе с пока­ зателем п — 1,25 -f- 1,35. Из цилиндра первой ступени сжатый воз­

дух поступает в промежуточный холодильник, где охлаждается при постоянном давлении до начальной температуры tx.

Промежуточный холодильник обычно выполняется трубчатого типа с водяным охлаждением. В компрессорных установках неболь­ шой производительности холодильники располагаются на цилиндро­ вом блоке компрессора, а в установках большой производительности

Рис. 134. Схема компрессорной установки с двухступенчатым порш­ невым компрессором

изготовляются в виде отдельных аппаратов. Охлажденный воздух из холодильника подается во влагомаслоотделитель, где он очищается от капелек влаги и масла. Принцип работы влагомаслоотделителя основан на инерционном сепарировании водяных и масляных капель за счет петлеобразных поворотов потока воздуха или его центробеж­ ного действия. Охлажденный и очищенный воздух направляется в цилиндр второй ступени компрессора, имеющий меньший диаметр. Здесь он сжимается до давления р 3 с повышением температуры до t2.

Из цилиндра второй ступени воздух через обратный клапан 6 по­

ступает в ресивер. Назначение ресивера — уменьшать колебания дав­ ления воздуха во внешней сети, возникающие в результате периоди­ ческой подачи воздуха компрессором. Кроме того, ресивер служит для отделения масла и влаги от воздуха, для чего его оборудуют специаль­ ными устройствами.

Объем ресивера (в м3), обеспечивающий хорошее сглаживание ко­

В стационарных установках ресиверы размещают снаружи поме­ щения, так как они относятся к взрывоопасным устройствам.

Для очистки воздуха, подаваемого компрессором, от механических примесей на его всасывающей трубе устанавливают воздушные масля-

236

ноинерционные фильтры. Они представляют собой закрытый резер­ вуар, заполненный металлической стружкой или кольцами Рашита, смоченными в вязком масле. Воздух, проходя через слой такого ма­ териала, хорошо очищается.

Выше была рассмотрена компрессорная установка со ступенями сжа­ тия в отдельных цилиндрах компрессора. В двух- и многоступенча­ тых компрессорах часто применяют дифференциальные поршни с не­ сколькими ступенями сжатия в одном цилиндре.

ны по одну сторону поршня. При этом в них одновременно обеспечи­ ваются всасывание и подача воздуха. Теоретическая индикаторная диаграмма такого компрессора дана на рис. 136, б. При движении поршня вправо в / и I I ступенях происходит расширение воздуха, оставшегося во вредном пространстве, соответственно до давлений рх и р 2. В точках 4 и 4' открываются всасывающие клапаны и начинается всасывание воздуха в / ступень из атмосферы при давлении рг и во I I —

из промежуточного холодильника. При этом в холодильнике и ци­ линдре II ступени давление понижается от р.2 до р'2 в результате политропного расширения воздуха по линии 4'— /'.

При ходе поршня в обратную сторону во II ступени происходят

процесс протекает по политропе 2—3 и сопровождается повышением

237