15. Компрессоры

15.1. Параметры и классификация

Устройства для сжатия газов, со степенью повышения давления ε > 1,15

иохлаждением называются компрессорами.

Ккомпрессорам относятся также вакуум-насосы, которые относятся к классу устройств, обеспечивающих откачивание газов из емкостей с вакуумом и сжимающих его до атмосферного давления.

Основные параметры компрессоров:

1. Q – объемная производительность. Измеряется в (м3/c) и определяется при условиях всасывания либо при нормальных условиях.

2. р1 и р2 – начальное и конечное давления (Па), либо ε = р2 – степень

р1

повышения давления.

3. Мощность на валу N (Вт).

4. Коэффициент полезного действия η (%). Существуют следующие классификации компрессоров: - по принципу действия; - по назначению; - по конечному давлению;

- по способу отвода теплоты; - по типу приводного двигателя и т.д.

В соответствии с классификацией по принципу действия компрессоры можно разделить на три основные группы: лопастные, объемные и струйные. К лопастным компрессорам относятся осевые и центробежные, иногда называемые турбокомпрессорами. Из группы объемных компрессоров наиболее распространены поршневые компрессоры, которые могут быть простого либо двойного действия, а также состоящие из нескольких цилиндров.

15.2. Термодинамика компрессорного процесса

Несмотря на разные принципы сжатия газов в компрессорах различных типов и их конструктивное отличие термодинамика процесса сжатия одинакова для всех машин. Поэтому процессы сжатия описываются одними и теми же уравнениями.

Сжатие и расширение газов в компрессорах может осуществляться при реализации следующих процессов.

1. Изотермический процесс. Процесс происходит при постоянной температуре (T=const) и описывается уравнениями

83

pv = const либо ρp = const .

Здесь р – абсолютное давление, v – удельный объем.

2. Адиабатный процесс, который происходит без теплообмена с окружающей средой. Но возможно внутреннее образование теплоты за счет вихреобразования и газового трения.

Уравнения адиабатного процесса

k – показатель адиабаты.

В компрессорах адиабатный процесс строго выполняться не может, поскольку невозможно устройство полностью теплоизолировать.

3. Политропный процесс, который является общим видом компрессорного процесса.

Уравнения политропного процесса

n – показатель политропного процесса. Показатель n может изменяться от 1,15 до 1,8.

4. Изоэнтропный процесс, который используется для теоретического описания сжатия и расширения газов. Процесс происходит при постоянстве энтропии (S=const) и реализуется при отсутствии теплообмена с окружающей средой и без внутреннего тепловыделения.

15.3. Индикаторная диаграмма

Для простоты рассматривается процесс одноступенчатого сжатия поршневым компрессором.

Поршневой компрессор (рис. 15.1) имеет рабочую полость 1, образованную цилиндрическим корпусом 2 с рубашкой охлаждения и плотно притертым цилиндром 3. Корпус имеет пустотелые стенки, в которых циркулирует вода охлаждения 4 корпуса и поршня. Поршень совершает возвратнопоступательные движения. В крышке цилиндра в специальных коробках размещены два клапана – всасывающий 5 и нагнетательный 6.

Рабочий процесс компрессора совершается за один оборот вала двигателя или два хода поршня. При ходе поршня вправо открывается всасывающий

84

При движении поршня вправо происходит всасывание при постоянном давлении р1. Этому процессу соответствует линия 0-1, которая называется линией всасывания. При обратном движении поршня происходит сжатие газа, линия 1-2 называется линией сжатия. Когда достигается заданное давление р2, весь сжатый газ выталкивается в нагнетательный трубопровод, и этому процессу соответствует линия нагнетания 2-3.

В начале следующего хода поршня нагнетательный клапан закрывается, давление в цилиндре р2 практически мгновенно падает до давления р2, открывается всасывающий клапан и далее повторяется весь процесс.

Наклон линии сжатия зависит от условий реализуемого процесса. На рисунке 15.2 линии 1-2 соответствует изотермическое сжатие, линии 1-2′ – по-

литропное сжатие, линии 1-2′′ – адиабатное сжатие.

Действительная индикаторная диаграмма отличается наличием потерь энергии на клапанах. Существует также мертвое пространство – объем газа Vм между поршнем и клапанной пробкой в крайнем положении поршня при вытеснении газа (Vм от 4 до 10%).

Из-за потерь на клапанах всасывание происходит при давлении газа в цилиндре меньшем, чем давление во всасывающем трубопроводе, а нагнетание – при более высоком давлении, чем в нагнетательном трубопроводе.

Поскольку имеется объем мертвого пространства, то по окончании нагнетания сжатого газа его некоторое количество Vм остается в цилиндре. При обратном ходе поршня объем газа Vм расширяется, всасывание новой порции газа начинается только при достижении давления газа в цилиндре до давления всасывания. В результате линия расширения газа 3-0 уже не вертикальная, а становится наклонной (рис. 15.3). Всасывание начинается в точке 0, и в цилиндр поступает порция газа V = Vц – V0.

Рисунок 15.3. Действительная индикаторная диаграмма

86