Видно, что объем мертвого пространства уменьшает количество поступающего в цилиндр газа и тем самым уменьшает производительность компрессора.

Отношение

V = η0

Vц

называется объемным коэффициентом полезного действия.

С увеличением объема мертвого пространства производительность компрессора уменьшается, уменьшается также η0 и может стать равным нулю.

Кроме того, при сжатии газа происходит его нагрев. Массовое количество поступающего газа в цилиндр компрессора уменьшается вследствие увеличения его удельного объема из-за нагревания горячими поверхностями цилиндра и нагретым газом объема мертвого пространства.

Уменьшение массового количества всасываемого в цилиндр газа из-за повышения температуры определяется отношением Т1′/Т1, где Т1′– температура всасываемого газа, Т1 – температура газа, нагретого в цилиндре в процесса всасывания.

Общее уменьшение производительности компрессора из-за вредного пространства и нагревания газа характеризуется коэффициентом наполнения

ηн = η0 ТT1' .

1

15.4. Влияние конечного давления на производительность компрессора

При постоянном объеме Vм с повышением давления сжатия производительность и КПД компрессора уменьшаются, и в предельном случае могут стать равными нулю.

Пусть процесс сжатия газа заканчивается при давлении р2, и исходная индикаторная диаграмма 1230 имеет вид, показанный на рис. 15.4. Нагнетание происходит вдоль линии 2-3, затем давление в цилиндре падает по линии 3-0, и всасывание начинается в т.0. В цилиндр поступает объем газа V1.

С увеличением давления до р2’ сжатие заканчивается в т.2 ′. Нагнетание происходит вдоль линии 2’-3’, всасывание новой порции газа начинается в

т.0′. Видно, что количество всасываемого газа уменьшается V1' <V1 , что при-

водит к уменьшению производительности Q' < Q и КПД компрессора. Про-

изводительность и КПД компрессора уменьшаются еще сильнее при дальнейшем повышении конечного давления р2.

87

В предельном случае сжатие заканчивается в т.4 (точке пересечении линии сжатия и вертикальной линии мертвого пространства). В этом случае линия нагнетания превращается в точку, всасывание новой порции газа не производится. Поршень компрессора периодически сжимает одно и то же количество газа без нагнетания. Производительность и КПД компрессора равны нулю: Q = 0 , η0 = 0.

15.5. Удельная работа в компрессорном процессе. Мощность и КПД

Удельная работа, затрачиваемая компрессором на получение 1 кг сжатого газа выражается площадью индикаторной диаграммы 01230, ограниченной изобарами начального р1 и конечного р2 давлений, кривой сжатия и осью ординат (рис. 15.5).

Рисунок 15.5

Величина работы зависит от реализуемого процесса сжатия.

88

1. Изотермическое сжатие:

Эффективная мощность, затрачиваемая на привод компрессора

N = ρQl ,

η0ηм

где ρ − плотность газа, поступающего в компрессор, l − удельная работа,

η0 − объемный КПД, ηм − механический КПД.

Совершенство компрессорного процесса оценивается относительными термодинамическими КПД – изотермическим ηиз и изоэнтропным ηа.

Эти КПД представляют собой отношение теоретической работы к действительной, затраченной на привод компрессора.

Относительный изотермический КПД

ηиз = lиз − для компрессоров с интенсивным охлаждением (для поршне- lд

вых и роторных),

89

Рисунок 15.5. Блок-схема трехступенчатого сжатия

На рисунке 15.6 показан трехступенчатый компрессор. Компрессор имеет три рабочие камеры. Сжимаемый газ последовательно перемещается через эти камеры за счет возвратно-поступательного движения поршня усложненной конструкции. После сжатия в каждой ступени газ охлаждается в соответствующем охладителе до начальной температуры Т1.

Рисунок 15.6. Трехступенчатый компрессор

Теоретическая индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора приведена на рисунке 15.7.

91

На диаграмме приведены линии:

0-1 – линия всасывания в первую ступень; 1-2 – процесс политропного сжатия в первой ступени;

2-а – линия нагнетания из первой ступени в первый охладитель; а-3 – линия всасывания во вторую ступень; 3-4 – процесс политропного сжатия во второй ступени;

4-b – линия нагнетания из второй ступени во второй охладитель; b-5 – линия всасывания в третью ступень;

5-6 – процесс политропного сжатия в третьей ступени; 6-с – линия нагнетания из третьей ступени.

Отрезками линий 2-3 и 4 -5 изображено уменьшение объема газа в процессе охлаждения при постоянном давлении в первом и во втором охладителях.

Охлаждение газа во всех охладителях происходит до одной и той же температуры Т1. Поэтому температуры газа в точках 1, 3, 5, 7 одинаковы, и поэтому указанные точки располагаются на изотерме 1-7. Таким образом, многоступенчатое сжатие газа с промежуточным охлаждением приближает процесс компрессора к наиболее экономичному изотермическому процессу.

Работа на привод трехступенчатого компрессора при политропном сжатии в ступенях изображается площадью 0123456с0. При осуществлении политропного процесса сжатия газа до давления р6 в одной ступени затрачиваемая работа изображается площадью 018с0. Видно, что при переходе от одноступенчатого сжатия к многоступенчатому получается экономия работы, соответствующая на диаграмме площади 2345682.

Отношение давлений в ступенях обычно выбирается одинаковым:

92

р2 = р4 = р6 = ε,

р1 р3 р5

откуда

Для z ступеней компрессора при сжатии от давления р1 до давления рк можно получить

ε = к ррк = кεк ,

1

где εк – степень повышения давления компрессора в целом.

Выбор числа ступеней при многоступенчатом сжатии.

Увеличение числа ступеней сжатия газа с промежуточным охлаждением приближает процесс сжатия к наиболее экономичному – изотермическому. Причем, минимум затрат энергии обеспечивается при равенстве энергий отдельных ступеней процесса и равенстве степеней повышения давления во всех ступенях.

Однако, в действительном многоступенчатом компрессоре с увеличением числа ступеней растут потери давления на охладителях и соединительных участках газового тракта, что приводит к росту затрат энергии. В результате выигрыш энергии от приближения цикла компрессора к изотермическому уменьшается.

Компрессор с большим числом ступеней с конструктивной точки зрения более сложен и требует больших затрат при изготовлении и эксплуатации.

Указанные обстоятельства должны учитываться при выборе числа ступеней многоступенчатого компрессора.

Число ступеней для поршневых компрессоров выбирается в зависимости от температуры вспышки паров смазочного масла. В лопастных компрессорах число ступеней определяется в зависимости от допустимых по условиям прочности окружных скоростей концов лопастей. В лопастных компрессорах число лопастей может доходить до 40.

При сжатии температура газа повышается. В таблице 15.1 в качестве примера приведены конечные температуры при адиабатном сжатии для нескольких степеней повышения давления ε.

93