04-Компрессоры

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

1.4Теоретические процессы герметичных хладоновых компрессоров

1.2.1Процессы в поршневых компрессорах

1.4.1.1 Основные термины и определения

Компрессор предназначен для сжатия и перемещения рабочего вещества холодильной машины и является ее важнейшим узлом. Холодильный компрессор определяет основные эксплуатационные показатели холодильного оборудования: надежность, долговечность, температурно-энергетические, массогабаритные параметры, шумовые и вибрационные характеристики.

Поршневым компрессором называется компрессор объемного действия, в котором изменение объема рабочей полости осуществляется поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательное движение.

Превращение вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршня в герметичных компрессорах бытовых холодильников осуществляется криво- шипно-кулисным или кривошипно-шатунным механизмом. Принципиальная схема компрессора с кривошипно-шатунным механизмом движения показана на рисунке 1.

Герметичный поршневой компрессор состоит из герметичного кожуха, внутри которого находятся электродвигатель и компрессор. От ротора электродвигателя вращательное движение передается коленчатому валу компрессора. Кривошип коленчатого вала соединен с шатуном. С помощью кривошипно-шатунного механизма движения вращательное движение вала в преобразуется в возвратно-поступательное движение соединенного с шатуном поршня. Поршень совершает возвратно-поступательное внутри цилиндра. Цилиндр с одной стороны закрыт крышкой, в которой расположены органы распределения - самодействующие всасывающий и нагнетательный клапаны лепесткового типа.

Рис. 1 Схема поршневого компрессора:

а - положение поршня в ВМТ; б - положение поршня в НМТ; D - диаметр цилиндра; Sп - ход поршня; 1 - всасывающий патрубок; 2 - камера всасывания; 3 - камера нагнетания; 4 - нагнетательный патрубок; 5 - рабочая полость цилиндра; 6 - нагнетательный клапан; 7 - всасывающий клапан.

1

Впоршневых компрессорах два крайних положения поршня называют мертвыми точками. Верхней мертвой точкой (ВМТ) называют крайнее положение поршня, наиболее удаленное от коленчатого вала, а нижней мертвой точкой (НМТ) - крайнее положение поршня, ближайшее к механизму движения.

При ходе поршня из ВМТ в НМТ в пространстве между крышкой цилиндра и поршнем создается разрежение. Под действием разности давлений во всасывающей полости и цилиндре открывается всасывающий клапан и пары холодильного агента всасываются в цилиндр. При обратном ходе поршня из НМТ в ВМТ всасывающий клапан закрывается и находящиеся в цилиндре пары сжимаются поршнем до давления нагнетания, при достижении которого отрывается нагнетательный клапан, и сжатые пары хладагента нагнетаются в полость нагнетания, нагнетательный патрубок компрессора и далее по нагнетательному трубопроводу в конденсатор.

Вбытовых холодильниках могут применяться не только одноцилиндровые, но и двухцилиндровые компрессоры с оппозитным расположением поршня.

Врасчетах поршневых компрессоров используются понятия: "рабочий объем ци-

линдра"(м3), значение которого равно произведению площади поршня Fп на полный ход поршня Sп, и "рабочий объем цилиндра за единицу времени" Vh (м3/с), значение которого определяется как произведение рабочего объема цилиндра на частоту вращения коленчатого вала n0 (1/с).

Мертвым объемом называют минимальный объем рабочей полости цилиндра при положении поршня в ВМТ. Мертвый объем состоит из объема цилиндра в зазоре между поршнем и крышкой цилиндра (линейный мертвый объем), объемов в каналах клапанов (мертвый объем в клапанах) и дополнительного мертвого объема, образованного различными пустотами, каналами в поршне и цилиндре.

Наличие линейного мертвого объема обусловлено тем, что поршень не может вплотную подойти к крышке цилиндра. Зазор между поршнем и крышкой цилиндра необходим по ряду причин. Допустимые по техническим условиям отклонения размеров деталей механизма движения, в том числе, поршня, позволяют фиксировать положение поршня в ВМТ и НМТ лишь с определенным отклонением. Кроме того, линейный мертвый объем предназначен для предотвращения удара поршня о крышку в случае температурных деформаций деталей механизма движения, а также для компенсации износа в подвижных соединениях механизма движения.

В расчетах, как правило, используют безразмерную величину - относительный мертвый объем, равный отношению полного мертвого объема к рабочему объему цилиндра. Иногда относительный мертвый объем выражают в %.

Массовой производительностью компрессора ( Gа, кг/с ) называется масса парообразного хладагента, всасываемого компрессором в единицу времени. Объемной производительностью компрессора ( Vа, м3/с ) называется действительный объем парообразного хладагента, всасываемого компрессором в единицу времени. Теоретически объемная производительность компрессора равна рабочему объему цилиндра, однако в реальном компрессоре объем всасываемого пара, заполняющего цилиндр при ходе всасывания, всегда меньше рабочего объема цилиндра вследствие целого ряда причин, одной из которых яв-

2

ляется наличие мертвого пространства. Действительная холодопроизводительность компрессора всегда меньше теоретической.

Холодопроизводительность любого компрессора зависит от рабочих условий, в которых работает холодильная машина, и как производительность системы определяется произведением массовой производительности компрессора на удельную холодопроизводительность:

Удельная холодопроизводительность 1 кг циркулирующего хладагента зависит от термодинамических свойств холодильного агента и степени совершенства цикла и определяется из расчета цикла холодильного агрегата.

Отношение объемной производительности к рабочему объему цилиндра за едини-

1.4.1.2 Термодинамические основы процесса сжатия

Конечное давление газа при сжатии зависит от условий теплообмена с окружающей средой. Теоретически возможны два предельных случая процесса сжатия:

Рис. 2 Процессы сжатия в Т - S диаграмме.

3

1)вся выделяющаяся при сжатии теплота полностью отводится и температура рабочего вещества остается постоянной - изотермический процесс;

2)теплообмен газа с окружающей средой полностью отсутствует и вся выделяющаяся теплота затрачивается на увеличение внутренней энергии газа, вызывая повышение его температуры - адиабатический процесс.

Вдействительности сжатие паров хладагента в компрессоре лишь в большей или меньшей степени приближается к одному из этих теоретических процессов. При сжатии одновременно с изменением объема и давления паров хладагента происходит повышение температуры и одновременно часть выделяющегося тепла отводится в окружающую среду. Такой процесс сжатия называется политропическим.

На рисунке 2 показаны процессы сжатия в Т - S диаграмме.

Процесс изотермического сжатия газа от давления Р1 до давления Р2 изображается на Т - S диаграмме прямой аb, проведенной между изобарами Р1 и Р2 по линии ТА = const. Количество теплоты, которое необходимо отводить при изотермическом сжатии 1 кг газа от давления Р1 до давления Р2, численно равно удельной работе изотермического сжатия lиз. Величина qиз может быть определена непосредственно из диаграммы:

dS = dQ/Т = 0. Адиабатический процесс изображается на диаграмме T - S прямой аd, проведенной по линии SА = const. Количество теплоты, выделяемой при адиабатическом сжатии 1 кг газа от давления Р1 до давления Р2, численно равно удельной работе адиабатического сжатия lад:

на диаграмме Т - S наклонной прямой ас. Количество теплоты, выделяемой при политропическом сжатии 1 кг газа, численно равно удельной работе политропического сжатия lпол, и приблизительно равно:

4

где n показатель политропы сжатия.

Величина показателя политропы зависит от физических свойств газа или пара и условий теплообмена с окружающей средой.

Наименьшая работа затрачивается при изотермическом сжатии, поэтому действи-

Приведенные выше термодинамические соотношения получены на основе уравнения состояния идеального газа. В первом приближении аналогичные закономерности, а, следовательно, и выводы из них, будут с определенными отклонениями допустимыми для оценки работы действительного компрессора. Данные уравнения с достаточной степенью точности описывают процессы сжатия при давлениях до 106 Па.

5

9)открытие нагнетательного клапана в момент достижения в цилиндре давления, равного давлению в нагнетательном патрубке, и закрытие в ВМТ;

10)отсутствие трения в трибосопряжениях.

Индикаторная диаграмма идеального компрессора показана на рисунке 4 и соответствует линиям d-а-b-с.

Рис. 4 Индикаторные диаграммы идеального и действительного компрессора

В цилиндре идеального компрессора протекают, в соответствии с принятыми допущениями, 3 процесса: всасывание (d-а), сжатие (а-b) и нагнетание (b-с). Во время всасывания газ перемещается из полости всасывания в рабочую полость цилиндра. Во время сжатия происходит повышение давления газа, находящегося в рабочей полости цилиндра, во время нагнетания - перемещение газа из рабочей полости цилиндра в полость нагнетания. В идеальном компрессоре процессы всасывания и нагнетания протекают при постоянном давлении Рвс и Рн и постоянной температуре Твс и Тн. Процесс сжатия происходит по политропе с показателем n и заканчивается в момент, когда давление в рабочей полости достигает значения Рн и открывается нагнетательный клапан.

Индикаторная диаграмма действительного компрессора соответствует линиям 2-3- 4-1-2 на рисунке 4. Рабочие процессы действительного компрессора в значительной степени отличаются от рабочих процессов идеального компрессора. Линия 2-3 соответствует процессу всасывания паров хладагента, линия 3-4 - процессу сжатия паров, линия 4-1 - процессу нагнетания и линия 1-2 - процессу обратного расширения. Основные отличия

7

индикаторной диаграммы действительного компрессора от идеального обусловлены рядом причин.

1.Наличие мертвого объема в цилиндре реального компрессора приводит к расширению пара, оставшегося в мертвом объеме после окончания процесса нагнетания. Вслед-

ствие этого объем пара, всасываемого в цилиндр реального компрессора, на величину Vс меньше по сравнению с объемом пара, поступающего в цилиндр идеального компрессора.

2.В действительном компрессоре имеются гидравлические сопротивления потоку паров хладагента при прохождении через клапаны. В результате давление в цилиндре во время всасывания меньше, чем во всасывающем патрубке. Соответственно давление в цилиндре будет выше, чем давление в нагнетательном патрубке. Потери давления на гидравлические сопротивления в клапанах непостоянны в течение хода поршня, т.к. переменной является скорость протекания газа через клапаны. Потери в клапанах, называемые также депрессией во всасывающем и нагнетательном клапанах, приводят к увеличению потребляемой компрессором мощности. Увеличение мощности пропорционально площади обозначенных знаком "+" заштрихованных участков диаграммы.

3.Депрессия во всасывающем клапане приводит к уменьшению объема пара, попадающего в цилиндр при давлении Рвс, на величину V'-V".

4.Давление во всаcывающем и нагнетательном патрубках действительного компрессора непостоянно из-за пульсаций потоков газа, обусловленных периодически повторяющимися процессами всасывания и нагнетания. В трубопроводах и патрубках компрессора имеют место инерционные и волновые явления, которые снижают производительность компрессора.

5.Смещение линий обратного расширения 1-2 и сжатия 3-4 внутрь диаграммы вследствие наличия мертвого объема и депрессий в клапанах приводит к уменьшению индикаторной мощности, подводимой к компрессору, и пропорционально площади обозначенных знаком "-" заштрихованных участков диаграммы.

Процесс обратного расширения проходит с увеличением объема, и газ, воздействуя на поршень, совершает работу, которая передается обратно коленчатому валу. Работа, затраченная на сжатие паров, оставшихся в мертвом пространстве, возвращается назад в процессе обратного расширения с потерями, обусловленными необратимостью процессов. Индикаторной мощностью называется мощность, необходимая для сжатия и перемещения газа с учетом возврата энергии в процессе обратного расширения.

6.Теплообмен между паром и стенками цилиндра в процессах обратного расширения и сжатия приводит к протеканию этих процессов с переменными показателями политропы. Это иллюстрируется направлением линий процессов 1-2 и 3-4 и соответствующим изменением площади индикаторной диаграммы.

Кроме перечисленных, имеется ряд особенностей рабочего процесса действительного компрессора, которые не отражаются на его индикаторной диаграмме.

1.Нагрев и расширение пара, поступающего при всасывании в цилиндр, из-за его контакта с горячими внутренними поверхностями рабочего объема цилиндра. Вследствие этого в цилиндр всасывается пар большего удельного объема и меньшей массы по сравнению с расчетными параметрами.

2.Неплотности в сопряжениях поршня с цилиндром, а также в сопряжениях клапанов с седлами приводят к протечкам части сжимаемого и нагнетаемого пара во всасывающую полость, а следовательно, и к уменьшению количества пара, поступающего в полость нагнетания.

8

Впоршневых компрессорах существуют следующие энергетические потери:

1)газодинамические, обусловленные потерями давления во всасывающем и нагнетательном каналах;

2)потери от теплопритоков к парам хладагента во всасывающем канале и цилиндре;

3)от протечек сжатого пара из цилиндра через неплотности;

4)механические потери, к которым относятся потери на трение;

5)электрические потери в электродвигателе.

Вцелом энергетические потери характеризуются энергетическим КПД, т.е. отношением мощности Nт, потребляемой теоретическим компрессором, к мощности, потребляемой действительным компрессором:

Индикаторный КПД определяется отношением теоретической мощности Nт, затраченной на сжатие хладагента, к индикаторной мощности Ni, определенной из индикаторной диаграммы:

и определяются отношениями соответствующих температур. Коэффициент wв определяется отношением температуры паров на входе в компрессор к температуре паров во всасывающей полости. Коэффициент wц отношением температуры во всасывающей полости к температуре в цилиндре в начале сжатия.

10