§ 8.1. Мощность привода и коэффициенты полезного действия компрессора

В энергетике под кпд обычно понимают отношение полезно используемой энергии ко всей затраченной. И чем выше процент полезно используемой энергии из всего ее затраченного количества, тем выше кпд. В случае ком­прессорных машин такое определение кпд оказывается неприемлемым.

Поэтому для оценки степени совершенства реальных компрессорных машин их сравнивают с идеальными. При этом для охлаждаемых компрес­соров вводится изотермический кпд

где l_из - работа на привод идеального компрессора при изотермическом сжа­тии;

l_д - действительная работа на привод реального охлаждаемого компрес­сора;

N_из = ml_из ,

N_д - соответствующие мощности приводных двигателей;

m - массовая производительность компрессора.

При расходе газа G кг/с затраченная работа определяется по формуле

Отсюда мощность приводного двигателя в ваттах (Вт) будет

Для неохлаждаемых машин вводится адиабатический кпд.

где l_ад - работа на привод идеального компрессора при адиабатическом сжа­тии.

Значения и _ад для различных типов компрессоров определяются из заводских испытаний и указываются в справочниках.

Мощность двигателя для привода компрессора при изотермическом сжа­тии будет определяться по формуле

Адиабатный и изотермический процессы сжатия могут рассматриваться лишь как теоретические.

В реальном компрессоре процесс сжатия происхо­дит по политропе. Формула для определения эффективной мощности в политропном процессе сжатия с учетом потерь на трение, влияния вредного пространства, а также уменьшения подачи из-за нагрева газа имеет вид

где l_п - работа на привод компрессора при политропном сжатии; η_n - кпд компрессора при политропном сжатии; η_м - механический кпд, учитываю­щий потери на трение.

Работа l_п определяется по формуле (8.3), где показатель политропы п на­ходится, как правило, по параметрам газа в начале и конце процесса сжатия.

§ 8.2. Многоступенчатый компрессор

Для получения газов высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры. В них сжатие газа осуществляется политропно в нескольких последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после сжатия в каждом цилиндре.

Принципиальная схема многоступенчатого компрессора, состоящего из трех ступеней, представлена на рис. 8.4.

Здесь: 1 - цилиндр;

2 - поршень;

3 - шатун;

4 - коленчатый вал;

5 - подшип­ник;

6 - всасывающий клапан;

7 - нагнетательный клапан;

8, 9 - промежу­точные охладители. В направлении стрелок 10, 11 осуществляется вход и выход охлаждающей воды.

Рис. 8.4

Принцип работы многоступенчатого компрессора состоит в следующем. Через клапан 6 первой ступени происходит всасывание газа. После сжатия газ через охладитель 8 направляется во вторую ступень компрессора. При­чем всасывание газа во второй ступени происходит при давлении сжатия в первой ступени. Всасывание газа в третьей ступени выполняется через про­межуточный охладитель 9 при давлении сжатия во второй ступени. Через на­гнетательный клапан третьей ступени осуществляется нагнетание газа в ре­зервуар.

Рис.8.5

Диаграмма процессов сжатия в трехступенчатом компрессоре в pv - коор­динатах представлена на рис. 8.5. Рассмотрим процессы:

0-1 - линия всасывания газа в первой ступени компрессора (не является термодинамиче­ским процессом, т.к. происходит лишь перемещение газа без изменения его термодинамических параметров);

1-2 - политропный процесс сжатия в пер­вой ступени;

2-а - линия нагнетания газа в промежуточный охладитель 8;

а-3 - линия всасывания во второй ступени компрессора;

3-4 - политропный про­цесс сжатия во второй ступени;

4-b - линия нагнетания в промежуточный ох­ладитель 9;

b-5 - линия всасывания в третьей ступени компрессора;

5-6 - по­литропный процесс сжатия в третьей ступени;

6-с - линия нагнетания газа в резервуар.

Отрезки 2-3 и 4-5 изображают уменьшение объема газа в процессе при постоянном давлении от охлаждения в охладителях 8 и 9. Охлаждение про­ про­изводится до одной температуры, равной температуре всасывания газа в первой ступени Т₁ . Поэтому температуры в точках 1, 3, 5 будут одинаковы­ми, и через них можно провести изотерму 1-7.

Отношение давлений для каждой ступени обычно принимается одинако­вым и равным некоторой величине x.

В случае равенства начальных температур и показателей политропы ко­нечные температуры также будут равны, т.е. Т₂=Т₄=Т₆.

Отсюда следует, что

Так как p₂=p_з и p₄=p₅ то

При z - ступенях компрессора для величины х получим следующую формулу

Ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением приближает рабочий процесс компрессора к наиболее экономичному изотермическому сжатию и чем больше число ступеней сжатия, тем больше процесс сжатия будет при­ближаться к изотермическому процессу. При равенстве температур газа на входе в каждую ступень и равенстве отношений давлений затраты работы на сжатие во всех ступенях будут одинаковыми

где

Отсюда l_к = 3l₁ . Или при z-ступенях l_k=zl₁.

Работа на привод трехступенчатого компрессора при политропном сжа­тии во всех ступенях в pv-координатах может быть определена площадью фигуры 0-1-2-3-4-5-6-с-0.

Если процесс политропного сжатия до давления р₆ производить в одно­ступенчатом компрессоре, то затраченная на это работа будет равна площади фигуры 0-1-8-с-0. Отсюда экономия работы будет численно равна площади 2-3-4-5-6-8-2.