8. Компрессоры. Индикаторная диаграмма и принцип работы одноступенчатого поршневого компрессора.

Схема компрессора и его индикаторная диаграмма представлены на рис 1.

Проследим порядок работы компрессора при помощи диаграммы p=f(V)₉ где V — объемы замыкаемый поршнем в цилиндре и зависящий от положения поршня.

Двигаясь от правого крайнего положения влево, пор­шень сжимает газ, находящийся в цилиндре. Всасывающий клапан закрыт в течение

Pi W

всего процесса сжатия.

Нагнетательный клапан закрыт до тех пор, пока разность давлений в цилиндре и на­порном патрубке преодоле­ет натяжения пружины. Когда это произойдет, на­гнетательный клапан откро­ется и поршень будет вытес­нять газ в напорный трубо­провод.Процесс повыше­ния давления изображается

Рис. 1. Схема и индикаторная Диаграмма компрессора

347

на диаграмме линией 1-2, а процесс подачи газа — линией 2-3.

Если р%—давление в цилиндре при подаче газа, то объем газа, подаваемого компрессором при этом давлении, будет Упод.

При сжатии температура газа повышается, так как охлаждающая вода не отнимает от газа всю теплоту, выде­ляющуюся при сжатии. Линия сжатия — политропа, описы­ваемая в системе координат У, р уравнением

pV^a = const. (1.I)

Линия подачи 2-3 теоретически является изобарой

р₂ = const. (I.2)

Благодаря влиянию инерции газовых масс, действию клапанов и их пружин давление на­гнетаемого газа не удерживается строго постоянным.

Когда поршень придет в крайнее левое положение, он вытеснит из цилиндра не весь газ, и часть газа в количест­ве Vм останется в цилиндре (V_M называют мертвым объе­мом или мертвым пространством).

В начале хода поршня вправо нагнетательный клапан закроется и остаток газа в мертвом пространстве объема-V_м будет расширяться по линии 3-4.

Линия расширения — политропа с показателем n_Р| ее уравнение

pVⁿp = const. (1.3)

Расширение газа будет происходить до тех пор, пока давление в цилиндре не понизится до Pt<Po, где Ро—дав­ ление в пространстве, из которого компрессор всасывает газ. /

Под влиянием разности давлений р₀—р₁ всасывающий клапан откроется и поршень, двигаясь вправо, будет вса­сывать газ в цилиндр.

Давление Рt всегда меньше р₀ вследствие газового со­противления тракта всасывания. Процесс всасывания пред­ставляется изобарой 4-1.

Полученная замкнутая фигура 1-2-3-4-1 является теоре­тической индикаторной диаграммой компрессора.

Протекание процессов сжатия и расширения зависит от теплообмена между сжимаемым газом и ок­ружающей средой и в большой мере от герметичности рабо­чего объема цилиндра.

Герметичность определяется конструкцией и состоянием клапанов, сальников и уплотняющих колец поршня.

Поршневые компрессоры выполняются обычно с водя­ным охлаждением цилиндра и его крышки. При этом обес­печивается интенсивный теплообмен и процессы сжатия и расширения являются политропными со средни­ми значениями показателей я=1,35 и 1,2 (для двухатом­ны* газов).

Процесс сжатия в поршневых компрессорах с воздуш­ным охлаждением или с водяным при высокой температу­ре охлаждающей воды приближается к адиабатному.

Строгое исследование термодинамики действующих компрессоров приводит к выводу, что показатели отдельных участков линий сжатия и расширения неодинаковы.Это объясняется различием условий теплообмена и влиянием негерметичности в разных фазах процессов.

Точный расчет работы цикла компрессора производит­ся по уравнениям термодинамики реальных газов.

Расчет компрессоров с конечным давлением сжатия до 10 МПа по уравнениям термодинамики идеального газа дает результаты_в близкие к действительным.

Вычисляя работу, затрачиваемую на валу компрессора, можно пренебрегать влиянием мертвого пространства. Последнее не оказывает заметного Влияния на потребле­ние энергии компрессором, потому что работа, затрачива­емая на сжатие газа в объеме мертвого пространства, в значительной мере возвращается на вал в процессе рас-

ширен пя.

849

Для вычисления мощности компрессора воспользуемся относительным изотермическим КПД [формула (10.23)] откуда получим

Используя (10.15) и (13.4), получаем

_PiQi in I*-

Для поршневых компрессоров различных конструкции

Ч_м = 0,80 -н 0,93,

Изотермический КПД зависит от интенсивности охлаж­дения компрессора и лежит в пределах т)_Из= 0,65-^0,85.

13.4. Мертвое пространства. Подача

Цилиндры компрессоров всегда выполняются с мерт­вым пространством; это необходимо во избежание удара поршня о крышку при подходе его к крайнему положению.

Объем мертвого пространства обычно оценивается в долях или процентах рабочего объема цилиндра и называ­ется относительным объемом мертвого пространства:

*=V_MfV_p. (13.6)

В современных одноступенчатых компрессорах при рас­положении клапанов в крышках цилиндров а—0,025—0,060. При ступенчатом сжатии клапаны располагаются на боко­вой поверхности цилиндра и мертвое пространство в сту­пенях высокого давления не удается выполнить малым по конструктивным соображениям: здесь а£2 0,2.

Наличие мертвого пространства приводит к тому, что всасывание начинается не в начале обратного хода порш­ня, а в конце процесса расширения (точка 4 на рис. 13.2). Следовательно, объем V_BCl фактически всасываемый порх­нем, меньше рабочего объема цилиндра.

Отношение всасываемого объема к рабочему объему цилиндра называют объемным коэффициентом компрессо­ра:

K = VJV_V. (13.7)

Объемный коэффициент характеризует использование рабочего объема цилиндра.

350

По уравнению политропы для начала и конца процесса расширения имеем

Ко по выражению (13.6) V_M-aVp. Следовательно»

ИЛ1Г

Уц™-АУ|У*Ч

Ряст — "^г р

где e — степень повышения давления.

Pi 1	j			r
!л	*.	s \ \ N. \
i A			*
L
	У/теш		-, Vtc >	V

Рис. 13.2. Индикаторная дна- Рис 1&3. Влияние степени по- грэмма компрессора с нерт- вышення давления е не поле­ вым пространством чу компрессоре

Из диаграммы на рис. 13.2 следует

V_BC - V_p + V_M- V_pacni = V_p +aV»-aVv mPp ; поэтому

l/fl.

или

Объем всасывания

V_BC-^V_P=[l-o{e^,/hP-lJ]^.

(13.8)

(13.9) 85]

Однако действительный объем газа, подаваемого компрес­сором, при условиях перед всасывающим патрубком ком­прессора будет меньше определяемого по выражению (13.9). Это объясняется двумя причинами: no-первых, на­гревом газа при всасывании от горячих поверхностей кл^„ пана и стенок цилиндра и, во-вторых, неполной герметич­ностью цилиндра компрессора (утечками через клапавы сальника и между поршневыми кольцами и внутренней по. верхностью цилиндра).

Первое из указанных обстоятельств учитывается тер. лшчегким коэффициентом д^, второе — коэффициентом гер­метичности %_г. Поэтому действительный объем, всасывае­мый компрессором,

Произведение

КЬ,К = ь (13.Ю)

называют коэффициентом подйчи_щ Следовательно,

V_L=\l~a(eⁱⁿp— l)]KK^ (I3.H)

Подача компрессора одностороннего действия с одним цилиндром

u-Hi«-ri-e(»^lftl»-U]4*.V_p/i, (13.12)

где п — число двойных ходов поршня в минуту.

Из уравнения (13-12) ясны факторы, определяющие. подачу компрессора. Основной величиной является рабо­чий объем цилиндра, равный произведению площади порш-

ня на его ход: И_р= —D*S.

Объем мертвого пространства влияет на подачу ком­прессора отрицательно. Увеличивая относительную вели­чину мертвого пространства, можно добиться равенства а(в¹/'¹р—1)=1, и подача по выражению (13.12) станет рав­ной нулю. Это наглядно видно из диаграммы, представ­ленной на рис. 13*2: при увеличении V_u ось ордцнат пере­носится влево, политропа сжатия располагается более полого и при некотором предельном значении V_K попадает в точку 3; подаваемый объем становится равным нулю. При этом линии сжатия и расширения совпадают; компрессор не всасывает н не подает.

Увеличение степени повышения давления при заданном V_H уменьшает подачу. Это ясно из формулы (13.12) и со-

352

доставления диаграмм p_t V, приведенных для разных зна­чений в на рис. 13.3.

Мсртвое пространство влияет на подачу тем сильнее, _чсм выше степень повышения давления; поэтому относи­тельное значение мертвого пространства выбирается тем меньше, чем больше степень повышения давления компрес­сора.

Для современных компрессоров Ao=QJ-rO_l9; ^=0,90-^

0.95, ^=0,95^-0,98.

fj.5. Многоступенчатое окате

При сжатии газа температура его повышается. В табл. 13.1 приведены конечные температуры воздуха, сжимаемо­го при различных условиях в компрессоре с D=0,7 ^м* от начальной темгтерагуры fi=283 К. Так как компрессорные смазочные масла имеют температуру вспышки по Бренке-ну 493—533 К, то конечные температуры сжатия 493— 443 К, получаемые при е=8, являются опасными. Электри­ческие разряды невысокого потенциала, возникающие в проточной части компрессоров, могут вызвать возгорание нагара и затем при достаточной концентрации масляных паров в воздухе взрыв компрессора.

Приведенные соображения ограничивают степень по­вышения давления в одном цилиндре компрессора.

В современных компрессорах с водяным охлаждением степени повышения давления в одном цилиндре выше 7 встречаются редко. В отечественных конструкциях боль­шой подачи е^4. Если степень повышения давления ком­прессора превышает 7, то процесс сжатия ввдут в несколь­ких последовательно включенных полостях — ступенях давления. При переходе из одной ступени в другую газ ох­лаждают в промежуточных охладителях.

Габлкда 13.1. Температура сжатии при ялил€&том и политроаисм процессах

	Конечная температур* воздуха. К
_	Аднвбатное сжатие	Политрогшое сжатие с оклвждеинеи цнлнидря	Полнгропяое сжатие с охлаждением цилиндра и крынки
2 4 6 в	Эбв 438 493 536	337 402 454 493	325 372 409 443

23-559

353

Количество ступеней, необходимое для достижения за­данной степени повышения давления» принимают в пре. делах:

а

До б

6—30

30—100

100—150