14.3. Индикаторная диаграмма реального поршневого компрессора

Индикаторная диаграмма компрессора представлена на рис. 42. На этой диаграмме процесс всасывания изображается линией 4–1, сжатия – 1–2, нагнетания – 2–3. Линия 3–4 характеризует процесс расширения газа, оставшегося во вредном («мертвом») пространстве.

Рисунок 42 – Индикаторная диаграмма поршневого компрессора при наличии «мертвого пространства».

Вредным пространством называется некоторый свободный объем между поршнем и крышкой цилиндра в момент нахождения поршня в крайнем левом положении. Его объем составляет от рабочего объема цилиндра .

Влияние «мертвого» пространства.

При наличии в компрессоре «мертвого» пространства , рис. 42 в рабочей камере после завершения нагнетания остается объем газа с давлением . При движении поршня вправо только после снижения давления в рабочей камере до открывается всасывающий клапан, т. Е. процесс всасывания газа начинается лишь в точке 4, и всасываемый объем составляет , объем которого меньше рабочего объема .

Вредное пространство уменьшает количество всасываемого газа и, следовательно, снижает производительность компрессора. Для расчета производительности реального поршневого компрессора принята зависимость:

где – производительность теоретического или идеального компрессора;

– ход поршня;

– площадь поперечного сечения цилиндра;

– число двойных ходов в единицу времени;

– коэффициент подачи.

При наличии вредного пространства производительность машины составит:

где – коэффициент всасывания, характеризующий снижение производительности из-за мертвого пространства.

Если процесс расширения газа на линии 3 – 4 политропный, а показатель политропы расширения , то параметры газа в точках 3 и 4 можно связать уравнением:

или

Из этого равенства следует

и

где –коэффициент мертвого пространства.

Влияние сопротивления клапанов и теплообмена между газом и компрессором (при ).

Из-за наличия сопротивления при всасывании газа давление в рабочей камере , а при нагнетании , рис. 43.

Рисунок 43. Индикаторная диаграмма поршневого компрессора при наличии сопротивления клапанов.

Контакт всасываемого газа с нагретыми деталями машины и смешение его с газом мертвого пространства приводит к повышению температуры всасываемого газа. В момент окончания всасывания (в т.1) газ имеет параметры и . Приведем всасываемый объем ( ) к начальным параметрам, для этого воспользуемся уравнением:

где .

Получим

Формула для расчета производительности примет вид

_где – коэффициент подачи, учитывающий влияние подогрева газа на производительность;

– коэффициент подачи, учитывающий влияние сопротивление всасывающего клапана на производительность компрессора.

Учет прямых утечек газа в компрессоре

Учет прямых утечек газа в компрессоре ведется с помощью коэффициента герметичности , который является аналогом объемного КПД насосов.

Если сжимается влажный газ, то после его сжатия и охлаждения часть водяных паров сконденсируется, что приведет к дополнительному снижению объема сжатого газа. Для учета этого фактора вводится коэффициент .

Коэффициент герметичности для политропного процесса компрессора определяется выражением

Как следует из данного выражения коэффициент герметичности уменьшается с увеличением степени сжатия и при некотором ее значении может стать равным нулю. Степень сжатия , при которой , называется пределом сжатия.

При предельном значении степени сжатия газ, находящийся в «мертвом» пространстве, расширяясь, занимает весь объем цилиндра. Всасывание газа в цилиндр прекращается и производительность компрессора становится равной нулю. На индикаторной диаграмме, рис. 44 линия сжатия и расширения сливаются в одну лини; площадь индикаторной диаграммы и, следовательно, индикаторная мощность при пределе сжатия равны нулю. Предел сжатия при политропном расширении газа в мертвом пространстве может быть определен из уравнения при условии .

ε

Рисунок 44 – Индикаторная диаграмма компрессора при пределе сжатия.

В действительности, в качестве предельной принимают значительно меньшую степень сжатия. При этом считают, что компрессоры, имеющие коэффициент герметичности менее ( ), практически невыгодны. Соответствующий этому объемный предел степени сжатия находится из уравнения

Следовательно, для расчета коэффициента подачи можно воспользоваться зависимостью

В реальном компрессоре процесс сжатия газа всегда происходит при наличии теплообмена со стенками рабочей камеры. При этом начало процесса сжатия, когда температура газа еще ниже температуры стенок машины, сопровождается подводом теплоты к газу и характеризуется показателем политропы .

Окончание процесса сжатия сопровождается отводом теплоты от газа, так как компрессорная машина в целом охлаждается окружающей средой и ее температура вблизи точки 4 уже ниже температуры газа, и . Таким образом, процесс сжатия протекает с переменным показателем политропы. Среднее же значение показателя . Окончательный вид индикаторной диаграммы приведен на рис. 45. Всплески давления вблизи точек 2 и 4 связаны с инерционностью клапанов, с запаздыванием их открытия.

Рисунок 45 – Индикаторная диаграмма реального поршневого компрессора.

Следующим ограничением, обуславливающим сравнительно небольшие степени сжатия в одноступенчатых компрессорах, является температура газа после сжатия, которая не должна быть выше . При более высоких температурах начинается выделение летучих веществ, которые, соединяясь с сжимаемым газом, могут образовывать взрывоопасные смеси.