Объемные компрессоры.

Поршневые компрессоры делятся по числу всасываний и нагнетаний за один двойной ход поршня на компрессоры простого (одинарного) и двойного действия. За один двойной ход поршня компрессор простого действия производит одно всасывание и одно нагнетание, компрессор двойного действия - два всасывания и два нагнетания.

Ступенью сжатия называется часть компрессорной машины, где газ сжимается до конечного или промежуточного (перед поступлением на следующую ступень) давления. По числу ступеней поршневые компрессоры подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые, которые, в свою очередь, могут быть горизонтальными и вертикальными.

Принцип действия и теоретическая диаграмма работы поршневого компрессора. На рис.13 изображена схема компрессора простого действия. Поршень 2 движется возвратно - поступательно в цилиндре 1, снабженным всасывающим 3 и нагнетательным 4 клапанами. Поршень плотно прилегает к тщательно обработанной внутренней поверхности цилиндра.

Рис.13. Схема поршневого компрессора простого действия:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 4 – всасывающий и нагнетательный клапаны; 5 и 6 – патрубки для входа и выхода охлаждающей воды; 7 – рубашка.

Движение поршня осуществляется при помощи кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию от двигателя. При движении поршня вправо газ при давлении р₁ всасывается через клапан 3; при движении в обратную сторону газ сначала сжимается до требуемого давления р₂ и затем вытесняется через клапан 4 в нагнетательный газопровод. Для отвода теплоты сжатия газа вокруг наружной поверхности цилиндра устанавливается рубашка 7, в которую подается холодная вода (5 - вход воды) и отводится нагретая вода (выход 6).

На рис.14 представлена теоретическая рабочая диаграмма для компрессора простого действия. При перемещении поршня от крайнего левого положения газ через открывшийся всасывающий клапан засасывается в цилиндр (линия 4-1). Когда поршень займет крайнее правое положение, пройденный поршнем объем V₁ наполнится газом с давлением р₁ и температурой Т₁ (на диаграмме точка 1). Когда поршень начнет двигаться влево, всасывающий клапан закрывается и начинается сжатие газа (линия 1-2). Поршень будет находиться в положении 2, когда давление газа достигнет величины противодавления в нагнетательном газопроводе, равного р₂; при этом откроется нагнетательный клапан и сжатый газ начнет выталкиваться при постоянном давлении р₂ в нагнетательный трубопровод (линия 2-3). На диаграмме процесс сжатия изобразится кривой 1-2, а процесс нагнетания прямой 2-3.

Теоретическая работа, совершаемая поршневым компрессором за один цикл (два хода поршня) А_к^, будет определяться как алгебраическая сумма работ всасывания (площадь 4571), сжатия (площадь 1267) и нагнетания (площадь 2356), т.е. изображаться площадью 1234 (20)

Предполагается, что процессы всасывания и нагнетания происходят при постоянном давлении.

Величина теоретической работы компрессора зависит от условий, при которых происходит сжатие газа, что обуславливается различными значениями А^_1-2 , а также А^_наг . Наименьшая работа затрачиваемая компрессором наблюдается в изотермическом процессе, а наибольшая - в адиабатном. На практике при работе компрессора показатель политропы может оказаться большим, чем показатель адиабаты (m>к). Это объясняется выделением дополнительного тепла при трении движущихся деталей компрессора, гидравлическим сопротивлением и т.д. В этом случае работа, затрачиваемая компрессором при политропном процессе будет больше, чем при адиабатном процессе (площадь 1234).

Рис.14. Теоретическая рабочая диаграмма поршневого компрессора простого действия.

Действительная диаграмма работы поршневого компрессора. Производительность компрессора. Для определения производительности компрессора по его главным размерам (площадь поперечного сечения поршня F, ход поршня S) и числу оборотов вала n пользуются действительной рабочей диаграммой компрессора. Ее отличие от теоретической обусловлено главным образом тем, что не весь сжатый газ вытесняется из цилиндра в конце рабочего хода поршня. По конструктивным причинам в пространстве между рабочей плоскостью поршня и крышкой цилиндра, носящем название вредного пространства, всегда остается некоторое количество газа, сжатого до давления р₂. Всасывание новой порции газа не начнется до тех пор, пока остаток сжатого газа не расширится до давления р₁, а точнее до р₀ < р₁, т. к. для открытия всасывающего клапана необходима некоторая разность давлений во всасывающем трубопроводе и цилиндре р₁ - р₀. Следовательно, всасывание газа будет происходить не на протяжении всего хода поршня S, а лишь на пути S₁ < S (рис.15).

Рис.15. Действительная диаграмма поршневого компрессора простого действия.

Действительная диаграмма компрессора показана на рис.15, где S₀ - приведенная длина вредного пространства, пропорциональная его объему; линия 4 - 1 - участок всасывания; 1 - 2 - участок сжатия; 2 - 3 - участок нагнетания; 3 - 4 - участок расширения газа, остающегося во вредном пространстве. Таким образом, производительность одноступенчатого компрессора простого действия, отнесенная к параметрам состояния всасываемого газа, выразится так: . Отношение объема всасываемого газа FS₁ к объему, описанному поршнем за один ход FS, называется объемным коэффициентом полезного действия компрессора: (21)

Таким образом (22)

Объемный к.п.д. падает с увеличением объема вредного пространства и с ростом степени сжатия р₂/ р₁ . По этой причине стремятся при проектировании компрессоров к возможному уменьшению величины ₀; на практике ₀ = 0,03 - 0,08.

Уменьшение ₀ c ростом степени сжатия, как это следует из имеет предел, называемый пределом сжатия, при котором ₀ становится равным нулю (S₁=0).

На диаграмме (рис.15) давления р₁, р₂ соответствуют давлениям во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, а р₀ - давление в цилиндре компрессора в момент открытия всасывающего клапана.

Действительная рабочая диаграмма компрессора, получаемая при помощи индикатора - индикаторная диаграмма (рис.15), отличается от теоретической также характером линий всасывания и нагнетания. Это вызвано, во-первых, тем, что сопротивления клапанов изменяются на протяжении хода поршня в связи с изменением его скорости и должны быть максимальными во время их открытия (выступы в начале рассматриваемых линий). Во-вторых, клапаны не открываются мгновенно, поэтому на индикаторной диаграмме отсутствуют резко выраженные пересечения всех линий. Следует учитывать, что реальная производительность компрессора V_p несколько ниже вследствие утечки газа через неплотности клапанов и поршня, подогрева поступающего газа о нагретые стенки цилиндра и др. Это учитывается соответственно коэффициентом герметичности и теоретическим коэффициентом . Таким образом действительная производительность компрессора находится как

, (23)

где - коэффициент подачи.

Многоступенчатое сжатие газа в поршневых компрессорах.

Увеличение степени сжатия ведет к увеличению температуры газа в цилиндре компрессора. Так, например, воздух, имея начальную температуру 20С, нагревается до 160 С при сжатии его от 0,1 до 0,4 МПа, т.е. при р₂/р₁ = 4, при показателе политропы m = 1,4.

По указанным причинам для достижения степеней сжатия газов выше 4 - 6 применяют многоступенчатые компрессоры, состоящие из ряда последовательно расположенных ступеней (цилиндров) двойного или простого действия со степенью сжатия в каждой ступени не более 4 - 5. Это обеспечивает достижение приемлемого объемного к.п.д., позволяя одновременно поддерживать допустимую температуру сжимаемого газа путем его охлаждения при переходе из каждой предыдущей ступени в последующую.

Расход энергии на сжатие газа в поршневых компрессорах. Работа трения поршня о цилиндр, штока в сальниках, вала в подшипниках и т.д. учитывается механическим к.п.д. компрессора _мех. При производительности компрессора G кг/с мощность на его валу выразится так

(24)

Частота вращения вала поршневого компрессора обычно не превышает 200 об/мин, поэтому при использовании электродвигателя требуется промежуточная передача, к.п.д. которой обозначим через _пер. Для определения полного к.п.д. компрессорной установки _к необходимо учитывать к.п.д. двигателя _д:

(25)

Полная мощность компрессорной установки будет:

(26)