Поршневые компрессоры

ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Одноступенчатый компрессор. Поршневые компрессоры применяются для сжатия газов. При подготовке к данной лабораторной работе необходимо усво­ить принцип действия поршневого компрессора, который основан на изменении объема рабочей полости цилиндра за счет перемещения поршня. При движении поршня 2 слева направо происходит всасывание газа при открытом всасывающем клапане 4 и заполнение им цилиндра 1 (рис. 1). Вса­сывание изображено на теоретической индикаторной диаграмме (рис. 2) линией 4–1. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие газа до требуемого давления Р₂ (процесс 1–2). Как только давление в цилиндре достигнет величины Р₂, откроется нагнетательный клапан 5 (рис.1) и газ начнет выталкиваться поршнем в газосборник (процесс 2–3, рис.2). При достижении поршнем крайнего левого положения в реальном компрессоре снача­ла происходит расширение газа, оставшегося в зазоре между поршнем и крышкой цилиндра (вредном пространстве V₀), до давления во всасывающей магистрали P₁ (процесс 3–4). Лишь после этого откроется всасывающий клапан и начнется наполнение цилиндра новой пор­цией газа (процесс 4–1). В результате часть рабочего объема не заполнится свежей порцией газа и действительный объём всасывания V_вс уменьшится в сравнении с рабочим объёмом V_раб.

Отношение объема всасывания V_вс к рабочему объему V_раб представляет собой объем­ный коэффициент полезного действия компрессора:

, (1)

по величине которого оценивается подача сжатого газа потребителю (производительность компрессора). Обратите внимание на то (см.[1–3]), что объемный КПД уменьшается с увеличением вредного пространства и повышением давления сжатия.

Следует помнить, что работа l_k, затрачиваемая на привод компрессора, чис­ленно равна площади, ограниченной контуром индикаторной диаграммы. На рис. 2 это площадь, ограниченная контуром 1234l (заштрихованная площадь). Эта работа зависит от характера процесса сжатия, которая может протекать различными путями в зависимости от интенсивности отвода теплоты от сжимаемого газа. На рис. 2 изображены изотермический 1–2′ (n=1), адиабатный 1–2′′ (n=к) и политропный 1–2 (к>n>1) процессы сжатия. Обратите внимание на то, что сжатие по изотерме требует наименьших затрат работы, т. е. является энерге­тически наиболее выгодным. Чтобы приблизить процесс сжатия в компрессоре к изотермическому, необходимо интенсивно отводить теплоту от сжимаемого газа. Это достигает­ся за счет охлаждения цилиндра, например, водой, подаваемой в рубашку охлаждения 3, образуемую полыми стенками цилиндра (рис. 1). В реальных условиях экс­плуатации отвод теплоты является таким, что сжатие газа осуществляется по полит­ропе с показателем политропы n= 1,18 – 1,23.

Р

3 2' 2 2''

5 Р₂

n n=k

газ n=1

4

3 2 1 вода l_k

а

Р₁ 4 V_вс 1

Рис.1 V₀ V_раб

V

Рис.2

Многоступенчатый компрессор. Применение одноступенчатых ком­прессоров для получения сжатых газов с весьма высоким давлением нецелесообраз­но, так как с повышением давления нагнетания объемный КПД и производитель­ность компрессора уменьшаются. Другой причиной ограничения давления сжатия в одной ступени является недопустимость высокой температуры в конце сжатия, которая увеличивается с ростом конечного давления. По­вышение температуры газа выше 200°С ухудшает условия смазки (происходит кок­сование масла) и может привести к самовозгоранию масла.

Для получения сжатого газа более высокого давления (1,0 – 1.2 МПа и выше) применяются многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением газа после каждой ступени. Сущность многоступенчатого сжатия может быть пояснена на примере двухступенчатого компрессора, схема которого представлена на рис. 3, а его идеальная (при V_o = 0) индикаторная диаграмма – на рис. 4.

P b 5 4 2'

вода Р₃

Р₁; T₁ Р₂; T₂ Р₂; T₁ Р₃; T₂

II ступень

газ а 2

3 Р₂ 3

1 I ступень

Р₁ 0 1

вода 2 вода

V

Рис.3 Рис.4

В первой ступени 1 (рис.3 и 4) газ сжимается по политропе 1–2 до давления Р₂, а затем он поступает в промежуточный холодильник 3, где охлаждается до начальной температуры T₁. Гидравлическое сопротивление холодильника по воздушному тракту делают не­большим. Это позволяет считать процесс охлаждения 2–3 изобарным. После холодиль­ника газ поступает во вторую ступень 2, где сжимается по политропе 3–4 до давления Р₃. Если бы сжа­тие до давления Р₃ осуществлялось в идеальном одноступенчатом компрессоре (ли­ния 1–2', рис.4), то величина затраченной за цикл работы определялась бы площадью 012'b0 . При двухступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением эта работа численно равна площади 01234b0. Заштрихованная площадь соответствует экономии работы за цикл при двухступенчатом сжатии. Обратите внимание на то, что чем больше ступеней сжатия и промежуточных холодильников, тем ближе будет процесс к наи­более экономичному изотермическому, так как ломанная линия 1–2–3–4 приближается к кривой изотермического сжатия 1–3–5 .

На рис.5 изображены процессы политропного сжатия 1–2, 3–4 и промежуточного изобарного охлаждения 2–3 в Ts-координатах. Заштрихованные площади показывают (в масштабе) количество теплоты, отводимой от воздуха в систему охлаждения: в первой ступени q_1-2, во второй ступени q_3-4 и в промежуточном холодильнике q_2-3. Из рисунка видно, что промежуточное охлаждение позволяет снизить температуру конца сжатия с Т₂' до T₂, что обеспечивает надёжную смазку трущихся поверхностей.

Специальные расчёты показывают, что наиболее выгодным многоступенчатое сжатие оказывается в том случае, когда отношение давлений в каждой ступени будет одинаковым. При этом работа, затрачиваемая на привод многоступенчатого компрессора, будет минимальной. Обозначая отношение давлений в каждой ступени через x, его величину находят из выражения:

, (2)

где z – число ступеней компрессора; p_нач – давление газа, поступающего в первую ступень; p_кон – давление газа, выходящего из последней ступени.

При распределении отношений давлений по формуле (2) и при равенстве начальных температур и показателей политропы будут равны и затраченные работы во всех ступенях компрессора. Поэтому для вычисления работы на привод многоступенчатого компрессора l_kΣ достаточно определить работу в одной ступени l_k и умножить её на число ступеней, т.е. увеличить её в z раз.

Это утверждение относится и к определению количества теплоты, отводимой в ступенях через стенки цилиндров при политропном сжатии, и количестве теплоты, отводимой от газа в промежуточных холодильниках.

Из вышеизложенного следует, что многоступенчатое сжатие имеет следующие преимущества:

1) понижается отношение давлений в каждой из ступеней и в соответствии с этим повышается объемный КПД компрессора и его производительность;

2) улучшаются условия смазки поршня в цилиндре вследствие использования промежуточного охлаждения газа;

3) приближается рабочий процесс к изотермическому и уменьшается расход энергии на привод компрессора.

Вместе с тем, следует отметить, что вопрос о выборе числа ступеней, обеспечивающего заданную величину p_кон, решается на основе не только термодинамических, но и технико-экономических соображений.

3