Б компрессорные машины

После изучения главы 6 бакалавр должен: знать

• • работу одноступенчатого и многоступенчатого компрессора; уметь
• • определять мощность привода и КПД компрессора; владеть
• • навыками расчета производительности компрессоров с учетом вредного пространства.

Одноступенчатый компрессор

Компрессоры предназначены для сжатия и перемещения газов. Они нашли широкое применение в технике, являясь одним из основных агрегатов в газотурбинных и в некоторых поршневых двигателях.

По способу сжатия газа компрессоры подразделяются на две группы. К первой группе относятся объемные компрессоры (поршневые, ротационные и др.), а ко второй — центробежные (турбинные). Несмотря на конструктивные различия, термодинамика процессов, протекающих в обеих группах компрессоров, одинакова. Поэтому для анализа процессов, протекающих в машинах для сжатия газов, ниже будет рассмотрена работа поршневого компрессора как наиболее простого по конструкции.

Компрессор состоит (рис. 6.1, б) из цилиндра 1, поршня 2, всасывающего клапана 3 и нагнетательного клапана 4. Рабочий процесс совершается за.

Рис. 6.1:

а — теоретическая индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора; б — принципиальная схема одноступенчатого компрессора два хода поршня, или за один оборот коленчатого вала. При движении поршня вправо через открытый всасывающий клапан газ поступает в цилиндр. При обратном движении поршня (влево) всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие газа до определенного давления, при котором открывается нагнетательный клапан и производится нагнетание газа в резервуар.

Компрессор называется идеальным, если сжатый в цилиндре газ полностью без остатка выталкивается поршнем, отсутствуют потери энергии в клапанах, отсутствуют утечки и перетечки газа через неплотности, отсутствуют силы трения поршня о цилиндр.

Теоретическая индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора показана на рис. 6.1, а. В диаграмме линия 4—1 соответствует процессу всасывания; линия 1—2 соответствует процессу сжатия по изотерме; линия 1—2″ соответствует процессу сжатия по адиабате; линия 1—2' соответствует политропному процессу сжатия; линия 2—3 соответствует процессу нагнетания; линия 3—4 — условная линия, замыкающая цикл.

Следует отметить, что линии 4—1 и 2—3 не изображают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела здесь не меняется, а меняется лишь его количество.

Термодинамический расчет компрессора выполняется с целью определения работы, затрачиваемой на сжатие, что в свою очередь дает возможность определить мощность приводного двигателя.

Удельная работа /, затрачиваемая на получение сжатого газа при условии обратимости всех процессов и отсутствии приращения кинетической энергии газа, определяется по формуле.

где pV 1 — работа всасывания (затрачивается внешней средой при заполнении цилиндра); p₂v₂ — работа нагнетания (затрачивается на вытеснение га;

за из цилиндра); Jpdv — работа, затраченная на сжатие газа.

Так как-то

Ввиду того что работа /_к на получение сжатого газа затрачивается, она имеет отрицательный знак. Эта работа называется технической работой компрессора. Работа компрессора /_к на диаграмме в pv-координатах изображается пл. (1—2—3—4—1) (работа изотермического сжатия).

Работа, затраченная на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии, определяется по формуле (см. параграф 3.4).

При адиабатном сжатии работа на привод компрессора будет (см. параграф 3.5) определяться по формуле.

Эта работа численно равна пл. (1—2″ —3—4—1). Работа на привод компрессора при адиабатном сжатии может быть также записана в виде формулы.

где и₂ — и_{ = /_ад — работа адиабатного сжатия.

В случае сжатия по политропе формула для определения работы на привод идеального компрессора будет (см. параграф 3.6) иметь вид.

Работа на привод компрессора при политропном сжатии численно равна пл. (1—2 —3—4—1).

Таким образом, сжатие по изотерме дает наименьшую площадь и, следовательно, наименьшую работу, затраченную на привод идеального компрессора. Наибольшая затрата работы получается при адиабатном сжатии.

Для того чтобы процесс сжатия газа приблизить к изотермическому, необходимо от него в процессе сжатия отводить теплоту. С этой целью в стенках цилиндра компрессора делаются полости, через которые прокачивается охлаждающая жидкость.

Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора представлена на рис. 6.2.

На этой диаграмме процесс всасывания изображается линией 4—1, процесс сжатия — линией 1—2, процесс нагнетания — линией 2—3. Линия 3—4 соответствует процессу расширения газа, оставшегося во вредном пространстве. Вредным пространством называется некоторый свободный объем Vq между поршнем и крышкой цилиндра в момент нахождения поршня в крайнем верхнем положении. Его объем составляет 4—10% от рабочего объема V}_x цилиндра. После нагнетания газ, оставшийся во вредном прост;

Рис. 62. Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора ранстве, имеет давление нагнетания р₂. При обратном движении поршня происходит расширение газа, оставшегося во вредном пространстве. Всасывание новой порции газа начинается лишь тогда, когда давление расширяющегося в цилиндре газа станет меньше давления всасывания р_х (окружающей среды). При этом всасывание начинается только в точке 4 и в цилиндр поступит новая порция газа v = Vf_l- объем которой меньше рабочего объема V)_v

Таким образом, отличие действительной индикаторной диаграммы одноступенчатого компрессора от теоретической (см. рис. 6.1) заключается в наличии вредного пространства в реальном компрессоре, а также в наличии потерь на дросселирование во всасывающем и нагнетательном клапанах. Вследствие этого всасывание новой порции газа в цилиндр происходит при давлении, меньшем давления р_ь а нагнетание — при давлении, большем давления р₂ в нагнетательном трубопроводе.

Вредное пространство уменьшает количество всасываемого газа и, следовательно, уменьшает производительность компрессора. Степень использования рабочего объема цилиндра оценивается объемным КПД компрессора.

Объемный КПД уменьшается с увеличением объема вредного пространства, так как в этом случае уменьшается объем всасываемого в цилиндр газа и при некоторой величине vX_v может стать равным нулю.

Объемный КПД уменьшается также и с повышением давления сжатия. На графике (рис. 6.3) дана диаграмма сжатия газа в одноступенчатом компрессоре для трех разных давлений р₂, р₂> р₂.

В этой диаграмме: линией 1—2 изображается адиабатный процесс сжатия до давления р₂ линией 2—3 изображается линия нагнетания газа в резервуар при давлении р₂ линией 3—4 изображается адиабатный процесс расширения газа, оставшегося во вредном пространстве; линия 4—1 — это линия всасывания газа. Объем газа, поступающего в цилиндр, в этом случае будет равен v.

Если давление сжатия повысить до давления р₂, то в этом случае будем иметь следующие процессы: линией 1—2' изображается процесс сжатия;

Рис. 6.3. Диаграмма сжатия газа в одноступенчатом компрессоре для трех разных давлений линией 2'—3' изображается нагнетание газа в резервуар; линией 3'—4' изображается расширение газа, оставшегося во вредном пространстве; линией 4'—1 изображается всасывание новой порции газа в цилиндр компрессора.

Можно заметить, что с увеличением давления сжатия объем газа, поступающего в цилиндр, уменьшается (v' < v). Это связано с тем, что газ, оставшийся в цилиндре при большем давлении, при расширении занимает больший объем. В результате рабочий объем цилиндра уменьшается.

И в пределе, когда линия 1—3″, соответствующая процессу сжатия, пересекает линию вредного пространства (линия 3—3″), компрессор будет сжимать и расширять одну и ту же порцию газа, так как будет отсутствовать процесс всасывания. Это связано с тем, что газ, оставшийся во вредном пространстве при давлениир'{, в результате расширения (линия 3″ —1) занимает весь объем цилиндра и всасывания новой порции газа не происходит. Объемный КПД в этом случае равен нулю, производительность компрессора также равна нулю.

С увеличением давления увеличивается температура сжатого газа, в том числе и температура газа, оставшегося во вредном пространстве. Повышается также и температура стенок цилиндра. При всасывании новой порции газа происходит его нагрев от стенок цилиндра и от перемешивания с нагретым газом, оставшимся во вредном пространстве. Этот нагрев сопровождается увеличением удельного объема газа, всасываемого в цилиндр, что сопровождается уменьшением массы поступающего в цилиндр газа. Это уменьшение массы оценивается отношением Т[/Т, где Т{ — температура всасываемого газа; Ту — температура газа, нагретого в цилиндре в результате всасывания.

Суммарное уменьшение производительности компрессора из-за нагрева газа и влияния вредного пространства оценивается коэффициентом наполнения.

Теоретическая работа, затраченная на привод компрессора с учетом влияния вредного пространства, численно равна пл. (1—2—3—4—1) (при сжатии до давления ру, см. рис. 6.3).

Уменьшение объемного КПД X_v с ростом Р2/Р и ухудшение при этом условий смазки из-за роста температуры газа делают одноступенчатый (одноцилиндровый) компрессор непригодным для получения газа высокого давления.

Обычно одноступенчатый компрессор применяется при степенях повышения давления не выше 10—12. Для получения газа высокого давления применяется многоступенчатое сжатие в трех, четырех и т. д. цилиндрах, последовательно соединенных между собой. При переходе газа из одного цилиндра в следующий применяется промежуточное охлаждение газа, что позволяет улучшить условия смазки компрессора и получить экономию электроэнергии за счет приближения процесса сжатия к изотермическому, при котором работа компрессора /_к оказывается наименьшей (см. параграф 6.3).