Мощность поршневого компрессора и его коэффициент полезного действия

Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха в цилиндре реального компрессора, называется индикаторной (N). Ее находят по индикаторной диаграмме, снятой с компрессора, используя следующую формулу:

где Pi — среднее индикаторное давление, определяемое, но индикаторной диаграмме, Па, т. е. такое постоянное давление, при действии которого на поршень за один его ход совершается работа, равная работе полного цикла компрессора; F — площадь поршня, м²; S — ход поршня, м; п — частота вращения вала компрессора, об/мин.

По формуле (17.13) вычисляют мощность, кВт, компрессора простого действия. В компрессорах двойного действия мощность определяют для каждой полости цилиндра, а затем полученные величины складывают.

Мощность на валу компрессора называется эффективной (N_e), она больше индикаторной на величину механических потерь:

где г|_мсх — механический КПД компрессора, величина которого у современных поршневых компрессоров при номинальной нагрузке составляет 0,85—0,9.

Механический КПД зависит от индикаторной мощности, т. е. от нагрузки машины:

С понижением нагрузки компрессора механический КПД уменьшается.

При отсутствии индикаторной диаграммы мощность, потребляемую компрессором, определяют расчетным путем. В этом случае не учитывают вредное пространство, поскольку оно не оказывает заметного влияния на мощность, расходуемую компрессором, так как работа, затраченная на сжатие воздуха в нем, в значительной степени возвращается в процессе расширения. Работу идеального компрессора при изотермическом, адиабатном п политропном сжатии рассчитывают, но формулам, приведенным в гл. 3.

Степень совершенства компрессорных машин нельзя оценивать термическим КПД, так как их рабочий процесс не является термодинамически замкнутым. Эффективность работы различных компрессоров оценивают, но относительному термодинамическому КПД, характеризующему степень приближения действительного рабочего процесса к идеальному.

В качестве идеального процесса сжатия в охлаждаемых компрессорах принимается изотермический процесс как процесс, на который затрачивается наименьшая работа. В связи с этим вводится понятие изотермического КПД компрессора г|_1|ЗТ, равного отношению работы (мощности), потребляемой идеальным изотермическим компрессором, к индикаторной работе (мощности), потребляемой в действительности:

Мощность, кВт, расходуемую идеальным компрессором с изотермическим сжатием, определяют по формуле.

где p_v р₂ — давление всасываемого и сжатого воздуха соответственно, 11а; V_x — объем всасываемого воздуха при давлении и температуре во всасывающем патрубке; V — производительность компрессора, м³/с.

По величине изотермического КПД судят об индикаторных потерях в компрессоре, вызванных несовершенством процессов сжатия и расширения, потерями в клапанах, утечками воздуха и т. д.

Изотермический КПД существенно зависит от степени повышения давления р. Максимальное значение изотермического КПД достигается при р ~ 3. При меньших значениях изотермический КПД начинает резко падать, что объясняется ростом относительной величины потерь энергии в клапанах. Это одна из основных причин нецелесообразности применения поршневых компрессоров при малых степенях повышения давления р.

При р > 3 изотермический КПД также снижается, однако в меньшей степени.

Мощность на валу компрессора оценивают по величине полного изотермического КПД, учитывающего индикаторные и механические потери:

Мощность на валу реального компрессора может быть определена по формуле.

Если поршневой компрессор приводится во вращение через ременную передачу, то КПД всей компрессорной установки.

где г|_м — КПД передачи.

У большинства современных воздушных компрессорных установок КПД изменяется в пределах от 0,45 до 0,65.

Предел сжатия в одной ступени поршневого компрессора. Предельная степень повышения давления в одной ступени компрессора зависит от величины вредного пространства и допустимой температуры воздуха в конце сжатия.

На рис. 17.3 приведена индикаторная диаграмма компрессора, на которой давление всасывания р, постоянно, а давление в конце сжатия р₂ все время повышается. С повышением давления р₂ уменьшается количество воздуха, подаваемого в напорную магистраль, и увеличивается количество воздуха, остающегося во вредном объеме компрессора. По достижении давления р₂ линии сжатия {1—3″) и расширения (2″ —1) сливаются, и подача воздуха в напорную магистраль прекращается. Полученная в этом случае степень повышения давления [3 является предельной, а объемный КПД компрессора равен нулю.

Рис. 17.3. К определению степени повышения давления в одной ступени поршневого компрессора.

Предельная степень повышения давления может быть найдена из (17.7) при X_v = 0:

откуда.

Для получения высоких давлений воздуха применяют многоступенчатое сжатие с охлаждением его после каждой ступени в специальном холодильнике. Термодинамические основы многоступенчатого сжатия воздуха в компрессоре были рассмотрены в гл. 3.

Число ступеней г, необходимое для достижения заданного конечного давления, принимают согласно табл. 17.1.

При увеличении числа ступеней компрессора сжатие воздуха все более приближается к изотермическому процессу, при этом дополнительная экономия работы, достигаемая введением новой ступени, снижается.

Число ступеней, необходимое для достижения заданного конечного давления.

Двухступенчатая компрессорная установка с промежуточным холодильником, схема которой представлена на рис. 17.4, состоит из воздушного фильтра 1, компрессора с двумя цилиндрами 2 и 5, электродвигателя, промежуточного холодильника 3, влагомаслоотделителя 4, обратного клапана 6 и ресивера 7.

Рис. 17.4. Схема компрессорной установки с двухступенчатым поршневым компрессором.

Атмосферный воздух через воздушный фильтр поступает в цилиндр первой ступени, имеющий больший диаметр. В нем воздух сжимается от давления /?, до давления р₂. Температура воздуха при этом повышается от t_]до t₂. Сжатие воздуха в цилиндре компрессора, в зависимости от интенсивности охлаждения, протекает по политропе с показателем п = 1,25^-1,35. Из цилиндра первой ступени сжатый воздух поступает в промежуточный холодильник, где охлаждается при постоянном давлении до начальной температуры t_v

Промежуточный холодильник обычно выполняется трубчатого типа с водяным охлаждением. В компрессорных установках небольшой производительности холодильники располагаются на цилиндровом блоке компрессора, а в установках большой производительности изготовляются в виде отдельных аппаратов. Охлажденный воздух из холодильника подается во влагомаслоотделитель, где он очищается от капелек влаги и масла. Охлажденный и очищенный воздух направляется в цилиндр второй ступени компрессора, имеющий меньший диаметр. Здесь он сжимается до давления р₃с повышением температуры до t₂.

Из цилиндра второй ступени воздух через обратный клапан 6 поступает в ресивер. Назначение ресивера — уменьшать колебания давления воздуха во внешней сети, возникающие в результате периодической подачи воздуха компрессором. Кроме того, ресивер служит для отделения масла и влаги от воздуха, для чего его оборудуют специальными устройствами.

Объем ресивера V, обеспечивающий хорошее сглаживание колебаний давления, определяют по эмпирической формуле.

где V — производительность компрессора, м³/с.

В стационарных установках ресиверы размещают снаружи помещения, так как они относятся к взрывоопасным устройствам.

Выше была рассмотрена компрессорная установка со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах компрессора. В двухи многоступенчатых компрессорах часто применяют дифференциальные поршни с несколькими ступенями сжатия в одном цилиндре.

Двухступенчатый компрессор прямоточного типа с дифференциальным поршнем. В таком компрессоре (рис. 17.5) ступени сжатия разнесены по обе стороны последнего.

Рис. 17.5. Схема двухступенчатого компрессора прямоточного типа с дифференциальным поршнем.

При движении поршня вправо в ступени I будет происходить сжатие, а в ступени II — расширение воздуха, оставшегося во вредном пространстве. По достижении в ступени II давления р₂, равного давлению в промежуточном холодильнике, откроется всасывающий клапан, и поршень, перемещаясь вправо, будет всасывать воздух из промежуточного холодильника. После снижения давления в холодильнике открывается нагнетательный клапан ступени I, и воздух направляется в ступень II. При движении поршня влево в ступени I сначала происходит расширение воздуха, оставшегося во вредном пространстве, а затем всасывание свежей порции воздуха из атмосферы (давлением /;,). В ступени II в это время воздух сначала сжимается, а потом подается с давлением р₃ в ресивер.

Двухступенчатый компрессор одностороннего действия с дифференциальным поршнем. В таком компрессоре (рис. 17.6, а) обе ступени сжатия расположены по одну сторону поршня. При этом в них одновременно обеспечиваются всасывание и подача воздуха.

Теоретическая индикаторная диаграмма такого компрессора дана на рис. 17.6, б. При движении поршня вправо в ступенях I и II происходит расширение воздуха, оставшегося во вредном пространстве, соответственно до давлений р_х и р₂. В точках 4 и 4' открываются всасывающие клапаны, и начинается всасывание воздуха: в ступени I — из атмосферы при давлении р, и в ступени II — из промежуточного холодильника. При этом в холодиль;

Рис. 17.6. Схема двухступенчатого компрессора одностороннего действия с дифференциальным поршнем (а) и его индикаторная диаграмма (б).

нике и цилиндре ступени II давление понижается от р₂ до р'₂ в результате политроппогорасширения воздуха полиции 4'—1'.

При ходе поршня в обратную сторону в ступени II происходят сжатие воздуха по политропе 1'—2' до давления р₃ и подача его в ресивер по линии 2'-3'.

В ступени I при этом происходит сжатие по политропе 1—2 до давления р₂. В точке 2 открывается нагнетательный клапан ступени I, и воздух подается в промежуточный холодильник. Данный процесс протекает по политропе 2—3 и сопровождается повышением давления от р₂ до р₂. Промежуточный холодильник здесь используется в качестве ресивера.

Из рассмотренных двух схем двухступенчатого сжатия с дифференциальными поршнями предпочтение следует отдать первой схеме, поскольку в ней рабочие усилия на подвижные части распределены более равномерно.

Комбинированием ступеней двухступенчатого компрессора можно получить трехи многоступенчатые компрессоры с дифференциальным поршнем.