Лекция 2. Поршневые компрессоры.

Классификация и типы поршневых компрессоров.

Нормализованные базы.

Сжатие газа в идеальном и реальном компрессоре. Объемный коэффициент компрессора.

Производительность компрессора, коэффициент подачи. Мощность и КПД компрессора.

Компрессорные машины предназначены для сжатия и перемещения газов. Компрессоры классифицируют по следующим признакам:

1. по принципу действия;

2. по конструктивному исполнению;

3. по области рабочих давлений.

По принципу действия компрессоры подразделяются следующим образом:

а) компрессоры, работающие по вытеснительному (объемному) принципу, когда рабочее тело засасывается в емкость (цилиндр и др.) и в нем под действием поршня (поршневой компрессор) или пластин (ротационный компрессор) сжимается до заданного давления и вытесняется газопровод;

б) компрессоры, работающие по динамическому принципу, в которых рабочее тело сжимается до заданного давления под воздействием быстро вращающихся лопастей, лопаток, дисков и т. п. Этот класс машин относится к турбокомпрессорам, работающим по схеме преобразования энергии обращенной турбины (в турбине энергия давления преобразуется в соплах в скорость). Как и турбины, турбокомпрессоры могут быть радиальными (центробежными) и аксиальными (осевыми);

в) компрессоры, работающие по струйному принципу, в которых частицам рабочего тела придается дополнительная скорость за счет смешения основного потока газа с потоком разогнанной жидкости или газа, вследствие чего результирующая скорость рабочего тела возрастает. При прохождении через диффузор скорость снижается, а давление рабочего тела возрастает. По этому принципу работают инжекторы, эжекторы, элеваторы.

Далее остановимся подробнее на классификации поршневых компрессоров.

По конструктивному исполнению поршневые компрессоры бывают:

а) с цилиндрами простого или двойного действия;

б) горизонтальные, вертикальные и угловые (в зависимости от расположения осей цилиндров);

в) крейцкопфные и бескрейцкопфные;

г) с дисковым или дифференциальным поршнем.

По величине создаваемого конечного давления поршневые компрессоры делятся на:

а) компрессоры низкого давления МПа;

б) компрессоры среднего давления МПа;

в) компрессоры высокого давления МПа;

г) компрессоры сверхвысокого давления МПа.

По числу ступеней поршневые компрессоры подразделяются на:

- одноступенчатые;

- многоступенчатые.

Одноступенчатый компрессор. На рис. 1.1 представлена конструктивная схема одноступенчатого поршневого компрессора.

В цилиндре движется поршень, совершающий возвратно-поступательное движение. При движении поршня вправо происходит всасывание газа через открытый всасывающий клапан при практически постоянном давлении. После того как поршень дойдет до крайнего правого положения (нижней мертвой точки), процесс всасывания заканчивается, клапан закрывается и поршень начинает двигаться влево. Происходит сжатие газа. Когда давление газа в цилиндре достигает значения, несколько превышающего давление в баллоне сжатого газа (ресивере), нагнетательный клапан открывается и происходит нагнетание сжатого газа в ресивер. Дойдя до крайнего левого положения (верхней мертвой точки), поршень вновь начинает двигаться вправо и процесс повторяется.

Рис. 1.1. Конструктивная схема поршневого компрессора с одной ступенью сжатия

Теория компрессорного процесса. Рассмотрим идеальный поршневой компрессор. На рис. 1.2 представлены процессы сжатия и нагнетания в координатах p–V.

Суммарная работа сжатия и перемещения газа будет равна площади фигуры, ограниченной линиями 0–1–2–3–0, в соответствующем масштабе:

Рис. 1.2. Изображение работы в координатах p–V

 

,

(1.1)

где n – показатель политропы;

– степень повышения давления.

Работа сжатия 1 кг газа при политропном процессе согласно рис. 1.2 будет равна:

,

(1.2)

Процесс сжатия в идеальном поршневом компрессоре может протекать как:

1. политропный процесс с частичным отводом тепла () – характерен для компрессоров с интенсивным водяным охлаждением;

2. политропный процесс с подводом тепла при – характерен для лопастных компрессоров;

3. адиабатный процесс n = k;

4. изотермический процесс n = 1.

В случае изотермического процесса сжатия суммарная работа сжатия и перемещения будет определяться уравнением:

,

(1.3)

Если процесс сжатия газа происходит при отсутствии подвода и отвода тепла (идеальный адиабатный процесс, называемый изоэнтропным), то, заменив в уравнениях (1.1) и (1.2) n на k, получим следующие выражения:

,	(1.4)
.	(1.5)

Изотермический и адиабатный (точнее, изоэнтропный) процессы в реальных компрессорах не могут быть осуществлены, а лишь используются для оценки энергетической эффективности компрессоров.

Для оценки эффективности объёмных компрессоров с интенсивно действующим водяным охлаждением используют изотермический КПД:

,

(1.6)

где – удельная энергия идеального изотермического процесса;

l – удельная энергия действительного политропного процесса с показателем политропы n;

– удельная изобарная теплоемкость газа.

Аналогично с помощью адиабатного КПД оцениваются поршневые, центробежные и осевые компрессоры с неинтенсивным воздушным охлаждением, для которых адиабатный процесс является эталонным.

На рис. 1.3 показано влияние показателя политропы n процесса сжатия на индикаторную диаграмму идеального компрессора.

Из рис. 1.3 видно, что с возрастанием значения n работа сжатия и перемещения увеличивается. Следует стремиться к снижению показателя политропы n путём увеличения количества отводимой от сжатого газа теплоты. Влияние показатели политропы сжатия на величину работы цикла (т. е. на потребляемую мощность) тем сильнее, чем выше относительное повышение давления. Так, при e = 3 работа адиабатного идеального компрессора превысит работу изотермического идеального компрессора на 17 %, а при e = 5 – на 27 %.

Мощность идеального компрессора может быть получена умножением работы сжатия и перемещения для G кг идеального газа за один оборот коленчатого вала на частоту вращения :

.

(1.7)

Действительный процесс одноступенчатого компрессора. В действительности процесс работы компрессора отличается от теоретического следующим:

1) реальный газ отличается по своим свойствам от идеального, что сказывается на производительности компрессора и потребляемой им мощности;

2) температура реального газа в течение процессов всасывания и нагнетания изменяется вследствие внешнего теплообмена;

3) давление реального газа переменно во время всасывания и нагнетания из-за пульсаций потоков газа и потерь давления на гидравлическое сопротивление в клапанах;

4) наличие неплотностей рабочей полости (неплотности в сальниках, поршневых уплотнениях, закрытых клапанах и т. д.) приводит к тому, что часть газа вытекает из рабочей полости;

5) показатели политропы сжатия и расширения непостоянны во время процесса вследствие влияния на термодинамические процессы тепловой инерции стенок цилиндра;

6) в узлах механизма компрессора имеется трение.

Для инженерных расчетов с погрешностью около 2 % допустимо производить расчет компрессоров для воздуха с конечным давлением до 10 МПа по уравнениям термодинамики идеального газа.

Клапаны идеального поршневого компрессора не оказывают никаких гидравлических сопротивлений всасываемому и нагнетаемому газу, а в процессе сжатия и нагнетания обеспечивается абсолютная герметичность рабочей полости цилиндра. Поршень такого компрессора движется вдоль оси цилиндра без трения.

Идеальный цикл поршневого компрессора состоит из следующих процессов: расширение, всасывание, сжатие и нагнетание. Процесс сжатия газа в идеальном компрессоре может осуществляться:

1. по адиабате при отсутствии теплообмена с окружающей средой;

2. по изотерме при условии, что вся подводимая за цикл энергия в форме работы отводится от газа в форме теплоты;

3. по политропе при осуществлении частичного теплообмена.

Реальный цикл поршневого компрессора характеризуется изменением давления, объема и температуры газа из-за затрат энергии на преодоление сопротивлений потоку газа в клапанах и каналах и непостоянного режима обмена газа в результате контакта с окружающими его деталями и смешения газа, поступающего в цилиндр, с газом, заполняющим вредное пространство.

Реальный цикл поршневого компрессора представлен на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Реальный цикл поршневого компрессора

Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, являются подача компрессора Q, начальное и конечное давления или степень повышения давления e, мощность N на валу компрессора.