Действительный рабочий процесс

 в одноступенчатом компрессоре

Действительный рабочий процесс в компрессоре и действитель­ная индикаторная диаграмма отличаются от теоретического про­цесса и диаграммы (рис.36) по ряду причин. Эти причины пе­речислены при рассмотрении термодинамических основ работы компрессора и определении теоретического процесса. Отличи­тельной чертой теоретического процесса является предположе­ние, что после нагнетательного хода поршня в цилиндре не оста­ется газа.

В действительности в пространстве между поршнем и крыш­кой цилиндра, включая каналы до плоскости клапанов, остается газ или воздух в то время, когда поршень достигает своего край­него положения. Это положение называют мертвым, а объем пространства, в котором задерживается газ, называется вредным пространством. Объем вредного пространства может быть изме­рен количеством залитой в него воды, так как непосредственное определение вредного пространства оказывается затруднитель­ным из-за сложности каналов. Обычно объем вредного простран­ства составляет от 2 до 7% рабочего объема цилиндра V ₁.

 

 

 

Рассмотрим диаграмму действительной работы компрессора. Обозначим объем вредного пространства через V ₀.

Вследствие того, что во вредном пространстве газ оказывается сжатым до давления P ₂,всасыва­ние его в цилиндр начнется не тогда, когда поршень сдвинется с мертвой точки, а только после того, когда газ расширится в ци­линдре, заняв объем V ₀,и давле­ние его снизится до P ₁. Только после этого в точке 1 начнется всасывание.

Отсюда видно, что вредное пространство отрицательно ска­зывается на подаче компрессора, так как фактически засасыва­емый объем   газа не менее объема V ₁. Отношение

                                                       (96)

называют объемным коэффициентом полезного действия ком­прессора.

Так как V ₁ =Fs,a = Fs,то объемный КПД можно пред­ставить как

,                                               (97)

где s ₁ — часть хода поршня, на протяжении которой происходит всасывание газа.

Объем вредного пространства V ₀ можно выразить в долях хода поршня, приняв условный ход поршня, соответствующий вредному пространству

.                                               (98)

Тогда относительное значение вредного пространства в долях хода поршня определится отношением

.                                              (99)

Объемный КПД λ₀, который, в конечном итоге, характеризу­ет собой влияние вредного пространства на подачу компрессора, определяется из таких соображений.

Объем сжатого газа во вредном пространстве

V ₀= Fs ₀.

Объем этого же газа при расширении до давления р ₁

 

V’ ₀ = Fs + Fs ₀ — Fs ₁ = F (s + s ₀ — s ₁).

 

Отношение объемов

Умножив обе части этого равенства на   и произведя необходимые преобразования, получаем

или

        

При изотермическом процессе , а потому

.                                           (100)

В общем случае при политропическом процессе

                                         (101)

Из этих зависимостей видно, что объемный КПД компрес­сора тем меньше, чем больше вредное пространство Е и степень сжатия P ₂ /P ₁.

Следует заметить, что вредное пространство можно считать действительно вредным только с точки зрения снижения подачи компрессора.

С точки зрения энергетической оно не является вредным, так как энергия, затрачиваемая на сжатие газа во вредном простран­стве, почти вся возвращается при его расширении в течение вса­сывающего хода поршня.

В связи с тем, что в реальном компрессоре подъем клапанов и движение газа в соединительных каналах связано с преодоле­нием соответствующих гидравлических сопротивлений, факти­ческое давление газа при всасывании снижается до давления меньшего, чем P ₁,а при нагнетании давление повышается боль­ше, чем до P ₂. Поэтому фактически линия всасывания 1 — b —2 проходит ниже линии атмосферного давления 1—2, алиния на­гнетания 3— a —4 проходит выше линии 3—4 конечного сжатия газа.

При неправильной работе компрессора происходит искаже­ние его нормальной индикаторной диаграммы. Определение де­фекта в работе компрессора производится путем сравнения по­лученной диаграммы с нормальной.

Действительный рабочий процесс на всасывании компрессо­ра связан не только с преодолением гидравлических сопротив­лений, но и с утечкой и нагревом газа при его движении через всасывающие клапаны. Вследствие этого действительная степень наполнения λ цилиндра компрессора меньше его объемного КПД λ₀.

Отношение объема газа, поданного компрессором и приведен­ного к начальным условиям, к объему, описанному поршнем, на­зывается степенью наполнения λ, которая обычно составляет 92—98% объемного КПД. Часто принимают λ = λ₀—0,04.

Из всего сказанного выше следует, что подача компрессора, отнесенная к условиям всасывания, определяется по зависимо­стям, аналогичным тем, которые применяются для определения подачи поршневых насосов. Так, подача компрессора одинарно­го действия определяется зависимостью:

а подача компрессора двойного действия

Пример. Насос двойного действия для подачи сатурационного газа на сахарном заводе имеет размеры: диаметр цилиндра D = 500 мм; ход поршня s = 800 мм; диаметр штока d = 125 мм; частота вращения п = 90 мин^-1; давле­ние всасывания P ₁=0,08 МПа, давление нагнетания P ₂=0,16 МПа; вредное пространство E = 0,05. Определить подачу газового насоса.

Решение. Определяем: объемный КПД по формуле, считая про­цесс изотермическим,

степень наполнения

площадь поршня

площадь штока

подачу насоса

 

Многоступенчатое сжатие

При необходимости получения газа под высоким давлением воз­никает вопрос о целесообразности его сжатия в одной ступени или распределения общего повышения давления на две или не­сколько последовательно работающих ступеней компрессора. Рассмотрим этот вопрос.

При увеличении степени сжатия P ₂ /P ₁газа в соответствии с формулами (100) и (101) даже при минимальном объеме вредного пространства (E = 0,05) объемный КПД компрессора уменьшается. При достижении некоторой степени сжатия P ₂ /P ₁объемный КПД λ₀ может стать равным нулю. В этом случае сильно сжатый газ во вредном пространстве до давления P ₂ бу­дет расширяться в цилиндре в течение всего (всасывающего) хода поршня и только к концу его давление снизится до P ₁. Компрессор в этом случае не всасывает газ и работает вхоло­стую. Предельную степень сжатия для изотермического процесса компрессора найдем по формуле (100)

,

откуда

.

Если принять λ₀ = 0,7 приемлемым для работы компрессора, то получим: , откуда . Следовательно,приемлемое значение объемного КПД, обусловленное наличием вредного пространства, ограничено степенью сжатия .

Сжатие газа связано с повышением температуры, которая при адиабатическом процессе может быть найдена по формуле

.

 

Так например, конечная температура, °С, полученная при различных степенях сжатия воздуха с начальной температурой 20°С и подсчитанная для адиабатического процесса, равна:

При   – 85;     – 165;     – 220.

 

Предельная температура вспышки обычно применяемых ком­прессорных смазочных масел колеблется в пределах 220—240°С. Из приведенного, следует, что для предотвращения вспышки мас­ла в цилиндре компрессора или образования взрывоопасного нагара на его стенках, максимальной степенью сжатия можно считать  или .

При одноступенчатом сжатии с увеличением отношения дав­лений  адиабата все больше расходится с изотермой. Вследствие этого избыток работы в адиабатическом цикле по сравне­нию с изотермическим зна­чительно возрастает. Самое тщательное охлаждение ци­линдра не приближает су­щественно процесса сжатия к изотермическому. Для обе­спечения более высокой эко­номичности процесса при­меняют двух- и многосту­пенчатое сжатие газа с промежуточным охлаждени­ем между ступенями.