Теоретическое введение. Компрессор – это теплотехническое устройство, предназначенное для повышения давления, сжатия и перемещения газов или паров

Компрессор – это теплотехническое устройство, предназначенное для повышения давления, сжатия и перемещения газов или паров. Компрессоры можно классифицировать следующим образом:

а) компрессоры объемного статического сжатия, в которых повышение давления происходит за счет уменьшения объема рабочего вещества, нагнетаемого в специальный резервуар (ресивер);

б) компрессоры динамического сжатия, в которых рабочее вещество непрерывно перемещается через проточную часть компрессора, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную, обеспечивая соответствующее увеличение давления среды.

К наиболее распространенным компрессорам объемного сжатия относятся поршневые, винтовые, ротационные. В качестве компрессоров динамического сжатия применяют центробежные и осевые вентиляторы, турбокомпрессоры, эжекторы и вихревые машины.

На рис. 13 представлена теоретическая диаграмма работы простейшего одноступенчатого поршневого компрессора. Основными элементами поршневого компрессора являются: цилиндр, поршень, впускной и нагнетательный клапаны.

Возвратно-поступательное движение поршня в сочетании с работой клапанной группы обеспечивает протекание следующих рабочих процессов:

а) процесс всасывания 4-1 при полностью открытом впускном клапане;

б) процесс сжатия 1-2 при закрытых клапанах;

в) процесс нагнетания 2-3 при открытом нагнетательном клапане;

г) условный процесс расширения 3-4, замыкающий рабочий цикл компрессора.

Рис. 13. Теоретическая диаграмма работы поршневого

одноступенчатого компрессора.

1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - впускной клапан;

4 - нагнетательный клапан.

Работа, затрачиваемая в компрессоре на получение 1 кг сжатого рабочего вещества, складывается из суммы всех работ перечисленных процессов:

L_к = L_1-2 + L_2-3 - L_4-1, Дж,

где L_1-2 – работа изменения объема, определяется площадью под кривой 1-2;

L_2-3 = P₂V₂ – работа нагнетания, определяется площадью под линией 2-3; L_4-1 = P₁V₁ – работа всасывания, определяется площадью под линией 4-1 (вычитается из произведенных затрат, так как совершается внешней средой).

Площадь рабочего цикла компрессора замыкается по точкам 4-1-2-3, в этом случае:

.

Анализ теоретической диаграммы P-V компрессора (рис. 13) показывает, что в качестве процессов сжатия можно использовать политропный процесс, описываемый выражением:

PVⁿ = const,

при этом показатель политропы должен иметь значение к ≥ n ≥1.

Величина работы компрессора определяется процессом сжатия. Теоретический процесс сжатия в зависимости от теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра может происходить по изотерме 1-2' (n = 1), при этом:

или по адиабате 1-2" (n = k):

Изотермический процесс сжатия 1-2' характеризуется минимально затрачиваемой работой, которая превращается в тепло и отводится от сжимаемого рабочего тела. Такой процесс принято считать идеальным. Реально же на практике его невозможно осуществить.

Адиабатный процесс сжатия 1-2" происходит без теплообмена с окружающей средой, поэтому затраты работы на его осуществление максимальны, а температура рабочего вещества существенно возрастает.

Уменьшить работу, затрачиваемую на привод компрессора возможно, если использовать систему принудительного охлаждения цилиндра компрессора. В этом случае будет происходить политропный процесс сжатия 1-2 (рис. 13.).

Реальные процессы сжатия отличаются от теоретических в результате действия следующих факторов:

1. Наличия мертвого пространства, которое составляет объем среды V_c, не поддающийся вытеснению поршнем и расширяющийся при обратном движении поршня (линия 3-4, рис. 14).

2. Наличия потерь давления ΔР в нагнетательном и впускном трактах, пульсаций давления (линии 3 - 4, рис. 14).

3. Перетечки рабочего вещества через различные конструктивные зазоры и уплотнения.

4. Затрат части энергии на преодоление трения в механических парах машины.

Влияние большей части перечисленных факторов учитывается при построении действительной индикаторной диаграммы работы компрессора (рис. 14.).

Рис. 14. Действительная индикаторная диаграмма

работы компрессора.

К основным техническим характеристикам компрессора относятся следующие показатели: Р_в – давление всасывания; Р_н – давление нагнетания; ΔР_в, ΔР_н – потери давления в клапанах; V_э – полезный объем; V_ц – объем цилиндра; V_с – вредный объем.

Производительность компрессора (объемная, или массовая) – это количество рабочего вещества, проходящего через компрессор в единицу времени:

, кг/с

где ρ – плотность сжимаемого вещества, кг/м; V_ц – объем цилиндра компрессора, м³; λ_к = V₃/₄ – коэффициент подачи, учитывающий уменьшение действительной производительности компрессора по сравнению с теоретической.

Теоретическая мощность, затрачиваемая на привод компрессора:

N_к = M_к ∙ L_к, Вт.

Степень повышения давления сжимаемой среды:

.

Для оценки энергетического совершенства компрессора используется эффективный КПД:

,

где N_ад – теоретическая мощность компрессора при адиабатном сжатии; N_e – действительная мощность привода компрессора.