Процессы сжатия в компрессорах

Понятие компрессорные машины охватывает все возможные типы машин, предназначенных для сжатия газов и паров. По принципу действия компрессоры можно разбить на три основные группы: объемные, динамиеские и струйные. К объемным компрессорам относятся поршневые, ротационные и винтовые. К лопаточным компрессорам относятся центробежные и осевые. Струйные компрессоры из-за весьма низкого КПД не получили широкого распространения в промышленности.

Основными параметрами, характеризующими работу компрессорных машин, можно считать соотношение давлений сжатия, определяемое как отношение давления рабочего тела за компрессором к давлению рабочего тела перед компрессором, и их подачу. Под подачей принято понимать секундное или часовое количество газа или пара, которое подает компрессор, выраженное в кубических метрах газа или пара при параметрах, которые они имеют на входе в компрессор.

Поршневой одноступенчатый компрессор состоит из цилиндра (1); поршня (2), совершающего возвратно–поступательное движение, двух клапанов (3) – всасывающего и нагнетательного (рис. 28).

Компрессор работает следующим образом. При движении поршня слева направо давление газа в цилиндре становится меньше давления во всасывающем патрубке. Всасывающий клапан открывается и по мере движения поршня в крайнее положение полость цилиндра заполняется газом теоретически по линии n-1. При обратном движении поршня справа налево всасывающий клапан закрывается и поршень сжимает газ в цилиндре теоретически по кривой 1–2, пока давление в цилиндре не достигает давления р₂, равного давлению газа в нагнетательной линии трубопровода. Открывается нагнетательный клапан и поршень выталкивает газ в нагнетательную линию трубопровода при постоянном давлении р₂ (линия 2–3).

В начале нового хода поршня слева направо, вновь открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает с р₂ до р₁ теоретически мгновенно (линия 3–n) и процесс повторяется.

Площадь 1-2-3-п характеризует работу, расходуемую идеальным компрессором на сжатие газа за один оборот его вала.

Процессы, протекающие в реальных компрессорах, достаточно сложны, так как при этом приходится учитывать влияние вредного пространства, обусловленного тем, что поршень не может доходить в левом крайнем положении вплотную до крышки цилиндра и поэтому между поршнем и крышкой цилиндра всегда остается некоторый объем. В реальных компрессорах приходится учитывать потери давления при течении газа через клапаны, трение поршня о стенки цилиндра, утечки газа через неплотности и т. д. Все это вместе взятое сильно изменяет вид индикаторной диаграммы поршневого компрессора. В частности, из-за наличия сжатого газа во вредном пространстве при движении поршня слева направо, давление газа в цилиндре изменяется по линии 3–4, а не мгновенно по линии 3–n. Всасывающий клапан открывается не при давлении р₁, а при давлении, которому соответствует
точка d.

То же самое относится к работе нагнетательного клапана, который открывается при давлении несколько большем, чем давление р₂.

Анализируя работу компрессора по индикаторной диаграмме, нельзя говорить, как это иногда делается, о круговом процессе (или цикле) компрессора, потому что в компрессоре осуществляется только один процесс сжатия по линии 1–2 (или по линии а–b в реальном компрессоре). Во время процессов всасывания (линия 4–1) и нагнетания (линия 2–3) состояние газа теоретически не меняется.

При анализе термодинамического процесса сжатия газа в компрессоре основной интерес обычно представляет определение работы, затрачиваемой на сжатие газа, и конечной температуры процесса сжатия.

Удельную работу процесса сжатия можно найти из уравнения первого начала термодинамики, записанного для потока. При этом полагают, что процесс сжатия в компрессоре происходит при следующих условиях: теплообмен с окружающей средой весьма мал и, следовательно, ; скорости движения газа во всасывающем и нагнетательном патрубках равны
с₁ = с₂; изменением высоты центра тяжести потока можно пренебречь z₁=z₂; необратимые потери работы отсутствуют (). При этих условиях уравнение упрощается и удельная работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа или пара в компрессоре, будет определяться соотношением

. (295)

Для идеального газа выражение (295) принимает вид

, (296)

где c_p – удельная изобарная теплоемкость газа; Т₁, Т₂ – начальная и конечная температуры процесса сжатия; w_1,2 – удельная потенциальная (техническая) работа сжатия.

Величина w_1,2 - отрицательная, так как при сжатии приходится затрачивать работу, однако для удобства расчетов, ее определяют как положительную – по абсолютному значению.

Из соотношения (296) видно, что удельная работа сжатия по абсолютной величине равна увеличению энтальпии сжимаемого газа или пара

. (297)

Если обозначить расход газа через компрессор (G), то можно определить мощность, которую затрачивают на сжатие газа в компрессоре, для реального газа

(298)

и идеального газа

. (299)

Полученные уравнения справедливы как для поршневых, так и для лопаточных машин, поэтому процессы сжатия газа в поршневых или лопаточных машинах с термодинамической точки зрения идентичны. Уравнения справедливы для всех реальных газов, а также для определения работы и мощности, затрачиваемых в насосах при перекачке жидкостей.

Для обратимого адиабатного процесса удельная работа сжатия идеального газа определяется из соотношения

(300)

Работа сжатия газа в реальном процессе определяется после введения понятия внутреннего относительного КПД компрессора η _ic, характеризующего необратимые потери при сжатии

. (301)

Из диаграмм рис. 29 видно, что в реальном компрессоре из-за необратимых потерь линия процесса сжатия идет правее линии обратимого процесса. Это связано с тем, что необратимые потери работы переходят в теплоту внутреннего теплообмена и энтропия при этом возрастает.

Отношение потенциальных работ и в процессах сжатия 1–2а и 1–2 характеризует внутренние необратимые потери и определяет относительный внутренний КПД компрессора

. (302)

На диаграмме рис. 30 видно, что переход от адиабатного процесса сжатия (1–2а) к изотермическому (1–2u) приводит к уменьшению работы сжатия и наоборот.

Рис. 29. Процесс сжатия Рис. 30. Процесс сжатия

в компрессоре в диаграмме h-s в компрессоре при различных

показателях процесса

Для изотермического процесса удельная работа обратимого сжатия идеального газа может быть определена по уравнению

. (303)

Реализация изотермического процесса в компрессорах, при проведении которого необходимо постоянно отводить теплоту, чтобы температура газа в процессе оставалась неизменной, практически трудно осуществима. Изотермический процесс сжатия является как бы эталонным, к которому стремятся приблизить реальный процесс сжатия газа в компрессорах.