5.4 Одноступеневий стиск в поршневому компресорі

5.4.1 Робочий процес в циліндрі компресора

На індикаторній діаграмі (рис.5.5) точка а відповідає закриттю вхідного клапана, b – відкриттю вихідного клапана, с – закриттю вихідного клапана і d – відкриттю вхідного клапана. Лінія da – відповідає процесу всмоктування, ab – стиснення, bc – виштовхування, cd – розширенню із шкідливого простору.

Шкідливий простір знаходиться в клапанах і каналах, а також у невеликому об’ємі між поршнем, що знаходиться в крайньому положенні, і кришкою циліндра.

При ході поршня в сторону нагнітання, газ спочатку стискується до тих пір, поки тиск в робочій камері не досягне значення, достатнього для відкриття вихідного клапана. Потім газ виштовхується поршнем через цей клапан у вихідний трубопровід. При русі поршня від кришки циліндра тиск в робочій камері падає до тиску всмоктування не зразу, а лише після того, як розшириться газ, що залишився в шкідливому просторі циліндра.

Рисунок 5.5 – Індикаторна діаграма поршневого компресора

Зміна тиску всмоктування і виштовхування являються наслідком двох впливів: змінного перепаду тиску в клапанах і пульсації потоку у вхідній і вихідній лініях. На початку відкриття вхідного клапана в результаті малої щілини спостерігається значне зниження тиску (до точки М₁). На початку виштовхування тиск (з тієї ж причини), навпаки, підвищується (до точки М₂). Якщо клапан повністю відкритий, то втрати тиску в клапані змінні тому, що швидкість газу в ньому змінюється (із-за змінної швидкості поршня). Тому, навіть при постійному тиску у вхідних і вихідних патрубках, лінії всмоктування і виштовхування на індикаторній діаграмі відхиляються від горизонтальних прямих.

Ізобари і , проведені на діаграмі, відповідають середнім тискам в патрубках компресора. Коли клапан відкритий, коливання тиску розповсюджується на порожнину циліндра. Це впливає на швидкість руху газу через клапан і відображається на кривій тиску. Із-за того точки а і с можуть розміщуватись як на ізобарах, так і нижче або вище них, в залежності від фази пульсації газу в крайньому положенні поршня.

Показник політропи стиснення і розширення однаковий. Шкідливий простір не впливає на потенціальну роботу а значить – на корисну роботу. Він зменшує продуктивність компресора. Конструктивно компресори проектуються з мінімальним шкідливим простором.

Із збільшенням частоти обертання вала компресора процеси стиснення і розширення наближаються до адіабатних, тому що теплообмін проявляється слабше.

5.5 Об’ємна витрата газу на вході одноступеневого компресора

На рис.5.6 приведена схематизована індикаторна діаграма ідеального одноступеневого компресора зі шкідливим простором. Площа індикаторної діаграми – це індикаторна робота (для 1 кг газу – питома робота).

де – об’ємний коефіцієнт (враховує зменшення продуктивності із-за наявності шкідливого простору);

– коефіцієнт герметичності (враховує втрати через нещільності клапанів і поршнів);

– температурний коефіцієнт (враховує зниження продуктивності із-за розширення холодного всмоктаного газу при його дотику з гарячими стінками робочої камери);

– коефіцієнт клапанів (враховує зниження продуктивності в результаті розширення газу після протікання через вхідний клапан). Опір клапанів, як правило, мінімальний, а тому ).

Рисунок 5.6 – Схематизована індикаторна діаграма

, (5.20)

Коефіцієнти , і можна об’єднати в коефіцієнт ефективності і визначити за емпіричною формулою В. Е. Лісічкіна і А. М. Горшкова

, (5.21)

де – відношення тисків компресора.

Для багатоступеневих компресорів , і визначаються за емпіричними залежностями [14].

Об’ємний коефіцієнт визначається із наступних міркувань.

Виходячи із рис.5.6 можна записати вираз

, (5.22)

де – об’єм шкідливого простору;

– об’єм, який описує поршень;

– об’єм газу в кінці циклу розширення;

– об’єм газу, що всмоктується в циліндр.

Згідно рівняння Клапейрона для ідеального газу з рис.5.6 можна записати

. (5.23)

Звідси

. (5.24)

Розділимо всі члени рівняння (5.22) на

(5.25)

і підставимо в рівняння (5.25) значення із (5.24)

. (5.26)

Позначимо відносний об’єм шкідливого простору ; , тоді із формули (5.26) отримаємо

.

Звідси

. (5.27)

Аналізуючи формулу (5.27) бачимо, що із збільшенням шкідливого простору і відношення тисків продуктивність компресора зменшується.

Якщо відношення тисків прийме критичне значення, то , а значить продуктивність компресора буде рівна нулю.

Із формули (5.27) отримуємо

. (5.28)

Для компресора, в якому і при із формули (5.28) отримуємо, що . Для цього випадку схематизовані індикаторна діаграма представлена на рис.5.7.