- •13.4. Мертвое пространства. Подача
- •Выше 150
- •5 6 И более
- •13.7. Конструктивные типы компрессоров
- •1X8. Действительная индикаторная диаграмма
- •6 Теоретическая; 6 — действительная
- •1Э.Ю. Регулирование подачи
- •13.11, Конструкции компрессоров
- •13.12. Компрессоры со свободно движущимися поршнями
- •13.13. Компрессорные установки
- •13.14» Испытание компрессора. Энергетический баланс компрессора
- •13.15. Экономичность работы компрессора
- •14.1. Способ действия. Подача
8. Компрессоры. Индикаторная диаграмма и принцип работы одноступенчатого поршневого компрессора.
Схема компрессора и его индикаторная диаграмма представлены на рис 1.
Проследим порядок работы компрессора при помощи диаграммы p=f(V)9 где V — объемы замыкаемый поршнем в цилиндре и зависящий от положения поршня.
Двигаясь от правого крайнего положения влево, поршень сжимает газ, находящийся в цилиндре. Всасывающий клапан закрыт в течение
Pi W
всего процесса сжатия.
Нагнетательный клапан закрыт до тех пор, пока разность давлений в цилиндре и напорном патрубке преодолеет натяжения пружины. Когда это произойдет, нагнетательный клапан откроется и поршень будет вытеснять газ в напорный трубопровод.Процесс повышения давления изображается
Рис. 1. Схема и индикаторная Диаграмма компрессора
347
на диаграмме линией 1-2, а процесс подачи газа — линией 2-3.
Если р%—давление в цилиндре при подаче газа, то объем газа, подаваемого компрессором при этом давлении, будет Упод.
При сжатии температура газа повышается, так как охлаждающая вода не отнимает от газа всю теплоту, выделяющуюся при сжатии. Линия сжатия — политропа, описываемая в системе координат У, р уравнением
pVa = const. (1.I)
Линия подачи 2-3 теоретически является изобарой
р2 = const. (I.2)
Благодаря влиянию инерции газовых масс, действию клапанов и их пружин давление нагнетаемого газа не удерживается строго постоянным.
Когда поршень придет в крайнее левое положение, он вытеснит из цилиндра не весь газ, и часть газа в количестве Vм останется в цилиндре (VM называют мертвым объемом или мертвым пространством).
В начале хода поршня вправо нагнетательный клапан закроется и остаток газа в мертвом пространстве объема-Vм будет расширяться по линии 3-4.
Линия расширения — политропа с показателем nР| ее уравнение
pVnp = const. (1.3)
Расширение газа будет происходить до тех пор, пока давление в цилиндре не понизится до Pt<Po, где Ро—дав ление в пространстве, из которого компрессор всасывает газ. /
Под влиянием разности давлений р0—р1 всасывающий клапан откроется и поршень, двигаясь вправо, будет всасывать газ в цилиндр.
Давление Рt всегда меньше р0 вследствие газового сопротивления тракта всасывания. Процесс всасывания представляется изобарой 4-1.
Полученная замкнутая фигура 1-2-3-4-1 является теоретической индикаторной диаграммой компрессора.
Протекание процессов сжатия и расширения зависит от теплообмена между сжимаемым газом и окружающей средой и в большой мере от герметичности рабочего объема цилиндра.
Герметичность определяется конструкцией и состоянием клапанов, сальников и уплотняющих колец поршня.
Поршневые компрессоры выполняются обычно с водяным охлаждением цилиндра и его крышки. При этом обеспечивается интенсивный теплообмен и процессы сжатия и расширения являются политропными со средними значениями показателей я=1,35 и 1,2 (для двухатомны* газов).
Процесс сжатия в поршневых компрессорах с воздушным охлаждением или с водяным при высокой температуре охлаждающей воды приближается к адиабатному.
Строгое исследование термодинамики действующих компрессоров приводит к выводу, что показатели отдельных участков линий сжатия и расширения неодинаковы.Это объясняется различием условий теплообмена и влиянием негерметичности в разных фазах процессов.
Точный расчет работы цикла компрессора производится по уравнениям термодинамики реальных газов.
Расчет компрессоров с конечным давлением сжатия до 10 МПа по уравнениям термодинамики идеального газа дает результатыв близкие к действительным.
Вычисляя работу, затрачиваемую на валу компрессора, можно пренебрегать влиянием мертвого пространства. Последнее не оказывает заметного Влияния на потребление энергии компрессором, потому что работа, затрачиваемая на сжатие газа в объеме мертвого пространства, в значительной мере возвращается на вал в процессе рас-
ширен пя.
849
Для вычисления мощности компрессора воспользуемся относительным изотермическим КПД [формула (10.23)] откуда получим
Используя (10.15) и (13.4), получаем
PiQi in I*-
Для поршневых компрессоров различных конструкции
Чм = 0,80 -н 0,93,
Изотермический КПД зависит от интенсивности охлаждения компрессора и лежит в пределах т)Из= 0,65-^0,85.
13.4. Мертвое пространства. Подача
Цилиндры компрессоров всегда выполняются с мертвым пространством; это необходимо во избежание удара поршня о крышку при подходе его к крайнему положению.
Объем мертвого пространства обычно оценивается в долях или процентах рабочего объема цилиндра и называется относительным объемом мертвого пространства:
*=VMfVp. (13.6)
В современных одноступенчатых компрессорах при расположении клапанов в крышках цилиндров а—0,025—0,060. При ступенчатом сжатии клапаны располагаются на боковой поверхности цилиндра и мертвое пространство в ступенях высокого давления не удается выполнить малым по конструктивным соображениям: здесь а£2 0,2.
Наличие мертвого пространства приводит к тому, что всасывание начинается не в начале обратного хода поршня, а в конце процесса расширения (точка 4 на рис. 13.2). Следовательно, объем VBCl фактически всасываемый порхнем, меньше рабочего объема цилиндра.
Отношение всасываемого объема к рабочему объему цилиндра называют объемным коэффициентом компрессора:
K = VJVV. (13.7)
Объемный коэффициент характеризует использование рабочего объема цилиндра.
350
По уравнению политропы для начала и конца процесса расширения имеем
Ко по выражению (13.6) VM-aVp. Следовательно»
ИЛ1Г
Уц™-АУ|У*Ч
где e — степень повышения давления.
Pi 1 |
j |
|
r |
|
!л |
*. |
s \ \ N. \ |
||
i A |
|
|
* |
|
L |
|
|
|
|
|
У/теш |
-, Vtc > |
V |
|
|
|
|
|
|
Рис. 13.2. Индикаторная дна- Рис 1&3. Влияние степени по- грэмма компрессора с нерт- вышення давления е не поле вым пространством чу компрессоре
Из диаграммы на рис. 13.2 следует
VBC - Vp + VM- Vpacni = Vp +aV»-aVv mPp ; поэтому
l/fl.
или
Объем всасывания
VBC-^VP=[l-o{e,/hP-lJ]^.
(13.8)
(13.9) 85]
Однако действительный объем газа, подаваемого компрессором, при условиях перед всасывающим патрубком компрессора будет меньше определяемого по выражению (13.9). Это объясняется двумя причинами: no-первых, нагревом газа при всасывании от горячих поверхностей кл^„ пана и стенок цилиндра и, во-вторых, неполной герметичностью цилиндра компрессора (утечками через клапавы сальника и между поршневыми кольцами и внутренней по. верхностью цилиндра).
Первое из указанных обстоятельств учитывается тер. лшчегким коэффициентом д^, второе — коэффициентом герметичности %г. Поэтому действительный объем, всасываемый компрессором,
Произведение
КЬ,К = ь (13.Ю)
называют коэффициентом подйчищ Следовательно,
VL=\l~a(einp— l)]KK^ (I3.H)
Подача компрессора одностороннего действия с одним цилиндром
u-Hi«-ri-e(»lftl»-U]4*.Vp/i, (13.12)
где п — число двойных ходов поршня в минуту.
Из уравнения (13-12) ясны факторы, определяющие. подачу компрессора. Основной величиной является рабочий объем цилиндра, равный произведению площади порш-
ня на его ход: Ир= —D*S.
Объем мертвого пространства влияет на подачу компрессора отрицательно. Увеличивая относительную величину мертвого пространства, можно добиться равенства а(в1/'1р—1)=1, и подача по выражению (13.12) станет равной нулю. Это наглядно видно из диаграммы, представленной на рис. 13*2: при увеличении Vu ось ордцнат переносится влево, политропа сжатия располагается более полого и при некотором предельном значении VK попадает в точку 3; подаваемый объем становится равным нулю. При этом линии сжатия и расширения совпадают; компрессор не всасывает н не подает.
Увеличение степени повышения давления при заданном VH уменьшает подачу. Это ясно из формулы (13.12) и со-
352
доставления диаграмм pt V, приведенных для разных значений в на рис. 13.3.
Мсртвое пространство влияет на подачу тем сильнее, чсм выше степень повышения давления; поэтому относительное значение мертвого пространства выбирается тем меньше, чем больше степень повышения давления компрессора.
Для современных компрессоров Ao=QJ-rOl9; ^=0,90-^
0.95, ^=0,95^-0,98.
fj.5. Многоступенчатое окате
При сжатии газа температура его повышается. В табл. 13.1 приведены конечные температуры воздуха, сжимаемого при различных условиях в компрессоре с D=0,7 м* от начальной темгтерагуры fi=283 К. Так как компрессорные смазочные масла имеют температуру вспышки по Бренке-ну 493—533 К, то конечные температуры сжатия 493— 443 К, получаемые при е=8, являются опасными. Электрические разряды невысокого потенциала, возникающие в проточной части компрессоров, могут вызвать возгорание нагара и затем при достаточной концентрации масляных паров в воздухе взрыв компрессора.
Приведенные соображения ограничивают степень повышения давления в одном цилиндре компрессора.
В современных компрессорах с водяным охлаждением степени повышения давления в одном цилиндре выше 7 встречаются редко. В отечественных конструкциях большой подачи е^4. Если степень повышения давления компрессора превышает 7, то процесс сжатия ввдут в нескольких последовательно включенных полостях — ступенях давления. При переходе из одной ступени в другую газ охлаждают в промежуточных охладителях.
Габлкда 13.1. Температура сжатии при ялил€&том и политроаисм процессах
|
Конечная температур* воздуха. К |
||
_ |
Аднвбатное сжатие |
Политрогшое сжатие с оклвждеинеи цнлнидря |
Полнгропяое сжатие с охлаждением цилиндра и крынки |
2 4 6 в |
Эбв 438 493 536 |
337 402 454 493 |
325 372 409 443 |
23-559
353
Количество ступеней, необходимое для достижения заданной степени повышения давления» принимают в пре. делах:
а
До б
6—30
30—100
100—150