7. Компрессоры

7.1. Рабочий процесс поршневого компрессора

Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия и перемещения газов.

Компрессор представляет собой непрерывно действующую машину, в котором происходит увеличение давления газа.

Существует два основных типа компрессоров, отличающихся принципом действия - поршневые и турбинные. В поршневых компрессорах неподвижный газ сжимается в цилиндре с поршнем (статический принцип). В турбинных компрессорах осуществляется динамический принцип повышения давления, при котором газ сжимается в два этапа. Первый состоит в сообщении газу как целому некоторой скорости, второй - в преобразовании кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления за счет торможения потока. Мы будем рассматривать только поршневые компрессоры, как более простые. Для повышения давления газа к компрессору необходимо подводить работу извне, например, от электродвигателя. Поэтому основной задачей: термодинамического анализа рабочего процесса в компрессоре является определение работы, которую необходимо затратить для получения заданного давления газа, а также выявление условий, при которых эта работа будет минимальной.

Рис .7.1. Схема и индикаторная диаграмма одноступенчатого поршневого компрессора

Рассмотрим сначала одноступенчатый компрессор, в котором сжатие газа до конечного давления осуществляется в одном цилиндре. Схема такого компрессора показана на рис. 7.1.а. Использованы следующие обозначения: 1 - цилиндр, 2 - поршень, ВК - всасывающий клапан, НК - нагнетательный клапан. Клапаны удерживаются в закрытом положении при помощи пружин, поэтому для их открытия нужно по обе стороны клапана создать некоторый перепад давлений. От нагнетательного клапана идет трубопровод к резервуару высокого давления (ресиверу), который предназначен для сглаживания пульсаций давления. На рис. 7.1.б изображена теоретическая индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора, при ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан и происходит процесс всасывания А1. При движении поршня влево сначала при обоих закрытых клапанах происходит сжатие газа 12, а затем клапан НК при заданном давлении открывается и сжатый газ выталкивается в ресивер по линии 2В. Теоретическая индикаторная диаграмма построена при следующих упрощающих предположениях: 1) весь объем цилиндра являемся рабочим, т.е. в левом крайнем положении поршня объем цилиндра равен нулю; 2) клапаны открываются при отсутствии перепада давления на них, поэтому процессы всасывания и выталкивания протекают при постоянном давлении р1 и р2 соответственно. При сжатии воздуха р1 совпадает с атмосферным давлением.

Работа компрессора складывается ив положительное работы процесса А1, отрицательной работы процесса сжатия и отрицательной работы процесса 2В. Знак работы определяется по знаку dV. Складывая алгебраически площади под соответствующими линиями процессов в pv-диаграмме, получим площадь, ограниченную линией А12ВА. Эта площадь и дает работу компрессора lk. Вспоминая сказанное ранее об изображении технической работы в рv-диаграмме, можем утверждать, что работа компрессора совпадает с технической работой процесса сжатия 12. Это положение можно доказать и аналитически:

Таким образом, для вычисления работы компрессора можно использовать формулы, выведенные ранее для технической работы. Если цилиндр компрессора не охлаждается, то процесс сжатия будет адиабатным, и работа компрессора определяется по формуле:

Обычно цилиндр компрессора охлаждается либо окружающим воздухом (для интенсификации охлаждения цилиндр снабжается оребрением), либо водой, протекающей через камеры, устроенные в стенках цилиндра. Поэтому чаще всего процесс сжатия является политропным с показателем политропы порядка 1,2. При этом работа компрессора будет определяться формулой:

(7.1)

При очень интенсивном охлаждении, которого практически достигнуть нельзя, получится изотермический процесс сжатия; работа компрессора будет определяться формулой:

т.е. сжатие происходит с наименьшей затратой работы и следовательно является энергетически наиболее выгодным.

В последних формулах знак минус в правой части опущен, так как заведомо ясно, что работа компрессора совершается над газом.

На диаграмме рис. 7.1.б изотермический и адиабатный процессы сжатия показаны пунктирными линиями, а политропный с n = 1,2-сплошной линией. Из диаграммы непосредственно вытекает, что работа компрессора будет минимальной при изотермическом процессе сжатия, и вообще, охлаждение цилиндра приводит к уменьшению работы компрессора. Важная положительная роль охлаждения цилиндра заключается также в понижении конечной температуры газа при сжатии, что приводит к улучшению условий смазки. Это снижение конечной температуры непосредственно видно на рис. 7.2, где изображены различные процессы сжатия: адиабатный (n = к), политропный (n = 1,2) и изотермический (n = 1) в Ts -диаграмме.

Рис. 7.2. Различные процессы сжатия Рис. 7.3. Действительная индикаторная диаграмма

Если обозначить расход газа в компрессоре через m (кг/с), то теоретическая мощность привода компрессора определяется из уравнения:

Принципиальное отличие действительной диаграммы состоит в том, что в крайнем левом положении поршня между ним и крышкой цилиндра остается некоторый объем, который называется вредным пространством. Обычно объем вредного пространства равен 4 - 10% от полного объема цилиндра; в нем размещается клапанное устройство. Благодаря наличию вредного пространства в конце процесса выталкивания в цилиндре остается сжатый газ, и при движении поршня вправо всасывающий клапан не откроется до тех пор, пока давление газа во вредном пространстве не понизится до минимального давления при всасывании. Поэтому количество газа, засасываемого в цилиндр, будет значительно меньше, чем в теоретическом процессе. Итак, наличие вредного пространства уменьшает производительность компрессора. Это уменьшение можно оценить величиной объемного к.п.д., определяемого по формуле

где обозначения взяты по рис.7.3.

Производительность компрессора становится равной нулю, когда линия процесса сжатия пересекается с вертикальной линией, соответствующей объему вредного пространства. С этого момента всасывание газа прекращается и в компрессоре сжимается и расширяется одно и то же количество газа. Таким образом, наличие вредного пространства ограничивает максимальное давление сжатого газа

Давление сжатого газа ограничено также и по условию недопустимости чрезмерного повышения температуры при политропном сжатии. Вследствие указанных причин максимальное давление, которое можно получить в одноступенчатом компрессоре, составляет 8-10 бар. Для получения большего давления применяется многоступенчатое сжатие, в которых процесс сжатия осуществляется в нескольких последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого сжатия. Схема и теоретическая индикаторная диаграмма многоступенчатого компрессора показаны на рис. 7.4. и 7.5.

Рис. 7.4. Схема многоступенчатого сжатия.

Индикаторная диаграмма 3-х ступенчатого компрессора изображена на рис. 7.4. В первой ступени компрессора газ сжимается по политропе до давления р2, затем он поступает в промежуточный холодильник 1, где охлаждается до начальной температуры Т1. Сопротивление холодильника с целью экономии энергии, расходуемой на сжатие, делают небольшим. Это позволяет считать процесс охлаждения газа изобарным. После холодильника газ поступает во 2-ю ступень и сжимается по политропе до давления р3, затем охлаждается до температуры Т1 в холодильнике 2 и поступает в цилиндр 3-ей ступени, где сжимается до давления р4 и т.д.

Рис. 7.5. Теоретическая индикаторная диаграмма 2-х ступенчатого компрессора.

Если бы процесс сжатия осуществлялся по изотерме 1-3-5-7, то работа сжатия была бы минимальна. При сжатии в одноступенчатом компрессоре по линии 1-9 величина работы определялась бы площадью 0-1-9-8. Работа 3-х ступенчатого компрессора определяется площадью 0-1-2-3-4-5-6-8. Заштрихованная площадь показывает уменьшение затрат работы от применения 3-х ступенчатого сжатия.

Чем больше число ступеней сжатия и промежуточных охладителей, тем ближе процесс к наиболее экономичному – изотермическому, но тем сложнее и дороже конструкция компрессора. Поэтому вопрос о выборе числа ступеней, обеспечивающих требуемую величину рmax, решается на основании технических и технико-экономических соображений.

Многоступенчатый компрессор по сравнению с одноступенчатым обладает следующими преимуществами: 1) отсутствует ограничение по давлению сжатия, связанное с наличием вредного пространства, так как повышение давления в каждой ступени относительно невелико; 2) уменьшается работа сжатия; 3) уменьшается максимальная температура в процессе сжатия.

Теоретический анализ многоступенчатого сжатия показывает, что работа компрессора будет минимальной, если отношение давлений газа в каждой ступени остается постоянным:

и степень повышения давления в одной ступени вычисляется по формуле

(7.2)

где m - число ступеней, p1 - начальное давление газа, pmax - давление газа за последней ступенью.

Так как охлаждение газа в промежуточных холодильниках производится до начальной температуры, можно считать температуру газа перед каждой ступенью одинаковой. С учётом этого обстоятельства и условия (7.2), работа, затрачиваемая в каждой ступени, в соответствии с формулой (7.1) будет одинаковой. Поэтому полная работа многоступенчатого компрессора будет равна