7. Индикаторные диаграммы и характеристики поршневого компрессора

Теоретическими процессами называются про­цессы сравнительного поршневого компрессора с изоэнтропным сжа­тием пара, который работает без объемных и энергетических потерь. Действительные процессы работы компрессора не­обратимы и сопровождаются объемными и энергетическими по­терями. Объемные потери уменьшают объемную подачу н холодопроиэводительность компрессора. Они оцениваются коэффициентом подачи и частными коэффициентами: объемным , дросселирования , подогрева , плотности , учитывающими соответственно влия­ние вредного пространства, перепадов давлений (депрессий) при всасывании и нагнетании, теплообмена между стенками компрес­сора и паром в процессе всасывания и подогрева хладагента, проте­чек пара хладагента через не плотности. Рабочие коэффициенты характеризуют степень совершенства действительных процессов коми рессора.

Все объемные потери учиты­ваются коэффициентом подачи, представляющим собой отношение объема пара, всасываемого в цилиндры компрессора, к объему, описываемому его поршнями в единицу времени.

= =

Коэффициент характеризует степень заполнения рабочего объ­ема цилиндров всасываемым паром хладагента.

Рис. 8. Теоретическая и действительная индикаторные диаграммы поршневого компрессора

Для сравнения действительных процессов с теоретическими на рис. 8 показана теоретическая индикаторная диаграмма a - b - с - d - а одноступенчатого поршневого компрессора. На этом же рисунке изображена дейст­вительная индикаторная диаграмма 1 – 2 – 3 - 4 - 1. Клапаны поршневых компрессоров самодействующие, они работают вследствие раз­ности давлений по сторонам клапанных пластин. Всасывающие клапаны открываются в точке 2, а нагнетательные в точке 4. Вы­ступы на диаграмме в этих точках объясняются тем, что для их от­крытия необходимо преодолеть массу и силы инерции клапанов, а также сопротивления их пружин. Клапаны закрываются в мертвых точках. Чтобы преодолеть гидравлические сопротивления клапанов и подводящих каналов компрессора, трубопроводов и теплообменных аппаратов и обеспечить циркуляцию хладагента в машине, давление всасывания должно быть ниже на а давление нагнетания выше на Разность давлений и называется депрессией на всасывании и нагнетании, Заштри­хованные площади диаграммы определяют работу, затрачиваемую на преодоление гидравлических сопротивлений на сторонах всасыва­нии и нагнетания компрессора.

Пространство между клапанной плитой и поршнем при его край­нем верхнем положении называется вредным. Относительный объем вредного пространства =0,015…0,05. Во вредном пространстве цилиндра остается сжатый до давления пар. При ходе поршня вниз оставшийся во вредном пространстве пар вначале расширится (1 - 2) и только после того, как давление внутри ци­линдра станет меньше , начнется всасывание свежего пара из испарителя. Если бы не было депрессии при всасывание , то за всасывающий ход поршня цилиндр заполнился бы паром объ­емом , который меньше . Таким образом, влияние вредного пространства заключается в том, что оно уменьшает объем всасываемо­го пара на - , и снижает объемную подачу компрессора. Объем­ным коэффициентом называете коэффициент, учитыва­ющий влияние вредного пространства компрессора.

=

Вследствие падении давления при всасывании действитель­но поступающий в цилиндр объем пара , отнесенный к , меньше .

Коэффициент дросселирования, учитыва­ющий потерю объема, вызываемую депрессией при всасывании.

=

Всасываемый компрессором холодный пар подо­гревается, соприкасаясь со стенками цилиндра, нагретыми теплотой сжа­тия. В результате подогрева пара его удельный объем увеличивается, а массовая подача и холодопроизводительность компрессора уменьшаются. Потери, возникающие из-за теплообмена при всасывании, учитываются коэффициентом подо­грева, определяемым по эмпирической формуле.

,

где и - абсолютные температуры кипения и конденсации.

Объем перекачиваемого компрессором пара снижают также его протечки через не плотности клапанов, поршней, сальника компрессора и т.д. Объемные потери, вызываемые протечками через не плотности, учитываются коэффициентом плотности = 0,95 ...0,99.

Энергетические потери в компрессоре делятся на внутренние (индикаторные) и механические. Вследствие этих потерь мощность , подводимая к валу компрес­сора, больше теоретической мощности при = idem.

Теоретической мощностью называется мощность компрессора с адиабатным сжатием пара, у которого нет объемных и энергетических потерь:

=

где массовая подача компрессора, кг/с, - теоретическая удельная работа компрессора, кДж/кг.

Мощность, определяемая площадью действительной индикатор­ной диаграммы, называется индикаторной . Внутренние потери энергии в компрессоре учитываются индикаторным КПД

Индикаторный КПД характеризует степень отклонения действи­тельных процессов компрессора с политропным сжатием от теорети­ческих с адиабатным сжатием.

Затраты энергии на преодоление механического трения в компрессоре учитываются механическим КПД

Эффек­тивная (подводимая к валу) мощность компрессора

Мощность, расходуемая на преодоление сил трения, называет­ся мощностью трения

где опытный коэффициент, условно называемый давлением трения, - секундный объем, описываемый поршнями компрессора.

Все энергетические потери оцениваются эффективным КПД компрессора

Энергетическая эффективность холодильной машины и ее компрессора оцениваются холодильными коэффициентами

теоретическим -

действительным - .

Действительный холодильный коэффициент является основным энергетическим показателем, характеризующим экономичность работы холодильной машины.

1.8. Двухступенчатые паровые компрессионные холодильные машины

Область применения и преимущества. С понижением температу­ры кипения и увеличением степени повышения давления в компрес­соре резко повышается температура пара в конце сжатия. Ухудшаются действительные процессы одноступенчатого компрес­сора и значительно уменьшаются его рабочие коэффициенты. Вследствие этого увеличиваются эксплуатацион­ные расходы на работу холодильной машины. Слишком высокая температура нагнетаемо­го пара недопустима из-за интенсивного испарения масла и уноса его пара хладагентом, нарушающего режим смазки компрессора, снижения вязкости, коксования или опасного воспламенения мас­ла.

Чтобы устранить эти недостатки при >8, а в малых тран­спортных установках при >12, переходят к многоступенча­тому сжатию. Двухступенчатые ХМ применяются при температуре охлаждаемого помещения не выше -18 °С и температуре кипения ~ (30 ...55)°С.

При ступенчатом сжатии необходимо охлаждать перегретый пар, перетекающий из ступени низкого в ступень высокого давления. Про­межуточное охлаждение может быть неполным или полным. Если после охлаждения пар остается перегретым, то промежуточное ох­лаждение называется неполным охлаждением. Если пар охлаждается до температуры насыщения , соответствующей про­межуточному давлению (т. е. становится сухим насыщенным), то охлаждение называется полным охлаждением. Не­полное охлаждение выполняется забортной водой в промежуточном холодильнике, а полное выкипающим хладагентом в промежу­точном сосуде. Полное охлаждение энергетически выгоднее непол­ного.

Преимущества двухступенчатого сжатия по сравнению с одно­ступенчатым заключаются в том, что вследствие промежуточного охлаждения после ступени низкого давления уменьшаются работа (мощность), потребляемая двумя ступенями сжатия, и температура пара после сжатия в ступени высокого давления, что предотвращает перегревание компрессора в более высокой ступени без водяного ох­лаждения и улучшает его смазку. В результате разделения ступеней сжатия увеличиваются объемные и энергетические коэффициенты ступеней, так как отдельная ступень работает с меньшей степенью повышения давления.

Применяются различные схемы двухступенчатого сжатия: с од­ним и двумя испарителями, одно- и двухступенчатым дросселирова­нием, неполным и полным промежуточным охлаждением, одним двухступенчатым компрессором и двумя отдельными одно­ступенчатыми компрессорами для каждой ступени. Обе ступени вы­годно конструктивно объединять в одном двухступенчатом компрессоре, так как он занимает меньшую площадь и имеет меньшую массу, чем два одноступенчатых компрессора. Специальные поршневые компрессоры для двухступенчатого сжатия ДАУ-50 и ДАУ-80 име­ют четыре цилиндра, из них три образуют ступень низкого давле­ния и один - ступень высокого давления. При этом отношение секундных объемов, описываемых поршнями ступеней высокого и низкого давления

Двухступенчатая холодильная машина с одним испарителем, полным промежуточным охлаждением, одноступенчатым дросселированием и тепло­обменником в промежуточном сосуде (рис. 9). Циклы на диаграммах sT и ip показаны на рис.10,а,в. Характерное состояние хладагента на этих рисунках отмечено одними и теми же цифрами.

Ступень высокого давления всасывает из промежуточного сосуда сухой насыщенный пар (3), адиабатно сжимает его от дав­ления до ^и перегревает до температуры , а затем нагнетает в конден­сатор. Переохлажденный водой конденсат (5) делится на два неравных пото­ка. Меньшая часть жидкости дросселируется во вспо­могательном регулирующем клапане от давления до . Затем по­дается в промежуточный сосуд для последующего выкипания жидкого хлада­гента с целью дополнительного переохлаждения основного потока конденса­та, поступающего в змеевик теплообменника из конденсатора,

Рис.9. Схема двухступенчатой ПКХМ

и полного промежуточного охлаждения перегретого пара, нагнетаемого в промежуточный сосуд из ступени низкого давления.

Рис.10. Цикл двухступенчатой ПКХМ

Образующийся при дросселировании влажный пар (6) вследствие различия в плотностях пара и жидкости, а так­же в результате изменения скорости и направления движения хладагента раз­деляется в промежуточном сосуде на сухой насыщенный пар (3) и насыщенную жидкость (6').

Основной поток жидкого хладагента, проходящий под давлением по змеевику переохладителя, дополнительно переохлаждается в нем до тем­пературы вследствие выкипания жидкости, находящейся в межзмеевиковом пространстве промежуточного сосуда. Пе­реохлажденный поток жидкости одноступенчато дросселируется в главном регулирующем клапане от давления до . Образовавшийся при дроссели­ровании влажный пар (8) поступает в испаритель. Образовавшийся в по­следнем перегретый пар (/) всасывается ступенью низкого давления, адиабат­но сжимается в ней от давления до (2) и нагнетается в промежуточный сосуд, под уровень жидкого хладагента, кипящего при = const. Пере­гретый пар (2) основного потока хладагента, поступающий в промежуточ­ный сосуд, поднимается пузырьками вверх (барботирует) через слой насыщен­ной жидкости и вследствие выкипания подвергается полному контактному охлаждению до температуры (3). Таким образом, промежуточный сосуд выполняет функции отделителя и переохладителя жид­кости, а также промежуточного холодильника. Далее цикл повторяется.

Вследствие промежуточного охлаждения пара суммарная работа, за­трачиваемая в двух ступенях сжатия, меньше работы одноступенчатого цик­ла на. Из-за уменьшения ра­боты у двухступенчатой машины больше, чем у одноступенчатой машины, работающей в том же диапазоне температур. Кроме того, температура пара в конце сжатия у двухступенчатой машины значительно ниже, чем у одно­ступенчатой.

Секундные объемы, описываемые поршнями ступеней низкого и высокого давления и , где и — удельный объем пара, всасываемый каждой ступенью соответственно в точках 1 и 3. По объемам ступеней и их отношению из каталогов под­бираются двухступенчатый компрессор или отдельные одноступенчатые ком­прессоры для каждой ступени.

Выбор промежуточного давления. Для определения за­даются несколькими его значениями и, пере­страивая цикл машины, для каждого значения выполняют теп­ловые расчеты машины, определяют и . По результатам расчетов строятся зависимости и (рис.11).

Оптимальное давление соответствует максимальному зна­чению действительного холодильного коэффициента цикла. Давле­ние принимается за окончательное, если двухступенчатое сжатие осуществляется в двух раздельных одноступенчатых ком­прессорах.

Рис.11. График зависимостей и

Когда двухступенчатое сжатие производится в одном компрес­соре с заданным отношением объемов, описываемых поршнями ступе­ней, промежуточное давление устанавливается в машине в зависимо­сти от имеющегося отношения . В этом случае за окончательное принимается давление, снимаемое с графика и соответ­ствующее заданному отношению (обычно = 1/3).