Компрессорами называются машины, предназначенные для сжатия различных газов и паров. В современной технике они находят достаточно широкое применение: парокомпрессионные холодильные машины, подготовка пускового воздуха в ДВС, компрессоры ГТД...
Все применяемые, в настоящее время, компрессора подразделяются на две большие группы: объемные и лопаточные.
|
В объемных компрессорах сжатие рабочего тела осуществляется вследствие сближения ограничивающих рабочий объем стенок. К данной группе относятся поршневые (рис. 2.32а), ротационные (рис. 2.32б) и винтовые компрессора.
В лопаточных компрессорах - работа вращающегося ротора сначала преобразуется в кинетическую энергию потока газа, а затем, в диффузорных межлопаточных каналах, кинетическая энергия потока переходит в потенциальную энергию давления. Представителями этой группы являются осевые и центробежные компрессора.
Лопатки осевого компрессора представляют собой изогнутые тонкостенные профили (рис. 2.32в), образующие диффузорный канал (F1 < F2). При повороте движущегося между ними потока газа, в соответствии с уравнением неразрывности (r1w1F1=r2w2F2 ), скорость потока падает, а плотность газа возрастает.
Несмотря на различие принципов сжатия в объемных и центробежных компрессорах и их конструктивные отличия, термодинамика процессов сжатия в них одинакова для любых типов машин (p , T , v ¯, r ). Поэтому термодинамические процессы во всех компрессорах описываются одними и теми же уравнениями.
Для исследования и анализа процессов, протекающих при сжатии газов, рассмотрим работу наиболее простого одноступенчатого компрессора (рис. 2.33). Он состоит из цилиндра с полыми стенками, внутри которых циркулирует охлаждающая вода, и поршня, связанного с кривошипо-шатунным механизмом. В крышке цилиндра располагаются всасывающий и нагнетательный клапана.
При работе реального компрессора поршень никогда не доходит до крышки цилиндра. Между поршнем, находящимся в верхнем мертвом положении (2), и крышкой цилиндра всегда сосредоточена некоторая масса газа. Исходя из этого, весь объем цилиндра компрес-
   
|
сора можно разбить на: рабочий (V р ) - образующийся между верхним и нижним мертвым положением поршня и вредный (V вр) - между верхним мертвым положением поршня и крышкой цилиндра.
Для выяснения основных термодинамических закономерностей сжатия газа рассмотрим работу теоретического одноступенчатого компрессора. Термин теоретический предполагает допущения:
* Геометрический объем цилиндра компрессора равен рабочему
* Отсутствуют потери работы на трение и дросселирование газа.
Рабочий процесс компрессора совершается за один оборот вала или два хода поршня (рис. 2.34).
|
При ходе поршня вниз открывается всасывающий клапан, и происходит заполнение цилиндра рабочим телом (процесс p1-1).
При ходе поршня вверх всасывающий клапан закрывается, и осуществляется сжатие газа (процесс 1-2). При достижении газом конечного давления p2 открывается нагнетательный клапан, и сжатый газ поступает в нагнетательный резервуар - рессивер (процесс 2-p2), предназначенный для сглаживания пульсаций давления. Конечное давление газа регулируется пружиной, установленной на нагнетательном клапане.
Основной целью термодинамического расчета компрессора является определение располагаемой работы, необходимой для сжатия газа и по ней мощности приводного двигателя.
Работа сжатия в компрессоре, в первую очередь, зависит от теплообмена между газом и стенками цилиндра.
Процесс сжатия в компрессоре может быть осуществлен одним из трех способов (рис.2.34, 2.35):
1. Изотермически pv=const (1-2’) - вся энергия, подводимая к газу в виде работы, отводиться с охлаждающей водой в виде теплоты.
2. Адиабатно pvk=const (1-2”) - при отсутствии теплообмена газа с окружающей средой.
|
3. Политропно pvn=const (1-2) - когда подводимая к газу энергия, частично будет отводиться с охлаж-дающей водой, а частично пойдет на увеличение энтальпии газа.
Из построенных, в p-v и T-s диаграммах, графиков изотермического, политропного и адиабатного процессов сжатия видно, что изотермическому процессу 1-2’, соответствует минимальная располагаемая работа сжатия (рис. 2.34 фигура p1-1-2’-p2), а следовательно, изотермическое сжатие, с энергетической точки зрения, наиболее выгодно. Однако, практически такой процесс не осуществим, и реальный политропный процесс может лишь в большей или меньшей степени приближаться к изотермическому.
Из этих же диаграмм видно, что сжатию по адиабате соответствует максимальная работа сжатия (рис. 2.34, фигура p1-1-2”-p2), поэтому адиабатное сжатие является энергетически невыгодным. Кроме того оно неблагоприятно и с точки зрения механической работы компрессора.
Практикой эксплуатации компрессоров установлено, что их нормальная работа наблюдается при температуре сжатого газа t2<160¸180 оC. При больших температурах возможен перегрев узлов машины и взрыв паров масла в нагнетательном трубопроводе. Поэтому неохлождаемые компрессора применяются только при небольших степенях повышения давления газа: l = p2 / p1 < 1.5 ¸ 2. При l>2 используются только охлаждаемые компрессора.
Процесс сжатия в большинстве компрессоров является политропным. При хорошем охлаждении показатель политропы такого процесса составляет n=1.15¸1.25.
Согласно полученным ранее соотношениям между параметрами газа в политропном процессе, температуру газа в конце сжатия в одноступенчатом поршневом компрессоре можно определить как:
, [K], а количество теплоты, отводимой от газа при сжатии: 
, [кДж/кг]. Так как изменение энтропии s2-s1<0, то и теплота процесса q<0 (рис. 2.35).
Располагаемая работа, затрачиваемая на сжатие в теоретическом компрессоре может быть определена из соотношения 2.49б
, [кДж/кг],
а теоретически необходимая мощность на привод компрессора как:
, [кВт], (2.53)
где G - массовая производительность компрессора [кг/ч].
|
Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого поршневого компрессора (рис. 2.36) отличается от теоретической вследствие наличия в реальном компрессоре потерь на дросселирование газа во входном и нагнетательном клапанах, а также влияния вредного объема на процесс сжатия.
Вследствие потерь на дросселирование во всасывающем и нагнетательном клапанах процесс заполнения цилиндра свежим зарядом будет протекать при давлении ниже, чем давление окружающей среды (4-1), а нагнетания при давлении выше, чем в рессивере (2 -3).
Наличие в реальном компрессоре вредного пространства приводит к тому, что в нем, после нагнетания газа в рессивер, будет оставаться некоторая масса газа. При обратном ходе поршня эта масса будет расширяться до некоторого объема V 0, соответствующего давлению среды, из которой поступает газ, и только после этого начнется заполнение цилиндра свежим зарядом (по существу при каждом ходе поршня сжимается и расширяется одна и таже масса газа).
Наличие вредного пространства уменьшает производительность компрессора. Эта потеря учитывается объемным коэффициентом полезного действия компрессора:
, (2.54)
где V - полный объем цилиндра, Vвр - вредный объем, Vр - рабочий объем, V0 - величина, на которую увеличивается объем газа, сосредоточенного во вредном пространстве, при его расширении до давления окружающей среды.
Т.к. объемный КПД компрессора зависит от величины, на которую увеличивается объем газа, сосредоточенного во вредном пространстве, при его расширении от давления p1 до p2 , то, следовательно, он зависит и от массы газа, находящегося во вредном пространстве. С ростом p2 эта масса будет увеличиваться.
|
Увеличение давления газа в конце сжатия приводит к увеличению его массы, сосредоточенной во вредном пространстве, и величин V0. Возможно достижение такого давления p2кр, когда вся масса газа, находящегося в цилиндре, будет сосредоточена во вредном пространстве. В этом случае подача компрессора будет рана нулю Þ hоб = 0 (рис. 2.37).
Наличие вредного простран-ства ограничивает степень повышения давления в одноступенчатом компрессоре. Поэтому для получение высоких степеней повышения давлений газа (l= p2 / p1 >5) применяются многоступенчатые компрессора.
Для случая адиабатного сжатия величина критического давления может быть определена как:
.
Кроме вредного пространства на производительность реального компрессора оказывает влияние нагрев газа от стенок цилиндра.
Масса газа, поступающего в цилиндр компрессора, уменьшается вследствие увеличения удельного объема газа из-за нагрева его горячими поверхностями машины и горячим газом, оставшимся во вредном пространстве. Это приводит к падению производительности компрессора. Данная потеря характеризуется отношением температур T’1 / T1, где T’1 - температура всасываемого газа вне цилиндра; T1 - температура газа в цилиндре, нагретого в процессе всасывания.
Общее уменьшение производительности компрессора, обусловленное влиянием вредного пространства и нагревом газа при всасывании, характеризуется коэффициентом наполнения:
. (2.55)
Кроме перечисленных потерь, в реальном компрессоре присутствуют внутренние потери связанные с трением и теплообменом с окружающей средой. Они приводят к увеличению располагаемой работы, затрачиваемой на сжатие газа.
При проведения термодинамических расчетов реальных охлаждаемых компрессоров предполагают, что теоретически необходимая для сжатия работа равна работе изотермического сжатия, а у неохлаждаемых - адиабатного сжатия:
, 
[кДж/кг].
Эффективность работы реальных компрессоров оценивается изотермическим и адиабатным КПД представляющими собой отношение теоретической работы (l из или lад) к действительной (l д), затраченной на привод компрессора:
. (2.56)
. (2.56а)
В соответствии с этим, действительная потребная мощность на привод охлаждаемого компрессора определится как:
. (2.57)
|
Для достижения высоких конечных давлений газа применяются многоступенчатые компрессора с промежуточным охлаждением сжимаемого газа (рис. 2.38).
Применение многоступенчатого сжатия понижает отношение давлений в каждой из ступеней, для чего общая степень повышения давления в компрессоре равномерно распределяется между ступенями: l = p2 / p1=p3 / p2. Это позволяет повысить объемный КПД компрессора (с уменьшением l ступени уменьшается величина V0 и растет hоб=(Vр-V0)/Vр ).
С энергетической точки зрения наиболее выгодным является изотермическое сжатие газа, которому на рисунке 2.39 соответствует процесс 1-3’. Однако, вследствие наличия потерь, такой процесс реально неосуществим. Сжатие в действительном одноступенчатом компрессоре может протекать только по политропе 1-3”.
|
При применении многоступенчатого сжатия в первой ступени поршневого компрессора с промежуточным охлаждением газ сжимается по политропе 1-2 до промежуточного давления 
.
Далее он поступает в промежуточный холодильник, где при постоянном давлении температура рабочего тела понижается от T2 до начальной температуры сжатия T1 (процесс 2-2’).
Во второй ступени газ вновь сжимается по политропе 2’-3 до конечного давления p3.
Из построенных в p-v и T-s диаграммах графиков видно, что применение многоступенчатого сжатия позволяет экономить расход затрачиваемой на сжатие работы (рис. 2.39, фигура 2-2’-3-3’) по сравнению с одноступенчатым.
При достаточно большом количестве ступеней работа сжатия в многоступенчатом компрессоре будет приближаться к работе изотермического процесса.