Лекция №8
В начале процесса сжатия температура стенок рабочей полости выше температуры газа, и тепло передается от стенок к газу. Процесс сжатия происходит с подводом тепла, т.е. показатель политропы П > К на этом участке. По мере поышения давления сжатия температура газа возрастает, а количество тепла, передаваемое от стенок к газу, уменьшается. Уменьшается и показатель политропы сжатия.
Когда температура газа и стенок станет одинаковой, нагрев газа от стенок прекратится и П будет равен К. При дальнейшем повышении давления температура газа становится выше температуры стенок и начинается теплоотдача от газа к стенке. В этот период сжатия процесс идет с отводом тепла и показатель политропы сжатия на этом участке меньше показателя адиабаты П < К.
Рис. 
Если имеются неплотности в нагнетательных клапанах, то газ из нагнетательного патрубка будет в процессе сжатия протекать в рабочую полость и давление в ней будет повышаться не только вследствие уменьшения объема рабочей полости, но и в связи с увеличением весового количества газа в ней. При этом линия сжатия на индикаторной диаграмме будет отклоняться вправо.
Отклонения линии сжатия вправо вызывается двумя причинами: увеличением весового количества газа в цилиндре и повышением показателя политропы вследствие притока тепла с газом из нагнетательного патрубка. В цилиндрах двухстороннего действия и с дифференциальными поршнями происходит перетекание газа через зазоры уплотнений поршней из рабочей полости, в которой происходит сжатие и нагнетание, в полость, где происходит всасывание.
Перетекание, уменьшающее количество газа в рабочей камере в процессе сжатия, отклоняют линию сжатия влево, изменяя конфигурацию этой линии аналогично случаю уменьшения показателя политропы сжатия.
Аналогичные сложные явления, которые отклоняют линию процесса, имеют место и при расширении газа, оставшегося в мертвом пространстве. Разница заключается лишь в том, что в данном случае подсос газа и подвоз тепла делают кривую процесса более пологой.
Т.к. количество газа, оставшееся в мертвом пространстве, сравнительно мало, а относительная величина теплопередающей поверхности велика, то в начале процесса расширения, когда тепло отводится от газа, линия расширения круто опускается вниз. Этому способствует и вытекание газа из рабочей полости через уплотнения поршня и всасывающие клапаны. Количество вытекающего газа будет небольшим в начале процесса расширения, когда давление газа в цилиндре велико. Относительная величина их больше, чем при сжатии.
Выразить аналитически линию процесса сжатия и расширения в виде уравнений, охватывающих влияние всех факторов, не представляется возможным. По этой причине при исследовании работы компрессоров заменяют линии сжатия и расширения политропами с постоянными показателями.
Если связывают уравнением политропического процесса давления и объемы газа в начале и конце процесса (например, давления и объемы в точках 1 и 2 диаграммы), то политропу, проходящую через эти две точки, называют политропой конечных параметров. Показатель ее обозначают Пк. (*)
В том случае, если необходимо связать законом политропического процесса давления и температуры газа в этих точках, то показатель политропы обозначают Пt.
При вычислении индикаторных работ вводят эквивалентную политропу, дающую площадь индикаторной диаграммы, равную действительной.
Условимся обозначать показатель эквивалентной политропы сжатия Пс, а расширения Пр.
Величины показателей политроп выбираются по опытным данным.
Величина эквивалентного показателя политропы Пс в нормально работающих поршневых компрессорах с охлаждением стенок цилиндров и их крышек проточной водой при Ец = 3÷6 лежит пределах
Пс = (0,92 ÷0,98)×К
Псэ = (0,92 – 1,0)×К
На величину показателя политропы сжатия Пс влияют следующие факторы:
1. Увеличение интенсивности охлаждения стенок цилиндров ведет к уменьшению Пс.
2. Рост количества утекающего газа из рабчей полости в процессе сжатия уменьшает Пс.
3. Увеличение размеров цилиндра уменьшает влияние внешнего теплообмена. Показатель политропы при этом приближается к показателю адиабаты. Это объясняется тем, что при увеличении размеров машины количество газа в ней пропорционально кубу размеров, а охлаждающая поверхность и протечки – пропорционально квадрату их.
Следовательно, количество тепла, отведенное или подводимое к каждому килограмму газа за время сжатия, и относительная величина протечек уменьшаются пропорционально линейным размерам цилиндра.
4. С ростом числа оборотов вала компрессора показатель политропы также стремится к показателю аднабаты, т.к. влияние теплообмена и протечек при этом уменьшается.
5. Нарушение герметичности нагнетательных клапанов увеличивает показатель политропы.
В процессе расширения газа в рабочей камере температура его резко падает, и в теплообмене превалирует подвод тепла к газу от стенок цилиндра. Это приводит к тому, что Пр < Пс. Для практических расчетов можно принимать
Пр (0,94 ÷ 0,98)×Пс
Прэ = (0,94 - 1,0) ×Псэ
Здесь представлено условное изображение действительного рабочего процесса поршневого компрессора в диаграмме Т-S. Условность заключается в том, что диаграмма Т-S относится к 1кг газа, тогда как в рабочем процессе компрессора количество газа изменяется. Точка 1’ характеризует состояния газа во всасывающем патрубке компрессора, а точка 1- состояние газа в рабочей полости компрессора в конце всасывания и начале сжатия. Линия 1’-1 изображает изменение состояния газа в процессе всасывания, при котором происходит понижение его давления от Р1 до Рц1, повышение температуры от Т1 до Тц1 и увеличение энтропии. Линия 1-5-2 изображает изменение состояния газа при его сжатии, когда давление и температура увеличивается от Рц1 и Тц1 до Рц2 и Тц2. На участке 1-5 энтропия возрастает, процесс протекает с подводом тепла к газу от стенок рабочей полости (К > Пс ≠ const). Линия 2-3 характеризует понижение температуры и энтропии газа в рабочей полости во время нагнетания при Рц2 вследствие теплообмена со стенками цилиндра. Линия 3-6-4 представляет собой изменение состояния газа, оставшегося в мертвом пространстве в процессе его расширения, когда давление и температура газа уменьшаются. На участке 3-6 процесс рабочей камеры и энтропия понижается, а на участке 6-4 – с подводом тепла от стенок к газу и повышением энтропии. Точка 4 характеризует состояние газа, расширившегося из мертвого пространства. Этот газ смешивается со свежим всасываемым, у которого повышается температура, во-первых, от смешания с расширившимся газом из мертвого пространства и, во-вторых от тепла, передающегося от стенок рабочей камеры.
Мертвое пространство и его влияние на производительность компрессора.
На диаграмме Vм представляет собой в масштабе диаграммы объем мертвого пространства в данной рабочей камере. Он складывается из:
1. Vм1 – пространство между поверхностью поршня, находящегося в мертвой точке, и поверхностью крышки. Зазор «б » предохраняет поршень от удара в крышку цилиндра.
Vм1 = π ∕4 Дц2 ×б
2. Vм2 – объем пространства между боковыми поверхностями цилиндра и поршня на длине ℓ до первого поршневого кольца:
Vм2 = π ∕4 (Дц2 – Дn2) × ℓ
3. Vм3 – мертвое пространство, образующееся под клапанами рабочей полости компрессора.
4. Vм4 – прочие мертвые пространства, из которых газ не может быть вытеснен при нагнетании поршнем.
Vм = Vм1 + Vм2 + Vм3 + Vм4
В объеме Vм газ с давлением Р3 остается невытесненным в период нагнетания. При обратном движении поршня этот газ расширяется и занимает объем V4, который исключается из общего объема всасывания.
В точке 4 диаграммы давление газа равно давлению в конце процесса всасывания, т.е. в точке 1.
Уменьшение производительности вследствие влияния мертвого пространства учитывается объемным коэффициентом λ0, который равен:
λ0 = 
Величина _ λ0 _ характеризует степень использования полезного объема цилиндра для заполнения новой порцией газа.
Из диаграммы следует:
Vв = Vh + Vм – V4
где Vh – объем, описываемый поршнем за один ход;
Vв - объем всасываемого газа при параметрах, соответствующих концу процесса всасывания.
Проедем через точки 3 и 4 диаграммы политропу конечных параметров линии расширения. Тогда
Р3V3пк = Р4 V4 пк, где
Пк – показатель политропы конечных параметров.
Решим это уравнение относительно V4
Заменим в уравнении величину Vв ее выражением
Vв = Vh + Vм – V4
Учитывая, что V3 = Vм, получим
Обозначим 
= а - относительная величина мертвого
пространства.
Р4 = Рц1 – давление газа в конце процесса всасывания
Рц3 = Р2+∆Р2+∆Рпр
где ∆Р2 - потери давления в нагнетательных клапанах; в конце процесса нагнетания эти потери близки к нулю, т.к. скорость газа в щели клапана стремится к нулю;
∆Рпр - предварительный натяг пружины нагнетательного клапана. Эта величина невелика. Величину Рц3 при расчетах принимают равный среднему давлению газа в период нагнетания
Рц3 = Рц2
