Документ: Техническая термодинамика. Булыгин Ю.А., Кретинин А.В, страницы 126-130

125

Увеличение энтальпии газа i2 i1 определяется его изобарной теплоемкостью и изменением температуры T2 T1 , т.е.

i2 i1 c p T2 T1

Действительный цикл поршневого компрессора отличается от идеального, во первых, тем, что в цилиндре имеется так называемое «вредное пространство», равное объему между крышкой цилиндра и поршнем в его крайнем положении (здесь размещается клапанное устройство). Обычно вредное пространство Vc составляет 3 10%

от объема цилиндра V1 .

По окончании выталкивания газа в Vc

остается сжатый газ. При обратном движении поршня, оставшийся газ расширяется и всасывание новой порции начинается лишь тогда, когда давление газа, оставшегося в цилиндре, понизится от давления нагнетания p2 до давления

всасывания p1 . Так что в цилиндр всасывается лишь объем V V1 V4 . Наличие Vc уменьшает

количество газа, всасываемого в цилиндр, и тем самым снижает производительность поршневого

компрессора. Уменьшение производительности характеризуется объемным к.п.д.

V 0,7 0,9

Vh

где Vh - объем, описываемый поршнем.

Наполнение цилиндра ухудшается кроме того, за счет подогрева всасываемого газа о стенки цилиндра и в результате смешения его с остальным газом (подогрев от T1 до T1 ). Количество газа, всасываемого без учета подогрева и с учетом соответственно равно

G p1V и G p1V , RT1 RT1

а их отношение G T1 .

G T1

Общее уменьшение производительности из-за вредного пространства и нагрева характеризуется коэффициентом наполнения

			T1		V T1

		V			Vh
		V
			T1			T1
			T1			T1
Если	путем		регулировки				пружины
выпускного	клапана			увеличивать			давление
нагнетания	p2	(точки		2,	2'... 2"),		то объем

всасываемого газа будет уменьшаться, и в предельном случае нагнетания газа не будет происходить (клапан выпуска не откроется при перемещении поршня до самой верхней течки). При этом линия расширения газа, оставшегося в Vc ,

совпадает с линией сжатия и производительность компрессора становится равной нулю, поршень периодически сжимает едко и то же количество

газа без нагнетания. Предельное давление p пр , можно рассчитать по формуле:

126

n

1

n

Vc

Vh

pпр

p1

1

Vc

где Vc

- относительная

величина

вредного пространства. Техническая

Vh

работа, затрачиваемая на совершение одного цикла, численно в определенном масштабе, равна площади 1234, которая, может быть представлена в виде разности площадей a12b и a43b, или аналитически

n 1

n

p2

n

p3

n

L*

n 1 p1V1

p

1 n 1 p4V4 p

4

1

Учитывая, что p1

p4

и p2 p3 , имеем

n 1

n

p2

n

L*

p

V V

1

n

1

4

p

1

Количество газа, всасываемого за цикл

G

p1 V1 V4

,

кг

RT1

1

Работа, затрачиваемая на 1 кг газа

					n 1
					n 1
	L *		n	p2	n
	L *		n	p2

l* G
l* G		n 1 RT1		p
				1

1

Значит, наличие "вредного пространства" не изменяет величины теоретической работы, затрачиваемой на получение одного и того же количества сжатого газа, потребуется лишь большее число ходов поршня, что увеличивает механические потери.

Второе отличие действительной индикаторной диаграммы от теоретической в том, что вследствие сопротивления во впускном и выпускном патрубках, всасывание

происходит при давлении в цилиндре, меньшем давления среды, из которой происходит всасывание, а давление сжатого газа в цилиндре компрессора несколько больше давления на выходе нагнетательного патрубка.

Таким образом, получить газ высокого давления в одноступенчатом компрессоре невозможно в связи с уменьшением его производительности при повышении давления. Кроме того одновременно с повышением давления увеличивается и температура сжимаемого газа, и она может достигнуть такого значения, при котором произойдет самовоспламенение смазочного масла в цилиндре. Поэтому такие компрессоры обычно применяют для получения сжатого воздуха давлением не выше 1,0 МПа. Практически

сжатие происходит обычно по политропе с показателем n 1,2 1,25 до p2 p1 6 8 .

Многоступенчатые компрессоры

127

Применяют для получении сжатых газов высокого давления, конструктивно представляют собой систему последовательно соединенных одноступенчатых компрессоров, между которыми устанавливаются холодильники.

Теплообменник с развитыми поверхностями охлаждения обеспечивает несравненно более эффективный отвод тепла, чем водяная рубашка цилиндра компрессора.

Газ последовательно проходит через ступени компрессора и в каждой из них повышает давление на определенную величину. После каждого сжатия газ поступает в промежуточные холодильники и при постоянном давлении охлаждается до начальной температуры, при которой газ всасывался в первую ступень. Такой способ получения сжатого газа замедляет возрастание давления в каждом цилиндре, и влияние вредного пространства на производительность компрессора

уменьшается.

Индикаторная диаграмма многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением включает в себя следующие процессы:

а-1 - линия всасывания; 1-2 - сжатие в цилиндре по политропе; 2-b - нагнетание в холодильник; b-3 - всасывание охлажденного газа во второй цилиндр; 2-3 – охлаждение газа в первом холодильнике; 3-4 – политропное сжатие во втором цилиндре; 4-с - нагнетание во второй холодильник; с-5 - всасывание охлажденного ваза в третий цилиндр; 4- 5 - линия охлаждения во втором

холодильнике; 5-6 -политропное сжатие в третьем цилиндре; 6-d - нагнетание в резервуар (или сеть).

Из рисунка видно, что работа многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением газа тем меньше, чем ближе ломаная 1-2-3-4-5-6, отображающая процессы сжатия и охлаждения газа, расположится к изотерме 1-3-5-7. Чем больше количество ступеней у компрессора, тем теоретически экономичнее его работа. Однако при этом усложняется его конструкция и эксплуатация; поэтому часто ограничиваются двумя-тремя ступенями сжатия - вступают в силу технико-экономические соображения.

Рассмотрим работу многоступенчатого компрессора, у которого температура в конце сжатия во всех цилиндрах одинакова и газ охлаждается в холодильниках до одинаковой температуры равной температуре окружающей среды:

T1 T3 T5 TI

T2 T4 T6 TII

p2 p3 ; p4 p5

p1 - давление на входе p2 - давление в сети

Из уравнения политропы имеем:

128

n

p2

n1

p4

n1

T2

;

T4

;

p6

T6

p1

p3

T1

T3

p5 T5

Следовательно, при таких условиях степень повышения давления x в каждой

ступени одинакова:

p2

p4

p6

x и

p6

p2

p4

p6

x3

p1

p3

p5

p1

p1 p3 p5

При давлении p1 на входе в первую ступень,

равном 1 бару, конечное давление

p6 pкон равно

x3

или

x

p

кон

3

p

кон

Для m -ступенчатого компрессора степень повышения давления

x m pкон - так подсчитывают рациональное число ступеней сжатия и вычисляют степень повышения давления в одной ступени. ( pкон p2 p1 ) задается.

При этой величине отношения давлений на ступени выполняется условие минимальности суммарной технической работы цикла всего компрессора.

Работа на привод многоступенчатого компрессора складывается из работ на привод отдельных ступеней:

l

1

2

... l m

или

n1

n

p2

n

n 1 RT1

1

l1

p

n 1 RT1 x

1

;

1

+

n1

n

p4

n

x n

1 ;

l

RT

1

RT

2

3

n 1

p3

n 1

m

n

n 1

l

n

li m

n 1

RT1 x

1

i 1

Эта работа меньше, чем работа, затрачиваемая на такое же сжатие газа в одной ступени.

Выигрыш в работе представляется на рисунке площадкой 3204.

Так получается экономия в потребляемой работе.

В реальных компрессорах, из-за ограниченных габаритов холодильников, охлаждение сжатого в каждой ступени газа неполное, не до изотермы

T1 ,

поэтому работа на сжатие несколько больше теоретической.

129

Проигрыш в работе представляется площадью 33 4 4.

На следующих рисунках изображены TS -диаграммы процессов адиабатического и политропного сжатия газа в трехступенчатом компрессоре.

Тепло qхол , отведенное в холодильнике:

n 1

p

2

n

T

c

q

хол

c

p

II

T

I

T

1

c

T

p

p 1

1

Отведенное тепло эквивалентно площади а23b. Для изотермического сжатия TI TII и qиз lиз = пл. а13b.

Тепло qст , отведенное в стенки

цилиндра при политропном сжатии

(1 n k) :

n k

TII

cv

n k

n 1

I

TdS

qст cv

TI

n

n 1

T1 x

II

эквивалентно площади с12а.

Линии 1-2, 3-4 изображают процессы сжатия, линии 2-3, 4-5 соответствуют

изобарному отводу теплоты в холодильник. Вся работа l

изображается площадью с23b,

которая на пл.123 больше, чем , lиз

и на

пл. 12’2 меньше, чем lад . Сравнивая

рисунки замечаем, что суммарная работа

всасывания

и

нагнетания

при

политропном сжатии

(если n k )

меньше, чем при адиабатном.

Работа, затрачиваемая на сжатие

воздуха в компрессоре, будет наименьшей

при

изотермическом

сжатии

и

наибольшей – при адиабатном. Кроме

того, необходимо отметить, что при

изотермическом сжатии температура газа

остается неизменной, а при адиабатном - стремительно растет, что неблагоприятно сказывается на смазке в цилиндре. Осуществить изотермическое сжатие газа в компрессоре практически невозможно, и в действительности сжатие газа происходит политропно с показателем n 1,2 1,3. Показатель политропы n зависит от степени

охлаждения цилиндра. При интенсивном охлаждении n уменьшается и политропа приближается к изотерме.

В современных компрессорах применяют следующие системы:

а) охлаждение компрессора подачей води в специально выполненные полости в отливке корпуса (внутреннее охлаждение), что существенно улучшает условия смазки поршневых компрессоров. Но достаточного приближения процесса сжатия к изотермическому нет, т.к. затруднены условия теплообмена между потоками газа и охлаждающей воды;

Материал: Техническая термодинамика. Булыгин Ю.А., Кретинин А.В

Смотрите также: