Компрессоры

Компрессоры.

 
              Компрессор - это машина, предназначенная для сжатия газов и паров. В процессе сжатия повышается давление газов.

Компрессоры классифицируют по максимальному конечному давлению и по объёмной подаче.

 
- Pк>0,1МПа – вентиляторы (перемещение газа) 
 
- Рк<1МПа – компрессоры низкого давления 
 
Многоступенчатые компрессоры:

 
- Pк<10МПа – компрессор среднего давления 
 
- Pк>10МПа – компрессор большого давления

 
 
               В многоступенчатых компрессорах сжатие происходит в несколько этапов с промежуточным охлаждением сжатого газа.

 

 

По величине объёмного расхода (объёмной подачи) -  компрессоры делятся на машины:  

- малой подачи: Gv=0,003м3/с;

- средней подачи: Gv=0,03м3/с;

- большой подачи: Gv=0,3м3/с.

 
              Компрессоры малой подачи, как правило, поршневые компрессоры, а с большой подачей работают турбокомпрессоры. 

              Принципы сжатия газа в поршневом компрессоре и турбокомпрессоре различаются.  
             В поршневом компрессоре давление повышается за счёт сжатия газа в закрытом объёме. В турбокомпрессоре сжатие происходит в 2 этапа: сначала газ разгоняют до больших кинетических энергий, а затем затормаживают его, ставя преграду, в этом случае кинетическая энергия превращается в энергию давления. 

              Количественные характеристики процесса сжатия газа. 
              1. Степень сжатия газа - это отношение начального объёма Vнач. к конечному объёму газа Vкон.

2. Степень повышения давления

 
              Процессы в идеальном поршневом компрессоре. 

 
 

 

1 - впускной клапан; 2 - нагнетательный клапан.

Vвред. - вредный объём.

h - ход поршня;

ВМТ - верхняя мёртвая точка; НМТ - нижняя мёртвая точка. 

 

Поршневой компрессор - двухтактная машина, т. е. все процессы происходят за 2 такта (2 хода поршня).

 

Один такт – перемещение в пределах h.

 

Vвред. - вредный объём; в пределах этого объёма, когда поршень в положении ВМТ, остаётся сжатый газ, не вытолкнутый из компрессора. Наличие этого объёма снижает производительность компрессора.

 

Выпускной клапан 1 самооткрывающийся.

 

Нагнетательный клапан 2 снабжён пружиной, жёсткость которой определяет конечное давление сжатия. 

В компрессоре присутствуют силы трения:

1. трение поршня о стенки цилиндра (необходимо проводить смазку);
2. аэродинамическое трение в клапанах (необходимо увеличить сечение клапанов). 
   

 
Идеальный компрессор.

1. Сжимается идеальный  газ, т. е. отсутствует аэродинамическое  трение (это приводит к тому, что  процессы всасывания и нагнетания  проходят при p=const).

2. Отсутствует вредный  объём. 
3. Пренебрегаем трением поршня.  
 
Изобразим процессы в идеальном компрессоре на индикаторной диаграмме. 
 
 
 
0-1 – процесс всасывания при p1=const. 
 
[Дж]>0 
 
1-2 – процесс сжатия; оба клапана закрыты; поршень движется влево: 
 
[Дж]<0. 
 
В точке 2 открывается нагнетательный клапан и происходит процесс 2-3. 
 
2-3 – процесс сжатия при p2=const; поршень движется влево: 
 
[Дж]<0 
 
В компрессоре процесс незамкнутый.  
 
Процессы 0-1 и 2-3 – не термодинамические, т. е. в этих процессах параметры газов остаются постоянными, а изменяется только его количество. 
 
В общем случае показатель политропы сжатия может быть любым, однако на практике реализуется показатель политропы от k до 1 (1<n<k). 
  
n=1 – изотермически компрессор; 
 
n=k – адиабатный компрессор.  
 

 

 

Многоступенчатое сжатие.

 
Для получения больших конечных давлений используют многоступенчатые компрессоры. При сжатии газов при 1<n 

 
При больших значениях lK могут быть достигнуты температуры, опасные для эксплуатации (может произойти возгорание масла и потеря прочности деталей), поэтому lK ограничивают величинами порядка 4ч6. Применяют многоступенчатое сжатие и промежуточное охлаждение газов между ступенями сжатия.

 

 
К1; К2; К3 – ступени сжатия;

ТО1; ТО2 – промежуточные теплообменники.

При конструировании компрессоров стараются обеспечить равномерное распределение работы между ступенями:

 
lK1=lК2=lK3 
 
Кроме того, lK и n стараются делать одинаковыми. В этом случае изменение температуры газа в каждой ступени также будет одним и тем же: 
 
 
В промежуточных теплообменниках газ охлаждается до начальной температуры при p=const.

 
 

Реальный компрессор.

 
В реальном компрессоре присутствуют вредный объём и все виды трения, поскольку газ неидеальный. 

 
Изобразим процессы на индикаторной диаграмме:

 
 
 
 
1-2 – процесс сжатия заканчивается при большем давлении в точке 2, чем давление нагнетания (Рнагнет.) на величину ?Рнагнет. Это необходимо для компенсации трения в нагнетательном клапане. 

 
2-3 – процесс нагнетания заканчивается в ВМТ, при этом в цилиндре во вредном объёме остаётся газ высокого давления. 

 
При движении поршня по направлению к НМТ сначала газ расширяется из вредного объёма (Vвред.), а затем происходит процесс всасывания.

 
3-0 – процесс расширения газа из вредного объёма. 

 
0-1 – процесс всасывания.

 
Давление в точке 0 ниже атмосферного (P1) на величину ?Рвсасыв. Это необходимо для компенсации трения во впускном клапане. 

 
 

Поршневые компрессоры

 

Одноступенчатый компрессор. Поршневые компрессоры применяются для сжатия газов. Принцип действия поршневого компрессора основан на изменении объема рабочей полости цилиндра за счет перемещения поршня. При движении поршня 2 слева направо происходит всасывание газа при открытом всасывающем клапане 4 и заполнение им цилиндра 1. Всасывание изображено на теоретической индикаторной диаграмме линией 4–1. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие газа до требуемого давления Р2 (процесс 1–2). Как только давление в цилиндре достигнет величины Р2, откроется нагнетательный клапан 5 и газ начнет выталкиваться поршнем в газосборник (процесс 2–3). При достижении поршнем крайнего левого положения в реальном компрессоре сначала происходит расширение газа, оставшегося в зазоре между поршнем и крышкой цилиндра (вредном пространстве V0), до давления во всасывающей магистрали P1 (процесс 3–4). Лишь после этого откроется всасывающий клапан и начнется наполнение цилиндра новой порцией газа (процесс 4–1). В результате часть рабочего объема не заполнится свежей порцией газа и действительный объём всасывания Vвс уменьшится в сравнении с рабочим объёмом Vраб.

 Отношение объема всасывания Vвс к рабочему объему Vраб представляет собой объемный коэффициент полезного действия компрессора:

                                             ,                                               (1)

по величине которого оценивается подача сжатого газа потребителю (производительность компрессора). Обратите внимание на то (см.[1–3]), что объемный КПД уменьшается с увеличением вредного пространства и повышением давления сжатия.

Следует помнить, что работа lk, затрачиваемая на привод компрессора, численно равна площади, ограниченной контуром индикаторной диаграммы. На рисунке это площадь, ограниченная контуром 1234l (заштрихованная площадь). Эта работа зависит от характера процесса сжатия, которая может протекать различными путями в зависимости от интенсивности отвода теплоты от сжимаемого газа. На рис. 2 изображены изотермический 1–2′ (n=1), адиабатный 1–2′′ (n=к) и политропный 1–2      (к>n>1) процессы сжатия. Обратите внимание на то, что сжатие по изотерме требует наименьших затрат работы, т. е. является энергетически наиболее выгодным. Чтобы приблизить процесс сжатия в компрессоре к изотермическому, необходимо интенсивно отводить теплоту от сжимаемого газа. Это достигается за счет охлаждения цилиндра, например, водой, подаваемой в рубашку охлаждения 3, образуемую полыми стенками цилиндра. В реальных условиях эксплуатации отвод теплоты является таким, что сжатие газа осуществляется по политропе с показателем политропы n= 1,18 – 1,23.

 

 

 

 

 

 

             Р          

                                                               3            2'   2   2''

    5           Р2                               

                                                                                                         n    n=k

 газ                                                                                         n=1

 

    4

                          3          2              1         вода                                  lk

                                                                                   а            

                                                                           Р1                                4                 Vвс            1 

                                                                              V0                    Vраб                     

                                                                                                                              V

 

 

                                                                  

 

Многоступенчатый компрессор. Применение одноступенчатых компрессоров для получения сжатых газов с весьма высоким давлением нецелесообразно, так как с повышением давления нагнетания объемный КПД и производительность компрессора уменьшаются. Другой причиной ограничения давления сжатия в одной ступени является недопустимость высокой температуры в конце сжатия, которая увеличивается с ростом конечного давления. Повышение температуры газа выше 200°С ухудшает условия смазки (происходит коксование масла) и может привести к самовозгоранию масла.

Для получения сжатого газа более высокого давления (1,0 – 1.2 МПа и выше) применяются многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением газа после каждой ступени. Сущность многоступенчатого сжатия может быть пояснена на примере двухступенчатого компрессора, схема которого представлена на рисунке ниже, а его идеальная (при Vo = 0) индикаторная диаграмма.

                                                                    P   b        5        4       2'

                                     вода                                  Р3                                                        

 Р1; T1     Р2; T2              Р2; T1       Р3; T2

                                                                             II ступень

газ                                                            а                                     2

                                 3                                 Р2                                                3

                                 1                                                    I ступень

                                                                                               Р1   0                                                               1

                        вода       2                     вода                                                        

                                                                                                                               V

 

 

В первой ступени 1 газ сжимается по политропе 1–2 до давления Р2, а затем он поступает в промежуточный холодильник 3, где охлаждается до начальной температуры T1. Гидравлическое сопротивление холодильника по воздушному тракту делают небольшим. Это позволяет считать процесс охлаждения 2–3 изобарным. После холодильника газ поступает во вторую ступень 2, где сжимается по политропе 3–4 до давления Р3. Если бы сжатие до давления Р3 осуществлялось в идеальном одноступенчатом компрессоре (линия 1–2'), то величина затраченной за цикл работы определялась бы площадью 012'b0 . При двухступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением эта работа численно равна площади 01234b0. Заштрихованная площадь соответствует экономии работы за цикл при двухступенчатом сжатии. Обратите внимание на то, что чем больше ступеней сжатия и промежуточных холодильников, тем ближе будет процесс к наиболее экономичному изотермическому, так как ломанная линия 1–2–3–4 приближается к кривой изотермического сжатия      1–3–5 .

На рисунке ниже изображены процессы политропного сжатия 1–2, 3–4 и промежуточного изобарного охлаждения 2–3 в Ts-координатах. Заштрихованные площади показывают (в масштабе) количество теплоты, отводимой от воздуха в систему охлаждения:  в первой  ступени q1-2,  во второй ступени q3-4 и в промежуточном холодильнике q2-3. Из рисунка видно, что промежуточное  охлаждение позволяет снизить температуру конца сжатия с Т2' до T2, что обеспечивает надёжную смазку трущихся поверхностей.

Специальные расчёты показывают, что наиболее  выгодным многоступенчатое сжатие оказывается в том случае, когда отношение давлений в каждой ступени будет одинаковым. При этом работа, затрачиваемая на привод многоступенчатого компрессора, будет минимальной. Обозначая отношение давлений в каждой ступени через x, его величину находят из выражения: