Поршневые компрессоры (8 видео)

Принципиальная схема поршневого компрессора (рис. 3.1) включает цилиндр 1, поршень 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, шток 5 и кривошипно-шатунный механизм, состоящий из крейцкопфа 6, шатуна 7 и кривошипа 8.

Рис. 3.1. Схема поршневого компрессора

Рабочий процесс в поршневом компрессоре осуществляется за четыре этапа:

Расширение и сжатие газа в компрессоре связаны с изменением его температуры и являются объектом изучения технической термодинамики.

Характер изменения объема газа зависит от условий теплообмена между газом, деталями компрессора и окружающей средой. В зависимости от этого сжатие или расширение могут происходить:

Как видно из определений, адиабатический и изотермический процессы являются частными случаями политропического процесса.

Политропический процесс изменения состояния идеального газа удовлетворяет уравнению:

где р — давление; V — объем газа; m — показатель политропы.

При адиабатических процессах m обозначается через k и называется показателем адиабаты и равен 1,67 для одноатомных газов, 1,4. 1,41 для двухатомных и 1,2. 1,3 для трех- и многоатомных газов.

При изотермическом процессе m = 1.

Из условий работы поршневого компрессора видно, что процессы сжатия и расширения газа происходят в основном при политропическом процессе.

Изменение температуры газа можно определить, используя уравнение состояния идеального газа:

где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура газа в цилиндре в °К.

Для политропического процесса температура после сжатия равна:

где Т 2 — конечная температура газа после сжатия;Т 1 — начальная температура газа в °К.

Содержание

Индикаторная диаграмма идеального рабочего процесса компрессора
Работа на сжатие единицы массы газа в компрессоре
Подача поршневого компрессора, коэффициент подачи
Мощность и коэффициент полезного действия поршневого компрессора
Охлаждение компрессора
Конструкции поршневых компрессоров
Электронная библиотека
Сжатие газа в компрессоре
🔍 Видео

Индикаторная диаграмма идеального рабочего процесса компрессора

При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения:

Работа на сжатие единицы массы газа в компрессоре

Работа идеального цикла компрессора ( L полн ) равна сумме работы сжатия газа ( L 1 ) и работы вытеснения газа в нагнетательный трубопровод ( L 2 ) за вычетом работы, обусловленной энергией газа, имевшейся у него уже во всасывающем трубопроводе ( L 3 ):

Подача поршневого компрессора, коэффициент подачи

Подачей компрессора называют oбъем или массу газа, проходящего за единицу времени по линии всасывания или линии нагнетания компрессора . Расход газа на нагнетании всегда меньше, чем на всасывании, за счет утечек газа через неплотности.

Мощность и коэффициент полезного действия поршневого компрессора

Мощность привода компрессора слагается из индикаторной мощности сжатия ( N инд ), мощности, затрачиваемой на механические потери в механизмах компрессора ( N м1 ) и передачах от привода к компрессору ( N м2 ), и мощности ( N всп ), затрачиваемой на привод вспомогательных устройств (например, насосов системы смазки).

Охлаждение компрессора

При сжатии воздуха и газов неизбежно выделяется большое количество тепла. Если это тепло будет уноситься с сжимаемым газом, то будет происходить адиабатический процесс сжатия. Чтобы сделать компрессор более экономичным, предусматривают принудительное охлаждение.

Конструкции поршневых компрессоров

На рис. 3.1 была представлена схема простейшего компрессора с одним цилиндром одинарного действия, (рабочая камера цилиндра находится с одной стороны поршня). Подробнее.

Видео:Поршневой воздушный компрессорСкачать

Электронная библиотека

Основная цель термодинамического расчета компрессора – это определение работы (мощности), которую следует затратить, чтобы получить некоторое количество газа при заданных параметрах начала и конца сжатия. Работу определяют по уравнению (9.1).

Когда процесс сжатия идет по изотерме pv = const, работа идеального «изотермического» компрессора, отнесенная к 1 кг газа, с учетом того, что

При адиабатном сжатии работа сжатия равна:

Работу «адиабатного» компрессора находят из выражения:

Пользуясь выражением (9.4), работу компрессора удобно рассчитывать с помощью hS-диаграммы.

Как адиабатный, так и изотермический процессы сжатия газа могут рассматриваться только как теоретические. В действительности процессы сжатия идут по политропе, имеющей переменный показатель. Показатель политропы зависит от интенсивности теплообмена в процессе сжатия газа в компрессоре:

· для охлаждаемого компрессора k > n > 1;

· для неохлаждаемого компрессора (центробежного, осевого) n > k.

Для политропного процесса работа сжатия равна:

Следовательно, работу «политропного» компрессора можно найти по формуле:

Среднее значение показателя политропы, как правило, определяется по параметрам газа в начале и конце процесса сжатия.

В случае охлаждаемого компрессора (рис.

l_из Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Видео:Поршневой компрессорСкачать

Сжатие газа в компрессоре

Объемные компрессоры – это машины, в которых процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объем периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. По геометрической форме рабочих органов и способу изменения объема рабочих камер их можно разделить на поршневые, мембранные и роторные (винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые и др.).

Лопастные компрессоры (турбокомпрессоры) – машины динамического действия, в которых сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решетками лопастей. Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления. К лопастным относятся осерадиальные, осевые и вихревые машины.

В этих различных по конструкции машинах осуществляются идентичные по сути процессы, поэтому знакомство с принципом их работы и особенностями протекающих в них процессов удобно начинать с поршневых компрессоров.

Одноступенчатый компрессор представляет собой цилиндр 3 с поршнем 4, перемещаемым с помощью кривошипно-шатунного механизма 5. В крышке цилиндра установлены автоматические впускной 1 и выпускной 2 клапаны. При движении поршня от верхней мертвой точки вниз в цилиндре возникает разрежение, открывается впускной клапан и происходит всасывание очередной порции газа с давлением р₁ в цилиндр. Как только направление движения поршня меняется на противоположное, впускной клапан закрывается и начинается сжатие газа. Когда давление газа в цилиндре достигнет определенной величины р₂, открывается выпускной клапан и сжатый газ выталкивается потребителю.

Идеальным называют компрессор, способный (в отличие от реального случая) вытолкнуть весь сжатый в цилиндре газ. Рассмотрим индикаторную диаграмму идеального компрессора:

Здесь линия 1–2 изображает процесс сжатия газа в цилиндре, линия 2–3 – выталкивание сжатого газа, а линия 4–1 – всасывание газа в цилиндр. Отметим, что во время всасывания и выталкивания состояния газа не меняются (параметры р и Т газа остаются неизменными), меняется лишь масса газа в цилиндре, т.е. происходит перемещение газа без изменения его внутренней энергии. Работа на компрессирование 1 кг газа l_К определяется заштрихованной площадью индикаторной диаграммы. Количество работы зависит от характера процесса сжатия.

Величину l_К определим как сумму соответствующих работ:

где составляющие рассчитывают по известным формулам:

Тогда в результате суммирования получим

Как видим, работа на привод компрессора в n раз больше работы сжатия.

Обычно полученную формулу трансформируют к виду

из чего ясно, что при n > 1,0 и p₂ / p₁ > 1,0 l_К всегда отрицательна. Абсолютное значение этой работы называют работой на привод компрессора l_ПР, причем l_ПР = –l_К.

Одной из основных характеристик компрессора является степень повышения давления в нем: b = p₂ / p₁. Обычно 2 £ b £ 6. При b 6 возникают проблемы с обеспечением прочности деталей компрессора, кроме того, повышенные температуры в конце сжатия приводят к закоксовыванию смазки и ускоренному износу.

Если массовая производительность компрессора М, кг/с, то теоретическая мощность на привод компрессора

Для получения высокого давления применяют многоступенчатое сжатие, направляя сжатый в первой ступени газ во второй цилиндр (вторую ступень), третью ступень и т.д. Обычно газ, сжатый в очередной ступени, направляется сначала в промежуточный холодильник, где его охлаждают до первоначальной температуры, и только после этого он засасывается в цилиндр следующей ступени:

Схема многоступенчатого компрессора

Гидравлическое сопротивление холодильника делается по возможности минимальным, поэтому процесс охлаждения газа в нем можно считать изобарным. Индикаторная диаграмма многоступенчатого идеального компрессора выглядит следующим образом:

Отметим, что благодаря промежуточному охлаждению температура в точках начала процессов сжатия в каждой ступени одинакова (точки 1, 3, 5). Обычно одинаковыми принимаются и величины β в каждой ступени, поскольку это и есть оптимальное соотношение. При этом число ступеней Z рассчитывают, используя формулу

и задавая последовательно значения Z = 2, 3, 4 . до тех пор, пока значение β впервые станет меньше 6,0 для поршневых машин и 1,2. 1,4 – для турбокомпрессоров.

Диаграмма T–s процессов сжатия и охлаждения в многоступенчатом компрессоре имеет следующий вид:

Для оценки степени совершенства компрессоров используют изотермический к.п.д.

где l_ИЗ – работа на привод компрессора при изотермическом сжатии в цилиндре; l_ПР – то же, при политропном сжатии.

Расчет количества теплоты, отведенной в цилиндре и холодильнике, проводят по известным формулам:

а работу на привод многоступенчатого компрессора находят умножением работы на привод одной ступени l_ПР1 на число ступеней Z:

Цикл реального компрессора обладает рядом особенностей. Полностью вытолкнуть весь газ после сжатия его в цилиндре в действительности не удается, поскольку всегда имеется вредный, или мертвый, объем (например, в клапанной коробке), в котором остается некоторая часть сжатого газа. При ходе поршня к нижней мертвой точке закрывается выпускной клапан и происходит сначала расширение остаточного газа до давления р, несколько меньшего р₁, и только потом начинается всасывание очередной порции газа.

Комментарий к слайду: В осевом компрессоре поток рабочего тела, как правило, воздуха, движется условно вдоль оси вращения ротора компрессора.

Такой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных решеток ротора, состоящих из лопаток, закрепленных на валу и именуемых рабочими колесами, и неподвижных лопаточных решеток статора, именуемых направляющими аппаратами. Совокупность, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата, именуется ступенью.

Рассмотрим индикаторную диаграмму реального компрессора:

Здесь 1–2 – сжатие газа в цилиндре, 3–2 – выталкивание, 3–4 – обратное расширение и 4–1 – всасывание. В отличие от идеальной машины здесь за цикл всасывается гораздо меньший объем газа. При этом в начале всасывания в цилиндре находится остаточный газ, температура Т₄ которого определяется величиной показателя политропы обратного расширения n₂, которая, как правило, всегда меньше величины показателя политропы сжатия n₁:

Температура в начале сжатия определится теперь как температура после смешивания массы остаточного газа m_ОСТ с температурой Т₄ и массы засасываемого газа m_ВС с температурой T_ВС.

Основными характеристиками цикла являются:

— степень повышения давления b = p₂ / p₁;

— относительная величина мертвого пространства α = V_B_Р / V_h;

— изменение температуры в процессе выталкивания DT_2-3;

Расчет цикла ведут методом последовательных приближений, при этом последовательно используют следующие формулы, позволяющие рассчитать параметры всех характерных точек:

где Т₁ в первом приближении принимают равной Т_ВС.

Теперь можно рассчитать температуру t₁ во втором приближении, считая, что средние теплоемкости газа одинаковы:

Далее повторяют все предыдущие расчеты и прекращают итерации, когда последующее значение t₁ станет практически совпадать с предыдущим. Процесс итераций быстро сходится, и после двух-трех приближений переходят к расчету характеристик каждого из процессов (работы l_1-2, l_2-3, l_3-4, l_4-1 и количества теплоты q_1-2, q_2-3, q_3-4, q_4-1) и цикла в целом: l_ПР, h_ИЗ, h_ОБ и т.п.