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

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.
V м3
]
 с
По величине объёмного расхода (объёмной подачи) - Gv  [
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.:

Vнач
Vкон
2. Степень повышения давления:
к 
Ркон
Рнач
Обе характеристики в раз не задают.
РнVнn  PкVкn
n
Р V 
 к  к   н    n
Рн  Vк 
к   n
Процессы в идеальном поршневом компрессоре.
1
2
Vвр
ВМТ
Н
НМТ
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.
Р
3
2
Р3
LК <0
Р1
1
0
V2
V1
V,
м3
2
1
НМТ
0-1 – процесс всасывания при p1=const.
L01  p1V1 [Дж]>0
1-2 – процесс сжатия; оба клапана закрыты; поршень движется влево:
L12 
p2V2  p1V1
1 n
[Дж]<0.
В точке 2 открывается нагнетательный клапан и происходит процесс 23.
2-3 – процесс сжатия при p2=const; поршень движется влево:
L23  p2V2 [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.
Вся работа компрессора:
LK  L01  L12  L23  p1V1 
p 2V2  p1V1
p V  p 2V2
n
 p 2V2  1 1
 ( p1V1  p 2V2 ) 
( p1V1  p 2V2 )
1 n
n 1
n 1
LK  n  L12  n  Lсжатия
Lсжатия - техническая или располагаемая работа.
Удельная работа, т. е. работа для сжатия 1кг газа:
lк 
LК
Дж
 n  lсжатия [
]
m
кг
lк 
nR
T1  T2 
n 1
lк 
n  R  T1 
 1   Кn
n  1 
n 1




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.
В термодинамической диаграмме P-v изображается только процесс сжатия, т.
к. он единственный является термодинамическим.
Р
2’
2
2'’
Р2
Lк
Р1
1
V
Минимальная работа – у изотермического компрессора;
Максимальная работа – у адиабатного компрессора.
Работа потребляется от двигателя привода, поэтому наиболее
рационален способ сжатия - изотермический.
Теплоёмкость газов сφ<0 при 1<n<k, поэтому от компрессора
отнимается количество теплоты в процессе его охлаждения:
q K  c (T2  T1 )[
Дж
]
кг
Количество теплоты можно показать на тепловой диаграмме:
Р2 =const
Т
Р1
=c
on
st
Т2
2
2'
Т1
Qk
S
Для выбора мощности двигателя приводов нужно задаться расходом
газа:
V м3
Gv  [ ]
 с
G    Gv [
- объёмный расход;
кг
] - массовый расход.
с
Nк=lк∙G  Дж  кг  Вт  - мощность двигателя привода.
 кг
с

Многоступенчатое сжатие.
Для
получения
больших
конечных
давлений
многоступенчатые компрессоры. При сжатии газов при
используют
1<n<k его
температура повышается.
При больших значениях πK могут быть достигнуты температуры,
опасные для эксплуатации (может произойти возгорание масла и потеря
прочности деталей), поэтому πK ограничивают величинами порядка 4÷6.
Применяют многоступенчатое сжатие и промежуточное охлаждение газов
между ступенями сжатия.
Р1
Р2
Р2 ’
Р3 ’
Р3
ТО2
ТО1
К1
Р4
К3
К2
К1; К2; К3 – ступени сжатия;
ТО1; ТО2 – промежуточные теплообменники.
При
конструировании
компрессоров
стараются
обеспечить
равномерное распределение работы между ступенями:
lK1=lК2=lK3
Кроме того, πK и n стараются делать одинаковыми. В этом случае
изменение температуры газа в каждой ступени также будет одним и тем же:
lк 
В
nR
T
n 1
промежуточных теплообменниках газ охлаждается до начальной
температуры при p=const.
Рабочая диаграмма.
Р
5
Р2
Lk4
4’
4
Lk3
3’
3
Lk2
2’
2
Lk1
Р1
1
V
m – число ступеней; если m→∞, то n=1; отсюда, уменьшается требуемая
мощность двигателя привода.
1-2; 2'-3; 3'-4 – процессы сжатия в ступенях;
2-2'; 3-3' – охлаждение в теплообменнике.
Наличие теплообменников приближает многоступенчатое сжатие к
изотермическому.
l К  m  l Ki
N K  G  lK [Вт]
Изображение процессов сжатия в тепловой диаграмме:
Т
Т2
Т1
Р4
4
3
3’
Р2
Р3
Р1
2
1
S
qKi  c (T2  T1 )  0
qTOi  c p (T1  T2 )  0
Вся теплота:
qK  m  qKi  (m  1)  qTOi
Реальный компрессор.
В реальном компрессоре присутствуют вредный объём и все виды
трения, поскольку газ неидеальный.
Изобразим процессы на индикаторной диаграмме:
Р
2
∆Рn
3
Рn
Р1
0
1
Vвр
∆Рвс
НМТ
V, м
3
ВМТ
1-2 – процесс сжатия заканчивается при большем давлении в точке 2,
чем давление нагнетания (Рнагнет.) на величину ΔРнагнет. 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 ΔРвсасыв. Это
необходимо для компенсации трения во впускном клапане.
Наличие вредного объёма снижает производительность компрессора. Это
можно показать на диаграмме для различных конечных давлений нагнетания.
Р
3’’
2'’
РН3
РН2
2’
3’
2
РН1
3
1
Р1
0
0
Vвр
V0
V1
V
Vвсасыв.=V1-V0 для PH1.
 об. 
Vв сасыв.
- объёмный КПД компрессора (для идеального компрессора:
V1
ηоб.=1).
С увеличением давления нагнетания уменьшается объём всасывания
(Vвсасыв.) и объёмный КПД компрессора (ηоб.).