Насосики турбоашины и компрессора

Для решения интеграла необходимо знать зависимость давления от объема в процессе сжатия. Эти законы известны из термодинамики.

Адиабатный процесс сжатия. Условием процесса является постоянство теплосодержания воздуха. Отвод тепла отсутствует и система теплоизолирована, т.е. все тепло, образовавшееся при сжатии, не отводится, а идет на повышение температуры сжимаемого воздуха.

Основное уравнение адиабаты:

PV k P V k PV k c const,
1	1	2	2

отсюда

	1
	c		k
V =				,
	p

Рис.47. График процессов сжатия в зависимости от показателя процесса

(102)

где k – показатель адиабаты, k = 1,4.

Изотермический процесс сжатия протекает при постоянной температуре с отводом тепла, т.е. показатель k = 1:

P1V1 = P2V2 = PV = const .

Политропный процесс сжатия протекает с отводом некоторого количества теплоты. Этот процесс является общим по отношению к первым двум, т.е. 1 k 1,4.

На рис.47 представлен график сравнения процессов сжатия воздуха в зависимости от показателя процесса. Начальные параметры воздуха и конечные давления для всех трех процессов приняты одинаковыми, поэтому изотермический процесс изображен линией 1-2, политропный – 1-2', адиабатный –1-2".

Из рис.47 следует, что с увеличением показателя процесса увеличиваются работа компрессора, температура и объем сжатого воздуха. Следовательно, с целью уменьшения работы необходимо уменьшать показатель процесса за счет интенсивного охлаждения воздуха в компрессоре.

81

Для адиабатного процесса работа теоретического цикла сжатия с учетом (102) составит

		k				P V
L				PV		2 2	1 ,
		k 1
ад				1 1		PV
						1 1

P1V1k = P2V2k,

следовательно, удельная объемная работа при адиабатном сжатии

L

k 1

k

P

k

L

ад

P

2

1 .

м3из

V

k 1

1

P

1

1

Для изотермического процесса получим

L P ln P2 .

м3из 1 P

1

Для политропного процесса:

n 1

n

n

P

R T T

n

L

P

2

1 .

м3пол

n 1

к н

n 1

1

P

1

(103)

(104)

(105)

где n – показатель политропы, 1 n 1.4; R – газовая постоянная; Тн, Тк – начальная и конечная температура сжимаемого газа.

6.4.Действительный цикл в поршневом компрессоре

Вреальном поршневом компрессоре (в отличие от идеального, теоретического) термодинамические процессы протекают иначе, так как в цилиндре после завершения цикла остается часть сжатого воздуха объемом V0 с давлением Р3 (рис.48).

Вкомпрессоре всегда есть вредное пространство с объе-

мом V0 за счет зазора между крышкой цилиндра и крайним положением поршня (необходим для исключения ударов из-за неточности сборки, износа, теплового расширения элементов).

82

Расширение объема Vo уменьшает объем всасывания на V = V1–

V '4.

Кроме того, процессы в цилиндре идут с постоянным изменением параметров состояния P,V,T.

Рассмотрим процесс сжатия (линия 1-2, рис.48). Точка 1

– начало сжатия, здесь параметры состояния Р1,V1,Т. В точке 1 давление P1 будет равно давлению в приемном трубопроводе.

Линия 1-2 является линией политропы, показатель которой n изменяется в процессе сжатия вследствие изменения направления теплового потока в начале и в конце сжатия (в начале воздух холодный – тепло к нему подводится, в конце горячий – он сам отдает тепло). Сжатие заканчивается в точке 2 и здесь давление Р2 больше давления Р3 в напорном трубопроводе. Разница Pн = P2–P3 обеспечивает открытие напорного клапана, т.е. идет на преодоление силы напряжения пружины.

Процесс нагнетания (линия 2-3). В точке 2 открывается нагнетательный клапан и начинается процесс нагнетания. В начальный период, когда скорости поршня и воздуха малы – давление падает. В середине хода поршня скорость воздуха будет максимальной, увеличиваются потери на гидравлические сопротивления, это вызывает повышение давления до P'2. Далее скорость уменьшается и падает давление. В точке 3 нагнетание воз-

духа заканчивается и давление в цилиндре равно давлению в напорном трубопроводе.

Процесс расширения (линия 3-4). В положении 3 в цилиндре остается объем воздуха V0 с давлением P3 . С началом движения поршня вправо этот объем расширяется, давление в цилиндре падает и напорный клапан закрывается.

Рис.48. Цикл реального компрессора

83

При достижении давления Р1 открытие всасывающего клапана не происходит. Это произойдет в точке 4, так как в цилиндре должно создаться разряжение, а перепад давлений Pвс пойдет на преодоление натяжения пружины и рабочей пластины клапана. Таким образом, рабочий объем в цилиндре будет равен

Vр = V1–V4 .

Процесс всасывания (линия 4-1). В точке 4 открывается клапан и начинается процесс заполнения воздухом цилиндра. Изменение скорости движения поршня, а значит и воздуха, приводит к неравномерности давления в цилиндре. В точке 1 давление в полости цилиндра равно давлению воздуха во всасывающем трубопроводе. Рассмотрим факторы, влияющие на производительность компрессора.

Влияние вредного пространства на производительность

учитывается	объемным	коэффициентом 0 = Vп /Vт,	где
Vр = Vт + V0–V4	– рабочий	объем; Vт – теоретический	объем
(рис.49).
При окончании нагнетания (точка 3) в компрессоре ос-

тается объем Vo с давлением Р2, который затем расширяется до V4 с давлением P1. Уравнение политропы имеет вид:

V n P V n P

или

0

2

4

1

P

V

n

2

4

P

V

1

0

V

V

V

n

т

0

п

V0

V

V

n

1

т

п

V0

V0

1

0

n

1

.

m

m

Так как степень сжа-

Рис.49. Влияние вредного пространства тия = P2 /P1, получим на работу компрессора

84

	1		1			0				1
		n 1					или 0	1 m			n 1 ,	(106)
			m		m

где m = V0 /Vт – относительное вредное пространство; n – показатель политропы.

Следовательно, объемный коэффициент есть величина, определяющая степень использования рабочего объема компрессора, поэтому при конструировании машины стремятся к максимальному увеличению 0 за счет уменьшения объема вредного пространства ( 0 = 0,85-0,95).

Из-за теплообмена между всасываемым воздухом и нагретыми стенками цилиндра, поршнем и клапанами компрессора температура воздуха в конце фазы всасывания будет выше температуры воздуха перед компрессором. Вследствие наличия сопротивления во всасывающем клапане, трубопроводе и фильтре давление во время всасывания будет ниже атмосферного, поэтому клапан открывается позже и рабочий объем уменьшается. Уменьшение производительности при этом учитывается коэффициентом всасывания вс.

В конце фазы сжатия температура воздуха выше, чем температура стенок цилиндра поэтому тепло воздуха отводится и его температура снижается, что приводит к изменению производительности компрессора. Давление в конце процесса выталкивания из-за сопротивления клапанов и нагнетательного патрубка будет выше давления в воздухосборнике, поэтому расширение воздуха, оставшегося во вредном пространстве, начнется чуть раньше, а это уменьшает объем засасываемого воздуха и производительность компрессора. Это учитывается коэффициентомвыт. Потери при всасывании и выталкивании учитываются:

1 = вс выт = 0,92-0,95.

При сжатии воздуха происходят его потери через неплотности (сальники, поршневые кольца, прокладки, клапаны и т.д). Эти потери повышают затраты энергии и снижают производительность компрессора. Такие потери учитываются коэффициентом герметичности ( 0,92-0,95).

85

Фактор, влияющий на производительность компрессора

– отсутствие влаги в воздухе, которое учитывается коэффициен-

том влажности ( вл0,97-0,99).

Все перечисленные факторы учитываются одним коэффициентом производительности = 0 1 2 вл. Обычно берется

= 0,75-0,9.

Действительная производительность поршневого компрессора будет Q = FSn izy , где F,S – площадь и ход поршня; n – частота вращения кривошипного вала машины; – коэффициент, учитывающий уменьшение площади поршня за счет штока; i – число рабочих циклов за один оборот кривошипного вала машины; zy – число параллельно работающих цилиндров в машине.

6.5. Многоступенчатое сжатие в компрессорах

Сжатие воздуха в одной рабочей камере до конечного давления более четырех-пятикратного (одноступенчатое сжатие) обычно не применяется по причинам безопасности и экономичности. Предельная степень повышения давления в одноступенчатом компрессоре обусловлена влиянием вредного пространства и допустимой температурой вспышки масла в конце сжатия. Для компрессоров применяют масла с температурой вспышки в пределах 439-513 К. Пользуясь уравнением Клайперона для адиабатного процесса сжатия

				k
	T
P				k 1
2		2
P		T
1		1

и приняв начальную		температуру						Т1 = 300 К, а
T2 = 473 К, получим предел сжатия в одной ступени
T			k					1,4
			k 1			473
								1,4 1
P P	2				1					5 бар.
2 1					300
T1

(107)

конечную

Для средних и больших компрессоров при степени сжатия более четырех применяется двухступенчатое сжатие. В этом

86

случае (рис.50) воздух при переходе из одной ступени в другую охлаждается в промежуточном холодильнике.

Рассмотрим индикаторную диаграмму теоретического цикла двухступенчатого компрессора (рис.51), где показан объем V1 (при Р1 и T1), сжимаемый до промежуточного давления Рпр (при Т'2 и V'2) по кривой 1-2 с показателем политропы n1 . Линия 2'-1' характеризует охлаждение воздуха в холодильнике, где при постоянном давлении его объем изменяется от V'2 до V'. Затем по линии 1'-2 происходит сжатие воздуха во второй ступени от Рпр до Р2. Конечный объем воздуха будет V"2.

Из диаграммы видно, что полезно затраченная работа в таком компрессоре меньше, чем в одноступенчатом. Площадь 1'-2-2"- 2'-1 ' экономит работу при двухступенчатом сжатии.

При охлаждении воздуха после первой ступени сжатия до начальной температуры отношение объемов цилиндров

Рис.50. Схема двухступенчатого компрессора

Рис.51. Диаграмма теоретического цикла двухступенчатого компрессора

Pпр		V				P
		1				2	.
P		V	1			P
1		2				1

Суммарная работа цикла двухступенчатого компрессора при условии одинакового показателя процесса сжатия в первой и второй ступенях и одинаковой начальной температуры [6]

						P	0,286
	L	35000P	0,286			c
						P
	м3ад	1		1
						1 1

(108)

где 1 – степень сжатия в I ступени; Рc – абсолютное давление в сети.

6.6. Регулирование работы компрессоров

87

2 ,

Потребление воздуха и давление в сети непрерывно меняются. При этом работа на пониженном давлении неэкономична, а при повышенном может быть опасна, поэтому для поддержания режима работы пневматических установок в заданных пределах применяют различные системы регулирования, которые разделяются на две группы: при изменении числа оборотов вала компрессора (наилучший способ) и при постоянном числе оборотов.

Регулирование изменением частоты вращения вала можно осуществить электроприводом с тиристорным преобразователем, а также приводом от двигателя внутреннего сгорания.

При постоянной скорости вращения регулировку производят следующими способами:

дросселированием перед входом в компрессор (производительность уменьшается за счет понижения начального давления);

включением дополнительного вредного пространства;

отжатием пластин всасывающих клапанов;

выключением и пуском двигателя компрессора;

перепуском воздуха с нагнетания на всасывание.

6.7. Мощность и КПД компрессора

Мощность на валу компрессора можно определить по формуле

	Nк	Lм3пQс.ц	,	(109)
		1000i м

где Lм3п – удельная полезно затраченная работа на единицу объема воздуха; Qс.ц – объемная секундная производительность компрессора по состоянию в конце всасывания в поршневом компрессоре или при входе в колесо турбокомпрессора; i – индикаторный КПД компрессора, учитывающий аэродинамические потери энергии в машине (для поршневых i = 0,85-0,8; для турбо i = 0,8-0,75); м – механический КПД компрессора.

88

Мощность нa валу двигателя
Nдв = Nк /пер,	(110)

где пер – КПД передачи.

Для сравнительной эксплуатационной оценки существующих и при создании новых машин необходимы критерии качества по энергетическому показателю. Такой показатель получается из условий полезной работы компрессора, которая рассчитывается, исходя из предположения изотермического процесса сжатия. Отношение условной полезной работы к затраченной на валу компрессора (полученной опытным путем) дает коэффициент использования затраченной энергии по сравнению с изотермической работой в компрессоре или изотермический коэффициент использования энергии

	из	Lм3изQ0	,	(111)
		1000Nк

где Lм3из – удельная объемная работа при изотермическом сжатии; Q0 – производительность компрессора по свободному воздуху; из – учитывает аэродинамические и механические потери, а также отклонения действительных термодинамических процессов от изотермы, из = 0,8-0,7 – для поршневых компрессоров при непосредственном соединении с двигателем, из = 0,7-0,6 – для турбокомпрессоров.

6.8. Компрессорные станции и их оборудование

Компрессорной станцией называется совокупность нескольких компрессорных установок, работающих на общую пневмосеть. Компрессорная установка включает компрессор, его привод, вспомогательное оборудование, средства контроля и автоматизации.

Компрессорные станции снабжаются дополнительно вспомогательным оборудованием: всасывающими фильтрами, концевыми охладителями, воздухосборниками, глушителями шума, насосами и др.

На рис.52 приведена схема компрессорной установки [4]. Основные параметры компрессорной станции – производи-

89

тельность и рабочее давление сжатого воздуха являются исходными при выборе типа и числа компрессоров.

Рассмотрим назначение вспомогательного оборудова-

ния.

Всасывающие фильтры служат для очистки воздуха от пыли и других механических примесей. Монтируются в специальной камере с жалюзи и крышкой. Камера устанавливается в затемненном незапыленном месте.

Охладители воздуха и масла применяют для понижения температуры сжатого воздуха, освобождения его от водомасленного конденсата, а также для охлаждения масла системы смазки.

В кожухотрубном холодильнике в межтрубном пространстве движется охлаждаемый воздух или масло, а по трубам

– охлаждающая вода. В холодильниках типа «труба в трубе» воздух проходит по внутренним трубам, а охлаждающая вода – по пространству между внутренними и наружной трубами.

Воздухосборники применяют при небольшой емкости пневмосети и неравномерном характере потребления сжатого воздуха и устанавливают между компрессорами и воздухопроводной сетью. Они предназначены для смягчения колебания давления, возникающего из-за прерывистой подачи сжатого воздуха поршневым компрессором, а также для накопления некоторого запаса сжатого воздуха в случае неожиданного увеличения расхода воздуха. Турбокомпрессорные станции могут работать без воздухосборников.

90