1.8 Рабочий процесс и основньїе параметри поршневого компрессора

Компрессор — зто машина, которая в отличие от двигателей не совершает работу, а потребляет ее. Компрессор — один из основ-ньх и наиболее ответственньх злементов холодильной машинь . Наиболее распространень поршневье холодильнье компрессорь с возвратно-поступательньм движением поршня. Простейший пор-шневой компрессор (рис. 1.12) состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 3.

Движение поршня обеспечивается кривошипно-шатунньм механиз-мом 4 от вала с приводньм двигателем. В крьшке цилиндра располо-женьї нагнетательньїй 2 и всасьівающий 5 клапаньї компрессора.

За один оборот вала, т.е. за два хода поршня, в каждом цилиндре компрессора совершается полний рабочий процесс. При движении пор- шня 3 в надпоршневом пространстве создается разрежение и пари хлада- гента всасиваются в цилиндр из ис- парителя И через откривающийся клапан 5. При обратном ходе порш- ня пари сжимаются и давление воз- растает. Всаснвающий клапан при атом закривается, а сжатие пари че- рез нагнетательний клапан 2 витал- Рис. 1.12. Схема поршневого киваются в конденсатор К. Затем на- ^к°^мпресс°^ра

правление движения поршня меняется, нагнетательний клапан закри­вается и компрессор вновь отсасивает пари из испарителя. Таким об­разом, циклически повторяется весь рабочий процесс.

В теоретическом компрессоре нет никаких анергетических и обьемних потерь. В индикаторной диаграмме теоретического ра­бочего процесса компрессора линия а—1 (рис. 1.13) изображает вса-сивание паров хладагента при постоянном давлении Р0 (равном дав-лению в испарителе), линия 1—2 — адиабатическое (без потерь) сжатие, линия 2—Ь — нагнетание па­ров хладагента при постоянном дав­лении Р_к в конденсаторе. Обьем вса-сиваемого пара соответствует обье-му, описиваемому поршнем компрес­сора У=УН. Производительность или подача компрессора должна соответ-ствовать массовой (обьемной) произ-водительности испарителя, т. е. ком-прессор должен отсасивать весь пар, образовавшийся в испарителе при отьеме тепла хладагентом от охлаж-даемого помещения. Только в таком

^{случае в испарителе будет создавать-} рис. 1.13. Теоретический рабочий

^{ся пониженное давление и требуемая} процесс компрессора температура кипения хладагента. В свою очередь производитель-ность конденсатора, т.е. реализуемьй в нем тепловой поток, долж-на соответствовать подаче компрессора, чтобь весь нагнетаемьй пар мог превратиться в жидкость.

Производительность холодильного компрессора вьражается не толь-ко массой или обьемом всасьваемого в единицу времени пара, но и хо-лодопроизводительностью машинь , т.е. количеством тепла 0 (Вт), вос-принимаемого от охлаждаемой средьі в единицу времени. Массу вса-сьіваемого компрессором пара О (кг/с) при заданной холодопроизво-дительности машинь 0₀ (Вт) и удельной массовой холодопроизводи-тельности хладагента #0 (Дж/кг) определяют по формуле:

в=&

Ч о

Обьем всасьіваемьіх компрессором паров V (м³/с) при их удель-ном обьеме V! (м³/кг), соответствующем состоянию пара перед вса-сьвающим клапаном компрессора, находят по формуле:

V = О у₁.

При заданной массе или обьеме всасьваемого пара холодопро-изводительность компрессора (Вт) определяется как

= вчо = У^ = Уд_Уг

где ^ — удельная обьемная холодопроизводительность хлада­гента, Дж/м³.

Поясним, что холодопроизводительность компрессора зависит не только от массь или обьема всасьваемьх паров, но и от их па-раметров. Теоретической холодопроизводительностью 1 кг хлада-гента назьвают разность между знтальпиями хладагента жидкого перед дроссельньм регулирующим вентилем и испарившегося в со-ответствии с теоретическим циклом.

Действительньй процесс заметно отличается от теоретического и по степени его приближения к теоретическому судят о совершенстве кон-струкции и соответствии компрессора конкретной холодильной уста-новке. Так, в теоретическом процессе всасьвание и нагнетание проис­

ходят при постоянних давлениях, а цилиндр теоретического компрессора не имеет вредного пространства. В действительном рабочем процессе имеются обьемние потери, снижаю-

щие холодопроизводительность ком-прессора, и анергетические потери,

визивающие дополнительний расход

анергии на сжатие пара.

Индикаторная диаграмма рабо-

чего процесса реального компрессо-

ра (рис. 1.14) существенно отличает-

ся от теоретической диаграмми из- ^{Рис. 1.14. Действительний рабочий}

процесс в компрессоре

за наличия вредного пространства

сопротивления движению потока паров хладагента в трубопро­водах и клапанах, разници между давлениями всасивания в комп-рессор и кипения в испарителе, нагнетания из компрессора и конден-сации в конденсаторе, потерь тепла и теплообмена во всех алементах холодильной машини.

Всасивание паров хладагента начинается при давлении меньшем, чем в испарителе. Обьясняется ато тем, что давление перед всаси-вающим клапаном компрессора Р_вс ниже, чем давление кипения в испарителе из-за потерь при движении хладагента по трубопро­воду. Давление в самом цилиндре в начале всасивания Р1 еще ниже из-за потерь при проходе через суженное сечение всасивающего клапана.

Весь дальнейший процесс всасивания (линия 1—2) в действи-тельном рабочем процессе протекает при давлении меньшем, чем в испарителе, на величину .

По аналогичним причинам из-за сопротивлений в нагнетатель-ном клапане и трубопроводе процесс нагнетания паров хладагента (линия 3—4) реализуется при давлении Р2 в цилиндре, которое више давления в нагнетательном трубопроводе и тем более давления в конденсаторе Р_к (на величину АР_к). В процессе сжатия 2—4 пови-шается давление и температура паров хладагента, а часть хода пор­шня (на участке 2—2") затрачивается на доведение давления в ци-

линдре доР₀ .

Фактическое уменьшение обьема всасьівания, вьізванное поте-рями давления, изображено на диаграмме отрезком величина которого возрастает с увеличением падения давления АР0. Процесс 2—3 представляет собой адиабатический процесс сжатия паров хла-дагента с различной степенью сухости. Рассмотрим подробнее по-тери, имеющиеся в реальньх компрессорах.

Потери от вредного пространства связаньї с невозможностью полного использования всего обьема цилиндра компрессора. Рас-стояние между поршнем в крайнем верхнем положении и крьшкой цилиндра является линейньм вредньм (мертвьм) пространством, а обьем между поршнем в зтом положении и крьшкой (включая щели к пластинам клапанов) представляет обьемное вредное про-странство V). Линейньїй размер вредного пространства составляет 0,5—3 мм. Обьічно вредное пространство вьіражают в процентах обьема Vн, описьіваемого поршнем, т.е. С= (^/^)400. В совре-менньх компрессорах величина вредного пространства составляет 1,5—4,5 % от рабочего обьема цилиндра.

Действительньй процесс вьталкивания паров хладагента из ци-линдра компрессора заканчивается в точке 4, позтому во вредном пространстве остается некоторое количество сжатьх паров, имею-щих давление Р_к. Зта часть оставшихся паров при обратном ходе поршня расширяется (линия 4—1) до давления в испарителе, и толь-ко тогда начнется всасьвание новой порции пара из испарителя. Поскольку при зтом теряется часть полезного обьема цилиндра (отрезок С1), обьем всасьіваемого пара составит V1 = V^_г - С^.

Козффициент, характеризующий уменьшение подачи компрес-сора вследствие расширения хладагента из вредного пространства, назьівают обьемньгм козффициентом ?с= ^^2^Vн;

Если остающийся во вредном пространстве цилиндра пар влаж-ньй, то процесс всасьвания начинается позже, чем при сухом паре, так как больше частиц его жидкости испаряется в цилиндре.

При сухом паре процесс всасьвания начинается раньше, а ли-ния 4—1 расширения паров идет более отвесно.

Чем больше вредное пространство, тем значительнее обьемньїе по-тери в компрессоре. Зти потери возрастают и с увеличением соотно-шения давлений нагнетания и всасьівания Р_к/Р0> так как в зтом случае увеличивается масса остающихся в мертвом пространстве паров.

Потери при всасивании и нагнетании связани с изменениями давления паров при проходе через клапани и трубопроводи. Кла­пани реального компрессора откриваются под действием разно-сти давлений паров хладагента в цилиндре и трубопроводах холо-дильной машини. Падение давления при движении хладагента по трубопроводам и через суженние проходние сечения клапанов ви-зивает изменение давлений всасивания и нагнетания.

Понижение давления при всасивании приводит к увеличению удельного обьема и уменьшению масси пара, поступающего в ци-линдр компрессора. Повишение давления при нагнетании визива-ет дополнительние затрати анергии на сжатие паров в компрессо-ре и увеличение потерь оставшимся во вредном пространстве па­ром. Потери давления при всасивании АР0 у современних комп-рессоров составляют 0,01—0,04 МПа, при нагнетании АР_к — до 0,05—0,08 МПа. Зти потери увеличивают соотношение Р_к/Р0, а сле-довательно, и обьемние потери в компрессоре.

Коаффициент, характеризующий уменьшение холодопроизводи-тельности компрессора вследствие потерь давления хладагента во всасивающем трубопроводе и клапанах, називают коаффициентом дросселирования: Х_др= ї^/ї^.

Обьемние потери от вредного пространства С1 и сопротивле-ний в клапанах С2 видни на индикаторной диаграмме. Их учити-вают индикаторним коаффициентом подачи:

_ У₂ у у

А і — А п А _др — — .

^{С др} Уь Уг Уь

Снизить потери от дросселирования можно применением специ-альной конструкции всасивающего тракта компрессора, обеспечи-вающей резонансний (пульсирующий) или инерционний наддув.

Потери от теплообмена возникают в реальних компрессорах вследствие циклического изменения температури паров хладагента в цилиндре. Нагревающиеся при сжатии пари отдают стенкам ци-линдра часть тепла, которое отводится затем во внешнюю охлажда-ющую среду. Напротив, при всасивании пари хладагента нагрева-ются во всасивающем канале (главним образом от стенок цилинд-ра), что приводит к увеличению их удельного обьема и уменьшению масси всасиваемого хладагента. Коаффициент, характеризующий уменьшение подачи компрессора вследствие повьшения температу-рь хладагента из-за теплообмена в цилиндре, назьвают козффици-ентом подогрева X _п, определяемьім обьічно опьітньїм путем.

Для уменьшения подогрева паров от стенок цилиндра интенсифи-цируют его охлаждение или увеличивают частоту вращения коленча-того вала компрессора. Потери от подогрева уменьшаются при вса-сьвании перегретьх паров хладагента и увеличиваются при всасьва-нии влажньх паров, так как в последнем случае испаряющиеся при подогреве капельки жидкости занимают значительную часть полез-ного обьема цилиндра. Необходимьій перегрев паров зависит от свойств хладагента и конструкции компрессора. Для аммиака реко-мендуется перегрев на 5—20 °С, для хладона КЛ2 — на 10 — 35 °С.

Потери от утечек хладагента происходят из-за наличия зазора между поршнем и цилиндром компрессора, а также неплотности клапанов. Уменьшение подачи компрессора из-за неплотностей зле-ментов характеризуется козффициентом плотности X , которьій зависит от конструкции, бьстроходности компрессора и степени износа рабочих поверхностей.

Козффициент подачи компрессора X вьіражается соотношением масс циркулирующего хладагента для действительного и теорети-ческого компрессоров: X = О/О_теор. Козффициент подачи можно представить и отношением действительного обьема всасьваемого пара V (при параметрах во всасьівающем патрубке компрессора) к обьему, описьіваемому поршнем V}!, т.е. к теоретическому обьему всасьівания: X _др= V/V^_і. Тогда

^в теор ^ч0 ^Ук^ЧУ (2 теор

Козффициент подачи вьражают и как произведение всех обьем-ньгх козффициентов: X = X ^ X_п X_пл.

Козффициент подачи дает общую оценку потерь в реальном комп-рессоре в зависимости от величинь вредного пространства цилиндра, соотношения давлений конденсации и нагнетания хладагента, а также от температурь всасьваемого пара, скорости движения и изношеннос-ти деталей поршневой группь и клапанов. Обьчно зтот козффициент определяют опьтньм путем, обобщая даннье в виде осредненньх

графических зависимостей (рис 1.15) На графике видно, как уменьшается значение Я с увеличением соотношения дав-лении Р_к/Р₀, називаемого степе-нью сжатия п_к. Определяют ко-аффициент подачи и по ампи-рическим формулам. Так для фреоновиїх компрессоров 2ФУ-УБС18 институт ВНИИХолод-маш рекомендует формулу

Я = 0,855 - 0,0425 Р /Р₀.