Одноступенчатый компрессор

Цель лабораторной работы

1. Ознакомление с поршневым компрессором и его техническими характеристиками.

2. Практическое закрепление знаний по термодинамическим процессам в компрессоре.

3. Построение процессов компрессора в PV- и TS-диаграммах.

4. Определение степени сжатия, технической работы и других характеристик компрессора.

Термодинамические процессы в компрессоре

Одноступенчатый компрессор

Компрессором называется [1] установка для сжатия газов. Конструктивно компрессоры подразделяются на объемные (статического сжатия за счет уменьшения объема газа) и лопаточные (динамического сжатия за счет преобразования кинетической энергии движущегося газа в потенциальную энергию давления). Так как с термодинамической точки зрения процессы в объемных и лопаточных компрессорах не отличаются, рассмотрим их на примере поршневого компрессора (рис. 1.1).

В цилиндре 2 движется поршень 1, совершающий возвратно-поступательное движение. При движении поршня вправо происходит всасывание газа 4-1 через открытый всасывающий клапан 3, при практически постоянном давлении p₁. После того как поршень дойдет до крайнего правого положения (нижней мертвой точки), процесс всасывания заканчивается, клапан 3 закрывается и поршень начинает двигаться влево. Происходит сжатие газа 1-2. Когда давление газа в цилиндре достигает значения, несколько превышающего давление в баллоне сжатого газа (ресивере), нагнетательный клапан 4 открывается и происходит нагнетание 2-3 сжатого газа в ресивер. Дойдя до крайнего левого положения (верхней мертвой точки), поршень вновь начинает двигаться вправо и процесс повторяется.

В PV-диаграмме на рис. 1.1 показаны: работа всасывания l₄₁ – вертикальная штриховка; работа сжатия l₁₂ – косая штриховка и работа нагнетания l₂₃ – горизонтальная штриховка. Сумма этих работ дает так называемую техническую работу компрессора

(1.1)

Рис.1.1.Поршневой компрес-сор.

Рис. 1.2. Процессы сжатия в Pv- и TS-диаграммах.

Каждая составляющая технической работы в общем случае определяется по формуле

(1.2)

Считая всасывание и нагнетание изобарными процессами и подставляя работы l₄₁, l₁₂, l₂₃, определенные по формуле (1.2), в уравнение (1.1), после несложных преобразований можно получить общее выражение для технической работы

(1.3)

Можно представить три возможных термодинамических процесса сжатия в компрессоре (рис. 1.2): изотермический 1-2и, адиабатный 1-2а и политропный 1-2п. Так как техническая работа в PV-диаграмме представляет собой площадь цикла 12341 (1.1), то минимальная техническая работа будет при изотермическом сжатии, а максимальная – при адиабатном (см. рис. 1.2). Изотермическое сжатие можно представить при идеальном охлаждении компрессора, а адиабатное – для идеально изолированного компрессора (нет теплообмена между сжимаемым газом и окружающей средой). Но ни идеальное охлаждение, ни идеальную изоляцию осуществить невозможно, поэтому в реальном компрессоре сжатие газа происходит по политропе 1-2п, располагающейся между изотермой 1-2и и адиабатой 1-2а; очевидно показатель этой политропы 1<n<к.

Из уравнения политропы

, (1.4)

где левая часть соответствует любой точке на политропе, а правая часть – начальному состоянию газа (т.1). Находя удельный объем v из формулы (1.4), подставляя его в уравнение (1.3), можно получить техническую работу политропного (реального) компрессора

, (1.5)

Или с учетом уравнения Клапейрона для идеального газа

(1.6)

1.2. Двухступенчатый компрессор

Рис. 1.4. Реальные процессы в одноступенчатом компрессоре.

Если необходимо получить газ достаточно высокого давления, то даже при хорошем охлаждении компрессора температура сжатого газа получается недопустимо высокой. Чтобы избежать этого, применяются многоступенчатые компрессоры с охлаждением газа в промежуточных холодильниках. На рис. 1.3 представлены термодинамические процессы в теоретическом 2-ступенчатом компрессоре: 71 – изобарное всасывание; 12 и 34 – политропное сжатие в I и II ступенях компрессора; 23 и 45 – изобарное охлаждение в промежуточных холодильниках; 56 – изобарное нагнетание сжатого газа в ресивер. Промежуточные холодильника рассчитывают так, чтобы температуры Т5=Т3=Т1. Если бы сжатие осуществлялось в 1-ступенчатом компрессоре по политропе 128, то техническая работа была бы выше на величину заштрихованной площадки 23482 (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Теоретические процессы в двухступенчатом компрессоре.

Параметры газа на входе в цилиндр высокого давления P_xV_x (т.3) можно найти, приравняв технические работы I и II ступеней компрессора по формуле (1.5)

. (1.7)

Считая, что сжатие в I и II ступенях осуществляется при одинаковых показателях политропы n=idem и учитывая, что Т3=Т1, то есть P₁v₁=P_xv_x (уравнение Бойля-Мариотта для изотермического процесса), получаем

, (1.8)

Следовательно

. (1.9)

Таким образом, преимуществом многоступенчатого компрессора является приемлемая температура сжатого газа и экономия в технической работе, то есть в расходах энергии на привод компрессора.

1.3. Реальный одноступенчатый компрессор.

В реальном компрессоре имеется так называемый вредный объем V₃, из-за которого не весь сжатый газ нагнетается в ресивер. Вредный объем – это объем зазора между днищем поршня в его крайнем левом положении (верхней мертвой точке) и головкой цилиндра с клапанами. Этот зазор необходим для безударной работы компрессора. На рис. 1.4 изображены термодинамические процессы реального одноступенчатого компрессора, где p₁ и p₂ – давления в окружающей среде и в ресивере. Сжатие газа 1-2 происходит до давления несколько выше p₂, необходимого для открытия нагнетательного клапана. После нагнетания 2-3 оставшийся во вредном объеме V₃ газ расширяется до V₄ при обратном ходе поршня. Для начала всасывания 4-1 давление в цилиндре должно стать несколько ниже атмосферного, что необходимо для открытия всасывающего клапана. Рабочий объем цилиндра, м³

(1.10)

Это объем цилиндра между крайними положениями поршня (между ВМТ и НМТ). Здесь d, м – диаметр цилиндра, S, м – ход поршня. На рис. 1.4 представлена так называемая индикаторная диаграмма компрессора, которая снимается с помощью механического индикатора. По ней с помощью планиметра определяется площадь индикаторной диаграммы f_i, представляющая собой индикаторную (внутреннюю) работу компрессора L_i за один оборот вала компрессора. Тогда индикаторная (внутренняя) мощность привода компрессора, Вт

, (1.11)

где L_i, Дж/об – индикаторная работа; n, об/с – число оборотов вала компрессора.

По определенным с помощью механического индикатора площади диаграммы f_i в мм² и рабочего объема цилиндра V_h в мм определяется среднее индикаторное давление газа в цилиндре p_i в МПа

(1.12)

где m=0,1 МПа/мм – масштаб пружины механического индикатора.