Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

СТАЦИОНАРНЫЕ МАШИНЫ

Долганов А. В.,

6.3. Теоретические и действительные рабочие процессы в поршневом компрессоре

Рабочий процесс в идеальном поршневом компрессоре удобно рассматривать, воспользовавшись диаграммой процесса в системе координат р – v (рис. 6.2, а) [1].

Крайнее правое положение поршня в цилиндре соответствует точке 1 – цилиндр заполнен воздухом (газом) с параметрами р1, v1 и Т1, всасывающий клапан закрыт. При движении влево поршень сжимает заключенный в цилиндре воздух (газ). Процесс сжатия характеризуется в общем случае политропой 1 – 2 и заканчивается в точке 2, в которой газ характеризуется параметрами р2, v2 и Т2. В зависимости от условий сжатие может осуществляться по изотерме 1 – 2’», политропе 1 – 2, адиабате 1 – 2’ и политропе 1 – 2» с большим значением показателя n. В идеальном компрессоре, в котором отсутствует сопротивление нагнетательных клапанов, момент окончания сжатия совпадает с моментом открывания нагнетательных клапанов и началом нагнетания газа в напорный трубопровод.

При движении поршня от точки 2 до точки 3 воздух из цилиндра выталкивается в нагнетательный трубопровод, при этом давление p2 и температура T2 не изменяются. Процесс протекает по линии 2 – 3 (2' – 3,
2" – 3, 2'" – 3), которая называется линией нагнетания. В крайнем левом положении поршня (точка 3) нагнетательный клапан (клапаны) закрывается. С началом движения поршня вправо давление в цилиндре падает до давления р1 во всасывающем трубопроводе и открывается всасывающий клапан. При движении поршня вправо происходит процесс заполнения цилиндра газом (всасывание); линия 4 называется линией всасывания. Процесс всасывания заканчивается в точке 1, и затем цикл повторяется.

Работа, затрачиваемая в цикле компрессора, пропорциональна площади f диаграмм:

работа сжатия

Lсж = k∙f1-2-6-7; (6.1)

работа нагнетания

Lн = k∙f2-3-5-6; (6.2)

работа всасывания

-Lвс = k∙f1-4-5-7. (6.3)

Здесь k – масштабный коэффициент.

Знак «минус» в выражении (6.3) указывает, что в момент всасывания система вместе с поступающим газом получает извне часть энергии, на величину которой уменьшается общее количество работы за цикл.

Таким образом, суммарная работа цикла компрессора

Lп=Lсж+Lн–Lвс . (6.4)

Приводя затраченную работу к удельной, т. е. к работе, затрачиваемой на сжатие 1 кг газа, получаем lп = lсж+ lн – lвс или

. (6.5)

Действительный процесс в одноступенчатом компрессоре

Работа реального компрессора и термодинамические процессы, совершающиеся при этом, в действительности значительно отличаются от работы и процессов, происходящих в идеальном компрессоре. Это отличие, прежде всего, заключается в том, что в цилиндре реального компрессора после окончания процесса нагнетания (крайнее левое положение поршня) остается определенное количество газа объемом v0, сжатого до давления нагнетания p3. Во время процесса всасывания этот газ расширяется и заполняет часть объема цилиндра, уменьшая производительность компрессора. Поэтому пространство цилиндра, заполняемое этим остаточным газом, называется «вредным».

Вредный объем газа складывается из объема, образующегося в зазоре между поверхностью поршня (до первого уплотнительного кольца) и поверхностью цилиндра, а также объема клапанной коробки и газовых каналов в клапане до рабочей пластины.

Второй особенностью работы реального компрессора является тот факт, что при его работе происходит непрерывное изменение параметров состояния p, v и Т, обусловленное наличием затрат энергии на преодоление гидравлических сопротивлений при перемещении газа внутри цилиндра от приемного трубопровода до напорного, а также наличием теплообмена, имеющего различную интенсивность для каждого момента цикла компрессора.

Диаграмма цикла реального компрессора изображена на рис. 6.2., б. На этой же диаграмме для сравнительной оценки пунктирными линиями нанесена диаграмма 1-1’-3-3’ для случая, если бы компрессор работал по идеальному циклу, а расширение газа, оставшегося во вредном пространстве, не влияло бы на производительность компрессора. Действительный цикл компрессора отличается от теоретического.

Процесс сжатия (линия 1 – 2) в общем случае происходит по политропе с переменным, в течение сжатия, показателем п. Сжатие заканчивается в точке 2 при давлении р2, которое больше давления в напорном трубопроводе р3 на величину ∆рн = р2 – р3. Перепад давлений ∆рн необходим для преодоления сопротивления пружин напорного клапана и сил инерции подвижных элементов последнего.

Процесс нагнетания (линия 2 – 3) после открывания клапанов характеризуется уменьшением давления (уменьшается необходимый перепад давлений) и затем некоторым его возрастанием до р2, в связи с увеличением скорости поршня и, следовательно, скорости газа. Максимальное значение давления соответствует максимуму скорости поршня в его среднем положении. При дальнейшем движении поршня скорость его снижается и уменьшается постепенно давление, пока в точке 3 оно не станет равным давлению в напорном трубопроводе р3. Скорость поршня в этой точке равна нулю.

Процесс расширения газа, заключенного во вредном пространстве (линия 3 – 4), происходит в общем случае по политропе, в связи с чем его объем v4 при давлении р1 в приемном трубопроводе больше объема v0 вредного пространства v4 > v0.

Процесс всасывания (линия 4 – 1) начинается при давлении р4, которое ниже давления p1 в приемном трубопроводе, в связи с необходимостью иметь перепад давлений ∆рв = р4 – р1 на преодоление сопротивлений и инерции всасывающего клапана (аналогично, как и для случая нагнетания). Давление при всасывании изменяется дальше по кривой, имеющей минимальное давление р’1, соответствующее максимуму скорости поршня и газа. Из-за наличия сопротивлений во всасывающих каналах давление р"1 в конце всасывания (после остановки поршня в крайнем правом положении и закрывании всасывающего клапана) будет ниже давления во всасывающем трубопроводе р1.