Компрессоры

Компрессором называют машину, предназначенную для сжатия газа или пара и транспорта его к потребителю. По принципу сжатия (повышения давления) рабочего тела в компрессоре эти машины делятся на две основные группы: объемные и динамические. В объемных компрессорах (к ним относятся поршневые, роторные, винтовые) повышение энергии рабочего тела достигается силовым воздействием на него твердых тел (поршня, ротора, винта и т.п.). В динамических компрессорах (к ним относятся лопастные) передача энергии происходит путем работы массовых сил потока движущегося в полости компрессора (например, в вентиляторе).

Задачей термодинамического анализа компрессора является определение работы, затрачиваемой на сжатие рабочего тела при заданных начальных и конечных параметрах. Так как термодинамические процессы, протекающие в объемных и динамических компрессорах идентичны, то ограничимся рассмотрением работы поршневого компрессора.

На рис. 3.3 изображены принципиальная схема одноступенчатого поршневого компрессора и так называемая индикаторная диаграмма, которая показывает зависимость давления рабочего тела в цилиндре от хода поршня в течение одного оборота вала.

При движении поршня до точки 2 открывается клапан а и внутрь цилиндра поступает газ (линия 4–1), давление в цилиндре становится равным р ₁. Работа всасывания газа в цилиндр будет найдена

. (3.8)

При обратном движении поршня клапан а закрывается и газ сжимается до давления р ₂ по линии 1 – 2. Техническая работа сжатия газа в цилиндре:

. (3.9)

Рис. 3.3. Принципиальная схема одноступенчатого компрессора

При достижении давления р ₂ клапан b открывается и газ с этим давлением нагнетается в сеть. Работа нагнетания будет определена

. (3.10)

По своей сути работы сжатия и нагнетания являются отрицательными, а работа всасывания положительной. Поэтому, абсолютное значение работы затраченной на сжатие 1 кг газа в компрессоре будет определено:

. (3.11)

Процесс сжатия газа можно проводить разными путями (рис. 3.4): изотермически (процесс 1–2 ₁), адиабатно (процесс 1–2 ₂) и политропно (процесс 1–2).

Как видно из диаграммы (рис. 3.4) наименьшая работа сжатия затрачивается в изотермическом процессе, следовательно, он самый экономически оправданный процесс, но при его осуществлении образуется теплота, которую необходимо отводить для совершения цикла. Для этих целей осуществляют водяное, масленое или воздушное охлаждение корпуса. Самым удобным с практической точки зрения является адиабатный процесс, осуществляемый без внешнего теплообмена с окружающей средой, в нем затрачивается наибольшее количество работы. Поэтому, обычно в компрессорах осуществляется политропное сжатие с показателем полтропы . И чем интенсивнее проходит процесс охлаждения корпуса и чем медленнее осуществляется ход поршня, тем ближе политропный процесс по затраченной работе приближается к изотермическому.

Работа сжатия определяется:

- в изотермическом процессе

; (3.12)

- в адиабатном процессе

; (3.13)

- в политропном процессе

. (3.14)

Тогда абсолютная работа, затраченная на сжатие в одноступенчатом поршневом компрессоре, будет найдена:

- в изотермическом процессе

; (3.15)

- в адиабатном процессе

, или

; (3.16)

- в политропном процессе

, или

. (3.17)

Работа компрессора при адиабатном сжатии может быть также найдена через энтальпию по формуле

. (3.18)

Если обозначить расход газа через М, кг/с, то теоретическая мощность компрессора будет определена

, Вт. (3.19)

Действительный процесс сжатия в компрессорах значительно отличается от теоретического, главным образом, из-за того, что в компрессоре имеются вредное пространство, потери давления во впускном и выпускном клапанах и теплообмен между газом и стенками цилиндра.