Компрессорами называются устройства, предназначенные для сжатия и транспортировки различных газов. Все компрессоры могут быть разделены на две группы: поршневые и центробежные. Несмотря на конструктивные различия между компрессорами, термодинамические процессы сжатия газа в них одинаковы, поэтому целесообразно, сначала рассмотреть работу наиболее простого одноступенчатого поршневого компрессора.
Компрессор состоит из цилиндра с пустотелыми стенками, в которых циркулирует охлаждающая жидкость, поршня, связанного кривошипно-шатунным механизмом с двигателем, головки цилиндра, в котором помещаются всасывающий и нагнетательный клапаны.
Работу теоретического одноступенчатого компрессора рассмотрим при следующих допущениях: отсутствуют вредное пространство, трение поршня о цилиндр и дросселирование в клапанах, а всасывание и нагнетание происходит при постоянном давлении.
Рабочий процесс компрессора совершается за два хода поршня. При ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан и газ при давлении Р1 поступает в цилиндр. Этот процесс на теоретической индикаторной Р – V диаграмме изображен, как правило, линией 1-2 и называется линией всасывания. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, газ сжимается до заданного давления Р2, после чего выталкивается из цилиндра через нагнетательный клапан в емкости для хранения или на производство. Линия 2-3 называется процессом сжатия, а линия 3-4 – линией нагнетания.
При ходе поршня вправо давление в цилиндре теоретически мгновенно падает от Р2 до Р1, закрывается нагнетательный клапан, открывается всасывающий и весь процесс повторяется.
Процесс сжатия в компрессоре в зависимости от условий теплообмена может происходить по изотерме, адиабате или политропе. Сжатие по каждому из трех процессов требует различной величины затраченной работы.
Величина работы компрессора определяется площадью индикаторной диаграммы. Сравнение вышеназванных процессов показывает, что изотермический процесс сжатия требует наименьшей затраты работы на получение 1 кг сжатого воздуха. Для приближения реальных процессов сжатия к изотермическому от сжимаемого газа отводят тепло путем охлаждения наружной поверхности цилиндра, что позволяет сжимать газ до более высоких давлений.
При изотермическом сжатии теоретическая работа компрессора, отнесенная к 1 кг газа, равна:
, Дж/кг (1)
где v - удельный объем, м3/кг, 
- газовая постоянная, Дж/кг×К,
m - молекулярная масса, кг/кмоль.
Для массы газа М кг и объемом V м3:
, Дж (2)
Если V1 представляет объемный расход в м3/с, то Lиз выражается в Дж/с.
Количество отводимого тепла в изотермическом процессе:
, Дж/кг или 
, Дж или Дж/с.
При адиабатном сжатии теоретическая работа компрессора, отнесенная к 1 кг газа равна:
, (3)
где к – показатель адиабаты, равный для одноатомных газов 1,66, для двухатомных - 1,4, для трех- и многоатомных - 1,33.
Если масса всасываемого воздуха М кг, а его объем (расход) V м3, то:
. (4)
При политропном сжатии теоретическая работа компрессора, отнесенная к 1 кг газа равна:
(5)
где n – показатель политропы.
Для массы М кг и объема (расхода) V м3 (м3/ч):
. (6)
Если количество затрачиваемой работы выражено в Дж/с, то мощность двигателя в кВт можно определить так:
. (7)
Теоретическое количество отводимой теплоты можно найти из выражения:
, (8)
где Сv – теплоемкость при постоянном объеме.
Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора отличается от теоретической переменностью давлений при всасывании и нагнетании газа, что связано с наличием потерь на дросселирование на всасывающем и нагнетательном клапанах. Кроме того, в реальном компрессоре между головкой цилиндра и поршнем в его крайнем левом положении при выталкивании сжатого газа остается некоторый свободный объем, называемый вредным пространством, доля которого в рабочем объеме цилиндра составляет 4-10%. В связи с этим после окончания нагнетания сжатого газа часть его остается во вредном пространстве, объем которого Vвр. При обратном ходе поршня эта часть газа расширяется, а всасывание новой порции начинается только после уменьшения давления Р2 до Р1.
Вредное пространство уменьшает количество засасываемого газа, определяемого объемом 
, и снижает производительность компрессора.
Отношение объема вредного пространства Vвр к объему, описываемому поршнем V, называется относительной величиной вредного пространства:
. (9)
Отношение объемов V и Vп называется объемным коэффициентом полезного действия:
. (10)
Объемный к.п.д. компрессора можно также выразить через относительную величину вредного пространства и отношение давлений нагнетания и всасывания:
. (11)
С увеличением конечного давления объемный к.п.д. и производительность одноступенчатого компрессора уменьшается. В пределе, когда кривая сжатия пересекает линию вредного пространства, всасывание газа в цилиндр прекращается, а объемный к.п.д. и производительность будут равны нулю.
Если компрессор водоохлаждаемый, то расход охлаждающей воды может быть определен из уравнения теплового баланса:
, (12)
где: Q - количество отводимого от газа тепла, Дж/с; M - pасход охлаждающей воды, кг/с; C - средняя теплоемкость воды, Дж/(кг×град; Dt - приращение температуры охлаждающей воды.
Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых газ сжимается последовательно в нескольких цилиндрах, причем после каждого сжатия происходит его охлаждение. Многоступенчатое сжатие понижает отношение давлений в каждом цилиндре, повышает объемный к.п.д. и уменьшает расход энергии на привод компрессора, приближая рабочий процесс к изотермическому сжатию.
Охлаждение газа в охладителях стремятся производить до одной и той же температуры, равной начальной.
Наиболее выгодным является многоступенчатое сжатие в том случае, когда отношение давлений в каждой ступени принимается одинаковым:
, (13)
откуда можно найти:
, (14)
или, в общем случае:
, (15)
где m – число ступеней компрессора;
Pi – давление газа, выходящего из последней ступени.
При одинаковых Х во всех ступенях и равенстве начальных температур будут равны между собой и конечные температуры газа в каждой ступени компрессора, т.е.:
Т2 = Т4 = Т6. (16)
В этом случае будут равны между собой и работы всех ступеней, поэтому для определения работы на привод многоступенчатого компрессора достаточно определить работу одной ступени и увеличить ее в m раз:
(17)
или, для трехступенчатого компрессора:
(18)
При одинаковых условиях сжатия газа количества теплоты, отводимые в отдельных ступенях, равны между собой (выражение 8).
Отвод теплоты в каждом охладителе при изобарном процессе охлаждения определяется как:
. (19)
Варианты индивидуальных заданий
Задача 1 . Одноступенчатый компрессор всасывает V м3/ч воздуха при давлении Р1 бар и температуре t1 0С и сжимает его до давления Р2 бар.
Определить теоретическую мощность двигателя для привода компрессора N кВт и расход охлаждающей воды М кг/ч, если ее температура повышается на Dt 0С. Расчет произвести для изотермического, адиабатного и политропного сжатия.
Показатель политропы n = 1,2. Построить индикаторную диаграмму процессов сжатия и изобразить схему компрессора.
Исходные данные, необходимые для решения задачи, принять из табл.1.
Таблица 1
| Последняя цифра шифра | V1, м3/ч | Р1, бар | t1, 0С | Предпоследняя цифра шифра | Р2, бар | Dt , 0С |
| 0 | 180 | 0,97 | 20 | 0 | 4 | 10 |
| 1 | 190 | 1,05 | 25 | 1 | 6 | 8 |
| 2 | 200 | 1,00 | 27 | 2 | 8 | 13 |
| 3 | 250 | 0,98 | 15 | 3 | 10 | 15 |
| 4 | 300 | 1,04 | 10 | 4 | 12 | 12 |
| 5 | 350 | 0,99 | 18 | 5 | 5 | 17 |
| 6 | 410 | 1,03 | 22 | 6 | 7 | 9 |
| 7 | 430 | 0,96 | 18 | 7 | 9 | 11 |
| 8 | 330 | 1,02 | 13 | 8 | 11 | 14 |
| 9 | 160 | 1,01 | 17 | 9 | 13 | 16 |
Задача 2 . Одноступенчатый компрессор всасывает V м3/ч воздуха при давлении Р1 бар и температуре t1 0С и сжимает его до давления Р2 бар.
Определить температуру сжатого воздуха на выходе из компрессора t2 0С, объемный расход сжатого воздуха V2 м3/ч, работу сжатия и мощность двигателя для привода компрессора.
Расчет провести для изотермического, адиабатного и политропного сжатия воздуха.
Показатель политропы n, начальная температура воздуха t1 = 20 0С. Построить индикаторную диаграмму процессов сжатия и изобразить схему компрессора.
Исходные данные, необходимые для решения задачи, принять из табл.2.
Таблица 2
| Последняя цифра шифра | V1, м3/ч | Р1, кПа | Предпоследняя цифра шифра | Р2, бар | n |
| 0 | 180 | 95 | 0 | 1400 | 1,18 |
| 1 | 190 | 97 | 1 | 1300 | 1,20 |
| 2 | 200 | 100 | 2 | 1200 | 1,30 |
| 3 | 250 | 102 | 3 | 1100 | 1,26 |
| 4 | 300 | 104 | 4 | 1000 | 1,22 |
| 5 | 350 | 96 | 5 | 900 | 1,28 |
| 6 | 410 | 98 | 6 | 800 | 1,24 |
| 7 | 430 | 101 | 7 | 700 | 1,19 |
| 8 | 330 | 103 | 8 | 1500 | 1,25 |
| 9 | 160 | 105 | 9 | 1600 | 1,21 |
Задача 3 . Воздух при давлении Р1 бар и температуре t1 0С должен быть сжат до давления Р2 бар.
Определить температуру в конце сжатия t2 , теоретическую работу компрессора l0 и величину объемного к.п.д. l для одноступенчатого и двухступенчатого компрессора с промежуточным холодильником, в котором воздух охлаждается до начальной температуры.
Расчет произвести для адиабатного и политропного сжатия. Показатель политропы n.
Относительная величина вредного пространства 8%.
Построить индикаторную диаграмму и изобразить схему компрессора. Полученные результаты свести в таблицу и сравнить между собой.
Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл.3.
Таблица 3
| Последняя цифра шифра | Р1, кПа | Р2, кПа | Предпоследняя цифра шифра | t1, 0C | n |
| 0 | 97 | 800 | 0 | 25 | 1,22 |
| 1 | 95 | 900 | 1 | 22 | 1,24 |
| 2 | 100 | 1000 | 2 | 20 | 1,20 |
| 3 | 98 | 1100 | 3 | 18 | 1,25 |
| 4 | 96 | 1200 | 4 | 16 | 1,18 |
| 5 | 94 | 1300 | 5 | 14 | 1,26 |
| 6 | 105 | 1400 | 6 | 12 | 1,19 |
| 7 | 103 | 1500 | 7 | 10 | 1,21 |
| 8 | 99 | 1600 | 8 | 8 | 1,23 |
| 9 | 101 | 1700 | 9 | 6 | 1,27 |
Задача 4 . Для двигателя с воспламенением от сжатия необходим трехступенчатый компрессор, подающий G кг/г сжатого воздуха при давлении P6 бар.
Определить теоретическую мощность компрессора.
Сжатие считать: а) адиабатным; б) политропным. Показатель политропы n=1,18. Начальное давление воздуха Р1 бар, начальная температура t1 0С. Построить индикаторную диаграмму процесса сжатия.
Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл.4.
Таблица 4
| Последняя цифра шифра | G, кг/ч | Р1, кПа | Предпоследняя цифра шифра | Р2, кПа | t1, 0C |
| 0 | 410 | 100 | 0 | 7000 | 27 |
| 1 | 430 | 97 | 1 | 7500 | 25 |
| 2 | 450 | 95 | 2 | 8000 | 17 |
| 3 | 470 | 98 | 3 | 8500 | 19 |
| 4 | 490 | 96 | 4 | 9000 | 21 |
| 5 | 420 | 94 | 5 | 9500 | 23 |
| 6 | 440 | 99 | 6 | 6000 | 15 |
| 7 | 460 | 101 | 7 | 6500 | 13 |
| 8 | 480 | 94 | 8 | 7800 | 11 |
| 9 | 400 | 103 | 9 | 8300 | 9 |
Задача 5 . Определите массовый расход сжатого воздуха, М кг/г, который является рабочим телом двигателя и удельный объем V2 воздуха после расширения, если теоретическая мощность воздушного двигателя N кВт. Процесс расширения воздуха принять: а) политропным; б) адиабатным; в) изотермическим.
Начальное давление воздуха Р1 бар, начальная температура t1 0С, показатель политропы n = 1,2, конечное давление воздуха Р2, бар.
Построить индикаторные диаграммы работы двигателя.
Исходные данные, необходимые для решения задачи, выбрать из табл.5.
Таблица 5
| Последняя цифра шифра | N, кВт | Р1, кПа | Предпоследняя цифра шифра | t1, 0C | Р2, кПа |
| 0 | 12 | 800 | 0 | 17 | 90 |
| 1 | 11 | 900 | 1 | 19 | 95 |
| 2 | 10 | 1000 | 2 | 15 | 100 |
| 3 | 9 | 700 | 3 | 21 | 92 |
| 4 | 8 | 1100 | 4 | 23 | 94 |
| 5 | 7 | 1200 | 5 | 25 | 96 |
| 6 | 16 | 1350 | 6 | 15 | 98 |
| 7 | 15 | 1250 | 7 | 18 | 102 |
| 8 | 14 | 1150 | 8 | 20 | 104 |
| 9 | 13 | 1050 | 9 | 24 | 105 |
ЛИТЕРАТУРА
1. Поляков В.В., Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы.-М.:Стройиздат.1990.
2. Вахвахов Г.Г. Работа вентиляторов в сети.-М.: Стройиздат, 1987.
3. Калинушкин М.П. Насосы и вентиляторы. -.: Высшая школа, 1987.
4. Якубчик П.П. Насосы и насосные станции. Учебное пособие. – СПб: ПГУПС, 1997 – 108 с.
Дата: 2018-12-28, просмотров: 562.
