Меню

Теоретический процесс работы поршневого компрессора



Теоретический рабочий цикл поршневого компрессора.

Рассмотрим рабочий цикл идеального поршневого компрессора. Под идеальным будем подразумевать компрессор, отвечающий следующим требованиям:

1) на пути движения газа в таком компрессоре отсутствуют гидравлические сопротивления, вследствие чего температура в периоды всасывания и нагнетания постоянна, а на всасывающих и нагнетательных рабочих клапанах отсутствуют перепады давления;

2) давление и температура газа под поршнем в период всасывания и нагнетания не изменяются;

3) после окончания процесса нагнетания в компрессоре не остается газа;

4) в компрессоре отсутствуют утечки газа через рабочие клапаны, в зазоре между поршнем и цилиндром;

5) затраты мощности на механическое трение отсутствуют.

Графическое изображение цикла в компрессоре представлено на рис. 10.3.

Рассмотрим течение процесса компримирования газа, начиная с момента начала его сжатия, т.е. когда поршень компрессора занимает положение 2, соответствующее крайнему правому положению. В этот момент параметры газа, находящегося в цилиндре, были р1, v1, Т1, объем газа в цилиндре V1, а приемный клапан компрессора закрыт.

При движении поршня влево начинается процесс сжатия газа, т.е. процесс изменения параметров состояния.

Процесс нагнетания характеризуется линией сжатия 1–2, являющейся в общем случае политропой сжатия. В точке 2 заканчивается процесс сжатия газа, а его рабочие параметры будут p2, v2, Т2 и объем газа в цилиндре V2. В связи с тем, что давление p2 при отсутствии сопротивления нагнетательных клапанов равно давлению в трубопроводе после компрессора, момент окончания сжатия газа совпадает с моментом открытия нагнетательного клапана и началом процесса нагнетания.

Линия 2–3 характеризует процесс нагнетания, т.е. процесс выталкивания газа в напорный трубопровод, и называется линией нагнетания. В точке 3 поршень компрессора достигает крайнего левого положения. Скорость его в этой точке wл=0, что приводит к закрытию нагнетательного клапана. С началом движения поршня вправо происходит снижение давления с р2 до p1 – давления в приемном трубопроводе, что характеризуется линией снижения давления 3–4.

В точке 4 давление под поршнем становится равным давлению в приемном трубопроводе. Этот момент совпадает с моментом открытия приемного клапана и началом процесса всасывания.

Линия 4–2, характеризующая процесс всасывания, т.е. процесс заполнения рабочего цилиндра газом, называется линией всасывания.

В точке 1 заканчивается процесс всасывания. Это совпадает c началом процесса сжатия 1–2, т.е. с началом нового цикла компрессора.

Источник

Поршневой компрессор: Теоретические основы работы поршневого компрессора

Объемная производительность.

Объем всасываемого поршневым компрессором пара (в кубических метрах) за единицу времени (час), составляет его объемную производительность. Теоретическая объемная производительность совпадает с объемом, описываемым поршнями компрессора.

Действительная объемная производительность.
Действительный рабочий процесс поршневого компрессора отличается от теоретического главным образом наличием в цилиндре мертвого пространства, гидравлического сопротивления клапанов, подогрева всасываемого пара от стенокцилиндра, неплотности в клапанах и поршневых кольцах, возможности конденсации пара на холодных стенках цилиндра и свойств фреона растворяться в масле при сжатии паров.

Мертвое пространство.
Мертвое пространство поршневого компрессора представляет собой объем, заключенный между клапанами и днищем поршня в момент нахождения его в верхней, мертвой точке.
Основной причиной существования мертвого пространства является линейный зазор между днищем поршня и клапанной доской (не менее 0;01 диаметра цилиндра),предназначенной для компенсации удлинения поршня и шатуна при их нагревании, а также возможной неточности, допущенной при изготовлении деталей и сборке компрессора. В мертвое пространство входит также объем углублений и отверстий клапанов и объем кольцевого зазора между стенкой цилиндра и поршнем (до первого кольца).

В быстроходных компрессорах объем мертвого пространства составляет от 3 до 5% объема цилиндра. В современных малых герметичных компрессорах объем мертвого пространства снижен до 2%.

Расширение паров, остающихся в мертвом пространстве цилиндра, уменьшает объем всасывания, а следовательно, и производительность компрессора. Чем больше объем мертвого пространства, тем значительнее снижение действительной производительности компрессора. Поэтому мертвое пространство называют иногда «вредным» пространством.

Гидравлическое сопротивление при всасывании и нагнетании.
Вследствие наличия гидравлического сопротивления клапанов и каналов давление в цилиндре во время заполнения нужно поддерживать несколько ниже давления в испарителе, а при нагнетании — выше давления в конденсаторе. С понижением давления всасывания удельный объем поступающего в цилиндр пара увеличивается, а его плотность и масса уменьшается. Возрастание давления нагнетания приводит к увеличению объема пара, остающегося в мертвом пространстве. Таким образом, сопротивление при всасывании и нагнетании приводит к снижению объемной производительности компрессора.

Читайте также:  Ремкомплект шкива компрессора кондиционера

Подогрев пара при всасывании.
Поступающие в цилиндр холодные пары холодильного агента подогреваются нагревшимися в процессе сжатия стенками цилиндра, днищем поршня, поверхностями крышек и клапанов. Вследствие этого удельный объем всасываемого пара увеличивается, а его масса уменьшается, при этом объемная производительность при установившемся режиме температур снижается.

Влияние утечки пара через неплотности на производительность компрессора. При работе действительного компрессора наблюдаются утечки пара из цилиндра из-за недостаточно плотного прилегания клапанных пластин к седлу, в замках поршневых колец и в местах их прилегания к стенкам цилиндра. В процессе всасывания через неплотный нагнетательный клапан часть пара из нагнетательной полости поступает обратно в цилиндр, а при сжатии через всасывающий клапан и поршневые кольца часть пара возвращается из цилиндра во всасывающую полость или картер компрессора.

Утечки пара через неплотности снижают объемную производительность компрессора.
При нормальных условиях работы компрессора потери составляют 3—4% от объема цилиндра. При плохом прилегании клапанов и изношенных поршневых кольцах такие потери значительно возрастают.

В фреоновых компрессорах при сжатии повышается растворимость фреона в смазочном масле, а при всасывании, когда давление паров понижается, происходит выделение (возгонка) паров фреона из масла, находящегося в этот момент в цилиндре компрессора. Вследствие этого уменьшается действительный объем паров, всасываемых компрессором.

При всасывании холодных паров и особенно при работе влажным ходом стенки цилиндров значительно охлаждаются. Поэтому при сжатии пара возможна конденсация пара на холодных стенках (в районе всасывающего клапана). При обратном ходе поршня давление падает и жидкий холодильный агент, выкипая, занимает часть объема цилиндров, уменьшая действительную производительность компрессора. Подогрев всасываемого пара в теплообменнике практически исключает эти потери.

Источник

Теоретические основы работы поршневых компрессоров

Принцип работы поршневого компрессора.

Индикаторные диаграммы рабочих циклов поршневого компрессора.

Подача поршневого компрессора, факторы, влияющие на неё.

Многоступенчатое сжатие газа.

Поршневой компрессор — машина, предназначенная для преобразования энергии газа (пара, жидкости) с помощью поршня и обеспечивающая высокие давления нагнетания (до 40 МПа и выше).

Преимущества таких компрессоров — высо­кие значения к. п. д. и степени повышения давления цилиндров в одной ступени, максимальное давление сжатия газа, возмож­ность эксплуатации в широком диапазоне изменения давлений компримируемого газа, возможность построения на базе одной модели различных компрессорных схем и сохранения мощности при изменении условий эксплуатации. Важное достоинство поршневых компрессоров — незначи­тельная чувствительность к изменению плотности компримиру­емого газа. В то же время динамическая неуравновешенность от возвратно-поступательного компрессора оказывается причи­ной повышенной металлоемкости.

Для компримирования нефтяного и природного газов, а также воздуха, в районах с развитой системой электроснаб­жения применяют угловые и оппозитные поршневые компрес­соры с приводом от электродвигателя.

Принципиальная схема поршневого компрессора (рис. 2.1) включает цилиндр 1, поршень 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, шток 5 и кривошипно – шатунный механизм, состоящий из крейцкопфа 6, шатуна 7 и кривошипа 8.

Рисунок 2.1 — Схема работы поршневого компрессора

Рабочий процесс в поршневом компрессоре осуществляется за четыре этапа:

1. расширение газа во вредном пространстве цилиндра компрессора (в клапанах и околоклапанном пространстве, в зазоре между крышкой цилиндра и плоскостью АА, соответствующей крайнему положению поршня);

2. всасывание (расширение и всасывание происходят при движении поршня от плоскости АА до плоскости ВВ на длине хода поршня s; при этом всасывающий клапан открывается не сразу, а лишь после того, как газ, находящийся во вредном пространстве цилиндра, расширится, и его давление станет меньше давления во всасывающей линии, в этот момент откроется клапан 3, и газ начнет поступать в цилиндр компрессора);

3. сжатие (происходит при движении поршня от плоскости ВВ до плоскости СС);

4. нагнетание (происходит при движении поршня от плоскости СС до плоскости АА; нагнетание газа в трубопровод начинается тогда, когда давление газа в цилиндре превысит давление в нагнетательной линии, в этот момент откроется клапан 4, и газ начнет поступать в трубопровод).

Характер изменения объема газа зависит от условий теплообмена между газом, деталями компрессора и окружающей средой. В зависимости от этого сжатие или расширение могут происходить:

— без теплообмена (адиабатический процесс); т. е. с нагревом газа при его сжатии;

— с частичным теплообменом (политропический процесс);

— с полным теплообменом (изотермический процесс) т. е. с сохранением одной и той же, постоянной при сжатии и расширении, температуры газа.

Читайте также:  Дискавери 3 температура компрессора

Как видно из определений, адиабатический и изотермический процессы являются частными случаями политропического процесса.

Политропический процесс изменения состояния идеального газа удовлетворяет уравнению:

где p – давление; V – объем газа; m – показатель политропы.

При адиабатических процессах m обозначается через k и называется показателем адиабаты. Показатель адиабаты определяется как отношение удельных (или молярных) теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме. Для одноатомных газов k = 1,67, для двухатомных k = 1,40 – 1,41, для многоатомных k = 1,2 – 1,3. При политропических процессах показатель политропы m может принимать значение от единицы до k и быть больше k. При изотермическом процессе m = 1.

При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения:

1. Отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том чис­ле и в клапанах).

2. Давление и температура газа во всасывающей и нагнетатель­ной линиях постоянны.

3. Давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются.

4. Мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора от­сутствует.

5. Нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.

Индикаторная диаграмма идеального цикла представлена на рис. 2.2. Процесс сжатия газа поршнем характеризуют кривые 1-2. При изотермическом про­цессе это будет кривая 1-2′», при адиабатическом 1-2″, а при по­литропическом 1-2 или 1-2″. Рассматривая политропический процесс 1-2, видим, что за этот период цикла, объем газа умень­шится с V1 до V2 давление изме­нится от р1 до р2, а температура -от Т1 до Т2. Далее идет нагнета­ние газа в трубопровод 2-3. Дав­ление и температура газа остают­ся в этот период неизменными (p2 и T2). Весь объем газа V2 переходит в нагнетательный трубопровод. За период 3-4 в цилиндре снижается давление до давления во всасывающем трубопроводе (p1) закрывается нагнетательный клапан и с началом движения поршня вправо открывается всасывающий клапан. Период всасывания харак­теризуется линией 4-1. Здесь давление и температура газа равны р1 и T1, в цилиндр поступает объем газа, равный V1.

Рисунок 2.2 – Индикаторная диаграмма идеального цикла поршневого компрессора

Рисунок 2.3 – Индикаторная диаграмма реального цикла поршневого компрессора

Рассмотрим реальный цикл работы поршневого компрессора. Процесс сжатия газа в цилиндре соответствует линии 1-2 на инди­каторной диаграмме (рис. 2.3). В начальный момент сжатия относи­тельно холодный газ получает тепло от нагретого цилиндра, вследствие чего процесс идет с подводом тепла к газу, и политропа отклоняется вправо от политропы идеально­го процесса (пунктирная ли­ния). В конце процесса сжатия газа температура его повышает­ся и становится больше темпе­ратуры цилиндра и клапанов, и процесс сжатия идет с отводом тепла от газа. Политропа на этом участке отклоняется влево от политропы идеального про­цесса. Эти явления приводят к тому, что показатель реальной политропы процесса сжатия газа становится переменным, и расчет процесса надо вести по условному эквивалентному показателю политропы.

Понижение давления в цилиндре против давления во всасываю­щей линии (см. рис. 2.3, точка 1), в начале сжатия обусловлено со­противлением потоку газа во всасывающем клапане. Повышение давления против давления в нагнетательном трубопроводе (точка 2) в конце сжатия обусловлено усилиями, затрачиваемыми на открытие нагнетательного клапана (сопротивление пружин клапана и инерция масс деталей клапана, приводимых в движение при его открытии). Процесс нагнетания соответствует линии 2-3. Повышенное, про­тив идеального процесса, давление нагнетания обусловливается со­противлениями потоку газа в нагнетательном клапане и подводящих каналах. Некоторая волнистость линии нагнетания обусловливается непостоянством сопротивлений потоку газа из-за изменений скорос­тей поршня и газа, пульсацией давления в газопроводе и вибрацией клапанных пластин.

За процессом нагнетания в реальном цилиндре идет процесс рас­ширения газа, оставшегося в мертвом (вредном) пространстве под давлением р2» (линия 3-4). Объем вредного пространства Vм. Газ рас­ширяется, снижая давление от р2» до р4 и увеличивая свой объем до V4. При этом поршень движется вправо. Процесс расширения закан­чивается при открытии всасывающего клапана. Давление в цилинд­ре при этом будет ниже, чем во всасывающем трубопроводе, за счет усилий, затрачиваемых на открытие всасывающего клапана. Процесс расширения газа идет вначале с отбором тепла от сжато­го газа, а затем с подводом тепла к газу, и потому показатель политро­пы будет не постоянен (так же как и при сжатии газа).

За процессом расширения идет всасывание газа (линия 4-1). Давление в цилиндре при этом будет ниже давления в подводя­щем трубопроводе за счет сопротивления движению потока газа в клапане и каналах. Колебание давления всасывания в цилиндре обусловлено теми же явлениями, которые наблюдаются и при нагнетании газа.

Читайте также:  Пожар от компрессора холодильника

Работа, затрачиваемая на сжатие газа, в реальном цикле опреде­ляется площадью индикаторной диаграммы 1-2-3-4 (см. рис. 2.3).

Подачей компрессораназывают объем или массу газа, проходя­щего за единицу времени по линии всасывания или линии нагнета­ния компрессора. Расход газа на нагнетании всегда меньше, чем на всасывании, за счет утечек газа через неплотности.

Объемный расход газа обычно приводится к условиям всасыва­ния (к давлению и температуре во всасывающей линии), нормаль­ным условиям (давление 100 кПа и температура 293°К) или стандартным условиям (100 кПа и 293°К).

Потребителя интересует обычно количество газа, подаваемого ему от компрессора, приведенное к нормальным или стандартным усло­виям. Иногда эту подачу называют коммерческой.

Подача компрессора с одним цилиндром одинарного действия (см. рис. 3.3)

(2.1)

где ar w:top=»1134″ w:right=»850″ w:bottom=»1134″ w:left=»1701″ w:header=»720″ w:footer=»720″ w:gutter=»0″/> «> — коэффициент подачи, зависящий от многих факторов;

— объем описываемый поршнем за ход в одну сторону;

п — число двойных ходов поршня в минуту (с возвращением в исходное положение).

(2.2)

— объемный;

— герметичности;

— температурный;

— давления.

Объемный коэффициент отражает степень полноты использова­ния объема цилиндра. Коэффициент герметичности это функция подачи компрессо­ра от запаздывания закрытия клапанов, негерметичности уплотнений зазора между поршнем и цилиндром, уплотнений штоков у цилинд­ров двойного действия, негерметичности соединений рабочих кана­лов. Коэффициент герметичности обычно принимается в пределах 0,95. 0,98. Температурный коэффициент отражает влияние нагрева газа при всасывании за счет теплообмена с горячими стенками цилиндра и каналов. При нагреве увеличивается объем газа, находящегося в цилиндре, и уменьшается полезный объем газа, поступающего в ци­линдр из всасывающего патрубка. Температурный коэффициент зависит от степени сжатия газа, поскольку от этого зависят температура нагнетаемого газа и темпе­ратура стенок каналов и цилиндра. Коэффициент давления учитывает снижение подачи компрес­сора за счет уменьшения давления газа в цилиндре при всасывании по сравнению с давлением во всасывающем патрубке. В результате этого снижения давления газ расширяется, и в цилиндр входит мень­шее его количество. На подачу влияет уменьшение давления не в на­чале, а в конце периода всасывания. Коэффициент давления обычно находится в пределах 0,95…0,98.

При необходимости сжимать газ до давления, превышающего 0,4…0,7 МПа по манометру, применяют многоступенчатое сжатие, сущность которого состоит в том, что процесс сжатия газа разбивается на несколько этапов или ступеней. В каждой из этих ступеней газ сжи­мается до некоторого промежуточного давления и перед тем как по­ступать в следующую ступень, охлаждается в межступенчатом холо­дильнике. В последней ступени газ дожимается до конечного давле­ния. В современных компрессорах высокого давления число ступе­ней сжатия достигает семи.

Причины, заставляющие применять многоступенчатое сжатие, следующие;

— выигрыш в затраченной работе;

— ограничение температуры конца сжатия;

— более высокий коэффициент подачи.

Для уменьшения работы сжатия применяется ступенчатое сжа­тие газа с охлаждением его в охладителях, расположенных между сту­пенями компрессора.

В результате охлаждения газа устраняется и другая причина, обус­ловливающая применение ступенчатого сжатия, это недопустимое повышение температуры газа при большой степени повышения дав­ления одноступенчатым компрессором. Температура на этапе сжатия газа не должна достигать значений, при которых происходит измене­ние свойств компрессорного масла. С повышением температуры газа вязкость масла уменьшается, ухудшаются условия смазки, и увели­чивается износ трущихся деталей компрессора. При достижении тем­ператур порядка 180. 200°С масло разлагается, в результате чего по­верхности деталей цилиндра компрессора и нагнетательная линия покрываются нагаром. Это ухудшает охлаждение компрессора и на­рушает его нормальную работу (увеличивается трение между порш­невыми кольцами и цилиндром, возможны поломки колец и задиры поверхности цилиндра, ухудшается работа клапанов, возникает опас­ность самовозгорания и взрыва в нагнетательной линии).

1. Принцип действия поршневого компрессора.

2. Условия сжатия газа в поршневых компрессорах. Политропный процесс.

3. Идеальная индикаторная диаграмма цикла поршневого комп­рессора.

4. Работа на сжатие единицы массы газа в компрессоре.

5. От чего зависит температура в конце процесса сжатия в одной ступени?

6. Производительность поршневых компрессоров.

7. Объемный коэффициент подачи поршневого компрессора.

8. Принцип получения высоких давлений в поршневых компрес­сорах.

Источник