14.2. Поршневой компрессор. Индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора

Поршневой компрессор – это компрессорная машина объемного типа. Принцип его работы аналогичен принципу работы поршневого насоса. В конструктивном же отношении поршневой компрессор существенно более сложный агрегат. Помимо основных конструктивных элементов, присущих насосу (поршень, цилиндр, клапан, привод), компрессор снабжен рядом систем:

- системой газоочистки, предназначенной для очистки всасываемого газа от механических примесей (пыли, капельной влаги и т.п.);

- системой масло – влагоотделения предназначенной для очистки сжатого газа от капель смазывающего внутреннюю поверхность цилиндра масла и капельной влаги, образующейся при сжатии и последующем охлаждении газа;

- системой охлаждения, предназначенной для охлаждения, нагревающегося при сжатии газа;

- системой смазки трущихся поверхностей машины.

При конструировании компрессора стремятся достичь полного вытеснения газа из рабочей камеры. Объем газа, остающейся в рабочей камере при положении поршня в мертвой точке, называется объемом мертвого пространства . Как будет показано в дальнейшем, с увеличением объема мертвого пространства уменьшается производительность компрессора.

Компрессор, рис. 40 состоит из цилиндра 1, поршня 2, всасывающего клапана 3 и нагнетательного клапана 4. Рабочий процесс совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.

Рисунок 40 – Поршневой компрессор.

При движении поршня вправо через открытый всасывающий клапан газ поступает в цилиндр. При обратном движении поршня (влево) всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие газа до определенного давления, при котором открывается нагнетательный клапан и производится нагнетание газа в резервуар. При теоретическом анализе удобнее рассматривать, идеальный компрессор, который обладает следующими нереализуемыми свойствами:

1. объем мертвого пространства ;

2. клапаны безинерционны, их сопротивление равно нулю;

3. отсутствует теплообмен между газом и компрессором;

4. отсутствуют утечки газа;

5. перекачиваемы газ–идеальный.

Теоретическая индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора показана на рис. 41.

υ₂

υ₁₁

υ

Рисунок 41 – Теоретическая индикаторная диаграмма работы идеального поршневого компрессора.

На диаграмме:

- линия 4 – 1 – называется линией всасывания;

- линия 1 – 2’ – процесс сжатия по изотерме;

1 – 2” – процесс сжатия по адиабате;

1 – 2 – процесс сжатия по политропе;

- линия 2 – 3 – линия нагнетания;

- линия 3 – 4 – условная линия, замыкающая цикл.

Следует отметить, что линии всасывания 4 – 1 и нагнетания 2 – 3 не изображают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела здесь не меняется, а изменяется лишь его количество.

Термодинамический расчет компрессора выполняется с целью определения работы, затрачиваемой на сжатие, что в свою очередь дает возможность определить мощность приводного двигателя.

Удельная работа , затрачиваемая на получение сжатого газа при условии обратимости всех процессов и отсутствии приращения кинетической энергии газа, определяется по следующей формуле:

где – работа всасывания (затрачиваемая внешней средой при заполнении цилиндра);

– работа нагнетания (затрачиваемая на вытеснение газа из цилиндра);

– работа, затрачиваемая на сжатие газа.

Так как

то

Ввиду того, что работа на получение сжатого газа затрачивается, она имеет отрицательный знак. Эта работа называется технической работой компрессора. На диаграмме (рис. 41) в – координатах изображается площадью 12’341 (работа изотермического сжатия).

Работа, затрачиваемая на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии, определяется по выражению:

При адиабатном сжатии работа на привод компрессора составит:

Эта работа численно равна площади 12’’341.

В тоже время работа на привод компрессора при адиабатном сжатии может быть вычислена по формуле:

где работа адиабатного сжатия.

В случае сжатия по политропе выражение для определения работы на привод идеального компрессора будет:

Работа на привод компрессора при политропном сжатии численно равна площади 12341.

Таким образом, сжатие по изотерме дает наименьшую площадь и, следовательно, наименьшую затрату работы, наибольшую – по адиабате. Для того, чтобы процесс сжатия приблизить к изотермическому, необходимо в процессе отводить теплоту. С этой целью в стенках цилиндра компрессора делаются полости, через которые прокачивается охлаждающая жидкость.