Глава 10 Компрессоры (Головинцов А.Г., Юдаев Б.Н., Федотов Е.И. - Техническая термодинамика и теплопередача 1970)

Глава X. КОМПРЕССОРЫ

§ 50. Назначение компрессоров и схема их классификации

Компрессором называется машина-орудие для сжатия и пере­мещения под давлением выше атмосферного ¹ различных парогазообразных тел. В современной технике компрессоры имеют исключительное значение. Сжатый воздух используется как рабо­чее тело в пневматических двигателях, получивших широкое рас­пространение в самых разнообразных механизмах строительной и горнорудной техники, в машиностроительной и других отраслях промышленности. Газотурбинные установки снабжены компрес­сором как обязательным элементом. Многие двигатели внутрен­него сгорания могут работать только в сжатом воздухе. Подавляю­щее большинство холодильных установок включают в себя ком­прессоры. Сжатие в компрессорах различных парогазообразных тел является важнейшим составным процессом многих химических производств.

По ходу сжимаемых веществ различают компрессоры воздуш­ные (пневматические), углекислотные, аммиачные, гелиевые и т. п. По устройству и принципу работы компрессоры делят на поршне­вые, шестеренчатые, винтовые, ротационные, мембранные, тур­бокомпрессоры и др. Несмотря на то, что все типы компрессоров по принципу своей работы различны, а турбокомпрессоры суще­ственно отличаются от всех остальных, термодинамическая сто­рона процессов, протекающих в них, может быть принята совер­шенно идентичной. Поэтому термодинамическое исследование рабочих процессов всех без исключения компрессоров можно ос­новывать на подробном рассмотрении процесса одного из них. Удобнее всего для этих целей воспользоваться поршневым компрес­сором, рабочий процесс которого наиболее изучен и наиболее наглядный.

¹ Принято компрессором называть машины, сжимающие паро-газо-образные вещества до давления не ниже 2 am,

119

§ 51, Схема устройства поршневого одноступенчатого компрессора

На рис. 65 приведена схема устройства простейшего поршне­вого одноступенчатого компрессора. На этом рисунке дана его индикаторная диаграмма, т. е. диаграмма, устанавливающая за­висимость давления р н / м² в цилиндре от хода п_м поршня, или,

что то же самое, при постоянной площади поршня, от объема ци­линдра, описываемого поршнем, V в м³.

В крышке цилиндра в специальных коробках расположены два клапана: всасывающий вс, который может сообщать рабочую полость цилиндра с объемом, откуда происходит всасывание (на­пример, с атмосферой), и нагнетательный нг, который может со­общать рабочую полость цилиндра с объемом, куда выталкивается (нагнетается) сжатый газ. Клапаны открываются и закрываются вследствие перепада давлений между рабочей полостью цилиндра и соответствующим объемом; для открытия всасывающего клапана давление в цилиндре должно быть меньше давления в объеме, от­куда всасываются свежие порции газа; нагнетательный клапан сообщит рабочую полость цилиндра с нагнетательным трубопро­водом и через него с ресивером (сборником) сжатого газа только

при превышении давления в цилиндре над давлением в нагнета­тельном трубопроводе. Перепады давлений, обеспечивающие от­крытие клапанов и преодоление их гидравлических сопротивле­ний, представлены на рис. 65 частями ординат, располагающихся в пределах заштрихованных площадок — частей индикаторной диаграммы. Заметные выступы в начале линий всасывания и наг­нетания объясняются инерцией масс клапанов.

Цилиндр компрессора снабжают охлаждающим устройством. Чаще всего применяют водяное охлаждение: через специальную водяную рубашку, окружающую цилиндр и его крышку, под напором пропускают охлаждающую воду. Иногда, главным обра­зом у компрессоров малой производительности и небольшого дав­ления, применяют воздушное охлаждение: цилиндр компрессора, имеющий специальные охлаждающие ребра, обдувается воздухом. Охлаждение улучшает условия смазки внутренних органов ком­прессора и делает его работу более безопасной и экономичной.

Поршневой компрессор, как и всякую поршневую машину, невозможно выполнить так, чтобы при крайнем положении его поршня (верхняя мертвая точка) между его кромкой и крыш­кой цилиндра не остался больший или меньший объем, называе­мый объемом мертвого пространства. На индикаторной диаграмме этому пространству соответствует объем V₀. Остающийся в этом объеме к концу процесса нагнетания газ при обратном ходе поршня расширяется и к началу всасывания имеет давление, близкое к давлению свежего всасываемого газа.

Подробное изучение рабочих процессов поршневых компрес­соров является задачей специальных курсов. В курсах техниче­ской термодинамики даются только общие теоретические основы.

Рассмотрение термодинамической стороны рабочего процесса поршневых компрессоров удобно начать с так называемого иде­ального одноступенчатого компрессора.

§ 52. Идеальный одноступенчатый поршневой компрессор

Идеальным поршневым называют компрессор, который не имеет объема мертвого пространства и клапаны которого не ока­зывают никаких гидравлических сопротивлений всасываемому и нагнетаемому газу, а в процессе сжатия и нагнетания обеспечи­вается абсолютная герметичность рабочей полости цилиндра. Поршень такого компрессора движется вдоль оси цилиндра без трения. Индикаторная диаграмма идеального компрессора при­ведена на рис. 66. Давления на линиях всасывания a1 и нагнета­ния 2Ъ постоянны. Несмотря на это, процессы al и 2b не являются термодинамическими процессами. Эти процессы характеризуются переменными количествами рабочего тела и постоянством пара­метров состояния его. Поэтому индикаторную диаграмму можно представлять только в координатах р — V, где V в м³ — объем,

121

описываемый поршнем при движении. В дальнейшем для упроще­ния всех выводов принимается, что за один рабочий цикл в ци­линдр всасывается, сжимается в нем и выталкивается из него в нагнетательный трубопровод 1 кг идеального газа.

Работа, которую надо затратить на один рабочий цикл ком­прессора, определится как алгебраическая сумма работ всасыва­ния (площадь a1cO), сжатия (площадь 12dc) и нагнетания (площадь 2bOd) и будет равна площади 12bа.

Процесс сжатия газа в идеальном компрессоре может осуще­ствляться: по адиабате, в случае отсутствия теплообмена с внеш­ней средой; по изотерме, если вся энергия; подво­димая за рабочий цикл в форме работы, отводится от газа в форме теплоты, и по политропе, когда осуществляется частичный теплообмен.

Определим работу, за­трачиваемую на получение сжатого газа в компрессо­ре при трех процессах сжа­тия, считая, что сжимается 1 кг газа.

Изотермическое сжа­тие. В этом случае работа нагнетания (р₂v₂) будет равна и противоположна по знаку работе всасыва­ния (p₁v₁) т. е. точка 1 и точка 2 лежат на одной изотерме. Следовательно, общая работа будет равна

или

Адиабатное сжатие. Затраченная работа будет равна алгебраи­ческой сумме работы всасывания, работы сжатия и работы нагне­тания, т. е.

работе, затраченной на сжатие газа в изотермическ ом процессе 1—2, т. е.

Выражению для затраченной работы при адиабатном сжатии можно придать и другой вид.

Как известно, работа сжатия в адиабатном процессе равна из­менению внутренней энергии рабочего тела:

тогда

т . е. работа, затрачиваемая на получение сжатого газа при его адиабатном сжатии, равна раз­ности энтальпий начала и конца адиабатного процесса сжатия.

Политропное сжатие. Работа подсчитывается аналогично пре­дыдущему случаю:

или

Характер процесса сжатия, т. е. величина показателя полит­ропы, зависит от многих факторов и для реального компрессора может быть определена только как некоторая условная средняя величина.

На рис. 67 приведена индикаторная диаграмма идеального компрессора при различных процессах сжатия. Сравнение их показывает, что работа, затраченная на получение сжатого газа в компрессоре, будет наименьшей при изотермическом сжатии.

На диаграмме Т — s (рис. 68) показано взаимное расположение адиабатного, политропного и изотермического процессов сжатия газа в компрессоре.

123

§ 53. Особенности работы реального одноступенчатого компрессора

Как указывалось выше, цилиндр реального компрессора всегда имеет объем мертвого пространства. Влияние этого объема на рабочий процесс компрессора чрезвычайно сложно и рассматри­вается в специальных курсах с учетом влияния целого ряда других факторов, отличающих реальный компрессор от идеального (гид­равлические сопротивления всасывающего и нагнетательного трак­тов, тепловое взаимодействие газа со стенками цилиндров, утечки Части газа через неплотности поршневых и клапанных устройств). В общих же курсах термодинамики можно ограничиться рассмот­рением влияния объема мертвого пространства на рабочий процесс компрессора, у которого, так же как и у идеального, всасывающий и нагнетательный тракты не ока­зывают гидравлического сопротив­ления протекающему через них газу в процессах всасывания и нагнетания, не происходит тепло­вого взаимодействия между газом и стенками цилиндров и в тече­ние всего рабочего процесса отсут­ствуют утечки рабочего тела. В этом случае рабочий процесс ком­прессора представится фигурой 1—2—3—4 (рис. 69) и будет от­личаться от рабочего процесса идеального компрессора только наличием линии расширения 3—4 остаточного газа, т. е. газа, который к моменту начала хода поршня от левого крайнего поло­жения (точка 3) к правому заполняет объем мертвого простран­ства и не может быть вытолкнут в нагнетательный трубо­провод. На некоторой части хода поршня от точки 3 к точке 4 не происходит всасываний свежих порций газа в цилиндр. Всасы­вание начинается только после того, как остаточный газ расширится до давления, равного давлению той среды, откуда всасывается газ. Таким образом, появляется нерабочая часть хода поршня, соответствующая объему v₄ — v₃,

Объем мертвого пространства уменьшает производительность компрессора. С увеличением этого объема при прочих равных усло­виях производительность уменьшается.

Если весь объем, описываемый поршнем, при движении его от одной крайней точки к другой, равен F, то вследствие расшире­ния газа, остающегося в мертвом пространстве, объем всасывае­мого газа (объем всасывания) V_вс < V.

Отношение