Лекци@19-Компрессоры (Сборник электронных лекций)

Лекции по термодинамике
доцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.
Э6
нергомашиностроение.
Лекция №19
КОМПРЕССОРЫ
•Назначение компрессоров и схема их классификации.
•Схема устройства поршневого одноступенчатого компрессора.
•Идеальный одноступенчатый поршневой компрессор.
•Особенности работы реального одноступенчатого компрессора.
•Двухступенчатый идеальный поршневой компрессор.
•Экономичность поршневого компрессора.
•Турбокомпрессоры.

Назначение компрессоров и схема их классификации
Компрессором называется машина-орудие для сжатия и перемещения под давлением выше
атмосферного различных парогазообразных тел.
По роду 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.
Схема устройства поршневого одноступенчатого компрессора
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, применяют
воздушное охлаждение: цилиндр компрессора,
имеющий специальные охлаждающие ребра,
обдувается воздухом.
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 Рис. 1. Схема устройства и индикаторная
и к началу всасывания имеет давление, близкое
диаграмма одноступенчатого 2
к давлению свежего всасываемого газа.
поршневого компрессора

Рассмотрение термодинамической стороны рабочего процесса поршневых компрессоров удобно
начать с так называемого идеального одноступенчатого компрессора.
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. 2. Давления
на линиях всасывания a1 и нагнетания 2b
постоянны. Несмотря на это, процессы a1 и
2b не являются термодинамическими
процессами. Эти процессы характеризуются
переменными количествами рабочего и
постоянством параметров состояния его.
Поэтому индикаторную диаграмму можно
представлять только в координатах Vр, где V
в м3 - объем, описываемый поршнем при
Рис. 2. Идеальный одноступенчатый
движении. В дальнейшем для упрощения
поршневой компрессор
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.
3

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.
lk 2,3RT lg
2
p
2,3RT lg 1
1
p2
(1)
Адиабатное сжатие.
1
lk  p11 
( p11  p2 2 )  p22
k1
k
k
p2
lk 
( p11  p22 ) 
p11 (1  ( )
k1
k1
p1
k 1
k
)
(2)
l (u1  u2 )
lk  p11  (u1  u2 )  p22 ( h1  h2 )
(3)
4

Политропное сжатие.
1
lk  p11 
( p11  p22 )  p2 2
n 1
n 1
n
n
p2 n
lk 
( p11  p22 ) 
p11 (1  ( ) )
n 1
n 1
p1
Рис. 3. Рабочие циклы одноступенчатого
компрессора при различных процессах
(3)
Рис. 4. Изображение различных процессов
сжатия в одноступенчатом идеальном
5
компрессоре в диаграмме sT

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. 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.
Если весь объем, описываемый
поршнем, при движении его от одной
крайней точки к другой, равен V, то
вследствие расширения газа,
остающегося в мертвом пространстве,
объем всасываемого газа (объем
всасывания) Vвс < V.
Vвс

V
(5)
называют объемным коэффициентом
(или объемным к. п. д.) компрессора.
Этим коэффициентом оценивается
влияние объема мертвого пространства
Рис. 5. Рабочий цикл одноступенчатого компрессора с
на производительность компрессора.
учетом «мертвого» пространства
Сжимать в одном цилиндре среду
выше чем до 5 – 8 aт при давлении всасывания 1 aт практически нецелесообразно. Для больших
6
значений конечного давления сжатия применяют многоступенчатое сжатие (двухступенчатое,
трехступенчатое и т. д.).

Двухступенчатый идеальный поршневой компрессор
У реальных компрессоров, правильно
рассчитанных и изготовленных и
работающих в нормальных
условиях, промежуточный
холодильник обеспечивает
охлаждение газа, называемое
полным. Расчеты показывают, что
выгодно добиваться равенства
работ в обеих ступенях
компрессора, т. е. lI = lII этими
условиями и определяется искомое
давление. Работу каждой ступени
находят как работу одноступенчатого
компрессора.
Рис. 6. Схема устройства и индикаторная диаграмма
идеального двухступенчатого поршневого компрессора
ХВ – холодный воздух
ПХ – промежуточный холодильник
ГВ –горячий воздух
7

n
p
p11 (1  ( 2 )
n 1
p1
n 1
n
n
p
)
p33 (1  ( 4 )
n 1
p3
n 1
n
)
Считая, что показатели политроп сжатия в обеих ступенях одинаковы и учитывая, что p11=p33,
так как t1=t3, получаем
p2
p4

p1
p3
p2 p3  p1 p 4
p2  p3
2
p
2
1 p4
p2  p1 p4 
p1
p2  p1
p4
x
p1
p2  p1 x
p4
p1
Рис. 7. Рабочий цикл идеального
двухступенчатого поршневого компрессора
(6)
x – степень сжатия в каждой ступени компрессора
8

Рис. 8. Изображение рабочего процесса
двухступенчатого компрессора в
координатах sT
Рис. 9. Рабочий цикл идеального
двухступенчатого поршневого компрессора
с учетом «мертвого» пространства
9

Объёмные коэффициенты ступеней сжатия этого компрессора
VвсI
VI
I 
VвсII
VII
 II 
x
p4
p1
Vвс

VI
Решающими соображениями в пользу двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением
следует признать увеличение объемного коэффициента и снижение максимальной температуры
сжимаемого газа.
10

Рис. 10. Схема устройства трехступенчатого поршневого компрессора.
IПХ – промежуточный холодильник
IIПХ – промежуточный холодильник
11

Рис. 11. Рабочий цикл трехступенчатого
поршневого компрессора в координатах
vp и sT
Рис. 12. Рабочий процесс
многоступенчатого компрессора
с промежуточным охлаждением
(сжатие в таком компрессоре в
значительной мере приближается к
изотермическому)
12

Экономичность поршневого компрессора
Экономичность компрессора определяется сравнением работы, действительно затрачиваемой на
сжатие и нагнетание в трубопроводе 1 кг газа, с работой, которая потребовалась бы на сжатие 1 кг газа в
идеальном компрессоре. В качестве примера рассмотрим методы определения экономичности
одноступенчатого компрессора.
Li
li 
m
где Li — полная работа за рабочий цикл в Дж.
В идеальном одноступенчатом компрессоре потребляемая работа l0 (в Дж/кг) выражается площадью
а12b (см. рис. 2).
li

l0
(7)
называется к. п. д. компрессора и, являясь основным показателем экономичности, характеризует
степень совершенства компрессора.
Если затрачиваемую работу определять с учетом потерь на трение в звеньях кривошипно-шатунного
механизма, то вычисляемые к. п. д. называют эффективными. Эти к. п. д. также могут быть
адиабатные и изотермические.
13

Турбокомпрессоры
Рис. 13. Схема турбокомпрессора
1 – вал
2 – лопатки
3 – диффузор
Процесс сжатия газа в турбокомпрессоре в идеальном случае можно считать адиабатным.
14

'
2
l h  h1
(8)
Экономичность турбокомпрессора
оценивается его адиабатным к. п. д.:

h2  h1
h2'  h1
Для идеального газа
и тогда
 ад 
(9)
h c pT
(T2  T1 )c p
'
2
(T  T1 )c p
T2  T
t2  t1
 '
 '
T2  T
t2  t1

(10)
Рис. 14. Изображение рабочего цикла процесса
турбокомпрессора в координатах sT
Этим к.п.д. учитывает только так называемые внутренние потери, поэтому он и называется внутренним
относительным. Если же учесть потери на трение в движущихся частях, т. е. затрачиваемую работу
определять на валу компрессора, то следует ввести понятие эффективного к.п.д. турбокомпрессора.
15