Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел

Групповое занятие № 1. ПРОЦЕССЫ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО И МНОГОСТУ-ПЕНЧАТОГО СЖАТИЯ ГАЗОВ

В поршневом компрессоре перемещение газа из области низкого давления в область высокого давления достигается всасыванием, сжатием и нагнетанием газа. Совокупность этих процессов, повторяющихся при каждом обороте вала, составляет цикл компрессора.

Одноступенчатое сжатие применяют при небольшом отношении конечного давления к начальному.

Цикл отдельной ступени многоступенчатого компрессора не отличается от цикла одноступенчатого компрессора, действующего в условиях тех же давлений.

Рассмотрим теоретический одноступенчатый цикл (рис. 1), представляющий упрощенную схему действительного.

При рассмотрении теоретического процесса работы поршневого компрессора допускают наличие следующих условий, практически осуществить которые трудно:

процессы всасывания и нагнетания происходят при постоянных параметрах рабочего тела (давлении и температуре), но при переменных количествах рабочего тела в цилиндре;

при движении поршня не возникает трений;

в компрессоре отсутствуют утечки рабочего тела и вредное пространство, то есть предполагается, что когда поршень приходит в крайнее левое положение, в цилиндре компрессора не остается рабочего тела;

отсутствуют потери давления в клапанах.

Теоретический процесс работы поршневого компрессора изображается в координатах Р–V диаграммой, на которой линия а–1 соответствует процессу всасывания газа при постоянном давлении, а линия 1–2 – процессу политропного сжатия, линия 2–б – процессу выталкивания газа в нагнетательный трубопровод при постоянном давлении.

Всасывание газа в цилиндр через клапан происходит в теоретическом цикле на протяжении всего хода поршня (точка 1), всасывающий клапан закрывается и начинается сжатие газа, продолжающееся до тех пор, пока давление в цилиндре не достигнет величины за нагнетательным клапаном (точка 2). При этом открывается нагнетательный клапан и начинается нагнетание (выталкивание) сжатого газа из цилиндра, которое происходит на остальной части хода поршня.

В момент второй перемены хода поршня нагнетательный клапан закрывается, давление в цилиндре падает, всасывающий клапан снова открывается. В процессах всасывания и нагнетания объем газа V в цилиндре изменяется вместе с массой газа, но удельные объемы v остаются постоянными. Вследствие этого цикл компрессора, изображаемый в координатах v–Р, не может быть представлен в координатах V–Р.

Рассматривая теоретические циклы, полагают, что процесс сжатия протекает по изотерме, адиабате или политропе. Соответственно цикл компрессора называют изотермическим, адиабатическим или политропическим.

Р

V

Р₂

Р₁

V₂

V₁

а

L_н

а – 1 – всасывание 1 – 2 – нагнетание 2 – б - выталкивание

Рис. 1.Теоретический процесс работы поршневого компрессора в V – Р диаграмме.

б

ЛМТ

ПМТ

ВМТ

НМТ

Площадь, ограниченная линиями а–1–2–б представляет работу, затрачиваемую за один оборот коленчатого вала компрессора, то есть работу нагнетания.

Величина работы, затрачиваемой на нагнетание, складывается из трех частей: работы всасывания, изображаемой площадью а–1–V1 –0; работы сжатия (площадь V1–1–2–V2) и работы выталкивания (площадь V2–2–б–0).

Работу, принимаемую газом в компрессоре, принято считать положительной, а возвращаемую газом – отрицательной.

Работа всасывания противоположна по знаку работе сжатия и выталкивания, так как она совершается самим газом, то есть, получена поршнем не от привода, а от газа, в то время как работа сжатия и выталкивания совершается поршнем за счет энергии, получаемой от привода.

Условно считают, что работа всасывания имеет отрицательный знак, работа сжатия и выталкивания – положительный. Таким образом, работа компрессора за один оборот коленчатого вала будет равна алгебраической сумме работ.

При рассмотрении теоретического процесса поршневой компрессорной машины не было учтено наличие в цилиндре мертвого пространства.

Мертвым или вредным пространством называется пространство между днищем поршня, находящегося в верхней мертвой точке, и крышкой цилиндра. Наличие мертвого пространства сокращает количество поступательного газа в цилиндр компрессора.

Регулирование линейной величины мертвого пространства производится прокладками или изменением длины штока. Замер объема мертвого пространства производится водой. Для конструктивных расчетов, а также для определения объемного коэффициента, вводится понятие основных величин в цилиндре, определяемых при движении поршня от ВМТ к НМТ и обратно.

V – объем цилиндра; V₁ – объем на сжатие; V₂ – объем на выталкивание; S – ход поршня; S₁ – ход поршня на сжатие; S₂ – ход поршня на выталкивание.

V

V₀

V₂

V₁

S₀

S₂

S₁

S

Рис. 2. Величины при движении поршня от НМТ к ВМТ.

V

Рис. 3. Величины при движении поршня от ВМТ к НМТ.

V₀

V₁

V₂

S₀

S₁

S₂

S

V – объем, описываемый поршнем; V₀ – объем мертвого пространства; V₁ – объем расширения газа; V₂ – объем засасываемого газа; S – ход поршня; S₀ – линейная величина мертвого пространства; S₁ – ход поршня на расширение; S₂ – ход поршня на всасывание.

Р

V

Рис. 4. Рабочий процесс компрессора с учетом мертвого пространства.

Вредное пространство в цилиндре ликвидировать нельзя, но необходимо его уменьшать до безопасного минимума.

Объем мертвого пространства можно выразить в процентах от объема, описываемого поршнем. Относительная величина мертвого пространства обозначается символом «а» и составляет для действующих компрессоров 3–10 %, а величина линейного мертвого пространства – от 0,8 до 1,5 мм.

В средних и крупных компрессорах, при радиальном расположении всасывающих и нагнетательных клапанов на боковых стенках цилиндров относительное мертвое пространство ступеней низкого давления колеблется в пределах 6–12 %, а у ступеней высокого давления – 12–18 %.

При расположении клапанов в крышках цилиндров мертвое пространство значительно меньше. Устройство комбинированных клапанов, размещенных в крышках цилиндра, может уменьшить мертвое пространство до 5 %.

При отсутствии сжатия, когда давление нагнетания равно давлению всасывания, то есть при степени сжатия, равной 1, объемный КПД тоже равен 1, hv = 1.

С увеличением степени сжатия объемный КПД уменьшается, и когда весь газ, сжатый в цилиндре до давления нагнетания, умещается в мертвом пространстве, достигает 0, hv = 0.

На индикаторной диаграмме концы линии сжатия и расширения совпадают и компрессор прекращает нагнетание, а, следовательно, и всасывание.

Значение степени сжатия, при которой это происходит, легко определить из условия

hv = 1 – а (ε 1/n – 1) = 0, ε = (1/а + 1)n,

где ε – степень сжатия;

hv – объемный КПД;

с-с_р

а – относительная величина мертвого пространства;

с-с_v

п – показатель политропы, п =

c – удельная теплоемкость.

Если принять а = 0,1, а показатель политропы конечных параметров в процессе расширения положить равными 1; 1,2; 1,4, то предельное значение степени сжатия, при которых прекращается подача газа, равны соответственно 11; 17,8; 28,7.

Предел сжатия в одной ступени наглядно виден при изображении сжатия в координатах Р – V.

Р

V

2¢

2¢¢

2¢¢¢

3¢¢

3¢

4 4¢ 4¢¢

а = 0,1 n = 1; 1,2; 1,4 ε = 11; 17,8; 28,7 h_v = 0

Рис. 5. Процесс сжатия в координатах Р – V.  

Из графика видно, что предел нагнетания наступает тогда, когда линия процесса сжатия и процесса расширения газа, оставшегося в мертвом пространстве, совпадают. Это указывает на то, что при расширении газа, оставшегося в мертвом пространстве, его давление становится равным атмосферному при переходе поршня в нижнюю мертвую точку, то есть процесса всасывания новой порции газа цилиндром компрессора не происходит.

При движении поршня к верхней мертвой точке данный газ сжимается и весь помещается в объеме мертвого пространства, то есть процесса выталкивания газа из цилиндра компрессора не происходит. Таким образом, происходит сжатие и расширение одной и той же порции газа, объемный КПД hv = 0.

Сжатие в компрессоре допускается до определенной температуры, которая должна быть на 60° ниже температуры самовоспламенения смазочного материала.

Дата добавления: 2014-01-04