Главная

Контакты

Случайная статья

• Автоматизация
• Антропология
• Археология
• Архитектура
• Биология
• Ботаника
• Бухгалтерия
• Военная наука
• Генетика
• География
• Геология
• Демография
• Деревообработка
• Журналистика
• Зоология
• Изобретательство
• Информатика
• Искусство
• История
• Кинематография
• Компьютеризация
• Косметика
• Кулинария
• Культура
• Лексикология
• Лингвистика
• Литература
• Логика
• Маркетинг
• Математика
• Материаловедение
• Медицина
• Менеджмент
• Металлургия
• Метрология
• Механика
• Музыка
• Науковедение
• Образование
• Охрана Труда
• Педагогика
• Полиграфия
• Политология
• Право
• Предпринимательство
• Приборостроение
• Программирование
• Производство
• Промышленность
• Психология
• Радиосвязь
• Религия
• Риторика
• Социология
• Спорт
• Стандартизация
• Статистика
• Строительство
• Технологии
• Торговля
• Транспорт
• Фармакология
• Физика
• Физиология
• Философия
• Финансы
• Химия
• Хозяйство
• Черчение
• Экология
• Экономика
• Электроника
• Электротехника
• Энергетика

Коэффициент подачи компрессора

Глава 2

ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

ПОНЯТИЕ О ТЕОРЕТИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ СЖАТИЯ В ПОРШНЕВОМ КОМПРЕССОРЕ

Рассматривая теоретический процесс сжатия воздуха в компрессоре, пренебрегают наличием вредного пространства, изменением давления и температуры воздуха во время всасывания и нагнетания, потерями энергии в клапанах и на трение поршня, утечкой воздуха.

Диаграмма теоретического процесса в одноступенчатом компрессоре простого действия изображена на рис. 31. Процесс всасывания, происходящий при температуре и давлении, равными температуре и давлению атмосферного воздуха, изобразится прямой линией 4-1. Давление в любой точке равно Р_а, а объём увеличивается от нуля (в точке 4) до наибольшего значения (в точке 1).

Процесс сжатия происходит по кривой 1-2. С повышением давления уменьшается объём. Линией 2-3 изображается процесс выталкивания сжатого воздуха в нагнетательный трубопровод, который происходит при постоянном давлении. Процесс выравнивания давлений в цилиндре происходит по линии 3-4.

Процесс сжатия в компрессоре может быть изометрическим, адиабатическим или политропическим. При изотермическом процессе сжатие воздуха происходит при постоянной температуре, т. е. от воздуха отводится вся получающаяся в процессе сжатия теплота, для чего необходимо применять весьма интенсивное охлаждение. При адиабатическом процессе к воздуху не подводится и от него не отводится теплота, этот процесс протекает в сосуде с термоизоляцией. Изотермический и адиабатный процессы являются идеальными процессами. Политропический процесс может происходить как с охлаждением, так и с подводом теплоты. Этот процесс является реальным процессом.

Изотермический цикл компрессора является наивыгоднейшим, так как при его осуществлении на сжатие  1 м³ воздуха затрачивается наименьшее количество энергии. Это объясняется тем, что в изотермическом цикле происходит полный отвод теплоты сжатия - усиленное охлаждение воздуха, поэтому в процессе сжатия объём воздуха сокращается больше, чем в том случае, когда воздух не будет подвергаться охлаждению.

При изотермическом процессе сокращение объёма воздуха в процессе сжатия будет наибольшим; в нём потребляется меньше энергии на выработку1 м³ воздуха при давлении всасывания 760 мм рт. ст. и сжатии до 10 кГ/см² затрачивается работа 230 000 дж, а в адиабатическом цикле, когда воздух не охлаждается, - около 326 000 дж, т. е. почти в полтора раза больше. При более высоких степенях сжатия это различие становится ещё большим.

В современных компрессорах процесс сжатия приближают к условиям изотермического сжатия путём мгновенного многоступенчатого сжатия и последующего охлаждения воздуха в промежуточных холодильниках.

При двухступенчатом сжатии воздух сжимается в цилиндре низкого давления, а затем отводится в холодильник и после этого поступает в цилиндр высокого давления, где он сжимается уже до необходимого конечного значения. Число ступеней может быть больше двух. Чем оно больше, тем ближе действительный процесс сжатия подходит к изотермическому.

Работа цикла компрессора, затраченная на сжатие 1 кг воздуха, определяется по следующим формулам. При изотермическом сжатии

При адиабатическом сжатии

При политропическом сжатии

где  - абсолютное давление при всасывании, кГ/см²;

 - абсолютное давление при нагнетании, кГ/см²;

 - удельный объём засасываемого воздуха, м³/кг;

k= 1, 4 - показатель адиабаты;

n - показательполитропы (для шахтных компрессоров n = 1, 25 - 1, 32).

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ОДНОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА

В компрессоре, имеющем вредное пространство и различные сопротивления, рабочий цикл значительно отличается от теоретического. На рис. 32 изображена индикаторная диаграмма одноступенчатого поршневого компрессора. Сжатие воздуха в компрессоре изображено кривой 1-2. Теоретическое сжатие должно закончиться при давлении Р₂, однако вследствие сопротивления, вызванного инерцией пластинки клапана и пружины, клапан откроется при давлении, несколько большем Р₂. Влияние этих сопротивлений сказывается только в момент открывания клапана и на диаграмме фиксируется в виде скачков. Аналогичный скачок будет и на линии всасывания.

При нагнетании сжатого воздуха давление в цилиндре больше, чем давление в нагнетательном патрубке. Повышение давления объясняется сопротивлением при протекании воздуха под пластинкой нагнетательного клапана. Всасывание воздуха происходит при давлении ниже атмосферного, что объясняется сопротивлением всасывающего трубопровода клапанов и сопротивлением фильтра. Полная работа цикла компрессора определится площадью диаграммы 1-2-3-4-1.

Рис. 32. Индикаторная диаграмма одноступенчатого поршневого компрессора.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВУХСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА

Действительный процесс сжатия воздуха в двухступенчатом компрессоре отличается от теоретического, что вызвано наличием вредного пространства и потерями в компрессоре. Как и в одноступенчатом компрессоре, эти потери вносят изменения в диаграмму теоретического цикла.

Атмосферный воздух при заполнении цилиндра низкого давления (ц. н. д. ) встречает сопротивление во всасывающем трубопроводе, что ведёт к понижению давления при всасывании. При нагнетании воздуха из ц. н. д. сопротивления нагнетательных клапанов и промежуточного холодильника увеличивают давление при выталкивании. Всё это ведёт к увеличению работы, затрачиваемой на сжатие воздуха в ц. н. д.

Аналогично работает и цилиндр высокого давления (ц. в. д. ). Из характера диаграмм цикла двухступенчатого компрессора (рис. 33) нетрудно видеть, что работа цилиндров двухступенчатого и одноступенчатого компрессоров протекает по одинаковым законам. Однако влияние вредного пространства на производительность у двухступенчатого компрессора значительно меньше, чем у одноступенчатого.

Если взять одноступенчатый и двухступенчатый компрессоры с одинаковым конечным давлением сжатия, объёмом ц. н. д. и величиной вредного пространства, то у одноступенчатого компрессора объём засасываемого воздуха V_S1 будет меньше засасываемого объёма V_S2 двухступенчатого компрессора (рис. 34). Это объясняется тем, что у двухступенчатого компрессора в ц. н. д. остаётся воздух небольшой степени сжатия ( ), и поэтому расширение его до атмосферного давления происходит быстрее. У одноступенчатого компрессора во вредном пространстве воздух имеет более высокую ступень сжатия  и при разрежении занимает больший объём в цилиндре, что снижает объёмную и весовую производительность компрессора. Таким образом, применение двухступенчатых компрессоров обеспечивает не только экономию в работе, затрачиваемой на сжатие воздуха, но и повышение производительности компрессора, так как объёмный коэффициент у них выше на 12-15%, чем у одноступенчатых.

МОЩНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ КОМПРЕССОРА

При изучении компрессора различают три вида мощности: теоретическую, индикаторную и эффективную.

Теоретическая мощность компрессора определяется расчётным путём, причём за основу берётся работа сжатия какого-либо идеального процесса. Индикаторная мощность - это мощность, развиваемая внутри цилиндра компрессора; она может быть определена по индикаторной диаграмме, которая записывается специальным прибором-индикатором. Эффективная мощность - это мощность, которая приложена на валу компрессора.

При эксплуатации компрессора важно знать мощность на валу компрессора. Эта мощность даёт возможность определить удельный расход электроэнергии на сжатие 1 м³ воздуха и установить, насколько экономично работает компрессор. По эффективной мощности выбирается мощность двигателя к компрессору.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ КОМПРЕССОРА И ДВИГАТЕЛЯ

Теоретическая мощность компрессора при изотермическом процессе сжатия определяется формулой

где  - производительность компрессора;

-работа, затрачиваемая на сжатие 1 м³ воздуха при изотермическом процессе.

Мощность на валу компрессора:

где  - изотермический к. п. д. компрессора.

Коэффициент  учитывает потери: 1) на сопротивления в клапанах и воздушных каналах при всасывании и нагнетании; 2) за счёт утечек воздуха через неплотности; 3) вызванные сопротивлением механической части компрессора, сопротивлением в подшипниках при движении поршня и т. д. Для рудничных компрессоров хорошего исполнения

Мощность на валу нагнетателя  в случае непосредственного соединения вала компрессора с валом двигателя равна мощности на валу компрессора.

Двигатель к компрессору выбирается по каталогу; его мощность должна быть равна (1, 1-1, 15) .

При наличии промежуточной передачи между валом компрессора и валом двигателя

где  - к. п. д. передачи.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

На рис. 35 представлен цилиндрА, открытый с одной стороны, а с другой - закрытый крышкой, в которой имеется два клапана а и б. Поршень Б перемещается в цилиндре, совершая два хода: передний ход (слева направо) и обратный ход (справа налево). ПоршеньБ получает движение от кривошипно-шатунного механизма. Когда поршень двигается слева направо, так как показано стрелкой 1, между крышкой и поршнем образуется разреженное воздушное пространство, давление в котором меньше давления окружающей цилиндр атмосферы. Вследствие этого воздух из атмосферы поступает в полость цилиндра между крышкой и поршнем, открыв клапан а, т. е. происходит засасывание воздуха.

Когда поршень доходит до крайнего правого положения, весь рабочий объём цилиндра заполняется воздухом. После этого поршень двигается влево (стрелка 2), давление засосанного в цилиндр воздуха больше атмосферного, и всасывающий клапана приживается к своему седлу. Воздух в цилиндре сжимается по мере движения поршня влево до тех пор, пока его давление станет несколько большим, чем давление пружины нагнетательного клапана и давление воздуха в нагнетательном трубопроводе. С этого момента и до конца хода поршняБ влево воздух выталкивается из цилиндра в это трубопровод, причём давление воздуха в цилиндре всё время несколько большее, чем давление в нагнетательном трубопроводе 2-2. Таким образом, при движении поршня справа налево (по направлению стрелки 2) сперва происходит сжатие воздуха до некоторого давления, а затем выталкивание его при этом постоянном давлении. Если в нагнетательном воздухопроводе вначале нет сжатого воздуха, то он постепенно наполняется и давление в нём повышается. Таким образом, сжатие воздуха и подача его в трубопровод производятся только при ходе поршня по направлению стрелки 2, и поэтому этот ход называется рабочим ходом.

Рис. 36. Схема двудействующего компрессора.

При движении поршня по направлению стрелки 1 подача сжатого воздуха и нагнетательный трубопровод не производится, и этот ход поршня называют холостым. Из двух ходов поршня рабочим ходом является только один. Такие компрессоры называются однодействующими или простого действия.

 Если цилиндрА компрессора снабжён крышкой слева с клапанами а₁ и б₁ и крышкой справа (рис. 36) с клапанами а₂ и б₂, то такой компрессор является двудействующим, т. е. он подаёт сжатый воздух в нагнетательный трубопровод как при движении поршня слева направо, так и при движении его справа налево. Действительно, при движении поршня слева направо в левой части цилиндраА давление меньше атмосферного, вследствие чего клапан а₁ открывается и происходит засасывание воздуха. В то же время в правой части цилиндра, как только начинается движение поршняБ вправо, находящийся в цилиндре воздух начинает сжиматься, так как клапан а₂ сразу закрывается. Это сжатие происходит по мере движения поршня вправо до тех пор, пока сжатие воздуха не достигнет величины, несколько большей, чем сопротивление нагнетательного клапана б₂ и давление в нагнетательном трубопроводе, после чего начинается выталкивание в него воздуха до конца хода поршняБ вправо. При движении поршняБ справа налево в первой части цилиндра образуется пространство, или вакуум, клапан а₂ открывается, клапан б₂ закрывается вследствие давления пружины и сжатого воздуха, находящегося в нагнетательном трубопроводе, и воздух из атмосферы засасывается в цилиндр.

Как только начинается движение поршняБ справа налево, воздух, находящийся в левой части цилиндра и засосанный за предыдущий ход, сжимается, так как всасывающий клапан а₁ закрывается. Сжатие происходит по мере хода поршняБ влево до тех пор, пока давление воздуха не достигнет величины несколько большей, чем давление пружины клапана б₁ и давление сжатого воздуха, находящегося в нагнетательном трубопроводе, после чего начинается выталкивание воздуха в трубопровод. Такой компрессор называется компрессором двойного действия, так как он подаёт сжатый воздух при каждом ходе поршня.

Компрессор двойного действия перед компрессором простого действия (однодействующим) имеет следующие преимущества: 1) он подаёт воздух в магистраль равномернее, в результате чего является возможной установка воздухосборников меньшей ёмкости; 2) производительность компрессора двойного действия при одних и тех же геометрических размерах цилиндра и поршня и одинаковом числе оборотов в два раза больше производительности однодействующего компрессора. Единственным преимуществом однодействующих компрессоров является то, что число клапанов у них вдове меньше, чем у компрессоров двойного действия.

ВРЕДНОЕ ПРОСТРАНСТВО И ОБЪЕМНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Вредным пространством у компрессора называют пространство между крышкой цилиндра и поршнем, когда последний занимает крайнее положение. В величину вредного пространства входят также объёмы каналов, соединяющих клапанные коробки с цилиндром, и щели в седлах клапанов. Объём вредного пространства составляет 3-8% от объёма, описываемого поршнем компрессора. Этот объем принято называть вредным, поскольку за счет его снижается производительность компрессора. Так, например, поршень не доходит до крышки цилиндра, что исключает удар поршня о крышку; поэтому наличие вредного пространства у поршневых машин обязательно. Кроме того, оставшийся во вредном пространстве сжатый воздух помогает двигателю легче выводить поршень из мертвых точек кривошипного механизма.

Влияние вредного пространства заключается в следующем. Когда поршень начинает двигаться от своего крайнего, например, правого (рис. 36) положения влево, засасывание воздуха не может начаться в правую часть цилиндра через всасывающий клапан а₂. Всасывание воздуха в правую часть начинается тогда, когда по мере движения поршняБ влево оставшийся сжатый воздух расширится настолько, что его давление станет несколько ниже атмосферного, вследствие чего клапан а₂ откроется. Объем засасываемого воздуха из-за вредного пространства будет меньший, чем объем, пройденный поршнем. Если бы не было вредного пространства, воздух засасывался бы сразу, как только поршень начал двигаться обратно и объем засосанного воздуха равнялся бы объему, описанному поршнем. Сказанное наглядно изображено на рис. 37. Здесь по горизонтальной оси V отложен объем, описанный поршнем, а по вертикальной оси Р-давление в цилиндре в зависимости от места нахождения поршня.

При движении поршня К по стрелке 1 (влево) начинается сжатие засосанного за предыдущий ход поршня воздуха, причем давление его изменяется по кривой линии ВС до тех пор, пока не достигнет соответствующего точке В несколько большего давления пружины нагнетательного клапана и воздуха в нагнетательном трубопроводе. После этого начинается выталкивание воздуха из цилиндра, причем давление в нем остается постоянным, как показано линией ВА. Однако вследствие того, что поршень не может подойти к левой крышке цилиндра вплотную, в цилиндре остается часть АL не вытолкнутого сжатого воздуха. При обратном ходе поршня (по стрелке 2) оставшийся воздух начинает расширяться, его давление падает по кривой линии АD, причем в точке D давление несколько ниже атмосферного. С этого момента открывается всасывающий клапан и начинается засасывание в цилиндр воздуха.

Итак, засасывание воздуха в цилиндр начинается не сразу, не с момента, когда левая кромка поршня находилась в точке А₁, а с момента, когда эта кромка достигает точки D₁. Засасывание происходит на протяжении части цилиндра D₁C₁, в то время как поршень проел длину большую, а именно А₁С₁. Давление в цилиндре за время всасывания будет постоянным и несколько меньшим атмосферного, как показано на диаграмме линией DC.

Отношение объема засосанного воздуха к объему, описанному поршнем, называется объемным коэффициентом полезного действия, или отношением пути поршня D₁C₁, на котором происходит засасывание воздуха, к пути А₁С₁, пройденному поршнем. Чем меньше величина вредного пространства, тем меньше разница между объемом засосанного воздуха и объемом, описанным поршнем, тем выше объемный к. п. д.

Величина объемного к. п. д. в первую очередь зависит от величины вредного пространства. Еще большее влияние на величину объемного к. п. д. оказывает величина давления, до которого сжимают воздух в цилиндре. Это видно из рис. 37. При одной и той же величине вредного пространства, сжимая воздух в цилиндре до давления Р₂ по линии СВG и выталкивая его по линии СF, видим, что оставшийся во вредном пространстве сжатый воздух при обратном ходе поршня расширяется по линии FF, причем поступление воздуха в цилиндр начинается только с точки F, и объемный к. п. д. в этом случае будет меньший, чем объемный к. п. д. в случае сжатия до давления Р₂. Если сжимать воздух в цилиндре до еще большего значения, объемный к. п. д. будет еще меньший, следовательно, производительность компрессоров еще уменьшится. При значительном конечном давлении производительность, или количество засасываемого за один ход поршня воздуха, будет очень мала. Для одноступенчатого поршневого компрессора зависимость объемного к. п. д. от давления и размеров вредного пространства может быть установлена по табл. 16.

Таблица 16

Объемный к. п. д. одноступенчатого поршневого компрессора в зависимости от давления и размеров вредного пространства [6]

Коэффициент подачи компрессора

При работе компрессоров важно знать, какое количество воздуха засасывается компрессором в единицувремени и какое его количество подается в сеть. При поступление в компрессор воздух должен преодолеть ряд сопротивлений при проходе через фильтр, всасывающий воздухопровод и клапаны. Поэтому давление воздуха при всасывании- ниже атмосферного давления, вследствие чего в цилиндре будет разряжение. Если бы в цилиндр компрессора был заполнен воздухом атмосферного давления, то вес его был бы больше, чес при наличии разрежения. Далее воздух при поступлении в цилиндр нагревается от соприкосновения с нагретыми крышками и стенками цилиндра; кроме того, он смешивается с остаточным воздухом. Это приводит к повышению температуры воздуха по сравнению с температурой в месте забора снаружи, а это приводит к уменьшению веса всасываемого воздуха.

Следующим фактором, влияющим на уменьшение подачи, являются различного рода неплотности: в поршневых кольцах, распределительных органах, сальниках и других частях. Через неплотности воздух выходит наружу и бесполезно теряется в установке. Для полной характеристики производительности компрессора пользуются коэффициентом подачи.

Отношение фактически поданного воздуха в сеть к объему, описанному поршнем, называют коэффициентом подачи компрессора и обозначают :

,

Где V_д-действительная производительность компрессора, м³/мин;

V_п –объем, описанный поршнем, м³/мин.

Коэффициент подачи учитывает все категории потерь в компрессоре и дает общую оценку его работы в отношении производительности. Этот коэффициент можно записать как произведение всех коэффициентов:

= _{1 2 3 4},

Где ₁ -объемный коэффициент компрессора с учетом понижения давления при всасывании;

-объем, засасываемый компрессором и приведенный к условиям всасывания;

₂- коэффициент, учитывающий снижение производительности, вызванное повышением температуры;

₃ – коэффициент, учитывающий уменьшение производительности компрессора, всасывающего влажный воздух;

₄- коэффициент, учитывающий утечки воздуха через неплотности в компрессоре.

В поршневых двухступенчатых компрессорах с конечным давлением сжатия 8 amкоэффициент подачи должен быть не ниже 0, 86-0, 88.

Основные пути повышения коэффициента подачи, а следовательно, и производительности машины заключается в следующем:

1) Правильный выбор величины вредного пространства;

2) Соблюдение плотности поршневых колец, распределительных органов;

3) Уменьшение сопротивления всасывающих органов и трубопроводов;

4) Частота цилиндра и других частей машины;

5) Подвод к всасыванию более холодного воздуха.