Розділ 4. Шахтні пневматичні установки

Тема 4.1. Основи теорії стану ідеального газу

План:

4.1.1. Поршневі компресори односторонньої і двосторонньої дії.

4.1.2. Теоретичний процес стискання поршневого компресора.

4.1.3. Дійсний процес стискання поршневого компресора.

4.1.4. Багатоступеневе стикання.

4.1.5. Продуктивність компресора і потужність двигуна.

4.1.6. Охолодження стисненого повітря.

4.1.1. В машинах призначених для стискання повітря, збільшення тиску відбувається за рахунок зменшення об’єму, в якому знаходиться газ (поршневі компресори і гвинтові) або за рахунок надання потоку енергії від динамічної дії на нього лопаток робочих коліс(відцентрові компресори).

На рис. 56 показанні схеми поршневих компресорів односторонньої і двосторонньої дії.

Рис. 56. Схеми поршневих компресорів

В поршневих компресорах односторонньої дії (рис. 56, а) всмоктування повітря з атмосфери в циліндр 1 відбувається через засмоктуючий клапан 3 при русі поршня 2 зліва на право. При зворотному русі поршня повітря стискається і відкривається нагнітальний клапан 4. Повітря виштовхується в нагнітальну мережу. На схемі позначено вал 5, кривошип 6, шатун 7.

В поршневих компресорах двосторонньої дії (рис. 56, б) відбуваються з обох сторін поршня. Вони мають більш складну конструкцію (наявність задньої кришки, крейцкопфа 8 і штока 9), проте продуктивність їх більша і подача повітря більш рівномірна.

4.1.2. Теоретичний процес поршневого компресора можна здійснити за наступних умов: після виштовхування в циліндрі компресора не залишається стисне повітря; тиск і температура повітря під час всмоктування і виштовхування не змінюються і залишаються сталими. Діаграма теоретичного процесу будується в координатах р – абсолютний тиск і V – об’єм (рис. 57).

Процес всмоктування повітря об’єм V₁ при тиску р₁ зображено лінією 1-2, процес стискання - крива 2-3, процес виштовхування повітря об’ємом V₂ при тиску р₂, на ділянці 4-1 відбувається вимірювання тиску від р ₂ до р ₁. Процес стискання повітря може бути ізотермічним (2-3), адіабатним (2-3’) і політропним (2-3”).

Під час ізотермічного стискання температура стала і від повітря відводиться вся теплота. Співвідношення параметрів для цього процесу

, T – const, (57)

Робота, яка затрачається в компресорі при ізотермічному стисканні дорівнює відведеній теплоті.

. (58)

Під час адіабатного стискання теплота не підводиться і не відводиться (2-3’). У цьому випадку справедливі наступні співвідношення між параметрами

, , , (59)

де k = 1.4-показник адіабати для повітря.

Робота стискання повітря

, (60)

Політропне стискання повітря (2-3^”) застосовується з охолодженням повітря (k > n). п = 1.3…1.35.

Для політропного стискання справедливі ті ж залежності, що і для адіабатного, але замість коефіцієнта k ставиться n. Кількість відведеної теплоти від маси повітря

, (61)

де с_v = 0.7243 кДж/кг×К – середня масова теплоємність повітря при постійному об’ємі.

Степінь підвищення тиску . (62)

Рис. 57 Діаграма теоретичного процесу Рис. 58. Діаграма дійсного процесу в поршневому

в поршневому компресорі компресорі

4.1.3. Дійсний процес стискання зображено на рис. 58. Під час всмоктування залишене в шкідливому просторі повітря розширюється (крива 4 – 1) і тиск падає від р до р

Відношення об’єму V₀ шкідливого простору до об’єму V_n, який описує поршень за один хід, називається коефіцієнтом шкідливого простору α_в = 0.03…0.06

Відношення об’єму V_в, який всмоктується в компресор, до об’єму V_n називається об’ємним коефіцієнтом компресора α_о.

Відношення об’єму, який дійсно всмоктується в компресор V₂, до об’єму який описує поршень називається коефіцієнтом подачі, α_n = 0.75…0.9. Підвищити коефіцієнт подачі і дійсно продуктивність компресора можна: правильним вибором об’єму шкідливого простору; зменшенням опору під час всмоктування; якісним ущільненням компресорів; чистотою циліндра і інших частин компресора; забезпечення максимально низької температури всмоктування.

4.1.4. Необхідність багатоступеневого стискання.

Перша причина викликана теоретичною границею степені підвищення тиску в одній ступені, зв’язана з коефіцієнтом шкідливого простору. Якщо прийняти коефіцієнт шкідливого простору 0,05, то степінь підвищення тиску для ізотермічного стискання буде дорівнювати 21, а при адіабатному 71.

Друга причина обмежується температурною границею підвищення тиску. Температура стисненого повітря не повинна перевищувати 170⁰С. Якщо прийняти температуру стисненого повітря 160⁰С, а температуру що всмоктується 25⁰С, то степінь підвищення тиску буде дорівнювати 4,2.

Тому застосовується багатоступеневе стискання повітря з проміжним охолодженням. Схема двоступеневого стискання зображена на рис.59.

Діаграма теоретичних процесів в багатоступеневому компресорі показана на рис. 60 а, дійсного процесу – рис. 60, б.

Рис. 59. Схеми двоступеневих компресорів: Рис. 60. Діаграми процесів в двоступеневому

а – двоциліндрового, б – одноциліндрового. компресорі: а - теоретичного; б - дійсного.