Компрессора

При движении поршня изменяется объем рабочей полости цилиндра, давление газа или пара в этой полости. Изменение давления газа в рабочей полости можно изобразить графически в виде зависимости от положения поршня, т.е. от объема рабочей полости цилиндра. Графическая зависимость давления пара в рабочей полости цилиндра от положения поршня или от объема рабочей полости называется индикаторной диаграммой. По горизонтальной оси индикаторной диаграммы обычно откладывают в масштабе перемещение поршня от ВМТ, по вертикальной - давление газа в рабочей полости.

Перемещение поршня однозначно связано с углом поворота коленчатого вала. Иногда индикаторную диаграмму строят в кординатах Р - j, где j - угол поворота коленчатого вала (кривошипа). Таким образом, существуют два вида индикаторных диаграмм - свернутая и развернутая (рис. 3).

Рис. 3 - Виды индикаторных диаграмм поршневого компрессора:

а – свернутая; б - развернутая по углу поворота вала.

За начальный момент отсчета угла поворота коленчатого вала принимают положение кривошипа, соответствующее положению поршня в ВМТ. Развернутая индикаторная диаграмма может легко быть перестроена в свернутую и наоборот. Большое распространение получила свернутая индикаторная диаграмма, т.к. площадь диаграммы в координатах Р - V пропорциональна работе.

Анализ основных процессов поршневого компрессора удобно начинать с упрощенной модели действительного компрессора, называемой идеальным компрессором. Для идеального компрессора вводится ряд допущений:

1) отсутствие мертвого объема;

2) отсутствие неплотностей в рабочей полости цилиндра;

3) отсутствие тепловой инерции стенок цилиндра;

4) постоянство температуры и давления паров в цилиндре в процессах всасывания и нагнетания;

5) отсутствие гидравлических потерь при течении газа в каналах клапанов и трубопроводах;

6) отсутствие подогрева паров при всасывании;

7) отсутствие теплообмена между паром и стенками цилиндра при нагнетании;

8) открытие всасывающего клапана при положении поршня строго в ВМТ и закрытие в НМТ;

9) открытие нагнетательного клапана в момент достижения в цилиндре давления, равного давлению в нагнетательном патрубке, и закрытие в ВМТ;

10) отсутствие трения в трибосопряжениях.

Индикаторная диаграмма идеального компрессора показана на рисунке 4 и соответствует линиям d-а-b-с.

Рис. 4 - Индикаторные диаграммы идеального и действительного компрессора

В цилиндре идеального компрессора протекают, в соответствии с принятыми допущениями, 3 процесса: всасывание (d-а), сжатие (а-b) и нагнетание (b-с). Во время всасывания газ перемещается из полости всасывания в рабочую полость цилиндра. Во время сжатия происходит повышение давления газа, находящегося в рабочей полости цилиндра, во время нагнетания - перемещение газа из рабочей полости цилиндра в полость нагнетания. В идеальном компрессоре процессы всасывания и нагнетания протекают при постоянном давлении Р_вс и Р_н и постоянной температуре Т_вс и Т_н. Процесс сжатия происходит по политропе с показателем n и заканчивается в момент, когда давление в рабочей полости достигает значения Р_н и открывается нагнетательный клапан.

Индикаторная диаграмма действительного компрессора соответствует линиям 2-3-4-1-2 на рисунке 4. Рабочие процессы действительного компрессора в значительной степени отличаются от рабочих процессов идеального компрессора. Линия 2-3 соответствует процессу всасывания паров хладагента, линия 3-4 - процессу сжатия паров, линия 4-1 - процессу нагнетания и линия 1-2 - процессу обратного расширения. Основные отличия индикаторной диаграммы действительного компрессора от идеального обусловлены рядом причин.

1. Наличие мертвого объема в цилиндре реального компрессора приводит к расширению пара, оставшегося в мертвом объеме после окончания процесса нагнетания. Вследствие этого объем пара, всасываемого в цилиндр реального компрессора, на величину V_с меньше по сравнению с объемом пара, поступающего в цилиндр идеального компрессора.

2. В действительном компрессоре имеются гидравлические сопротивления потоку паров хладагента при прохождении через клапаны. В результате давление в цилиндре во время всасывания меньше, чем во всасывающем патрубке. Соответственно давление в цилиндре будет выше, чем давление в нагнетательном патрубке. Потери давления на гидравлические сопротивления в клапанах непостоянны в течение хода поршня, т.к. переменной является скорость протекания газа через клапаны. Потери в клапанах, называемые также депрессией во всасывающем и нагнетательном клапанах, приводят к увеличению потребляемой компрессором мощности. Увеличение мощности пропорционально площади обозначенных знаком "+" заштрихованных участков диаграммы.

3. Депрессия во всасывающем клапане приводит к уменьшению объема пара, попадающего в цилиндр при давлении Р_вс, на величину V'-V".

4. Давление во всаcывающем и нагнетательном патрубках действительного компрессора непостоянно из-за пульсаций потоков газа, обусловленных периодически повторяющимися процессами всасывания и нагнетания. В трубопроводах и патрубках компрессора имеют место инерционные и волновые явления, которые снижают производительность компрессора.

5. Смещение линий обратного расширения 1-2 и сжатия 3-4 внутрь диаграммы вследствие наличия мертвого объема и депрессий в клапанах приводит к уменьшению индикаторной мощности, подводимой к компрессору, и пропорционально площади обозначенных знаком "-" заштрихованных участков диаграммы.

Процесс обратного расширения проходит с увеличением объема, и газ, воздействуя на поршень, совершает работу, которая передается обратно коленчатому валу. Работа, затраченная на сжатие паров, оставшихся в мертвом пространстве, возвращается назад в процессе обратного расширения с потерями, обусловленными необратимостью процессов. Индикаторной мощностью называется мощность, необходимая для сжатия и перемещения газа с учетом возврата энергии в процессе обратного расширения.

6. Теплообмен между паром и стенками цилиндра в процессах обратного расширения и сжатия приводит к протеканию этих процессов с переменными показателями политропы. Это иллюстрируется направлением линий процессов 1-2 и 3-4 и соответствующим изменением площади индикаторной диаграммы.

Кроме перечисленных, имеется ряд особенностей рабочего процесса действительного компрессора, которые не отражаются на его индикаторной диаграмме.

1. Нагрев и расширение пара, поступающего при всасывании в цилиндр, из-за его контакта с горячими внутренними поверхностями рабочего объема цилиндра. Вследствие этого в цилиндр всасывается пар большего удельного объема и меньшей массы по сравнению с расчетными параметрами.

2. Неплотности в сопряжениях поршня с цилиндром, а также в сопряжениях клапанов с седлами приводят к протечкам части сжимаемого и нагнетаемого пара во всасывающую полость, а следовательно, и к уменьшению количества пара, поступающего в полость нагнетания.