Теоретическое и действительное сжатие в компрессоре. Многоступенчатое сжатие.

Понятие теоретического процесса сжатия вводится потому, что реальный процесс является достаточно сложным. В теоретическом процессе принимаются следующие допущения:

1) не учитывается трение поршня;

2) механическое и гидравлическое сопротивления клапанов отсутствуют;

3) нагнетание происходит при постоянном давлении в ресивере;

4) давление и температура всасываемого воздуха не изменяются;

5) в конце сжатия в цилиндре не остаётся воздуха.

Индикаторная диаграмма идеального процесса имеет вид, представленный на рис. 5.6 а.

Из диаграммы следует, что на участке 1 – 2 поршень движется вправо, газ заполняет рабочее пространство цилиндра. Процесс происходит изобарно, то есть, при постоянстве давления всасывания на уровне p₁. На участке 2 – 3 происходит начало движения поршня влево со сжатием газа. При этом давление увеличивается по кривой 2 – 3. Вид кривой определяется условиями, при которых происходит сжатие. Возможные варианты представлены на рис. 5.6 б.

Рис. 5.6. Индикаторная диаграмма идеального сжатия

В случае, если обеспечивается идеальное отведение тепла от цилиндра, имеет место изотермическое сжатие (кривая 2 – 3 на рис. 5.6 б). Если тепло, выделяющееся при сжатии, не отводится совсем, происходит адиабатическое сжатие (кривая 2 – 3’ на рис. 5.6 б).

В реальности же, процесс сжатия происходит по политропе (кривая 2 – 3’’ на рис. 5.6 б), которая находится между изотермой и адиабатой. Политропный процесс описывается уравнением: pωⁿ =const.

где n – показатель политропы, обычно он принимает значения в диапазоне (1,2 1,3).

После достижения давлением в цилиндре значения p₂, работа продолжается на участке 3 – 4. На этом участке открыт нагнетательный клапан, а газ изобарно нагнетается в ресивер. Этот процесс продолжается до тех пор, пока поршень цилиндра не придёт в так называемую верхнюю мёртвую точку. Далее начинается обратный ход поршня.

Степенью повышения давления в компрессоре называется отношение давления нагнетания к давлению всасывания:

Действительный процесс сжатия в компрессоре

Действительный процесс работы компрессора отличается от теоретического. Учесть все факторы сложно, поэтому рассмотрим влияние только некоторых из них:

1) Наличие пространства между верхним положением поршня и клапанной крышкой;

2) Сопротивление клапанов при всасывании и нагнетании;

3) Пульсации давления.

Пространство между крайним положением поршня и клапанной крышкой, называемое «вредным» пространством. Это пространство необходимо для того, чтобы не произошло столкновения поршня с клапанами. Из-за наличия «вредного» пространства в конце сжатия под поршнем остаётся определённый объём газа. В результате, при обратном ходе поршня всасывание начнётся не сразу, а лишь после того, как давление в цилиндре снизится до p₁. Снижение давления происходит по политропе (линия 2 – 3 на рис. 5.7 а).

Рис. 5.7. Реальная индикаторная диаграмма сжатия

Отношение всасываемого объёма газа к максимальному объёму между поршнем и клапанной крышкой называется объёмным коэффициентом компрессора:

где V’ – всасываемый объём газа; V_h – объём, описываемый поршнем; V₀ – объём «вредного» пространства.

Следует отметить, что наличие вредного пространства имеет и положительные стороны. Во-первых, работа клапанов более плавна, во-вторых, при обратном ходе поршня энергия, затраченная на сжатие газа во «вредном» пространстве, возвращается поршню.

И, наконец, из-за наличия вибраций клапанных пружин и пульсаций давления в системе процессы нагнетания и всасывания газа не будут изобарными, то есть линии 1 – 2 и 3 – 4 не будут прямыми. Реальная индикаторная диаграмма работы компрессора представлена на рис. 5.7 в.