Теоретическое введение. Компрессор - это машина, предназначенная для сжатия газов и паров

13. Сравните графики и данные, полученные в опыте, с теоретическими данными.

Лабораторная работа № 3

 

Компрессор - это машина, предназначенная для сжатия газов и паров. В процессе сжатия повышается давление газов.

Компрессоры классифицируют по максимальному конечному давлению и по объёмной подаче.

Одноступенчатые компрессоры:

· P_к≈0,1МПа – вентиляторы (перемещение газа)

· Р_к<1МПа – компрессоры низкого давления.

Многоступенчатые компрессоры:

· P_к<10МПа – компрессор среднего давления

· -P_к>10МПа – компрессор большого давления

В многоступенчатых компрессорах сжатие происходит в несколько этапов с промежуточным охлаждением сжатого газа.

По величине объёмного расхода (объёмной подачи) - компрессоры делятся на машины:

· малой подачи: G_v=0,003м³/с;

· средней подачи: G_v=0,03м³/с;

· большой подачи: G_v=0,3м³/с.

Компрессоры малой подачи, как правило, поршневые компрессоры, а с большой подачей работают турбокомпрессоры.

Принципы сжатия газа в поршневом компрессоре и турбокомпрессоре различаются. В поршневом компрессоре давление повышается за счёт сжатия газа в закрытом объёме. В турбокомпрессоре сжатие происходит в 2 этапа: сначала газ разгоняют до больших кинетических энергий, а затем затормаживают его, ставя преграду, в этом случае кинетическая энергия превращается в энергию давления.

 

Количественные характеристики процесса сжатия газа

1. Степень сжатия газа - это отношение начального объёма V_нач. к конечному объёму газа V_кон.:

2. Степень повышения давления:

Обе характеристики одновременно не задают, т.к. они взаимосвязаны:

Устройство одноступенчатого поршневого компрессора

1 - впускной клапан; 2 - нагнетательный клапан.

V_вред. - вредный объём.

h - ход поршня;

ВМТ - верхняя мёртвая точка; НМТ - нижняя мёртвая точка.

V_вред. - вредный объём; при положении поршня в ВМТ в этом объёме остаётся сжатый газ, не вытолкнутый из компрессора. Наличие этого объёма снижает производительность компрессора.

Поршневой компрессор - двухтактная машина, т. е. все процессы происходят за 2 такта (2 хода поршня). Один такт – перемещение в пределах h.

Нагнетательный клапан 2 снабжён пружиной, жёсткость которой определяет конечное давление сжатия.

В реальном компрессоре присутствуют силы трения:

1. трение поршня о стенки цилиндра (необходимо проводить смазку);

2. аэродинамическое трение в клапанах (необходимо увеличить сечение клапанов).

В идеальном компрессоре:

1. Сжимается идеальный газ, т. е. отсутствует аэродинамическое трение (это приводит к тому, что процессы всасывания и нагнетания проходят при p=const).

2. Пренебрегаем трением поршня.

3. Отсутствует вредный объём.

 

Процессы в идеальном компрессоре на индикаторной диаграмме

0-1 – процесс всасывания при p₁=const.

[Дж]>0

1-2 – процесс сжатия; оба клапана закрыты; поршень движется влево:

[Дж]<0.

В точке 2 открывается нагнетательный клапан и происходит процесс 2-3.

2-3 – процесс сжатия при p₂=const; поршень движется влево:

[Дж]<0

В компрессоре процесс незамкнутый.

Процессы 0-1 и 2-3 – не термодинамические, т. е. в этих процессах параметры газов остаются постоянными, а изменяется только его количество.

Вся работа компрессора:

L_сжатия - техническая или располагаемая работа.

Удельная работа, т. е. работа для сжатия 1кг газа:

В общем случае показатель политропы сжатия может быть любым, однако на практике реализуется показатель политропы от k до 1 (1<n<k).

n=1 – изотермический компрессор;

n=k – адиабатный компрессор.

 

Минимальная работа – у изотермического компрессора;

Максимальная работа – у адиабатного компрессора.

Работа потребляется от двигателя привода, поэтому наиболее рационален способ сжатия - изотермический.

Теплоёмкость газов с_φ<0 при 1<n<k, поэтому от компрессора отнимается количество теплоты в процессе его охлаждения:

Количество теплоты можно показать на тепловой диаграмме:

 

Для выбора мощности двигателя приводов нужно задаться расходом газа:

- объёмный расход;

- массовый расход.

N_к=l_к∙G - мощность двигателя привода.

Многоступенчатое сжатие

 

Для получения больших конечных давлений используют многоступенчатые компрессоры. При сжатии газов при 1<n<k его температура повышается. При больших значениях π_K могут быть достигнуты температуры, опасные для эксплуатации (может произойти возгорание масла и потеря прочности деталей), поэтому π_K ограничивают величинами порядка 4÷6. Применяют многоступенчатое сжатие и промежуточное охлаждение газов между ступенями сжатия.

К1; К2; К3 – ступени сжатия; ТО1; ТО2 – промежуточные теплообменники.

При конструировании компрессоров стараются обеспечить равномерное распределение работы между ступенями:

l_K1=l_К2=l_K3

Кроме того, π_K и n стараются делать одинаковыми. В этом случае изменение температуры газа в каждой ступени также будет одним и тем же:

. В промежуточных теплообменниках газ охлаждается до начальной температуры при p=const.

Рабочая диаграмма идеального многоступенчатого компрессора:

1-2; 2'-3; 3'-4 – процессы сжатия в ступенях;

2-2'; 3-3' – охлаждение в теплообменнике.

m – число ступеней; если m→∞, то n=1; отсюда, уменьшается требуемая мощность двигателя привода. Наличие теплообменников приближает многоступенчатое сжатие к изотермическому.

Изображение процессов сжатия в тепловой диаграмме:

 

Вся теплота:

 

Реальный поршневой компрессор

 

В реальном компрессоре присутствуют вредный объём и все виды трения, поскольку газ неидеальный.

 

1-2 – процесс сжатия заканчивается при большем давлении в точке 2, чем давление нагнетания (Р_{нагнет.}) на величину ΔР_нагнет. Это необходимо для компенсации трения в нагнетательном клапане.

2-3 – процесс нагнетания заканчивается в ВМТ, при этом в цилиндре во вредном объёме остаётся газ высокого давления.

При движении поршня по направлению к НМТ сначала газ расширяется из вредного объёма (V_вред.), а затем происходит процесс всасывания.

3-0 – процесс расширения газа из вредного объёма.

0-1 – процесс всасывания.

Давление в точке 0 ниже атмосферного (P₁) на величину ΔР_{всасыв.} Это необходимо для компенсации трения во впускном клапане.

Наличие вредного объёма снижает производительность компрессора. Это можно показать на диаграмме для различных конечных давлений нагнетания.

 

V_{всасыв.}=V₁-V₀ для P_H1.

- объёмный КПД компрессора (для идеального компрессора: η_об.=1).

С увеличением давления нагнетания уменьшается объём всасывания (V_{всасыв.}) и объёмный КПД компрессора (η_об.).

Задание

Для лабораторных экспериментов необходимо иметь G кг/с воздуха при параметрах Р_к и t_к = t₁ , где t₁ – температура окружающей среды. Рассчитать многоступенчатый поршневой компрессор (без учета трения и вредного пространства): определить количество ступеней компрессора, степень повышения давления в каждой ступени, количество тепла, отведенное от воздуха в цилиндрах компрессора и в промежуточных и конечном холодильниках (при охлаждении до t₁) и мощность привода, если давление воздуха на входе в первую ступень компрессора Р₁=0,1 МПа, температура t₁=27⁰С, допустимое повышение температуры воздуха в каждой ступени ∆ t и показатель политропы сжатия n. Дать теоретическую индикаторную диаграмму компрессора в РV-координатах. Теплоемкость принять зависящей от температуры.

Исходные данные для расчёта выбрать из таблицы:

Последняя цифра шифра	∆ t 0С	Рк МПа	Предпос-ледняя цифра шифра	n	G
				1,29	0,2
				1,31	0,3
				1,32	0,4
				1,36	0,5
				1,28	0,6
				1,30	0,7
				1,25	0,8
				1,30	0,9
				1,37	1,0
				1,33	1,2

Контрольные вопросы

1. Назовите основные назначения компрессоров и их модификации.

2. Какие допущения применяются при анализе работы идеализированного

компрессора?

3. В каком процессе сжатия затрачивается минимальная работа компрессора?

4. Почему адиабатный процесс сжатия наиболее просто осуществим на

5. практике?

6. Какие параметры характеризуют эффективность работы компрессора?

7. Объясните назначение основных элементов компрессорной установки.

8. Приведите примеры практического применения компрессоров.

9. Запишите выражение, определяющие работу компрессора в политропном процессе сжатия.

10. Запишите выражение, определяющие работу компрессора в изотермическом процессе сжатия.

11. Покажите ход основных процессов сжатия в теоретической диаграмме

компрессора.

12. Объясните цикл компрессора в действительной P-V диаграмме.

13. К чему приведет наличие большого мертвого объема в компрессоре с высокой степенью сжатия?