Адиабатический процесс - процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (ОС), в котором происходит внутреннее образование теплоты, за счет вихреобразования или работы газового трения. Из-за невозможности полной тепловой изоляции газового потока и ОС идеального адиабатического процесса в компрессорах получить невозможно.
Целью термодинамического расчета является определение работы необходимой для получения 1 кг сжатого газа, а также определение мощности приводного двигателя. Из закона сохранения энергии - работа, которая затрачивается компрессором на сжатии и выталкивании газа представляется как сумма теплоты, отводимых от газа в процессе сжатия и изобарного охлаждения.
Особенностью объемных компрессоров является периодичность их работы, которая обусловлена движением их рабочих тел.
В рабочем процессе таких компрессоров особую часть составляют политропное расширение газа, которое происходит перед всасыванием в замкнутое рабочее пространство.
Теоретическая индикаторная диаграмма
Построение теоретической индикаторной диаграммы основано трех предположениях:
1. Геометрический объем цилиндра равен рабочему объему. Мертвое пространство отсутствует.
2. Отсутствуют потери работы на трение о стенки цилиндра и при дросселировании потока газов в клапанах.
3. Всасывание и нагнетание происходит при постоянном давлении.
где, 0-1 - линия всасывания;
1-2 - линия сжатия;
2-3 - линия нагнетания или подачи;
1-2 - изотермическое сжатие;
1-2' - политропное сжатие;
1-2'' - адиабатное сжатие.
Движение поршня вправо:
В начальный момент времени всасывающий клапан открывается и происходит наполнение полости цилиндра при постоянном Р1.
При достижении точки 1 поршень начинает двигаться в обратном направлении, всасывающий клапан закрывается и поршень начинает сжимать газ до заданного давления.
При достижении давления Р2 нагнетательный клапан открывается и поршень выталкивает сжатый газ при этом давлении. При следующем ходе давлении падает с Р2 до Р1.
Действительная индикаторная диаграмма
При дросселировании давление в камере меньше, чем атмосферное давление.
В реальных компрессорах существуют «мертвое» пространство между крышкой компрессора и поршнем. За счет «мертвого» пространства всасываемый объем газа уменьшается. Это приводит к уменьшению производительности.
Объемный КПД равен:
где, ? - объем свежей порции газа, всасываемого цилиндром;
?о - объем «мертвого» пространства.
С увеличением объема «мертвого» пространства объемный КПД уменьшается.
Многоступенчатое сжатие
С целью получения газа высокого давления применяют многоступенчатое сжатие. В современных поршневых компрессорах степень повышения давления одной степени При более высоких применяют промежуточное охлаждение газа.
Принято, что в каждой ступени компрессора I, II, III происходит политропный процесс сжатия (с некоторым теплоотводом через стенки цилиндра). Охлаждение газа в промежуточных охладителях 1, 2 осуществляется до начальной температуры. В результате этого снижается степень повышения давления, а подача и объемный КПД повышаются. Потери давления при прохождении газа по трубам промежуточных охладителей не учитываются.
К преимуществам многоступенчатого сжатия относятся:
· Уменьшение конечной температуры сжатия;
· Увеличение объемного коэффициента компрессора;
· Уменьшение затрачиваемой работы.
В современных компрессорах применяют след. 4 способа охлаждения:
1) Внутреннее охлаждение. Охлаждение компрессора подачей воды в специально выполненные полости в отливке корпуса . Этот способ существенно улучшает условия смазки поршневых компрессоров. Добиться этим способом существенной экономии энергии, приближая процесс сжатия к изотермическому, не удается. Причина этого - затрудненные условия теплообмена между потоками газа и охлаждающей водой;
2) Выносное охлаждение. Охлаждение газа в охладителях, устанавливаемых между отдельными ступенями. При этом способе охлаждения, используя трубчатые охладители с большой площадью поверхности, можно получить существенную экономию в расходе энергии. В центробежных компрессорах охладители располагают обычно между группами ступеней, получая, таким образам, более простую конструкцию установки.
3) Комбинированное охлаждение (внутреннее + выносное). Этот способ наиболее эффективен и широко применяется, несмотря на конструктивное усложнение и увеличение стоимости установки;
4) Охлаждение впрыском охлаждающей воды в поток газа перед первой ступенью компрессора. При этом способе теплота газа частично расходуется на испарение охлаждающей воды и температура конца сжатия существенно понижается. Недостатком способа является увлажнение газа, что во многих случаях недопустимо.
Представлен процесс трехступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения газа в р-V координатах.
Газ при давлении р1 поступает в первый цилиндр компрессора (I - ступень), где политропно сжимается по линии 1-2 до давления р2. Затем сжатый газ поступает в охладитель 1, где охлаждается до первоначальной температуры Т1 линия 2-3 уменьшение объема газа при постоянном давлении р2 = р3. Далее газ поступает во второй цилиндр (II - ступень), где процессы сжатия и охлаждения происходят аналогично, как и впервой ступени, а затем и в третий цилиндр (III - ступень), где конечное давление газа достигает значения р6.
Степень повышения давления в каждой ступени при общем числе z определяется соотношением:
Характеристики лопастных компрессоров и их регулирование
Выбор работы компрессора на данную сеть считается правильным, если его рабочие точки соответствуют . Для компрессоров характерно ниспадающая часть характеристики.
В зависимости от вида потребителей сжатого воздуха компрессорные установки разделяют на две основные группы:
1. Потребители требуют постоянного количества воздуха при переменном давлении.
2. Потребители требуют подачи воздуха с постоянным давлением при изменяющейся подаче.
В первом случае изменение режима работы компрессора называют регулированием на постоянную подачу, а во втором случае - на постоянное давление.
Работа на сеть является устойчивой, если при изменении производительности системы по любой причине компрессор восстанавливает первоначальную работ, в ином случае неустранимая причина приведет к помпажу. Повышение или понижение степени сжатия при постоянном расходе обусловленная потребителем и достигается только изменением частоты вращения вала компрессора. Поэтому лопастные компрессоры, которые регулируются изменением числа оборотов должны снабжаться предохранительные клапаны рассчитанными на конечное давление не менее 90% от р1. При любом способе регулировании изменение частоты вращения приводит к уменьшению КПД, то есть к ухудшенному использованию энергии подводимой на вал компрессора.
Дроссельное регулирование при постоянной частоте вращения является допустимым во всех случаях, однако при заданной характеристики сети и при заданных оборотах дроссельное регулирование возможно только на уменьшение подачи. В отличие от насосов такое регулирование дросселем возможно и на всасывающем и на напорном патрубках при чем на всасывании регулируется выгоднее из-за меньших затрат энергии, которая обычно пропорционально давлению дросселирующего потока газа. Регулирование направляющим лопастным аппаратом на входе в центробежный компрессор из-за конструкционной сложности не применяют.
Регулирование поршневых компрессоров
Задача регулирования состоит в обеспечении равенства производительности компрессора и расхода сжатого газа потребителем.
Существует 5 способов регулирования поршневых компрессоров:
1. Воздействие на привод компрессора;
2. Дросселирование при всасывании;
3. Воздействие на клапаны;
4. Воздействие на «мертвый» объем;
5. Комбинирование.
1. Рассмотрим способы воздействия на привод компрессора:
а) Периодическая остановка привода при давлении до 250 кВт. При таком способе возникает колебание тока в сети. Приходится повторять часто перезапуск, но при остановке агрегата мощность не потребляется.
б) Отключение муфты сцепления. В данном способе отсутствуют колебания токов в сети, но существуют потери энергии на холостой ход.
в) Изменение частоты вращения вала компрессора. Этот способ широко применяется только в случаях привода компрессора от паровых машин или ДВС, так как только в них можно изменить частоту вращения плавно.
2. Рассмотрим метод дросселирование при всасывании.
Во всасывающий тракт вводится дополнительное сопротивление и тем самым снижается подача.
1-2-3-4 - индикаторная диаграмма без регулирования сопротивления во всасывающей трубе. Введем регулирующее сопротивление, понижающее давление всасывания от р1до р1рег. При этом процесс расширения представится линией 3-4 и линия всасывания будет 4-1 .
Из диаграммы видно, что всасываемый объем уменьшается от ?1 до ?1рег, а объем подачи от ?2 до ?2рег.
3. Рассмотрим метод воздействия на клапан.
Метод состоит в отжимании пластин всасывающего клапана. Процесс сжатия и подачи отсутствует, поскольку всасывающий клапан открыт и газ из цилиндра компрессора будет выталкиваться во всасывающий трубопровод.
где, ?м - «мертвый» объём.
Снижение подачи компрессора достигается пропусками этой подачи. Способ является простым, однако энергетическая эффективность низка, поскольку при пропуске подачи теряется 15% от полной мощности. Такой способ регулирования применяется для компрессоров с любыми степенями сжатия и подачи.
4. Рассмотрим метод воздействия на «мертвый» объем.
При изначальном «мертвом» объеме ?м всасывающий объем газа равен ?1. При увеличении ?м до ?м рег политропы расширения построены при новом положении центра 3-4' и ?1 рег снижается. Соответственно новая политропа сжатия 1-2', что соответствует новому объему ?2 рег. В предельном случаи ?м может быть увеличен на столько, что политропы расширения и сжатия совпадут и диаграмма будет показана линией 1 - 3. При этом компрессор не всасывает и не подает поток газа. И всасывающий, и нагнетающий клапаны закрыты, а в цилиндре происходит сжатие и расширение постоянного количества газа. Конструктивно такой способ выполняется в виде дополнительных полостей постоянной или переменной емкости присоединения к ?м автоматически или вручную. Способ применяется для компрессоров большой мощности.
Кроме указанных способов применяют регулирование остановками компрессора (при мощности на валу до 200 кВт), перепуском газа из полости сжатия в полость всасывания, а также холостым выпуском из сети через автоматический клапан. Первый из этих способ вполне экономичен, а два последних неэкономичны и применять их не следует.
При регулировании подачи многоступенчатых компрессоров необходимо регулировать подачу всех ступеней одновременно. Если в многоступенчатом компрессоре регулировать подачу только первой ступени, то автоматически происходит перераспределение работы между ступенями и температуры конца сжатия в нерегулируемых ступенях достигают недопустимых значений.