Процессы сжатия в компрессоре

Машины для сжатия газов называются компрессорами. Они имеют широкое применение в технике как самостоятельные установки или как элемент более сложных установок – газотурбинных, холодильных и др.

Несмотря на большие конструктивные отличия компрессоров разных типов (поршневые, ротационные, центробежные, осевые) термодинамические принципы процессов сжатия газов в них одинаковы. Рассмотрим эти процессы на примере поршневого компрессора. При ходе поршня 1 (рис. 2.19) вправо открывается впускной клапан 2 и цилиндр наполняется газом. Этот процесс на индикаторной диаграмме изобразится линией 4 – 1, проходящей параллельно оси абсцисс при давлении р₁, близком к атмосферному.

С началом движения поршня влево впускной клапан закрывается и начинается сжатие газа – процесс 1 – 2. После достижения давления р₂ открывается выпускной клапан 3 и происходит вытеснение сжатого газа из цилиндра в нагнетательный патрубок – процесс 2 – 3.

С началом движения поршня влево впускной клапан закрывается и начинается сжатие газа – процесс 1 – 2. После достижения давления р₂ открывается выпускной клапан 3 и происходит вытеснение сжатого газа из цилиндра в нагнетательный патрубок – процесс 2 – 3.

В идеальном компрессоре, в котором отсутствует вредное пространство, весь сжатый газ вытесняется поршнем из цилиндра, поэтому переход от давления р₂ к давлению p₁ в момент изменения направления движения поршня происходит при
v₃ = v₄ = 0. Затем все процессы вновь повторяются.

Считая, что сжатию подвергается 1 кг газа, определим работу l компрессора за два хода поршня (один оборот коленчатого вала компрессора). Она складывается из трех частей: работы всасывания в процессе 4 – 1 (l₁ = p₁v₁), работы сжатия газа в процессе 1 – 2 () и работы вытеснения сжатого газа из цилиндра в процессе 2 – 3 (l₃ = p₂v₂).

Суммируя l₁, l₂ и l₃, следует иметь в виду, что работа сжатия и работа вытеснения газа отрицательна. Однако, говоря о затратах работы на привод компрессора, заведомо подразумевают работу со знаком «минус», поэтому можно записать:

                                         .                                (2.64)

Эта работа на рис. 2.19 выражается площадью 1 – 2 – 3 – 4. Величина ее зависит от характера процесса сжатия 1 – 2. Можно представить два предельных случая. Если цилиндр компрессора имеет идеальную теплоизоляцию и процесс сжатия протекает достаточно быстро, то его можно считать адиабатным (1 – 2a на рис. 2.20). Работа адиабатного сжатия

                                  .                        (2.65)

                                   Ошибка! Ошибка связи.

                    Рис. 2.20                                            Рис. 2.21

После подстановки в уравнение (2.64) получаем

                                          .                                 (2.66)

Если же цилиндр компрессора выполнен из идеально теплопроводного материала и процесс протекает достаточно медленно, так что температура газа остается равной температуре среды, то процесс сжатия будет изотермическим (1 – 2и).

Для изотермы p₁v₁ = p₂v₂; , поэтому работа компрессора

                                                  .                                        (2.67)

Осуществить настолько интенсивный отвод тепла, чтобы температура газа при сжатии не повышалась, практически не представляется возможным. Действительный процесс сжатия займет некоторое промежуточное положение между адиабатным и изотермическим и будет протекать по политропе 1 – 2п. Формула работы компрессора при этом имеет вид:

                                        .                               (2.68)

Наименьшие затраты работы на привод компрессора, как видно из рис. 2.20, будут при изотермическом процессе сжатия. В то же время политропное и адиабатное сжатие сопровождается повышением температуры газа (рис. 2.21).

При большом повышении давления температура конца процесса сжатия может достигнуть недопустимых при эксплуатации компрессора значений. Поэтому в случае необходимости получения высокого давления применяют многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением газа между ступенями.

            Ошибка! Ошибка связи.                               Ошибка! Ошибка связи.

                    Рис. 2.22                                            Рис. 2.23

Для примера рассмотрим процесс сжатия в трехступенчатом компрессоре (рис. 2.22 и 2.23). В первой ступени газ сжимается по политропе 1 – а до давления р', затем охлаждается по изобаре a – b до начальной температуры Т₁. В цилиндре второй ступени происходит повышение давления до р" с последующим охлаждением во втором промежуточном холодильнике в процессе с – d. В третьей ступени осуществляется сжатие газа до заданного давления р₂.

Использование многоступенчатого компрессора приводит к тому, что процесс сжатия совместно с участками промежуточного охлаждения, изображаемый ломаной линией 1 – а – b – с – d – 2, в значительной степени приближается к изотерме 1 – 2и. При этом снижаются затраты работы на сжатие газа (на величину заштрихованной площадки рис. 2.22) и одновременно уменьшается конечная температура Т₂ (см. рис. 2.23) по сравнению с температурой Т_2П в одноступенчатом компрессоре.