Теоретичні основи роботи поршневих компресорів
Принцип роботи поршневого компресора.
Індикаторні діаграми робочих циклів поршневого компресора.
Подача поршневого компресора, фактори, що впливають на неї.
Багатоступінчасте стиснення газу.
Поршневий компресор - машина, призначена для перетворення енергії газу (пара, рідини) за допомогою поршня і забезпечує високі тиску нагнітання (до 40 МПа і вище).
Переваги таких компресорів - високо-кі значення к. П. Д. І ступеня підвищення тиску циліндрів в одному щаблі, максимальний тиск стиснення газу, можливість експлуатації в широкому діапазоні зміни тисків компріміруемого газу, можливість побудови на базі однієї моделі різних компресорних схем і збереження потужності при зміні умов експлуатації. Важливе значення поршневих компресорів - незначи-кові чутливість до зміни щільності компріміруется-ного газу. У той же час динамічна неврівноваженість від зворотно-поступального компресора виявляється причи-ною підвищеної металоємності.
Для компримування нафтового і природного газів, а також повітря, в районах з розвинутою системою ЕЛЕКТРОСНАБ-вання застосовують кутові і оппозітниє поршневі компрес-сори з приводом від електродвигуна.
Принципова схема поршневого компресора (рис. 2.1) включає циліндр 1, поршень 2, що всмоктує 3 і нагнітальний 4 клапани, шток 5 і кривошипно - шатунний механізм, що складається з крейцкопфа 6, шатуна 7 і кривошипа 8.
Малюнок 2.1 - Схема роботи поршневого компресора
Робочий процес в поршневому компресорі здійснюється за чотири етапи:
1. розширення газу у шкідливому просторі циліндра компресора (в клапанах і околоклапанном просторі, в зазорі між кришкою циліндра і площиною АА, відповідної крайнього положення поршня);
2. всмоктування (розширення і всмоктування відбуваються при русі поршня від площини АА до площини ВВ на довжині ходу поршня s; при цьому усмоктувальний клапан відкривається не відразу, а лише після того, як газ, що знаходиться у шкідливому просторі циліндра, розшириться, і його тиск стане менше тиску у всмоктувальній лінії, в цей момент відкриється клапан 3, і газ почне надходити в циліндр компресора);
3. стиснення (відбувається при русі поршня від площини ВВ до площини СС);
4. нагнітання (відбувається при русі поршня від площини СС до площини АА; нагнітання газу в трубопровід починається тоді, коли тиск газу в циліндрі перевищить тиск в нагнітальної лінії, в цей момент відкриється клапан 4, і газ почне надходити в трубопровід).
Характер зміни обсягу газу залежить від умов теплообміну між газом, деталями компресора і навколишнім середовищем. Залежно від цього стиснення або розширення можуть відбуватися:
- без теплообміну (адіабатичний процес); т. е. з нагріванням газу при його стисненні;
- з частковим теплообміном (политропического процес);
- з повним теплообміном (ізотермічний процес) т. е. зі збереженням однієї і тієї ж, постійної при стисненні і розширенні, температури газу.
Як видно з визначень, адіабатичний і ізотермічний процеси є окремими випадками политропического процесу.
Политропического процес зміни стану ідеального газу задовольняє рівняння:
де p - тиск; V - об'єм газу; m - показник політропи.
При адіабатичних процесах m позначається через k і називається показником адіабати. Показник адіабати визначається як відношення питомих (або молярних) теплоемкостей газу при постійному тиску і об'ємі. Для одноатомних газів k = 1,67, для двоатомних k = 1,40 - 1,41, для багатоатомних k = 1,2 - 1,3. При политропического процесах показник політропи m може приймати значення від одиниці до k і бути більше k. При ізотермічному процесі m = 1.
При розгляді ідеального циклу поршневого компресора приймають такі припущення:
1. Відсутні опору руху потоку газу (в тому чис-ле і в клапанах).
2. Тиск і температура газу у всмоктувальній і нагнітач-ної лініях постійні.
3. Тиск і температура газу в період всмоктування, так само як і в період виштовхування газу з циліндра, не змінюються.
4. Мертве (шкідливий) простір в циліндрі компресора від-сутствует.
5. Ні втрат потужності на тертя і немає витоків газу.
Індикаторна діаграма ідеального циклу представлена на рис. 2.2. Процес стиснення газу поршнем характеризують криві 1-2. При ізотермічному про-процесі це буде крива 1-2 ' ", при адіабатичному 1-2", а при по-літропіческом 1-2 або 1-2 ". Розглядаючи политропического процес 1-2, бачимо, що за цей період циклу, обсяг газу умень-шітся з V1 до V2 тиск изме-нітся від р1 до р2. а температура-від Т1 до Т2. Далі йде нагнітаючи-ня газу в трубопровід 2-3. Дав-ня і температура газу залишається-ся в цей період незмінними (p2 і T2). Весь обсяг газу V2 переходить в нагнітальний трубопровід. За період 3-4 в циліндрі знижується тиск до тиску у всмоктуючому трубопроводі (p1) закривається нагне ательний клапан і з початком руху поршня вправо відкривається всмоктуючий клапан. Період всмоктування харак-теризують лінією 4-1. Тут тиск і температура газу рівні р1 і T1. в циліндр надходить обсяг газу, що дорівнює V1.
Малюнок 2.2 - Індикаторна діаграма ідеального циклу поршневого компресора
Малюнок 2.3 - Індикаторна діаграма реального циклу поршневого компресора
Розглянемо реальний цикл роботи поршневого компресора. Процес стиснення газу в циліндрі відповідає лінії 1-2 на інді-каторной діаграмі (рис. 2.3). У початковий момент стиснення відноси-кові холодний газ отримує тепло від нагрітого циліндра, внаслідок чого процес йде з підведенням тепла до газу, і політропи відхиляється вправо від політропи ідеально-го процесу (пунктирна лі-ня). В кінці процесу стиснення газу температура його підвищує-ся і стає більше темпе-ратури циліндра і клапанів, і процес стиснення йде з відведенням тепла від газу. Політропи на цій ділянці відхиляється вліво від політропи ідеального про-процесу. Ці явища призводять до того, що показник реальної політропи процесу стиснення газу стає змінним, і розрахунок процесу треба вести по умовному еквівалентному показнику політропи.
Зниження тиску в циліндрі проти тиску під всмоктують-щей лінії (див. Рис. 2.3, точка 1), на початку стиснення обумовлено со-спротивом потоку газу у всмоктуючому клапані. Підвищення тиску проти тиску в нагнітальному трубопроводі (точка 2) в кінці стиснення обумовлено зусиллями, затраченими на відкриття нагнітального клапана (опір пружин клапана і інерція мас деталей клапана, що приводяться в рух при його відкритті). Процес нагнітання відповідає лінії 2-3. Підвищений, про-тив ідеального процесу, тиск нагнітання визначається з-спротиву потоку газу в нагнітальному клапані і підвідних каналах. Деяка хвилястість лінії нагнітання обумовлюється мінливістю опорів потоку газу через зміни скорос-тей поршня і газу, пульсацією тиску в газопроводі і вібрацією клапанних пластин.
За процесом нагнітання в реальному циліндрі йде процес рас-ширення газу, що залишився в мертвому (шкідливому) просторі під тиском р2 "(лінія 3-4). Обсяг шкідливого простору Vм. Газ рас-ширяється, знижуючи тиск від р2" до р4 і збільшуючи свій обсяг до V4. При цьому поршень рухається вправо. Процес розширення закан-чивается при відкритті всмоктувального клапана. Тиск в цилинд-ре при цьому буде нижче, ніж у всмоктуючому трубопроводі, за рахунок зусиль, що витрачаються на відкриття всмоктуючого клапана. Процес розширення газу йде спочатку з відбором тепла від стиснуто-го газу, а потім з підведенням тепла до газу, і тому показник гами-пи буде не постійний (так само як і при стисненні газу).
За процесом розширення йде всмоктування газу (лінія 4-1). Тиск в циліндрі при цьому буде нижче тиску в підбиваючи-щем трубопроводі за рахунок опору руху потоку газу в клапані і каналах. Коливання тиску всмоктування в циліндрі обумовлено тими ж явищами, які спостерігаються і при нагнітанні газу.
Робота, що витрачається на стиснення газу, в реальному циклі визна-ляется площею індикаторної діаграми 1-2-3-4 (див. Рис. 2.3).
Подачею компресора називають обсяг або масу газу, проходячи-ного за одиницю часу по лінії всмоктування або лінії нагнітаючи-ня компресора. Витрата газу на нагнітанні завжди менше, ніж на всмоктуванні, за рахунок витоків газу через нещільності.
Об'ємна витрата газу зазвичай наводиться до умов усмоктув-ня (до тиску і температурі у всмоктувальній лінії), нормаль-ним умовам (тиск 100 кПа і температура 293 ° К) або стандартних умов (100 кПа і 293 ° К).
Споживача цікавить зазвичай кількість газу, що подається йому від компресора, приведене до нормальних або стандартним усло-виям. Іноді цю подачу називають комерційної.
Подача компресора з одним циліндром одинарної дії (див. Рис. 3.3)
де ar w: top = "1134" w: right = "850" w: bottom = "1134" w: left = "+1701" w: header = "720" w: footer = "720" w: gutter = "0 ">
- обсяг описуваний поршнем за хід в одну сторону;
п - число подвійних ходів поршня в хвилину (з поверненням у вихідне положення).
Об'ємний коефіцієнт відображає ступінь повноти використан-ня обсягу циліндра. Коефіцієнт герметичності це функція подачі компресора-ра від запізнювання закриття клапанів, негерметичність ущільнень зазору між поршнем і циліндром, ущільнень штоків у цилинд-рів подвійної дії, негерметичність з'єднань робочих кана-лів. Коефіцієнт герметичності зазвичай приймається в межах 0,95. 0,98. Температурний коефіцієнт відображає вплив нагріву газу при всмоктуванні за рахунок теплообміну з гарячими стінками циліндра і каналів. При нагріванні збільшується обсяг газу, що знаходиться в циліндрі, і зменшується корисний об'єм газу, що надходить в ци-Ліндрен з всмоктуючого патрубка. Температурний коефіцієнт залежить від ступеня стиснення газу, оскільки від цього залежать температура повітря, що нагнітається газу і температура стінок каналів і циліндра. Коефіцієнт тиску враховує зниження подачі компрес-сміття за рахунок зменшення тиску газу в циліндрі при всмоктуванні в порівнянні з тиском у всмоктуючому патрубку. В результаті цього зниження тиску газ розширюється, і в циліндр входить мень-шиї його кількість. На подачу впливає зменшення тиску не в на-чале, а в кінці періоду всмоктування. Коефіцієнт тиску зазвичай знаходиться в межах 0,95 ... 0,98.
При необхідності стискати газ до тиску, що перевищує 0,4 ... 0,7 МПа за манометром, застосовують багатоступінчате стиснення, сутність якого полягає в тому, що процес стиснення газу розбивається на кілька етапів або ступенів. У кожній з цих ступенів газ сжи-томиться до деякого проміжного тиску і перед тим як по-ступати в наступний щабель, охолоджується в межступенчатом холод-дільніке. В останньому щаблі газ дожимается до кінцевого тиску-ня. В сучасних компресорах високого тиску число ступі-ній стиснення досягає семи.
Причини, які змушують застосовувати багатоступінчате стиснення, такі;
- виграш в витраченої роботі;
- обмеження температури кінця стиснення;
- більш високий коефіцієнт подачі.
Для зменшення роботи стиснення застосовується ступеневу сжа-тя газу з охолодженням його в охолоджувачах, розташованих між сту-пенями компресора.
В результаті охолодження газу усувається і інша причина, обус-ловлівающая застосування ступеневої стиснення, це неприпустиме підвищення температури газу при великій мірі підвищення давши-лення одноступінчастим компресором. Температура на етапі стиснення газу не повинна досягати значень, при яких відбувається зраді-ня властивостей компресорного масла. З підвищенням температури газу в'язкість масла зменшується, погіршуються умови мастила, і повели-чивается зношування деталей компресора. При досягненні тим-температур порядку 180. 200 ° С масло розкладається, в результаті чого по-поверхні деталей циліндра компресора й нагнітальна лінія покриваються нагаром. Це погіршує охолодження компресора і на-рушає його нормальну роботу (збільшується тертя між порш-невимі кільцями і циліндром, можливі поломки кілець і задираки поверхні циліндра, погіршується робота клапанів, виникає небез-ність самозаймання та вибуху в нагнітальної лінії).