Сжатие газа в компрессоре. Работа компрессора. Схема работы

Компрессор – это устройство непрерывного действия, предназначенное для полного сжатия газа. Он широко применяется в технике в виде самостоятельных агрегатов ,в виде составных частей тепловых двигателей и холодильных машин.

Компрессоры могут быть самой различной конструкции и принципа действия. При этом их можно разбить на 2 группы:

1) компрессоры, где сжатие газа проходит по схеме: заполнение газом рабочего объёма; сжатие газа в этом объёме за счёт механической работы передаётся через элементы объёма; проталкивание сжатого газа в сосуд;

2) сжатие газа происходит по схеме: газу сообщается некоторая скорость и он ускоряется, т.е. ему сообщается некоторая кинетическая энергия. Затем поток газа затормаживается, в ходе чего кинетическая энергия потока трансформируется в потенциальную энергию сжатого газа, который поступает в ресивер.

Рассмотрим работу одноступенчатого компрессора, т.к. на первом этапе все процессы, протекающие в нём однотипны. Допущения:
1) газ идеальный;
2) вредный объём компрессора отсутствует;
3) сопротивление газового тракта отсутствует.

В цилиндре движется поршень, два крайних его положения называются верхней мёртвой(ВМТ) и нижней мёртвой точкой(НМТ). Имеются два клапана – впускной и нагнетательный. Возвратно-поступательные движения поршня обеспечиваются с помощью кривошипно-шатунного механизма. При движении от ВМТ к НМТ при открытом ВК происходит заполнение цилиндра газом. А1 – заполнения газом цилиндра. Объём предоставляемый газом увеличивается и масса газа растёт. По достижении НМТ начинается обратное движение поршня при закрытых клапанах. 12 – термодинамический процесс сжатия газа, р↑, υ↑, Т↑. по достижении р₂, на которое отрегулирована пружина происходит открытие НК при дальнейшем движении поршня к ВМТ сжатый газ удаляется из цилиндра. 2-б – не является термодинамическим процессом (Т, υ, p = const).

Во многих случаях не хватает давления, получаемого с помощью одноступенчатого компрессора. В основном это происходит по той причине, что реальный компрессор требует смазки. Но масло, применяемое для смазки компрессоров реагирует с кислородом и при достижении высоких температур окисляется в виде взрыва. Поэтому чаще применяют многоступенчатое сжатие с охлаждением сжимаемой среды после каждой ступени. Анализ построения термодинамических диаграмм показывает, что при увеличении числа ступеней компрессора процесс сжатия приближается к изотермическому, что объясняет уменьшение работы, необходимой на сжатие газа.

Работа 1-ой ступени равна:

L^I_k = p₁·V₁·k·(X₁^(k-1)/k-1)/(k-1); где X₁=р₂/р₁.

Работа второй ступени:

L^II_k = p₃·V₃·k·(X₂^(k-1)/k-1)/(k-1); X₂=p₄/p₂;

Суммарная работа будет зависеть от : числа ступеней, начальной температуры воздуха перед каждой ступенью, распределения давления по ступеням: L_k=∑L_k^(γ).

Вредным объёмом компрессора называется объём в цилиндре компрессора, который остаётся между поршнем и стенкой цилиндра при нахождении поршня в верхней мёртвой точке. Вредный объём предусмотрен во избежание разрушения цилиндра и поршня при работе компрессора. Но наличие вредного объёма уменьшает производительность компрессора. Проследим как влияет конечное давление на уменьшение порции свежего воздуха, вызванное вредным объёмом. Для этого увеличим р_КОН с р₂ до р₂₁. V_ВС1<V_ВС0. таким образом, с ростом давления уменьшается производительность компрессора. Это уменьшение принято характеризовать с помощью объёмного КПД компрессора:

λ_υ=V_ВС/V_h, где V_ВС – всасываемый объём, V_h – рабочий объём цилиндра.

λ_υ = (V_Ц/V_ВР – (р₂/р₁)^1/n)/(V_Ц/V_ВР – 1).

n=k – для адиабатного сжатия,

n=n – для политропного сжатия