3.5. Подача поршневого компрессора, коэффициент подачи

Подачей компрессора называют объем или массу газа, проходящего за единицу времени по линии всасывания или линии нагнетания компрессора. Расход газа при нагнетании всегда меньше, чем при всасывании, за счет утечек газа через неплотности. Объемный расход газа обычно рассчитывается исходя из условий всасывания, нормальных условий (давление 1013,25 гПа и температура 293,15 °К) или стандартных условий (1013,25 гПа и 293,15 °К).

Потребителя интересует обычно количество газа, подаваемого ему от компрессора, приведенное к нормальным или стандартным условиям. Иногда эту подачу называют коммерческой.

Подача компрессора с одним цилиндром одинарного действия рассчитывается по формуле:

V = λV_Tn, (3.13)

где λ - коэффициент подачи, зависящий от многих факторов;

V_Т - объем воздуха, перекачиваемого поршнем за ход в одну сторону;

п - число двойных ходов поршня в минуту (с возвращением в исходное положение). Коэффициент подачи рассчитывается по формуле:

λ = λ _О λ _Г λ _Т λ_Р (3.14)

где коэффициенты; λ _О - объемный;

λ _Г - герметичности;

λ _Т - температурный;

λ_Р - давления.

Объемный коэффициент отражает степень полноты использования объема цилиндра:

, (3.15)

где m - показатель политропы;

ξ - степень сжатия компрессора;

а - относительный коэффициент «мертвого» пространства.

.

Коэффициент герметичности λ Г вводится ввиду того, что могут быть запаздывание закрытия клапанов, негерметичностъ уплотнений зазора между поршнем и цилиндром, уплотнений штоков у цилиндров двойного действия, негерметичность соединений рабочих каналов. Коэффициент герметичности обычно принимается в пределах 0,95...0,98.

Температурный коэффициент λ Т отражает влияние нагрева газа при всасывании за счет теплообмена с горячими стенками цилиндра и каналов. При нагреве увеличивается объем газа, находящегося в цилиндре, и уменьшается полезный объем газа, поступающего в цилиндр из всасывающего патрубка. Температурный коэффициент зависит от степени сжатия газа, поскольку от этого зависят температура нагнетаемого газа и температура стенок каналов и цилиндра. Ориентировочно температурный коэффициент можно найти по формуле:

λ _Т =1-0,01{ξ-1). (3.16)

Коэффициент давления λР учитывает снижение подачи компрессора за счет уменьшения давления газа в цилиндре при всасывании по сравнению с давлением во всасывающем патрубке. В результате этого снижения давления газ расширяется и в цилиндр входит меньшее его количество. На подачу влияет уменьшение давления не в начале, а в конце периода всасывания. Коэффициент давления обычно находится в пределах 0,95...0,98.

3.6. Многоступенчатое сжатие Принцип получения высоких давлений в поршневом компрессоре

При необходимости сжимать газ до давления, превышающего 0,4...0,7 МПа по манометру, применяют многоступенчатое сжатие, сущность которого состоит в том, что процесс сжатия газа разбивается на несколько этапов, или ступеней. В каждой из этих ступеней газ сжимается до некоторого промежуточного давления и, перед тем как поступать в следующую ступень, охлаждается в межступенчатом холодильнике. В последней ступени газ дожимается до конечного давления. В современных компрессорах высокого давления число ступеней сжатия достигает семи.

Введение многоступенчатого сжатия позволяет:

• уменьшить работу, затраченную на сжатие;

• ограничить температуру в конце сжатия;

• обеспечить более высокий коэффициент подачи.

Как было сказано выше, работа при адиабатическом сжатии значительно превышает работу при изотермическом сжатии. При увеличении степени сжатия это расхождение быстро увеличивается. Значительное увеличение давления газа в одном цилиндре приводит к тому, что самое тщательное охлаждение цилиндра не приближает процесс сжатия к изотермическому, и он становится близок или практически идентичен адиабатическому процессу. Это устанавливает предел повышения давления в одном цилиндре компрессора.

Для уменьшения работы сжатия применяется ступенчатое сжатие газа с охлаждением его в охладителях, расположенных между ступенями компрессора.

В результате охлаждения газа устраняется и другая причина, обусловливающая применение ступенчатого сжатия - это недопустимое повышение температуры газа при большой степени повышения давления одноступенчатым компрессором. Температура на этапе сжатия газа не должна достигать значений, при которых происходит изменение свойств компрессорного масла. С повышением температуры газа вязкость масла уменьшается, ухудшаются условия смазки и увеличивается износ трущихся деталей компрессора. При достижении температур порядка 180...200 °С масло разлагается, в результате чего поверхности деталей цилиндра компрессора и нагнетательный трубопровод покрываются нагаром. Это ухудшает охлаждение компрессора и нарушает его нормальную работу (увеличивается трение между поршневыми кольцами и цилиндром, ухудшается работа клапанов; возможны поломки колец и задиры поверхности цилиндра, возникает опасность самовозгорания и взрыва в нагнетательной линии).

В одной ступени компрессора можно достичь только определенных значений ξ = р₂/р₁. Так, чрезмерное повышение ξ может привести к значительному уменьшению коэффициента подачи и, следовательно, к уменьшению производительности компрессора. Предельный случай, когда компрессор перестает перемешать газ, будет при λ₀=0. При этом критическое значение ξ, исходя из формулы (3.15), будет определяться по формуле:

. (3.17)

Так, при а = 0,1 и показателе политропы т = 1,2 критическое значение ξ= 17.8, компрессор будет работать вхолостую. Это объясняется тем, что при достижении определенных давлений р₂ по сравнению с р₁ газ, содержащийся в «мертвом» пространстве, при расширении будет заполнять весь объем цилиндра. При этом не будет происходить процесс всасывания, а следовательно, и нагнетания.

На рис. 3.4. приведена диаграмма р — V, иллюстрирующая зависимость всасывающих объемов от давления нагнетания р₂ при р₁ = const. Из этой диаграммы следует, что увеличение давления нагнетания до р" приводит к уменьшению объема всасываемого газа до V". При повышении давления нагнетания до р₂'" объем всасываемого газа становится равным нулю. Процесс сжатия и расширения газа в этом случае характеризуется кривой 1'—2'".

Указанные причины ограничивают степень повышения давления одной ступени компрессора значениями ξ в пределах 4...5,5.

Рис. 3.4. График зависимости объема всасывания от давления нагнетания