Анализ основных параметров нагнетателей
Рассмотренные выше уравнения, полученные на базе основных законов газодинамики, механики и термодинамики, позволяют рассмотреть наиболее общие закономерности в изменении основных показателей нагнетателей с учетом разнообразия их конструкций, применяемых рабочих тел, изменения внешних условий - скорости вращения и параметров окружающей среды (температуры, давления на всасывании нагнетателя).
Из равенства
следует, что при заданной и постоянной величине φ2, определяемой типом нагнетателя и геометрией его проточной части, работа, отнесенная к единице количества рабочего тела, прямо пропорциональна квадрату окружной скорости (а при том же диаметре D и квадрату частоты вращения) и не зависит от физической природы рабочего тела и его начальных параметров.
При выборе и расчете одно- и многоступенчатых нагнетателей эта взаимосвязь очень важна, так как независимо от природы рабочего тела и начальных параметров при заданной предельной скорости и, (определяемой конструкцией, материалом лопаток и т.д.) позволяет устанавливать предельное значение работы, передаваемой рабочему телу в одной ступени или в нагнетателе в целом, а для многоступенчатых нагнетателей - минимальное число ступеней.
Принимая во внимание равенства
Для компрессора для насоса или вентилятора
можно сделать вывод, что конечное давление, создаваемое ступенью нагнетателя зависит как от свойств рабочего тела (k, R и ρ), так и от начальных параметров на входе в нагнетатель Т1 и р1.
Особенно сильно проявляется влияние перечисленных выше параметров на показатели компрессоров.
Для постоянных температуры и давления на входе компрессора наиболее существенно на степени сжатия ε и конечном давлении сказывается изменение газовой постоянной R поскольку ее значение меняется от R = 60 - 80 Дж/(кг-К) для многоатомных газов, например фреонов, до больших значений R для одноатомных газов, таких, как гелий R = 2078 Дж/(кг.К) и водород R = 4124 Дж/(кг.К). Воздух как смесь газов имеет промежуточное значение газовой постоянной R = 287 Дж/(кг.К)*.
Для заданных условий сравнения при постоянном значении
u2 = 200 м/с, при Твс = 300 К, рвс = 0,1 Мпа.
Степень сжатия ступени
на фреоне ε = 2,7,
воздухе ε = 1,28
гелии ε = 1,04.
Соответственно при заданном отношении давлений сжатие легких газов (водорода и гелия) потребует значительных скоростей u2.
Например, для сжатия гелия до ε = 2 в одной ступени необходима при тех же начальных условиях скорость u2 = 950 м/с, что невозможно по условиям прочности материала колеса, и для достижения таких степеней сжатия необходимо три или четыре ступени.
Другая характеристика физической природы газов - показатель k на ε не оказывает заметного влияния, однако оказывает существенное влияние на повышение температуры в ступени. Сжатие тяжелых газов (фреоны, k = 1,13-1,15) характеризуется сравнительно малым изменением температуры в процессе сжатия, в то время как при сжатии легких газов температура сильно меняется.
Так, для ε = 2 при тех же исходных данных, что и в предыдущем примере, (ΔTфр = 30°С, ΔTвоз = 80°С, ΔTге = 120°С.
Влияние начальной температуры также существенно сказывается на степени сжатия и на развиваемом компрессором давлении. Изменение только давления на входе компрессора не приведет к изменению ε, при этом меняется только давление нагнетания.
Мощность, потребляемая нагнетателем при неизменной объемной производительности и постоянной частоте вращения, прямо пропорциональна плотности рабочего тела на входе, т.е. прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре на входе в нагнетатель.