Преимущества вертикальных компрессоров

 

1. Более быстроходны (300-500 об/мин против 100-240 об/мин в горизонтальных).

2. Меньший износ поршней и цилиндров, так как поршень не опирается на рабочую поверхность цилиндра, и достигается более равномерная смазка, а также благоприятного для фундамента направления сил инерции);

3. Меньшая требуемая производственная площадь.

 

Индикаторная диаграмма одноступенчатого поршневого компрессора (зависимость  за один оборот коленчатого вала):

Крайние положения поршня не доходят до стенки цилиндра – относительный объем «мертвого» пространства:

 

;

;

Рабочий объем цилиндра , описываемый поршнем за один ход.

Наличие «мертвого» пространства уменьшает производительность.

При расширении газа давление падает до , меньшего давления во всасывающей линии .

При  откроется всасывающий клапан. Объем всасывания: , где  - объемный К.П.Д.

При движении влево – политропическое сжатие газа (линия ВС) до давления, несколько превышающего  (открывается нагнетательный клапан). АВ – объем всасывания; СD – объем нагнетания.

По индикаторной диаграмме (с учетом масштаба) можно определить полезную работу и индикаторную мощность:

 

;

где:  - площадь индикаторной диаграммы;  - масштаб пружины индикатора.

Производительность компрессора определяется объемом газа, подаваемого в единицу времени в нагнетательный трубопровод и приведенного к условиям всасывания.

Теоретическая производительность – объем, описываемый поршнем в единицу времени:

· Для компрессора одностороннего действия:

;

где:  - ход поршня, м.

· Для компрессора двухстороннего действия:

 

;

 

Фактическая производительность:

 

;

где:  - коэффициент подачи.

Для многоцилиндровых:

;

где:  - число цилиндров.

 

Коэффициент подачи представляет собой отношение:

;

то есть объем нагнетаемого газа, отнесенного к условиям всасывания, к рабочему объему цилиндра.

;

 

Коэффициент подачи учитывает потери производительности за счет:

a) «Мертвого» пространства (уменьшения рабочего объема цилиндров) -  (объемный коэффициент);

b) Негерметичности в поршневых кольцах, клапанах, сальниках:  (коэффициент герметичности), ;

c) Вредное расширения всасываемого газа при контакте с горячими стенками цилиндра:  (термический коэффициент), .

 

 

Объемный коэффициент:

;

Введем величину , откуда:

;

Для процесса расширения газа в мертвом пространстве:

;

откуда:

 

;

или:

 

;

 

Величина объемного коэффициента  зависти от относительного объема «мертвого» пространства  и показателя , то есть от конструкции машин и свойств сжимаемого газа.

С увеличением степени сжатия  -  уменьшается и может стать равным нулю. Это происходит при предельном сжатии ().

В этом случае газ из «мертвого» пространства, расширяясь, заполняет весь объем цилиндра, при этом . Практически степень сжатия в одном цилиндре не превышает 5-6.

На индикаторной диаграмме линии сжатия и расширения сливаются.

Предел сжатия определяется из выражения:

;

;

В действительности компрессоры не работают с , соответственно, определяется допускаемая практически степень сжатия:

Кроме того, температура  (из-за возможности воспламенения паров масла):

 - предел сжатия по температуре.

Многоступенчатое сжатие

Применяется для получения высоких давлений путём последовательного прохождения ступеней сжатия с обязательным промежуточным охлаждением газа. Объёмы цилиндров последовательно уменьшаются!!!

 

а) Однорядный двойного действия со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах. Поршни движутся в одном направлении – поэтому возникают большие инерционные силы.

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун;

6 – ползун (крейцкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник.

 

б) Оппозитный двухрядный. С противоположным движением поршней. Это позволяет уравновесить силы инерции. Достигается большая скорость вращения коленчатого вала и, следовательно, становится выше производительность.

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун;

6 – ползун (крецкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник

 

в) Двухступенчатый простого действия с V-образным расположением цилиндров. Имеет ряд достоинств: уменьшение занимаемых производственных площадей; непосредственное соединение с электродвигателем. У нас в лаборатории 0-14.

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун;

6 – ползун (крецкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник

г) Двухступенчатый с дифференциальным поршнем (поршнем переменного сечения). Имеет возможность в одном цилиндре производить две или более ступеней сжатия.

 

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун;

7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник

 

При числе ступеней сжатия n и степени сжатия в одной ступени  получаем:

 

 

С учётом потерь давления между ступенями

 

Обычно степень сжатия в одной ступени , чтобы температура газа в конце сжатия не превышала 150-160 ⁰C. Производительность многоступенчатого компрессора определяется производительностью первой ступени.

Энтропийная диаграмма (T-S) для многоступенчатого компрессора

Допущения:

1) Газ охлаждается до начальной температуры;

2) Потери давления в холодильнике равны нулю;

3) Мёртвые пространства не учитываются.

 

Линия BK соответствует изотермическому сжатию от давления P₁ до P_к; (в одноступенчатом компрессоре).

Линия AL соответствует политропическому сжатию в одноступенчатом компрессоре.

Процесс многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением более близок к изотермическому.

Если степени сжатия  постоянны по ступеням и T_вых=T₁, то теоретическая работа многоступенчатой машины

 

 

Предельная температура в конце сжатия:

 

Теоретический объёмный КПД машины: