 |
Индикаторная диаграмма идеального рабочего процесса компрессора
|
|
|
|
При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения:
- отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в клапанах);
- давление и температура газа во всасывающей и нагнетательной линиях постоянны;
- давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются;
- мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует.
- нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.
Индикаторная диаграмма идеального цикла представлена на рис. 2.6. Процесс сжатия газа поршнем характеризуют кривые 1-2. При изотермическом процессе это будет кривая 1-2"', при адиабатическом 1-2", а при политропическом 1-2 или 1-2". Рассматривая политропический процесс 1-2, видим, что за этот период цикла, объем газа уменьшится с V1 до V2, давление изменится от Р1 до Р2, а температура - от Т1 до Т2. Далее идет нагнетание газа в трубопровод 2-3. Давление и температура газа остаются в этот период неизменными (Р2 и Т2). Весь объем газа V2 переходит в нагнетательный трубопровод. За период 3-4 в цилиндре снижается давление до давления во всасывающем трубопроводе (Р1) закрывается нагнетательный клапан и с началом движения поршня вправо открывается всасывающий клапан. Период всасывания характеризуется линией 4-1. Здесь давление и температура газа равны Р1 и Т1, в цилиндр поступает объем газа, равный V1.
Рис. 2.6. Индикаторная диаграмма идеального цикла компрессора простого действия
Работа сжатия газа от давления всасывания Р1 до давления нагнетания Р2 в цилиндре компрессора за время одного цикла характеризуется площадью индикаторной диаграммы, ограниченной линиями, которые соединяют точки 1-2-3-4. В случае идеального процесса, когда исключены все непроизводительные потери энергии, затрачиваемая энергия равна полезной. Таким образом, индикаторная диаграмма в этом случае дает величину затрачиваемой и полезной работы.
|
|
|
При изотермическом процессе газ сжимается без нагрева и выходит с меньшей температурой, чем при адиабатическом или политропическом процессах.
Поскольку компрессор предназначен только для сжатия и перемещения газа, то повышение его температуры не является полезной для нас частью работы. Поэтому изотермический процесс (без нагрева газа) более выгоден. При этом процессе на сжатие газа от давления Р1 до давления Р2 затрачивается меньше энергии (см. рис. 2.6, площадь 1-2"'-3-4 наименьшая).
Однако изотермический процесс трудно осуществить на практике, и компрессоры работают при политропическом или адиабатическом процессе.
Работа на сжатие единицы массы газа в компрессоре
Работа идеального цикла компрессора (Lполн) равна сумме работы сжатия газа (L1) и работы вытеснения газа в нагнетательный трубопровод (L2) за вычетом работы, обусловленной энергией газа, имевшейся у него уже во всасывающем трубопроводе (L3):
Lполн = L1 + L2 — L3. ( 2.4)
Работа сжатия газа от давления Р1 до давления Р2 характеризуется площадью индикаторной диаграммы, ограниченной линиями 1-2-6-7 (см. рис. 2.6). При политропическом процессе:
(2.5)
При адиабатическом процессе:
(2.6)
При изотермическом процессе:
(2.7)
Работа нагнетания (площадь 2-3-5-6):
L2 = Р2 · V2. (2.8)
Работа, совершаемая газом благодаря имеющейся у него энергии (площадь 1-4-5-7):
L3 = Р1 · V1 (2.9)
Тогда полная работа при политропическом процессе сжатия получится:
(2.10)
Аналогично получаем работу и при адиабатическом процессе:
(2.11)
А полная работа при изотермическом процессе сжатия получится:
или, так как в изотермическом процессе, имеем окончательно:
|
|
|
(2.12)
В этих формулах:
P1 - начальное давление в Па,Р2 - конечное давление в конце процесса сжатия,V - удельный объем газа в м3/кг,L - удельная работа в Дж/кг.
В действительном цикле работы поршневого компрессора имеются значительные отличия (рис. 2.7.).
Когда поршень перемещается из верхней мёртвой точки – давление в зоне сжатия снижается ниже давления всасывания (точка 4). Впускной клапан открывается и воздух из всасывающей области поступает в зону сжатия. Поршень в этот момент перемещается вверх и давление в зоне сжатия возрастает. Как только оно превысит давление всасывания, впускной клапан закрывается (точка 1).Давление продолжает расти до тех пор, пока не превысит давления нагнетания (точка 2). Выпускной клапан открывается, и сжатый воздух дух поступает в линию нагнетания вплоть до достижения поршнем верхней мёртвой точки.При завершающем ходе поршня вниз, давление в цилиндре очень быстро понижается и выпускной клапан снова закрывается (точка 3).
Рис. 2.7. Действительный цикл поршневого компрессора
Отличия реальной индикаторной диаграммы от идеальной.
Во-первых рабочий объем используется не на 100%, в пространствемежду поршнем и крышкой цилиндра, включая каналы до плоскости клапанов, остается газ или воздух в то время, когда поршень достигает своего крайнего положения. Это положение называют мертвым, а объем пространства, в котором задерживается газ, называется вредным пространством. Объем вредного пространства может быть измерен количеством залитой в ней воды, так как непосредственное определение вредного пространства оказывается затруднительным из-за сложности каналов. Обычно объем вредного пространства составляет от 2 до 7% рабочего объема цилиндра.
Во-вторых не представляется возможным закрывать клапаны полностью герметично, а значит будут утечки.
В-третьих, механизм клапанов обладает инертностью, а значит открытие и закрытие клапанов будет всегда запаздывать, что приводит к падению давления газа. Также отметим и тот факт, что газ при попадании в цилиндр для сжатия успевает нагреться, что также не позволяет сжимать газ по идеальной диаграмме.
|
|
|
