Регулирование работы компрессоров.

Рис. 8.11 Напорная характеристика поршневого компрессора

Рис. 8.10 Влияние герметичности клапанов на индикаторную диаграмму компрессора

Рис. 8.9 Индикаторная диаграмма реального цикла поршневого компрессора

 

Влияние вредного пространства. В крайнем левом положении поршня (см.рис.8.9), когда завершился процесс вытеснения, в цилиндре остается сжатый воздух, заполняя пространство в зазоре между рабочей поверхностью поршня и крышкой, а также проточные каналы клапанов до их разделительных элементов. Это пространство в цилиндре называют вредным или "мертвым".

Сжатый воздух, заполняющий вредное пространство, препятствует открытию всасывающего клапана в момент начала очередного движения поршня вправо. Вместо мгновенного падения давления по линии 4-1 (диаграмма идеального цикла показана пунктирными линиями) в начале движения поршня вправо будем иметь процесс расширения воздуха, оставшегося во вредном пространстве, по линии 4-1"-1'. Если всасывающий клапан не оказывает сопротивления движению воздуха, то по достижении атмосферного давления в точке I" начинается процесс всасывания. Ве­личина смещения I - I" будет характеризовать потерю рабочего объема V_р из-за заполнения воздухом, поступившим при расширении из вредного пространства, a V_s - объем поступающего в цилиндр атмосферного воздуха с учетом вредного пространства.

Влияние вредного пространства на производительность компрессора оценивают объемным коэффициентом который зависит от относительной величины вредного пространства крутизны политропы расширения 4-1" и конечного давления воздуха в точке 4. Очевидно, с увеличением давления во вредном пространстве аккумулируется большое количество сжатого воздуха, расширение которого приводит к большой потере рабочего объема, и объемный коэффициент компрессора уменьшается.

На энергоемкость сжатия вредное пространство практически не оказывает влияния, так как энергия, расходуемая на сжатие воздуха во вредном пространстве, с небольшими потерями возвращается приводу в процессе расширения 4 - I".

Влияние сопротивления клапанов. Открытие всасывающего клапана и начало процесса всасывания наступает не в точке I" (см.рис.8.9), когда давление в цилиндре снижается до атмосферного, а несколько позже (в точке I'), так как между внутренней полостью цилиндра и атмосферой должен быть обеспечен перепад давлений , необходимый для преодоления упругости пружины, сил инерции пружины и разделительного элемента (пластины), а также аэродинамических сопротивлений проточных каналов клапана и всасывающей магистрали компрессора. Поэтому действительная потеря рабочего объема несколько больше величины I - I". Кроме того, давление р₁ в конце всасывания несколько ниже атмосферного, что обусловливает меньшую по сравнению с атмосферной плотность воздуха в цилиндре. При возвратном движении поршня часть его хода реализуется на повышение давления в цилиндре от р₁ до р₂(линия 2 - 2").

Объем поступившего в цилиндр воздуха, приведенного к нормальному атмосферному давлению, может быть оценен приближенно прямой линией I" - 2". Отношение называют дроссельным коэффициентом, учитывающим влияние понижения давления в цилиндре на производительность компрессора. Очевидно, понижение атмосферного давления автоматически повлечет снижение давления р₁и соответствующее уменьшение дроссельного коэффициента и производительности компрессора. Поэтому в условиях высокогорных карьеров, где атмосферное давление намного ниже нормального, для повышения производительности компрессоров применяют наддув воздуха во всасывающую магистраль при помощи вентиляторов и воздуходувок.

Как видно из диаграммы (см.рис.8.9), давление воздуха в процессе всасывания и нагнетания изменяется, что объясняется повышенной инерцией клапанов в момент их открытия, а также изменяющейся скоростью движения поршня, в связи с чем изменяется скорость движения воздуха через клапаны и соответствующие аэродинамические сопротивления.

Перепад давлений численно равен сопротивлению нагнетательного клапана в момент его открытия. Заштрихованные площадки характеризуют дополнительные потери энергии в компрессоре на преодоление сопротивлений клапанной системы воздухораспределения.

Влияние подогрева воздуха. Подогрев воздуха в процессе всасывания обусловлен теплообменом с нагретыми узлами компрессора и сопротивлениями всасывающего тракта. Плотность нагретого воздуха меньше, чем нормального атмосферного, что приводит к соответствующему снижению весовой производительности компрессора, которое оценивают температурным коэффициентом . Величина температурного коэффициента ориентировочно равна отношению нормальной атмосферной температуры Т₀ к температуре воздуха Т₁ в цилиндре в конце процесса всасывания.

Увеличение атмосферной температуре приводит к соответствующему увеличению температуры Т₁ и снижению производительности компрессора. Температурный коэффициент уменьшается с повышением конечного давления в цилиндре, так как с увеличением степени сжатия повышается температура сжатого воздуха и степень нагрева рабочих узлов компрессора.

Влажность атмосферного воздуха также влияет на работу компрессора. С увеличением влажности уменьшается плотность воздуха. Кроме того, влагу выделяют в пневмосети, как вредный компонент, теряя при этом энергию, затраченную на сжатие водяного пара в компрессоре.

Влияние утечек. Утечки сжатого воздуха в атмосферу через сальники и зазоры между цилиндром и поршневыми кольцами называют внешними. Внутренние утечки - это перетоки воздуха через клапаны из-за негерметичности, а также вследствие запаздывания их закрытия.

Уменьшение производительности из-за утечек оценивают коэффициентом герметичности который численно равен отношению расхода воздуха в нагнетательном тракте Q_н к объему всасываемого воздуха ,приведенных к нормальным атмосферным условиям.

Коэффициент герметичности зависит, помимо конструкции, от эксплуатационного состояния компрессора. При значительном загрязнении клапанов период запаздывания их закрытия увеличивается, что ведет к резкому падению производительности. Индикаторная диаграмма изменя­ется, как это показано на рис.8.10. Диаграмма 1-2-3-4, показанная сплошными линиями, соответствует исправно работающему компрессору. Пунктирная линия 4-1' характеризует процесс расширения при загрязненном нагнетательном клапане, а 2 - 3' - процесс сжатия при запаздывании закрытия всасывающего клапана.

На принципе сравнения индикаторных диаграмм основано определение неисправностей компрессора. Для этого пользуются справочными таблицами, в которых указаны причины отклонений индикаторных диаграмм, записанных в производственных условиях, от стандартных.

С учетом влияния рассмотренных факторов действительная производительность поршневого компрессора будет определяться следующим образом:

где, коэффициент подачи, величина которого в общем случае зависит от конечного давления в цилиндре, так как с увеличением конечного давления снижается объемный и температурный коэффициенты и увеличиваются утечки. Поэтому с увеличением конечного давления в цилиндре производительность компрессора уменьшается, а его действительная напорная характеристика имеет вид, показанный на рис.8.11 (пунктирной линией изображена теоретическая напорная характеристика). Работа компрессора считается достаточно экономичной, если >0,7

По индикаторной диаграмме путем планиметрирования ее площади определяют так называемую индикаторную мощность (кВт) компрессора.

где,

среднее индикаторное давление, бар.

F - площадь поршня, м ,

S - ход поршня, м.

N - частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Величину среднего индикаторного давления определяют по результатам планиметрирования диаграммы следующим образом:

где - масштаб давления, бар/мм, и соответственно площадь (мм²) и длина (мм) индикаторной диаграммы, характеризующая объем V_p(см.рис,8.9).

Потребляемая компрессором мощность (на валу) больше индикаторной на величину механических потерь на трение:

где = 0,3 - 0,95 - механический к.п.д.

Оценку энергетического совершенства конструкций компрессоров производят по изотермическому и адиабатному к.п.д.

Мощность привода компрессора рассчитывают с учетом к.п.д. промежуточной передачи между двигателем и компрессором.

Регулирование производительности компрессора производится с целью поддержания постоянного давленая в воздухопроводной сети, что необходимо для нормальной работы потребителей сжатого воздуха. Так при недостаточной производительности компрессора, давление в воздухопроводной сети будет падать, при обратном явление давления возрастать, что приводит к излишнему быстрому числу ходов (оборотов) механизмов - а это износ механизмов, а при несрабатывании предохранительного устройства может быть авария.

При длительной нехватке воздуха подключают дополнительный компрессор, а кратковременную нехватку - компенсирует воздухосборник.

На практике чаше всего возникает необходимость понизить избыточное давление.

Регулирование подачи воздуха в воздухопроводную сеть может быть осуществлено автоматически:

1) выключением компрессорного двигателя применяется для компрессоров малой мощности, для мощных компрессоров не подходит из-за толчков тока в сети;

2) выпуском в атмосферу из воздухосборника через клапан излишнего количества воздуха;

3) путем изменения скорости вращения вала - наиболее экономичный и удобный способ, но в большинстве случаев приводы на компрессорах не регулируются;

4) при постоянной скорости вращения вала путем:

а) открывания всасывающих клапанов при всасывающем и нагнетательном ходе поршня