Поршневые компрессоры

4.4.1. Индикаторная диаграмма

Проследим порядок работы компрессора в диаграмме pV, где V – объем, замыкаемый поршнем в цилиндре и зависящий от положения поршня.

 

 

 
 

 


1-2 – сжатие. Политропа pVn = const (n ~ 1,35)

2-3 – подача. Изобара р2 = const

3-4 – расширение. Политропа = const (n ~ 1,2)

4-1 – всасывание. Изобара р1 = const (p1 < ратм из-за сопротивления

тракта всасывания)

1-2-3-4: = теоретическая индикаторная диаграмма компрессора.

 

4.4.2. Мощность компрессора

 

 

(вспоминая, что ) получим:

 

ηм= 0,8…0,93; ηиз= 0,65…0,85 (в зависимости от интенсивности охлаждения).

 

4.4.3. Мертвое пространство. Подача

Относительный объем мертвого пространства

а = 0,025…0,060 если клапаны – в крышках цилиндров; а ≈ 0,20 если клапаны в боковых поверхностях цилиндров.

 

♦ Отношение всасываемого объема к рабочему объему цилиндра называется объемным коэффициентом компрессора

 

λо характеризует использование рабочего объема цилиндра.

Запишем для процесса расширения (3-4)

 

заменим

 

Из индикаторной диаграммы:

 

 

Действительный объем всасывания:

 

где индекс 1 означает, что эта величина – при давлении р1; λт – коэффициент, учитывающий уменьшение объема всасывания из-за нагрева газа от горячих поверхностей клапанов и стенок цилиндров (термический коэффициент); λг – коэффициент, учитывающий уменьшение объема всасывания из-за утечек газа через клапаны, сальники и поршневые кольца (коэффициент герметичности).

♦ Рабочий объем цилиндра , где D – внутренний диаметр цилиндра, S – ход поршня.

Подача:

Q = V1 ∙ n = λo λт λг ∙ Vp ∙ n

 

Действительная индикаторная диаграмма

 
 

 

 


Отличия от теоретической – при срабатывании напорного (т.2) и всасывающего (т.4) клапанов вследствие: 1. “залипание” 2. инерционность.

 

4.4.4. Регулирование подачи

 

1. Изменение частоты вращения

Q = V1 ∙ n

Используется при газо- и паро- турбинных приводах. При электроприводе не используется.

 

2. Изменение хода поршня S.

 

 


3. Дросселирование на всасывании (р1↓)

 
 

 


4. Отжимание пластин всасывающего клапана

 

 

 


Если р в ресивере ↑↑ (по причине Qпотреб↓) то срабатывает механизм отжимания всасывающего клапана и при ходе поршня вверх воздух выбрасывается во всасывающую линию (сжатия и подачи газа нет до тех пор пока ррес > ркрит).

 

5. Изменение мертвого пространства.

 
 

 



 

 

При увеличении мертвого пространства от Vм до Vм’ подача уменьшается: на всасывании - ΔVвс, на нагнетании – на ΔVпод.

4.4.5. Конструкции поршневых компрессоров

Многоступенчатые поршневые компрессоры выполняются двух типов:

1. С дифференциальными поршнями и несколькими ступенями сжатия в одном цилиндре.

2. Со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах.

 

1.

 

 

Двухступенчатый компрессор прямоточного типа с дифференциальным поршнем: I – 1-ая ступень сжатия; II – 2-ая ступень сжатия.

Процесс происходит следующим образом:

Поршень влево: В 1 ступени сжатие или нагнетание во 2-ой – всасывание или расширение. Поршень вправо – наоборот.

 
 

 

 


Двухступенчатый компрессор с дифференциальным поршнем одностороннего действия.

 

 
 

 

 


Трехступенчатый компрессор с дифференциальным поршнем.

 

Есть и более сложные конструкции.

 

2. (со ступенями давления в отдельных цилиндрах)

Согласно ГОСТ эти компрессоры выполняют следующих типов:

 
 

 

 


Бескрейцкопфные с V-образным расположением цилиндров (типа ВУ)

(Крейцкопф: = ползун).

 

 
 

 

 


Крейцкопфные с прямоугольным расположением цилиндров (типа ВП)

 

 
 

 

 


Крейцкопфные с горизонтальным расположением цилиндров (типа ВМ).

 

(+) и (–):

Компрессоры ВУ и ВП с расположением осей цилиндров в вертикальной плоскости трудно сбалансировать динамически, они тихоходны, требуют тяжелых фундаментов и больших высот здания, но площадь для их установки невелика.

Компрессоры ВМ (оппозитные) получают большое распространение. Основные (+): легко балансируются динамически и допускают частоту вращения в 2,5…3 раза большую, чем ВУ и ВП.

♦ Заводы выпускают компрессоры стандартизованного номенклатурного ряда. Этот ряд построен на основе унификации деталей компрессоров, что позволяет создавать машины различных подач и давлений с применение одинаковых конструкций основных элементов (рам, цилиндров, валов и пр.).

(+) Это удешевляет производство компрессоров.

♦ Бескрейцкопфные компрессоры. Роль крейцкопфа (ползуна) выполняет сам поршень, обладающий в этом случае удлиненной цилиндрической поверхностью. Обычно это компрессоры низкого давления с 1 или 2 ступенями сжатия.

♦ Крейцкопфные компрессоры используются для любых давлений, но характерны для высоких давлений при многоступенчатом сжатии (при бескрейцкопфном типе компрессора возникают большие поперечные силы, восприятие которых поверхностью поршня недопустимо).

♦ Смазка компрессора. Подшипники с помощью шестеренного масляного насоса, подающего масло из картера к подшипникам. Цилиндры – как правило, с помощью лубрикатора.

Основные элементы поршневого компрессора:

Цилиндры.

При р ≤ 8 мПа – из чугуна, при p > 8 мПа – из стального литья или поковок. Для улучшения работы поршня используются сменные чугунные втулки. Крепление – лапы, опирающиеся на плиты, залитые в бетонный фундамент. Имеют штуцера для: входа и выхода охлаждающей воды, масла для смазки, термометров и манометров.

 

Поршни. Наиболее распространены: 1. дисковые для ступеней 2-го действия и 2. дифференциальные. Материал – чугун, сталь. Поршни снабжают чугунными уплотняющими кольцами.

 

Сальники – в местах прохождения штоков поршней через крышки. При низких давлениях применяется мягкая набивка (при р ≤ 2,5 мПа – хлопчатобумажная и асбестовая набивка, пропитанная графитовой мазью). При больших р – асбестово-проволочный прографиченный шнур. В камерах высокого давления используются сальниковые уплотнения в виде конических разрезных чугунных колец. Сальники почти всегда охлаждаются.

 

Клапаны. Почти всегда – самодействующие, открывающиеся и закрывающиеся автоматически благодаря разности давлений, действующих по обе стороны клапана.

Типы: пластинчатый, тарельчатый, прямоточный.

(+): малое газовое сопротивление.