4.6. Объемные компрессоры. Принцип действия. Классификация. Основные параметры.

Сжатый воздух получается с помощью различного типа компрессоров. Компрессоры низкого давления называют вентиляторами и применяют для перемещения и подачи воздуха в калориферы сушильных установок, воздухоподогреватели, топки, а также для преодоления сопротивления движению газов, чтобы обеспечить тягодутьевой режим в различных установках.

По принципу устройства и работы компрессоры делятся на две группы – объемные и лопаточные. Объемные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные, а лопаточные – на центробежные и осевые (аксиальные). Несмотря на конструктивные различия термодинамические принципы их работы аналогичны между собой.

Объемный компрессор – это компрессор статического сжатия, которое происходит в нем вследствие уменьшения объема, где заключен газ.

Классификация объемных компрессоров

По степени сжатия газа (отношения давлений):

• Компрессоры, у которых отношение р₂/р₁=3-1000 ата (0,3-98 МПа);
• Газодувки, у которых отношение р₂/р₁=1,1-3 ата (0,11-0,3 МПа).
• Эксгаустеры (вакуум), у которых отношение р₂/р₁=0,05-0,02 ата (0,005-0,002 МПа).

По производительности:

• малые — объемной производительностью до 0,015 м³/с;
• средние — от 0,015 до 1,5 м³/с;
• крупные — более 1,5 м³/с (практически — до десятков кубометров в секунду).

По принципу действия:

• Поршневые, характеризуемые возвратно-поступательным движением поршня в цилиндре и принужденным сжатием газа вследствие уменьшения объема рабочей камеры;
• Ротационные, характеризуемые непрерывным вращением ротора и принужденным сжатием газа.

Классификация поршневых компрессоров

По числу ступеней:

• Одноступенчатые (со степенью сжатия р₂/р₁=2-8);
• Двухступенчатые (р₂/р₁=8-50);
• Многоступенчатые (р₂/р₁=50-1000).

По расположению осей цилиндров компрессора:

• Горизонтальныыые;
• Вертикальные;
• V-образные;
• W-образные;
• Звездообразные.

Классификация ротационных компрессоров

По конструкции:

• пластинчатые
• с жидкостным поршнем
• газодувки

По числу ступеней:

• Одноступенчатые (со степенью сжатия до 0,4 МПа);
• Двухступенчатые (до 0,8 МПа).

Основные параметры

Сжатие газа сопровождается изменением его давления и температуры. Теоретически можно представить два предельных случая сжатия газов, причем все реальные процессы сжатия газов будут являться промежуточными между ними.

В первом случае вся теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью отводится наружу, и процесс изменения состояния газа, т.е. изменение его объема и давления, протекает при одной постоянной температуре; такой процесс называется изотермическим.

Во втором случае, наоборот, вся теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью остается внутри газа, повышая его температуру, при этом потери тепла в окружающую среду отсутствуют; такой процесс называется адиабатическим.

Механическая работа затрачиваемая на сжатие газа, при изотермическом процессе равна

L_из=p₁V₁ln(p₂/p₁)   [кгс∙м]

где p₁, p₂ – начальное и конечное (после сжатия) давление газа [кгс/м²];

V₁ – начальный объем газа [м³].

Работа затрачиваемая на сжатие газа, при адиабатическом процессе равна

L_ад=[k/(k-1)]p₁V₁[(p₂/p₁)^k-1/k -1]  [кгс∙м]

где k – показатель адиабаты; k=c_p/c_v.

Количество тепла, которое выделяется при изотермическом сжатии:

Q_из=RT∙ln(p₂/p₁)=(c_v - c_p)T∙ln(p₂/p₁) [ккал]

где T – абсолютная температура, при которой протекает процесс сжатия [К];

c_v,c_p – теплоемкость газов при постоянных объеме и давлении [ккал/кгс∙°С].

Тепло, которое выделяется при адиабатическом сжатии:

Q_ад=c_p(T₂ – Т₁)=i₂ – i₁ [ккал/кгс]

где i₁, i₂ – теплосодержание газа в начале и конце сжатия.

Если в течение процесса сжатия газа тепло отнимается в меньшем количестве, чем это необходимо при изотермическом сжатии, что и происходит во всех реальных процессах сжатия, такой процесс будет называться политропическим. Механическая работа при политропном процессе равна

L_пол=[m/(m-1)]p₁V₁[(p₂/p₁)^m-1/m -1]  [кгс∙м]

где m – показатель политропы.

Зная, какую работу теоретически необходимо затратить на сжатие газа заданного давления, и К.П.Д. машины, производящей сжатие, определяют мощность машины по уравнению

N=L/102η [квт]

Где L – затрата работы на сжатие [кгс∙м/с];

η – К.П.Д. машины.

Принцип действия

Поршневые компрессоры

  

Газ сжимается в результате возвратно-поступательных движений поршня. Поршневой компрессор состоит из цилиндра 1, в котором передвигается поршень 2, снабженный уплотнительным поршневым кольцом 3. Поршень приводится в возвратно-поступательное движение кривошипно-шатунным механизмом. Цилиндр герметически закрыт крышками, в каждой из которых имеются по две клапанные коробки. При ходе поршня справа налево в пространстве позади поршня создается разряжение, вследствие чего открывается всасывающий клапан 4 и газ засасывается по трубопроводу 5 в цилиндр компрессора; при этом нагнетательный клапан 6 закрыт.

В это же время находящийся в цилиндре впереди поршня газ сжимается до такой степени, что его давление оказывается достаточным для преодоления сопротивления нагнетательного клапана 7. Тогда клапан 7 открывается и на всем остальном протяжении хода поршня сжатый газ выталкивается в нагнетательный трубопровод 8; при этом давление его остается приблизительно постоянным.  При обратном ходе поршня слева направо клапаны 4 и 7 закрыты, а клапан 9 вследствие разряжения открывается; затем происходит открытие клапана 6. Дальше процесс протекает так же, как и при движении справа налево.

Ротационные компрессоры

 

В цилиндрическом корпусе 4 эксцентрично по отношению к оси корпуса вращается ротор 7, насаженный на вал. Ротор имеет ряд прорезей, в которые вставлены подвижные стальные пластины 8. При вращении ротора пластины выдвигаются центробежной силой из прорезей, прижимаются к внутренним поверхностям корпуса.

При вращении ротора с пластинами, образуются замкнутые пространства (камеры) в корпусе, куда засасывается некоторый объем газа низкого давления; при дальнейшем движении пластин это пространство суживается, газ сжимается и выталкивается в нагнетательный трубопровод 5. На выходе из компрессора установлен обратный клапан 10.

При вращении ротора пластины разделяют серповидное рабочее пространство в корпусе на камеры разной величины, объем которых уменьшается от всасывающего штуцера 9 к нагнетательному 5. выходе из компрессора установлен обратный клапан 10.