Раздел третий
КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ
Глава I
ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ
§ 3-1. Типы компрессорных машин и их назначение
Компрессорные машины используют внешний источник энергии и предназначены для сжатия газа. По принципу действия разделяются на объемные и лопаточные.
Объемными называются машины, в которых увеличение давления газа достигается уменьшением его объема сжатием. Например, в роторных нагнетателях газ, поступивший в корпус нагнетателя, при вращении двух роторов подвергается сжатию, в результате чего повышается давление газа.
В поршневом компрессоре сжатие происходит, когда перемещающийся поршень уменьшает объем газа, находящегося в цилиндре. В лопаточных машинах вращающийся ротор сообщает потоку газа кинетическую энергию, которая до поступления в нагнетательную сеть превращается в потенциальную.
В зависимости от величины требующегося конечного давления газа процесс сжатия может быть однократным и многократным. В первом случае сжатие называется одноступенчатым, во втором — многоступенчатым.
Компрессорные машины всех типов широко используются на железнодорожном транспорте для весьма различных целей. Классификация названных машин основывается на величине степени повышения давления β, представляющей собой отношение давления р2 в конце сжатия к начальному давлению р1. По степени повышения давления компрессорные машины делятся на три группы. Если β = 1:1,1, компрессорные машины называются вентиляторами, при β = 1,1:4 — воздуходувками, если β > 4 — компрессорами.
На локомотивах вентиляторы используются для охлаждения тяговых двигателей, водяных и масляных холодильников; воздуходувка служит для наддува двигателя внутреннего сгорания; компрессор подает сжатый воздух в тормозную систему, а также для привода в действие некоторых механизмов на локомотивах и строительных путевых машинах.
Важной характеристикой компрессора является затрата энергии на его привод при данной производительности.
Под производительностью понимают количество газа, нагнетаемого компрессором в единицу времени. Производительность, выраженная в кубических метрах, при начальных параметрах называется объемной, в килограммах — массовой.
Расход энергии, т. е. экономичность и производительность в значительной степени определяются характером процессов, проходящих в рабочих органах компрессорной машины, в результате которых получается сжатый газ. Поэтому важно установить условия, при которых затрачивается наименьшая работа на сжатие газа и достигается наибольшая производительность при данных размерах компрессора.
В конструктивном отношении между компрессорными машинами имеются существенные различия, однако во всех разновидностях этих машин реализуются идентичные термодинамические принципы. Поэтому для большей наглядности рассмотрим процессы в поршневом компрессоре, когда его работа проходит в номинальном режиме и газ сжимается до заданного давления.
§ 3-2. Теоретический процесс поршневого компрессора одноступенчатого сжатия
В одноступенчатом компрессоре при перемещении поршня вправо воздух из окружающей среды через фильтр и всасывающий клапан I (рис. 3-1) при постоянном давлении р1 засасывается в цилиндр (линия 0—1). В точке 1 всасывание заканчивается и поршень начинает движение влево. В это время нагнетательный клапан II закрыт давлением р2 ранее сжатого воздуха, находящегося в патрубке III и в резервуаре IV. Поэтому поршень сжимает в цилиндре воздух до давления р2, равного давлению в резервуаре (практически несколько больше). Когда давление сжимаемого воздуха достигнет величины р2, открывается клапан II, и процесс заканчивается в точке 2. На остальной части хода поршня сжатый воздух выталкивается из цилиндра через нагнетательный клапан в патрубок III и далее в резервуар IV.
Отметим, что линии 0—1 и 2—3 не являются графиками термодинамических процессов, так как при всасывании воздуха в цилиндр, а также при нагнетании его в патрубок III изменяется масса газа. Поэтому изменение параметров газа в названных процессах не соответствует уравнениям термодинамики. С постоянной массой газа проходит только процесс сжатия, следовательно, линия 1—2 представляет график термодинамического процесса.
По указанным причинам совокупность процессов в нагнетателе не может рассматриваться в качестве обратного термодинамического цикла, аналогично обратному циклу холодильных установок.
Площадь, ограниченная линиями 0—1—2—3—0, представляет собой теоретическую работу lт, затраченную на всасывание воздуха, сжатие и удаление его из цилиндра за один оборот вала. С увеличением или уменьшением этой площади соответственно изменяется расход энергии на привод компрессора для приготовления одного и того же количества сжатого воздуха. Следовательно, чем меньше lт при одинаковом отношении р2/р1, тем выше экономичность компрессора.
Для сокращения площади, а следовательно, и работы, затрачиваемой на сжатие, осуществляют совмещение сжатия газа с одновременным его охлаждением. В результате снижается затрачиваемая работа на величину естественного уменьшения объема газа вследствие его охлаждения. Изложенное подтверждается следующим.
Работа, соответствующая площади 0—1—2—3—0, является технической работой, величина которой при данном р2/'р\ зависит только от характера процесса сжатия. Площадь 0—1—2—3—0 сокращается при уменьшении объема v2.
Из уравнения состояния для 1 кг газа:
-, но R=const, поэтому при данном р2 величина v2 зависит только от Т2. При снижении Т2 уменьшается v2 и площадь 0—1— 2—3—0 достигает наименьшей величины, когда Т2 равно начальной температуре газа Т1, т. е. при условии Т2 = Т1 = Т = const, что соответствует изотермическому характеру процесса сжатия. При этом уменьшается затрачиваемая работа на величину, соответствующую площади 1—2—2'—1.
Чтобы сжатие было изотермическим, необходимо от газа отбирать в процессе сжатия тепло, эквивалентное затрачиваемой работе. Для этого цилиндр компрессора с внешней стороны охлаждается водой или воздухом. С уменьшением количества тепла q, отбираемого от газа, изменяется характер процесса сжатия, приближаясь к адиабатическому, и когда нет теплообмена q = 0, процесс сжатия является адиабатическим. В этом случае работа, затрачиваемая на сжатие, будет наибольшей, а экономичность компрессора наименьшей.
На рис. 3-1 показана адиабата А и изотерма В. Практически сжатие является политропическим (штриховая линия С) с показателем п — 1,24-1,35. При интенсивном охлаждении сжатие приближается к изотермическому (п = 1), с уменьшением теплоотвода показатель стремится к 1,4.
Рис 3-1. Схема одноступенчатого компрессора