при работе поршневого компрессора процесс всасывания происходит при каком параметре
Поршневой компрессор: устройство, характеристики, принцип работы
Поршневой компрессор — это устройство, предназначенное для повышения давления (сжатия) и перемещения газообразных веществ.
Назначение поршневого компрессора заключается в подаче сжатого воздуха или газа под избыточным давлением, более 0,2 – 0,3 МПа.
Электрические поршневые компрессоры, воздействующие с помощью поршня на определенный замкнутый объем воздуха в цилиндре в период нагнетания, могут создавать значительную степень сжатия при относительно ограниченной подаче воздуха или газа.
Содержание статьи
Поршневой компрессор обладает высоким коэффициентом полезного действия и его применение наиболее целесообразно при давлении более 1 МПа и при малой подаче.
Компрессор поршневой центробежный конструктивно и по принципу действия похож на многоступенчатый центробежный насос. Отличие заключается в том, что рабочим телом является сжимаемый газ.
Работа поршневого компрессора
Принцип работы поршневого компрессора похож на действие поршневого насоса. Отличием является то, что поршень насоса выталкивает жидкость в течение всего нагнетательного хода, а компрессор поршневой выталкивает воздух или газ лишь после того, как давление в цилиндре превысит давление в нагнетательной линии.
Принцип действия поршневого компрессора основан на совместной работе:
цилиндра;
поршня;
клапана нагнетания;
клапана всасывания;
шатуна;
коленчатого вала.
Всё начинается с того, что привод поршневого компрессора приводит в движение коленчатый вал. Работа поршневого компрессора состоит в подаче сжатого воздуха или газа под избыточным давлением и происходит это следующим образом.
При движении поршня вправо из крайнего левого положения всасывающий клапан k1 открыт и воздух всасывается в цилиндр. Давление на протяжении всего хода всасывания постоянно и равно атмосферному.
При ходе поршня из крайнего правого положения влево всасывающий клапан k1 закрывается и газ, замкнутый в левой полости цилиндра сжимается.
При достижении давления p2, равного давлению газа в нагнетательном сборнике, открывается нагнетательный клапан m1, и газ будет выталкиваться из цилиндра при постоянном давлении p2.
По окончании нагнетания, если принять полное опорожнение цилиндра от газа, начнется снова всасывание. При этом должно произойти мгновенное падение давления.
В зависимости от конструкции поршневые компрессоры бывают: простого и двойного действия.
Устройство поршневого компрессора
В устройство поршневого компрессора входят рабочий цилиндра и поршень, а также всасывающий и нагнетательный клапаны, расположенные обычно в крышке цилиндра.
В зависимости от назначения различается конструкция поршневого компрессора одинарного действия (когда поршень имеет одну рабочую сторону) и двойного действия (когда поршень работает обеими сторонами).
По степени сжатия газа бывают модели одноступенчатого или многоступенчатого сжатия.
Схема работы поршневого компрессора заключается в следующем. При вращении коленчатого вала 1 соединённый с ним шатун 2 сообщает поршню 3 возвратные движения.
При этом в рабочем цилиндре 4 из-за, увеличения объёма, заключённого между днищем поршня и крышкой цилиндра 5, возникает разрежение и атмосферный воздух, преодолев своим давлением сопротивление пружины, удерживающей всасывающий клапан 9, открывает его и через воздухозаборник (с фильтром) 8 поступает в рабочий цилиндр поршневого компрессора.
При обратном ходе поршня воздух будет сжиматься, а затем, когда его давление станет больше давления в нагнетательном патрубке на величину, способную преодолеть сопротивление пружины, прижимающей к седлу нагнетательный клапан 7, воздух открывает последний и поступает в трубопровод 6. При сжатии газа в компрессоре его температура значительно повышается.
По расположению цилиндров подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с наклонными цилиндрами.
По способу охлаждения – с воздушным и водяным охлаждением.
По числу ступеней сжатия компрессор бывает 2, 4 и 6 поршневой. При такой конструкции все цилиндры имеют одинаковый размер и процессы всасывания и сжатия воздуха происходят в каждом из цилиндров по очереди. Каждый элемент работает в противофазе.
Двухступенчатый поршневой компрессор напротив оборудуется цилиндрами разных размеров. Первая ступень сживает воздух, затем он попадает в межступенчатый охладитель, в качестве которого выступает медная трубка.
В такой трубке сжатый воздух охлаждается и сжимается ещё больше. Потом он попадает на вторую ступень и сжимается ещё больше. Достоинством такого типа установки является большой показатель КПД при меньшем расходе энергии.
Характеристика поршневого компрессора.
В зависимости от способа монтажа, который предусматривает конкретная модель обращают внимание на следующие характеристики компрессора.
Давление нагнетания – избыточное давление, которое способен обеспечить компрессор. В зависимости от модели этот параметр может достигать значения более 300 кгс/см 2
Производительность поршневых компрессоров – количество всасываемого и сжимаемого газа или воздуха. Этот параметр зависит от диаметра поршня, длины хода поршня и скорости вращения вала.
Качество рабочего воздуха – такой показатель очень важен для оборудования используемого в промышленной отрасли, там где часто перекачиваемый воздух содержит примеси масла или других жидких сред.
Мощность поршневого компрессора относится в приводу конкретной модели и измеряется в килоВаттах. Отдельно такая характеристика считается редко, поскольку в подавляющем большинстве случаев покупателям интересна только производительность.
Шум является очень важной характеристикой, поскольку оборудование этого типа считается очень шумным. Этот параметр указывается в дБ. Для уменьшения показателя шума поршневой компрессор может оборудоваться специальным защитным кожухом.
Характеристика показывает, где будут использоваться поршневые компрессоры. В зависимости от конкретных показателей это могут быть:
на компрессорных установках для сжатия воздуха – оборудования низкого давления
поршневая компрессорная установка для сжижения газа, его разделения и транспортирования – модели среднего давления
на установках для синтеза газов – оборудование высокого давления.
В поршневых компрессорах обычно предусматривается автоматическое регулирование производительности в зависимости от расхода сжатого газа для обеспечения постоянного давления в нагнетательном трубопроводе. Существует несколько способов регулирования.
Регулирование подачи поршневого компрессора.
Наиболее простым и удобным способом регулировать поршневой компрессор по подаче, который сразу приходит на ум является изменение частоты вращения привода вала. Однако при более глубоком анализе выясняется, что такой способ применим только в том случает, если привод поршневого компрессора осуществляется от двигателя внутреннего сгорания.
При электроприводе, как одном из наиболее распространенных в настоящее время способе привода компрессоров, регулирование изменение частоты вращения оказывается неприемлемым как с конструктивных, так и с энергетических соображений.
Если приводной двигатель работает с постоянной частотой вращения, то регулирование подачи компрессора может быть осуществлено следующими способами.
1. Регулирование за счет полного или частичного принудительного открытия всасывающих клапанов. Это приводит к полному или частичному переводу поршневого компрессора на холостой ход. При полном открытии всасывающих клапанов сжатие газа в цилиндре не происходит и засасываемый газ снова выталкивается во всасывающую трубу. Если всасывающие клапаны закрываются не полностью или только на части хода поршня, то, подача газа уменьшается. В практике предпочтительнее, как из конструктивных, так и энергетических условий, применять полное открытие всасывающих клапанов на части хода поршня.
2. Регулирование за счет перепуска газа из нагнетательного трубопровода во всасывающий. Такой перепуск может быть свободным или дроссельным. При дроссельном способе регулирования происходит более плавное изменение подачи компрессора, но без уменьшения потребляемой мощности. Поэтому в практике чаще применяется более простой и более экономичный способ – свободный перепуск с помощью байпасного вентиля.
3. Регулирование за счет установки дросселя во всасывающем трубопроводе. Установка дросселя на всасывающем трубопроводе вызывает падение давления при всасывании компрессора. Значит, при неизменном давлении нагнетания степень сжатия будет увеличиваться, а объемный КПД уменьшаться. Следовательно будет уменьшаться и подача компрессора.
4. Регулирование за счет подключения дополнительного пространства. Если крышки компрессора сделать пустотелыми и разделить полости на несколько ячеек, подключаемых к вредному пространству, или каким-либо другим способом подключить к вредному пространству некоторый регулируемый объем, то общий объем вредного пространства будет переменным. В этом случае регулирование объема вредного пространства будет заключаться в подключении или отключении части или всего дополнительного вредного пространства.
Каждый из описанных выше способов регулирования подачи компрессоров разработан и может использоваться как в ручном варианте так и автоматическим способом, с помощью различных устройств. В наше время автоматические способы регулирования показывают достаточную надежность, поэтому ручное регулирование подачи компрессоров все больше уступает место автоматическому.
Типы поршневых компрессоров
По конструктивным особенностям и принципу действия встречаются различные типы поршневых компрессоров. Большим спросом пользуются центробежные модели. Применяются также ротационные компрессоры, которые конструктивно и по способу привода сходны с центробежными машинами, однако по принципу действия (вытеснение) они относятся к поршневым машинам.
Если оборудование установлено на шасси то такая модель считается мобильной, если нет, то это стационарные поршневые компрессоры.
Масляный поршневой компрессор
К масляным поршневым компрессорам относится оборудование, в котором применяется смазка при работе цилиндров. К этому типу оборудования относятся воздушные, винтовые, судовые и др.
Принцип работы такого оборудования довольно прост. Цикл работы заключается в движении поршня. Одним движением поршень уходит из цилиндра и газ поступает в освободившийся объем, при возвращении поршня – газ сжимается, при этом сила давления растет. Пока совершается этот процесс всасывающий клапан закрывается и в работу включается клапан нагнетания, который выталкивает газ в магистраль.
Безмасляный поршневой компрессор
Безмасляные поршневые компрессоры используются тогда, когда необходима подача чистого воздуха или газа без риска попадания в них примесей смазочного материала.
Оборудования такого типа не требует масло для поршневых компрессоров, но это не значит, что оно работает без смазки. Конструктивно выполнено так, что масло не пересекается с воздушными потоками.
Первоначально это достигалось тем, что в корпусе компрессора делали специальные лабиринтные уплотнения. Такая конструкция не нашла широкого применения и в настоящее время безмасляные поршневые компрессоры комплектуются кольцами, выполненными из специальных композитных материалов.
Несмотря на особенности конструкции оборудование этого типа способно работать без ремонта более продолжительные периоды, чем компрессоры с использованием смазки цилиндров.
Вопрос 3.1. Принцип работы и термодинамические условия работы поршневого компрессора
Принципиальная схема поршневого компрессора (рис. 3.1) включает цилиндр 1, поршень 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, шток 5 и кривошипно-шатунный механизм, состоящий из крейцкопфа 6, шатуна 7 и кривошипа 8.
Рис 3.1. Схема поршневого компрессора
Рабочий процесс в поршневом компрессоре осуществляется за четыре этапа:
Расширение и сжатие газа в компрессоре связаны с изменением его температуры и являются объектом изучения технической термодинамики.
Характер изменения объема газа зависит от условий теплообмена между газом, деталями компрессора и окружающей средой. В зависимости от этого сжатие или расширение могут происходить:
— без теплообмена (адиабатический процесс); т. е. с нагревом газа при его сжатии или охлаждением газа при его расширении;
— с частичным теплообменом (политропический процесс);
— с полным теплообменом (изотермический процесс), т.е. с сохранением одной и той же, постоянной при сжатии и расширении, температуры газа.
Как видно из определений, адиабатический и изотермический процессы являются частными случаями политропического процесса.
Политропический процесс изменения состояния идеального газа удовлетворяет уравнению:
(3.1)
где 
— давление;
Из условий работы поршневого компрессора видно, что процессы сжатия и расширения газа происходят в основном при политропическом процессе.
Изменение температуры газа можно определить, используя уравнение состояния идеального газа:
(3.2)
(3.3)
Теоретические основы работы поршневых компрессоров
Принцип работы поршневого компрессора.
Индикаторные диаграммы рабочих циклов поршневого компрессора.
Подача поршневого компрессора, факторы, влияющие на неё.
Многоступенчатое сжатие газа.
Поршневой компрессор — машина, предназначенная для преобразования энергии газа (пара, жидкости) с помощью поршня и обеспечивающая высокие давления нагнетания (до 40 МПа и выше).
Преимущества таких компрессоров — высокие значения к. п. д. и степени повышения давления цилиндров в одной ступени, максимальное давление сжатия газа, возможность эксплуатации в широком диапазоне изменения давлений компримируемого газа, возможность построения на базе одной модели различных компрессорных схем и сохранения мощности при изменении условий эксплуатации. Важное достоинство поршневых компрессоров — незначительная чувствительность к изменению плотности компримируемого газа. В то же время динамическая неуравновешенность от возвратно-поступательного компрессора оказывается причиной повышенной металлоемкости.
Для компримирования нефтяного и природного газов, а также воздуха, в районах с развитой системой электроснабжения применяют угловые и оппозитные поршневые компрессоры с приводом от электродвигателя.
Принципиальная схема поршневого компрессора (рис. 2.1) включает цилиндр 1, поршень 2, всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, шток 5 и кривошипно – шатунный механизм, состоящий из крейцкопфа 6, шатуна 7 и кривошипа 8.
Рабочий процесс в поршневом компрессоре осуществляется за четыре этапа:
1. расширение газа во вредном пространстве цилиндра компрессора (в клапанах и околоклапанном пространстве, в зазоре между крышкой цилиндра и плоскостью АА, соответствующей крайнему положению поршня);
2. всасывание (расширение и всасывание происходят при движении поршня от плоскости АА до плоскости ВВ на длине хода поршня s; при этом всасывающий клапан открывается не сразу, а лишь после того, как газ, находящийся во вредном пространстве цилиндра, расширится, и его давление станет меньше давления во всасывающей линии, в этот момент откроется клапан 3, и газ начнет поступать в цилиндр компрессора);
3. сжатие (происходит при движении поршня от плоскости ВВ до плоскости СС);
4. нагнетание (происходит при движении поршня от плоскости СС до плоскости АА; нагнетание газа в трубопровод начинается тогда, когда давление газа в цилиндре превысит давление в нагнетательной линии, в этот момент откроется клапан 4, и газ начнет поступать в трубопровод).
Характер изменения объема газа зависит от условий теплообмена между газом, деталями компрессора и окружающей средой. В зависимости от этого сжатие или расширение могут происходить:
— без теплообмена (адиабатический процесс); т. е. с нагревом газа при его сжатии;
— с частичным теплообменом (политропический процесс);
— с полным теплообменом (изотермический процесс) т. е. с сохранением одной и той же, постоянной при сжатии и расширении, температуры газа.
Как видно из определений, адиабатический и изотермический процессы являются частными случаями политропического процесса.
Политропический процесс изменения состояния идеального газа удовлетворяет уравнению:
где p – давление; V – объем газа; m – показатель политропы.
При адиабатических процессах m обозначается через k и называется показателем адиабаты. Показатель адиабаты определяется как отношение удельных (или молярных) теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме. Для одноатомных газов k = 1,67, для двухатомных k = 1,40 – 1,41, для многоатомных k = 1,2 – 1,3. При политропических процессах показатель политропы m может принимать значение от единицы до k и быть больше k. При изотермическом процессе m = 1.
При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения:
1. Отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в клапанах).
2. Давление и температура газа во всасывающей и нагнетательной линиях постоянны.
3. Давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются.
4. Мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует.
5. Нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.
Рисунок 2.2 – Индикаторная диаграмма идеального цикла поршневого компрессора
Рисунок 2.3 – Индикаторная диаграмма реального цикла поршневого компрессора
Рассмотрим реальный цикл работы поршневого компрессора. Процесс сжатия газа в цилиндре соответствует линии 1-2 на индикаторной диаграмме (рис. 2.3). В начальный момент сжатия относительно холодный газ получает тепло от нагретого цилиндра, вследствие чего процесс идет с подводом тепла к газу, и политропа отклоняется вправо от политропы идеального процесса (пунктирная линия). В конце процесса сжатия газа температура его повышается и становится больше температуры цилиндра и клапанов, и процесс сжатия идет с отводом тепла от газа. Политропа на этом участке отклоняется влево от политропы идеального процесса. Эти явления приводят к тому, что показатель реальной политропы процесса сжатия газа становится переменным, и расчет процесса надо вести по условному эквивалентному показателю политропы.
Понижение давления в цилиндре против давления во всасывающей линии (см. рис. 2.3, точка 1), в начале сжатия обусловлено сопротивлением потоку газа во всасывающем клапане. Повышение давления против давления в нагнетательном трубопроводе (точка 2) в конце сжатия обусловлено усилиями, затрачиваемыми на открытие нагнетательного клапана (сопротивление пружин клапана и инерция масс деталей клапана, приводимых в движение при его открытии). Процесс нагнетания соответствует линии 2-3. Повышенное, против идеального процесса, давление нагнетания обусловливается сопротивлениями потоку газа в нагнетательном клапане и подводящих каналах. Некоторая волнистость линии нагнетания обусловливается непостоянством сопротивлений потоку газа из-за изменений скоростей поршня и газа, пульсацией давления в газопроводе и вибрацией клапанных пластин.
За процессом нагнетания в реальном цилиндре идет процесс расширения газа, оставшегося в мертвом (вредном) пространстве под давлением р2» (линия 3-4). Объем вредного пространства Vм. Газ расширяется, снижая давление от р2» до р4 и увеличивая свой объем до V4. При этом поршень движется вправо. Процесс расширения заканчивается при открытии всасывающего клапана. Давление в цилиндре при этом будет ниже, чем во всасывающем трубопроводе, за счет усилий, затрачиваемых на открытие всасывающего клапана. Процесс расширения газа идет вначале с отбором тепла от сжатого газа, а затем с подводом тепла к газу, и потому показатель политропы будет не постоянен (так же как и при сжатии газа).
За процессом расширения идет всасывание газа (линия 4-1). Давление в цилиндре при этом будет ниже давления в подводящем трубопроводе за счет сопротивления движению потока газа в клапане и каналах. Колебание давления всасывания в цилиндре обусловлено теми же явлениями, которые наблюдаются и при нагнетании газа.
Работа, затрачиваемая на сжатие газа, в реальном цикле определяется площадью индикаторной диаграммы 1-2-3-4 (см. рис. 2.3).
Подачей компрессораназывают объем или массу газа, проходящего за единицу времени по линии всасывания или линии нагнетания компрессора. Расход газа на нагнетании всегда меньше, чем на всасывании, за счет утечек газа через неплотности.
Объемный расход газа обычно приводится к условиям всасывания (к давлению и температуре во всасывающей линии), нормальным условиям (давление 100 кПа и температура 293°К) или стандартным условиям (100 кПа и 293°К).
Потребителя интересует обычно количество газа, подаваемого ему от компрессора, приведенное к нормальным или стандартным условиям. Иногда эту подачу называют коммерческой.
Подача компрессора с одним цилиндром одинарного действия (см. рис. 3.3)
(2.1)
где ar w:top=»1134″ w:right=»850″ w:bottom=»1134″ w:left=»1701″ w:header=»720″ w:footer=»720″ w:gutter=»0″/> «> 
— коэффициент подачи, зависящий от многих факторов;
— объем описываемый поршнем за ход в одну сторону;
(2.2)
— объемный;
— герметичности;
— температурный;
— давления.
Объемный коэффициент отражает степень полноты использования объема цилиндра. Коэффициент герметичности 
это функция подачи компрессора от запаздывания закрытия клапанов, негерметичности уплотнений зазора между поршнем и цилиндром, уплотнений штоков у цилиндров двойного действия, негерметичности соединений рабочих каналов. Коэффициент герметичности обычно принимается в пределах 0,95. 0,98. Температурный коэффициент 
отражает влияние нагрева газа при всасывании за счет теплообмена с горячими стенками цилиндра и каналов. При нагреве увеличивается объем газа, находящегося в цилиндре, и уменьшается полезный объем газа, поступающего в цилиндр из всасывающего патрубка. Температурный коэффициент зависит от степени сжатия газа, поскольку от этого зависят температура нагнетаемого газа и температура стенок каналов и цилиндра. Коэффициент давления 
учитывает снижение подачи компрессора за счет уменьшения давления газа в цилиндре при всасывании по сравнению с давлением во всасывающем патрубке. В результате этого снижения давления газ расширяется, и в цилиндр входит меньшее его количество. На подачу влияет уменьшение давления не в начале, а в конце периода всасывания. Коэффициент давления обычно находится в пределах 0,95…0,98.
При необходимости сжимать газ до давления, превышающего 0,4…0,7 МПа по манометру, применяют многоступенчатое сжатие, сущность которого состоит в том, что процесс сжатия газа разбивается на несколько этапов или ступеней. В каждой из этих ступеней газ сжимается до некоторого промежуточного давления и перед тем как поступать в следующую ступень, охлаждается в межступенчатом холодильнике. В последней ступени газ дожимается до конечного давления. В современных компрессорах высокого давления число ступеней сжатия достигает семи.
Причины, заставляющие применять многоступенчатое сжатие, следующие;
— выигрыш в затраченной работе;
— ограничение температуры конца сжатия;
— более высокий коэффициент подачи.
Для уменьшения работы сжатия применяется ступенчатое сжатие газа с охлаждением его в охладителях, расположенных между ступенями компрессора.
В результате охлаждения газа устраняется и другая причина, обусловливающая применение ступенчатого сжатия, это недопустимое повышение температуры газа при большой степени повышения давления одноступенчатым компрессором. Температура на этапе сжатия газа не должна достигать значений, при которых происходит изменение свойств компрессорного масла. С повышением температуры газа вязкость масла уменьшается, ухудшаются условия смазки, и увеличивается износ трущихся деталей компрессора. При достижении температур порядка 180. 200°С масло разлагается, в результате чего поверхности деталей цилиндра компрессора и нагнетательная линия покрываются нагаром. Это ухудшает охлаждение компрессора и нарушает его нормальную работу (увеличивается трение между поршневыми кольцами и цилиндром, возможны поломки колец и задиры поверхности цилиндра, ухудшается работа клапанов, возникает опасность самовозгорания и взрыва в нагнетательной линии).
1. Принцип действия поршневого компрессора.
2. Условия сжатия газа в поршневых компрессорах. Политропный процесс.
3. Идеальная индикаторная диаграмма цикла поршневого компрессора.
4. Работа на сжатие единицы массы газа в компрессоре.
5. От чего зависит температура в конце процесса сжатия в одной ступени?
6. Производительность поршневых компрессоров.
7. Объемный коэффициент подачи поршневого компрессора.
8. Принцип получения высоких давлений в поршневых компрессорах.