Особенности расчета характеристик компрессора
Особенности расчета характеристик
компрессора
Масса воздуха, перекачиваемая компрессором в единицу времени, - величина
постоянная и зависит от его конструктивных особенностей. Однако
производительность принято определять не в массовых, а в объемных величинах,
что часто приводит к путанице и ошибкам в расчетах.
Дело в том, что воздух, как и другие газы, сжимаем. Это означает, что
одна и та же масса воздуха может занимать разный объем в зависимости от
давления и температуры. Точная взаимосвязь между этими величинами описывается
сложной степенной зависимостью или уравнением политропы. В случае компрессора,
наполняющего ресивер, это означает, что с ростом давления в ресивере (на выходе
компрессора) его объемная производительность уменьшается.
Если объемная подача компрессора - переменная по времени, - какая же
цифра указывается в технических характеристиках? Согласно ГОСТ,
производительность компрессора - это объем воздуха, выходящий из него,
пересчитанный на физические условия всасывания. В большинстве случаев
физические условия на входе в компрессор соответствуют нормальным: температура
200С, давление 1 бар. ГОСТ также допускает возможность отклонения реальных
характеристик компрессора от указанных в паспортных данных на величину ±5%.
Кстати, на нормальные условия пересчитывают и параметры потребителей
сжатого воздуха, чтобы привести их к общему знаменателю с характеристиками
источника. Поэтому номинальный расход 100 л/мин означает, что при рабочем
давлении пневмоинструмент за минуту потребляет такое количество воздуха,
которое при нормальных условиях заняло бы объем, равный 100 литрам.
Зарубежные производители, не знакомые с содержанием наших ГОСТов,
определяют производительность своей продукции иначе, что порой приводит к
ошибкам. В паспортных данных на импортную технику указывается теоретическая
производительность компрессора (производительность по всасыванию).
Теоретическая производительность определяется геометрическим объемом
воздуха, который поместится в рабочей полости компрессора за один цикл всасывания,
умноженный на количество циклов в единицу времени. Она отличается от реальной,
выходной, в большую сторону. Отличие учитывается коэффициентом
производительности, зависящим от условий всасывания и конструктивных
особенностей поршневого компрессора - потерь во всасывающих и нагнетательных
клапанах, наличия недовытесненного, «мертвого», объема, приводящих к уменьшению
наполнения цилиндра. Для компрессоров профессиональной серии коэффициент
производительности может составлять величину от 0,6 до 0,7, причем большие
значения соответствуют большей подаче.
Точный расчет характеристик поршневого компрессора сложен и связан с
решением степенных уравнений.
В поршневом компрессоре можно получить высокие степени повышения
давления. В то же время при большой производительности получаются чрезвычайно
большие размеры цилиндра и шатунно-кривошипного механизма. Это ведет к
необходимости работать с малым числом оборотов, что затрудняет соединение
компрессора с турбо- или электроприводом. Кроме того, сжимаемое тело загрязняется
смазочным маслом. По изложенным причинам поршневые компрессоры применяют для
малой производительности и высокой степени повышения давления.
В настоящее время в автосервисной практике находят применение в основном
поршневые устройства. Конструктивно они представляют собой агрегат, включающий
компрессорную головку, электропривод, ресивер и устройство автоматического
регулирования давления (прессостат).
К основным характеристикам компрессора относятся два параметра -
максимальное давление (Pмакс) и объемную производительность или подачу (Qд= Vд
/τ).
Большинство предлагаемых сегодня на рынке компрессоров развивают
давление, превышающее потребности стандартного пневмооборудования и
инструмента, используемого при авторемонте. На рынке представлены компрессоры с
максимальным давлением 6, 8, 10, 13 бар.
Напомним, что номинальное рабочее давление окрасочных пистолетов 3-4 бар,
пневмоинструмента - до 6,5 бар. Исключение составляет пневмопривод
шиномонтажных станков, для которого многие производители рекомендуют
использовать сжатый воздух при давлении 8-10 бар. Впрочем, практика показывает,
что пневматика шиномонтажного оборудования надежно работает и при использовании
8-барного компрессора.
Что еще нужно учитывать, определяя максимальное давление, развиваемое
компрессором?
Во-первых, следует иметь в виду, что система автоматического
регулирования давления всех компрессоров настроена таким образом, что
обеспечивает поддержание давления в ресивере с допуском (-2 бар) от
максимального значения. Это означает, что в процессе работы компрессора с
Pмакс=8 бар давление на выходе может изменяться в диапазоне от 6 до 8 бар, у
10-барного, - соответственно, от 8 до 10 бар.
Во-вторых, необходимо учитывать, что наличие протяженных
пневмомагистралей до потребителей сжатого воздуха вызывают падение давления в
линии. При ошибках в проектировании пневмосети (применении труб малого
диаметра, использовании водопроводных запорных устройств, нерациональной
прокладке магистралей и т. д.) оно может достигать существенной величины и стать
причиной неэффективной работы пневмооборудования. Чтобы избежать возможных
неприятностей в таких случаях, нужно отдать предпочтение компрессору с более
высоким максимальным давлением.
Из сказанного следует, что в качестве универсального гаражного источника
сжатого воздуха можно использовать компрессор с максимальным давлением 8 бар.
Если компрессор будет использоваться исключительно для окрасочных работ,
можно обойтись и 6-барным, а в случае разветвленных пневмосетей надежнее
использовать компрессор, развивающий давление до 10 бар.
Некоторый запас по давлению полезен и с другой точки зрения. Чем выше
давление, развиваемое компрессором, тем большую массу воздуха он может закачать
в ресивер и тем большее время последний будет опорожняться до минимально допустимого
давления, обеспечивая компрессору время для отдыха.
Принципиальная схема и цикл одноступенчатого одноцилиндрового
горизонтально- го компрессора представлен на рис. 1. При движении поршня 2
слева направо давление газа в цилиндре становится меньше давления во
всасывающем патрубке. Всасывающий клапан (клапаны обозначены цифрой 3)
открывается и по мере движения поршня вправо полость цилиндра заполняется газом
теоретически по линии 4-1. При обратном движении поршня справа налево
всасывающий клапан закрывается и поршень сжимает газ теоретически по кривой
1-2, пока давление в цилиндре не достигнет давления Р2, равного давлению газа в
нагнетательной линии трубопровода. Открывается нагнетательный клапан и поршень
выталкивает газ в нагнетательную линию трубопровода при постоянном давлении Р2
(линия 2-3). В начале нового хода поршня слева направо вновь открывается
всасывающий клапан, давление в цилиндре падает с Р2, до Р1 теоретически
мгновенно (линия 3-4) и процесс повторяется. При рассмотрении идеального цикла
поршневого компрессора принимают следующие допущения:
. Отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в
клапанах).
. Давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период
выталкивания газа из цилиндра, не меняются.
. Мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует.
. Нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.
Рис. 1. Принципиальная схема и идеальный цикл компрессора простого
действия
компрессор сжатый воздух одноцилиндровый
При изотермическом процессе газ сжимается по кривой 1-2"', при
адиабатическом 1-2", а при политропическом 1-2 или 1-2'. Рассматривая
политропический процесс 1-2, видим, что за этот период цикла объем газа
уменьшится с V1 до V2, давление изменится от р1 до р2, а температура - от Т1 до
Т2. При нагнетании газа в трубопровод (2-3) давление и температура газа
остаются неизменными (р2 и Т2). Весь объем газа V2 переходит в нагнетательный
трубопровод. За период 3-4 в цилиндре снижается давление до давления во
всасывающем трубопроводе (р1). Период всасывания (4-1) характеризуется
постоянным давлением Р1 и температурой газа Т1, в цилиндр поступает объем газа,
равный V1.
Работа сжатия газа от давления всасывания р1 до давления нагнетания р2 в
цилиндре компрессора за время одного цикла характеризуется площадью
индикаторной диаграммы, ограниченной линиями, которые соединяют точки 1-2-3-4.
В случае идеального процесса, когда исключены все непроизводительные
потери энергии, затрачиваемая энергия равна полезной. Таким образом,
индикаторная диаграмма в этом случае дает величину затрачиваемой и полезной
работы. При изотермическом процессе газ сжимается без нагрева и выходит с
меньшей температурой, чем при адиабатическом или политропическом процессах.
Поскольку компрессор предназначен только для сжатия и перемещения газа, то
повышение его температуры не является полезной для нас частью работы. Поэтому
изотермический процесс (без нагрева газа) более выгоден. При этом процессе на
сжатие га- за от давления р1 до давления р2 затрачивается меньше энергии (см.
рис. 1, площадь 1-2"'-3-4 наименьшая).
Однако изотермический процесс трудно осуществить на практике, и
компрессоры работают при политропическом или адиабатическом процессе. В
реальном компрессоре в силу сопротивления нагнетательного клапана и
трубопровода давление р2* (точка m на рис.2) в конце сжатия и при нагнетании
выше давления р2 среды, куда происходит нагнетания. Поэтому нагнетание изобразится
линией 2-m-3. Выступ m в начале нагнетания обусловлен инерцией нагнетательного
клапана. От точки 3 рабочее тело, оставшееся во вредном пространстве,
расширяется - линия 3-4 (рис.2), и реальная индикаторная диаграмма компрессора
замыкается. При поступлении в цилиндр рабочее тело получает тепло от стенок
цилиндра, так как температура его при всасывании ниже температуры стенок. Кроме
того, оно получает тепло от смешения с газом или паром, оставшимся во вредном
пространстве от предыдущего цикла работы и расширившимся до давления всасывания
р1*.
Рис. 2. Реальная индикаторная диаграмма поршневого компрессора
В результате температура рабочего тела t1* оказывается больше температуры
среды t1, из которой происходит всасывание. Поэтому объем рабочего тела,
действительно всасываемого в цилиндр за один ход поршня, т.е. всасываемый объем
при параметрах р1* и t1*, изображается на индикатор- ной диаграмме отрезком Vд.
Рабочий объем цилиндра - объем между крайними положениями поршня - обозначен
Vт.
Отношение
λ
= определяет
уменьшение производительности компрессора, обусловленное наличием вредного
пространства, понижением давления и повышением температуры при всасывании, и
называется объемным коэффициентом, (коэффициентом подачи компрессора,
коэффициентом производительности). Можно принимать λ = 0,8 ч 0,85.
Литература
Теплотехника - Баскаков А.П. 1991г.
Теплотехника - Крутов В.И. 1986г.
Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция - Тихомиров
К.В. 1981г.57.
Теплотехнические измерения и приборы - Преображенский
В.П.1978 г.