Компрессор

Небольшой стационарный компрессор воздуха для дыхания высокого давления для наполнения баллонов с аквалангом

Поршневой компрессор высокого давления от Belliss и Morcom, используемый в индустрии розлива.

Компрессор представляет собой механическое устройство , которое увеличивает давление в виде газа за счет уменьшения ее объема . Воздушный компрессор представляет собой определенный тип газового компрессора.

Компрессоры похожи на насосы : оба увеличивают давление на жидкость, и оба могут транспортировать жидкость по трубе . Поскольку газы сжимаемы, компрессор также уменьшает объем газа. Жидкости относительно несжимаемы; в то время как некоторые из них могут сжиматься, основное действие насоса заключается в нагнетании давления и транспортировке жидкостей.

Многие компрессоры могут быть ступенчатыми, то есть жидкость сжимается несколько раз ступенчато или ступенчато для увеличения давления нагнетания. Часто вторая ступень физически меньше первой ступени, чтобы вмещать уже сжатый газ. Каждая ступень дополнительно сжимает газ и увеличивает давление. Те , которые приводятся в действие электродвигателем также можно управлять с помощью частотно - регулируемого привода , или инвертор питанияОднако многие компрессоры (герметичные и полугерметичные) могут работать только на определенных скоростях, поскольку они могут включать в себя встроенные масляные насосы. Масляные насосы подключены к тому же валу, который приводит в движение компрессор и нагнетает масло в компрессор и подшипники двигателя. На низких скоростях в подшипники нагнетается недостаточное количество масла или масло вообще не поступает, что в конечном итоге приводит к выходу из строя подшипников, тогда как на высоких скоростях чрезмерное количество масла может быть потеряно из подшипников и компрессора и потенциально может попасть в нагнетательную линию из-за разбрызгивания. В конце концов масло выходит, а подшипники остаются без смазки, что опять же приводит к отказу, и масло может загрязнять хладагент, воздух или другой рабочий газ. ^[1]

Типы [ править ]

Основные и важные типы газовых компрессоров проиллюстрированы и описаны ниже:

Положительное смещение [ править ]

Компрессор прямого вытеснения - это система, которая сжимает воздух за счет перемещения механического рычага, уменьшающего объем (поскольку уменьшение объема из-за поршня в термодинамике рассматривается как прямое смещение поршня). ^{[ расплывчато ]}

Другими словами, компрессор прямого вытеснения - это компрессор, который работает, всасывая дискретный объем газа из своего входа, а затем заставляя этот газ выходить через выход компрессора. Повышение давления газа происходит, по крайней мере частично, из-за того, что компрессор перекачивает его с массовым расходом, который не может пройти через выпускное отверстие при более низком давлении и плотности на входе.

Поршневые компрессоры [ править ]

В поршневых компрессорах используются поршни, приводимые в движение коленчатым валом. Они могут быть стационарными или переносными, могут быть одно- или многоступенчатыми и приводиться в действие электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. ^{[2] [3] [4]} Небольшие поршневые компрессоры мощностью от 5 до 30  лошадиных сил (л. С.) Обычно используются в автомобильной промышленности и обычно работают в прерывистом режиме. Более крупные поршневые компрессоры мощностью более 1000 л.с. (750 кВт) обычно используются в крупных промышленных и нефтяных установках. Давление нагнетанияможет варьироваться от низкого до очень высокого давления (> 18000 фунтов на квадратный дюйм или 180 МПа). В определенных областях применения, таких как сжатие воздуха, многоступенчатые компрессоры двустороннего действия считаются наиболее эффективными из имеющихся, и обычно они больше и дороже, чем сопоставимые роторные агрегаты. ^[5] Другой тип поршневого компрессора, как правило , используют в автомобильной кабины кондиционирования воздуха систем, ^{[ править ]} является перекоса или наклонного диска компрессора, который использует поршни перемещаются по наклонной пластине , установленный на валу (см осевой поршневой насос ).

Компрессоры для дома, в мастерской и на небольших стройплощадках обычно представляют собой поршневые компрессоры мощностью 1½ л.с. или меньше с присоединенным ресивером.

Линейный компрессор представляет собой поршневой компрессор с поршнем является ротором линейного двигателя.

Этот тип компрессора может сжимать широкий спектр газов, включая хладагент, водород и природный газ. Благодаря этому он находит применение в широком спектре приложений во многих отраслях промышленности и может быть рассчитан на широкий диапазон мощностей, варьируя размер, количество цилиндров и разгрузку цилиндров. Однако он страдает от более высоких потерь из-за зазоров, сопротивления из-за нагнетательного и всасывающего клапанов, весит больше, его трудно обслуживать из-за большого количества движущихся частей, а также ему присуща вибрация. ^[6]

Ионный жидкостный поршневой компрессор [ править ]

Ионная жидкость поршневой компрессор , ионного компрессора или ионная жидкость поршневой насос представляет собой компрессор водорода на основе ионной жидкости поршнем вместо металлического поршня , как в поршневой металла мембранного компрессора . ^[7]

Винтовые компрессоры [ править ]

В роторно-винтовых компрессорах используются два вращающихся винтовых винта прямого вытеснения с сеткой, чтобы нагнетать газ в меньшее пространство. ^{[2] [8] [9]} Они обычно используются для непрерывной работы в коммерческих и промышленных приложениях и могут быть стационарными или переносными. Их диапазон применения может составлять от 3 лошадиных сил (2,2 кВт) до более 1200 лошадиных сил (890 кВт) и от низкого до умеренно высокого давления (> 1200 фунтов на квадратный дюйм или 8,3 МПа).

Классификации винтовых компрессоров различаются в зависимости от ступеней, методов охлаждения и типов привода. ^[10] Винтовые компрессоры серийно выпускаются масляного, водяного и сухого типов. Эффективность роторных компрессоров зависит от воздухоосушителя, ^{[ необходимо пояснение ],} и выбор воздухоосушителя всегда в 1,5 раза больше объемной производительности компрессора. ^[11]

Существуют конструкции с одним винтом ^[12] или тремя винтами ^[13] вместо двух.

Винтовые компрессоры имеют меньше движущихся компонентов, большую производительность, меньше вибрации и помпажа, могут работать с переменной скоростью и обычно имеют более высокий КПД. Небольшие размеры или низкая частота вращения ротора нецелесообразны из-за естественных утечек между полостями сжатия. ^[6] Они зависят от точных допусков на обработку, чтобы избежать высоких потерь при утечке, и подвержены повреждениям при неправильной эксплуатации или плохом обслуживании.

Пластинчато-роторные компрессоры [ править ]

Роторно-пластинчатые компрессоры состоят из ротора с несколькими лопастями, вставленными в радиальные пазы ротора. Ротор установлен со смещением в большем корпусе круглой или более сложной формы. При вращении ротора лопасти скользят в прорези и выходят из них, сохраняя контакт с внешней стенкой корпуса. ^[2] Таким образом, вращающиеся лопасти создают серию увеличивающихся и уменьшающихся объемов. Пластинчато-роторные компрессоры с поршневыми компрессорами являются одной из старейших компрессорных технологий.

При подходящих соединениях портов устройства могут быть либо компрессором, либо вакуумным насосом. Они могут быть стационарными или переносными, могут быть одно- или многоступенчатыми и приводиться в действие электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. Сухие лопастные машины используются при относительно низких давлениях (например, 2 бара, 200 кПа или 29 фунтов на квадратный дюйм) для перемещения сыпучих материалов, в то время как машины с впрыском масла имеют необходимый объемный КПД для достижения давления примерно до 13 бар (1300 кПа; 190 фунтов на квадратный дюйм). в один этап. Роторно-пластинчатый компрессор хорошо подходит для привода от электродвигателя и работает значительно тише, чем эквивалентный поршневой компрессор.

Пластинчато-роторные компрессоры могут иметь механический КПД около 90%. ^[14]

Подвижный поршень [ править ]

Подвижный поршень в компрессоре с вращающимся поршнем играет роль перегородки между лопаткой и ротором. ^[15] Подвижный поршень прижимает газ к неподвижной лопасти.

2 из этих компрессоров могут быть установлены на одном валу для увеличения производительности и снижения вибрации и шума. ^[16] Конструкция без пружины называется компрессором поворота. ^[17]

В холодильном оборудовании и кондиционировании воздуха этот тип компрессора также известен как роторный компрессор, при этом роторные винтовые компрессоры также известны как винтовые компрессоры.

Он обеспечивает более высокий КПД, чем поршневые компрессоры, благодаря меньшим потерям из-за объема зазора между поршнем и корпусом компрессора, он на 40-50% меньше и легче для заданной производительности (что может повлиять на стоимость материалов и транспортировку при использовании в продукте) , вызывает меньшую вибрацию, имеет меньше компонентов и более надежен, чем поршневой компрессор. Но его конструкция не позволяет производить более 5 тонн охлаждения, он менее надежен, чем другие типы компрессоров, и менее эффективен, чем другие типы компрессоров, из-за потерь из зазоров. ^[6]

Спиральные компрессоры [ править ]

Спиральный компрессор , также известный как спиральный насос и прокрутки вакуумного насос , использует два чередование спирали, как лопатки , чтобы насос или сжимать жидкости , такие как жидкость и газу . Геометрия лопатки может быть эвольвентной , архимедовой спиралью или гибридной кривой. ^{[18] [19] [20]} Они работают более плавно, тихо и надежно, чем другие типы компрессоров в диапазоне меньшего объема.

Часто одна из спиралей зафиксирована, в то время как другая вращается эксцентрично, не вращаясь, тем самым захватывая и нагнетая или сжимая карманы жидкости между спиралями.

Благодаря минимальному зазору между неподвижной спиралью и вращающейся спиралью, эти компрессоры имеют очень высокий объемный КПД .

Эти компрессоры широко используются в системах кондиционирования воздуха и охлаждения, поскольку они легче, меньше по размеру и имеют меньше движущихся частей, чем поршневые компрессоры, а также более надежны. Однако они более дорогие, поэтому охладители Пельтье или роторные и поршневые компрессоры могут использоваться в приложениях, где стоимость является наиболее важным или одним из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при проектировании системы охлаждения или кондиционирования воздуха.

Этот тип компрессора использовался в качестве нагнетателя в двигателях Volkswagen G60 и G40 в начале 1990-х годов.

По сравнению с поршневыми компрессорами с возвратно-поступательным и вращающимся поршнем, спиральные компрессоры более надежны, поскольку они имеют меньшее количество компонентов и имеют более простую конструкцию, более эффективны, поскольку у них нет зазора и клапанов, меньше пульсаций и меньше вибраций. Но по сравнению с винтовыми и центробежными компрессорами спиральные компрессоры имеют меньший КПД и меньшую производительность. ^[6]

Мембранные компрессоры [ править ]

Мембранный компрессор (также известный как мембранный компрессор ) представляет собой вариант обычного поршневого компрессора. Сжатие газа происходит за счет движения гибкой мембраны, а не всасывающего элемента. Возвратно-поступательное движение мембраны приводится в движение стержнем и коленчатым валом. Только мембрана и компрессорная коробка контактируют с сжимаемым газом. ^[2]

Степень изгиба и материал, из которого изготовлена ​​диафрагма, влияют на срок службы оборудования. Обычно жесткие металлические диафрагмы могут перемещать только несколько кубических сантиметров объема, поскольку металл не может выдерживать большие степени изгиба без образования трещин, но жесткость металлической диафрагмы позволяет ей перекачивать при высоких давлениях. Резиновые или силиконовые диафрагмы способны выдерживать глубокие перекачивающие ходы с очень высоким изгибом, но их низкая прочность ограничивает их использование в приложениях с низким давлением, и их необходимо заменять, поскольку происходит охрупчивание пластика.

Мембранные компрессоры используются для водорода и сжатого природного газа ( СПГ ), а также в ряде других приложений.

На фотографии справа изображен трехступенчатый диафрагменный компрессор, используемый для сжатия газообразного водорода до 6000 фунтов на квадратный дюйм (41 МПа) для использования в прототипе заправочной станции для сжатого водорода и сжатого природного газа (СПГ), построенной в центре города Феникс, штат Аризона, компанией Arizona Public. Сервисная компания (электроэнергетическая компания). Для сжатия природного газа использовались поршневые компрессоры . Поршневой компрессор природного газа был разработан компанией Sertco . ^[21]

Прототип альтернативной заправочной станции был построен с соблюдением всех действующих в Фениксе правил техники безопасности, охраны окружающей среды и строительства, чтобы продемонстрировать, что такие заправочные станции могут быть построены в городских районах.

Динамический [ править ]

Компрессор воздушных пузырьков [ править ]

Также известен как тромп . Смесь воздуха и воды, образовавшаяся в результате турбулентности, может попасть в подземную камеру, где воздух отделяется от воды. Вес падающей воды сжимает воздух в верхней части камеры. Затопленный выход из камеры позволяет воде вытекать на поверхность на более низкой высоте, чем забор. Выпускное отверстие в крыше камеры подает сжатый воздух на поверхность. Завод по этому принципу был построен на реке Монреаль в Рэггед-Шутес недалеко от Кобальта, Онтарио, в 1910 году и поставлял 5000 лошадиных сил на близлежащие рудники. ^[22]

Центробежные компрессоры [ править ]

В центробежных компрессорах используется вращающийся диск или рабочее колесо в профилированном корпусе, чтобы нагнетать газ к ободу рабочего колеса, увеличивая скорость газа. Секция диффузора (расширяющегося воздуховода) преобразует энергию скорости в энергию давления. Они в основном используются для непрерывного стационарного обслуживания в таких отраслях, как нефтеперерабатывающие , химические и нефтехимические заводы и заводы по переработке природного газа . ^{[2] [23] [24]} Их мощность может составлять от 100 (75 кВт) до тысяч лошадиных сил. Благодаря многоступенчатому управлению они могут достигать высокого выходного давления, превышающего 6,9 МПа (1000 фунтов на кв. Дюйм).

Этот тип компрессора, наряду с винтовыми компрессорами, широко используется в крупных холодильных установках и системах кондиционирования воздуха. Существуют центробежные компрессоры с магнитными подшипниками (на магнитной подвеске) и с воздушными подшипниками.

Этот тип компрессора используется на многих крупных предприятиях по производству снега (например, на горнолыжных курортах ). Они также используются в двигателях внутреннего сгорания в качестве нагнетателей и турбонагнетателей . Центробежные компрессоры используются в небольших газотурбинных двигателях или в качестве ступени заключительного сжатия газовых турбин средних размеров.

Центробежные компрессоры - это самые большие из доступных компрессоров, они обеспечивают более высокий КПД при частичных нагрузках, могут быть безмасляными при использовании воздушных или магнитных подшипников, что увеличивает коэффициент теплопередачи в испарителях и конденсаторах, весят до 90% меньше и занимают на 50% меньше места, чем поршневые компрессоры надежны и дешевле в обслуживании, поскольку меньше компонентов подвержены износу и генерируют минимальную вибрацию. Но их начальная стоимость выше, требует высокоточной обработки с ЧПУ , крыльчатку необходимо вращать с высокой скоростью, что делает малые компрессоры непрактичными, а помпаж становится более вероятным. ^[6]Пульсация - это реверсирование потока газа, означающее, что газ уходит со стороны нагнетания на сторону всасывания, что может вызвать серьезные повреждения, особенно подшипников компрессора и его приводного вала. Это вызвано давлением на стороне нагнетания, которое выше, чем давление на выходе компрессора. Это может вызвать перемещение газов вперед и назад между компрессором и всем, что подключено к его нагнетательной линии, вызывая колебания. ^[6]

Диагональные или смешанные компрессоры [ править ]

Компрессоры с диагональным или смешанным потоком аналогичны центробежным компрессорам, но имеют радиальную и осевую составляющие скорости на выходе из ротора. Диффузор часто используется для изменения диагонального потока в осевом, а не в радиальном направлении. ^{[25] По} сравнению с обычным центробежным компрессором (с той же степенью сжатия ступеней) значение скорости компрессора смешанного потока в 1,5 раза больше. ^[26]

Осевые компрессоры [ править ]

Осевые компрессоры - это компрессоры с динамическим вращением, в которых используется ряд веерообразных аэродинамических профилей для постепенного сжатия жидкости. Они используются там, где требуется высокая скорость потока или компактная конструкция.

Наборы профилей расположены рядами, обычно парами: вращающийся и неподвижный. Вращающиеся аэродинамические поверхности, также известные как лопасти или роторы , ускоряют жидкость. Стационарные аэродинамические поверхности, также известные как статоры или лопатки, замедляют и изменяют направление потока жидкости, подготавливая ее для лопастей ротора следующей ступени. ^[2] Осевые компрессоры почти всегда являются многоступенчатыми, при этом площадь поперечного сечения газового канала уменьшается вдоль компрессора для поддержания оптимального осевого числа Маха.. При более чем 5 ступенях или расчетном соотношении давлений 4: 1 компрессор не будет работать, если он не будет оснащен такими функциями, как неподвижные лопатки с переменным углом (известные как регулируемые входные направляющие лопатки и регулируемые статоры), способность позволять некоторому количеству воздуха выходить частично вдоль компрессора (известный как межступенчатый отвод) и разделенный на более чем один вращающийся узел (например, известный как двойные золотники).

Осевые компрессоры могут иметь высокий КПД; около 90% политроп в их расчетных условиях. Однако они относительно дороги, требуют большого количества компонентов, жестких допусков и материалов высокого качества. Осевые компрессоры используются в средних и крупных газотурбинных двигателях, на насосных станциях природного газа и на некоторых химических предприятиях.

Герметично закрытые, открытые или полугерметичные [ править ]

Компрессоры, используемые в холодильных системах, должны иметь практически нулевую утечку, чтобы избежать потери хладагента, если они будут работать без обслуживания в течение многих лет. Это требует использования очень эффективных уплотнений или даже устранения всех уплотнений и отверстий для образования герметичной системы. Эти компрессоры часто описываются как герметичные , открытые или полугерметичные , чтобы описать, как компрессор закрыт и как двигательпривод расположен относительно сжимаемого газа или пара. Некоторые компрессоры, не относящиеся к холодильной технике, также могут быть до некоторой степени герметичными, как правило, при работе с токсичными, загрязняющими или дорогими газами, при этом большинство применений, не связанных с охлаждением, относятся к нефтехимической промышленности.

В герметичных и большинстве полугерметичных компрессоров компрессор и двигатель, приводящий в действие компрессор, интегрированы и работают в газовой оболочке системы под давлением. Двигатель предназначен для работы в сжатом газообразном хладагенте и охлаждения им. У открытых компрессоров есть внешний двигатель, приводящий в движение вал, который проходит через корпус компрессора, и опираются на вращающиеся уплотнения вокруг вала для поддержания внутреннего давления.

Разница между герметиком и полугерметиком заключается в том, что в герметике используется цельный сварной стальной кожух, который нельзя открыть для ремонта; если герметик выходит из строя, его просто заменяют полностью новым блоком. В полугерметичном исполнении используется большой литой металлический корпус с герметичными крышками с винтами, которые можно открыть для замены компонентов двигателя и компрессора. Основное преимущество герметичности и полугерметичности состоит в том, что газ не может выходить из системы. Основное преимущество открытых компрессоров заключается в том, что они могут приводиться в действие любым источником движущей силы, что позволяет выбрать наиболее подходящий двигатель для применения, или даже неэлектрические источники энергии, такие как двигатель внутреннего сгорания или турбина.и, во-вторых, двигатель открытого компрессора может обслуживаться без открытия какой-либо части системы хладагента.

Открытая система под давлением, такая как автомобильный кондиционер, может быть более восприимчивой к утечке своих рабочих газов. В открытых системах смазочный материал в системе разбрызгивается на детали насоса и уплотнения. Если он не используется достаточно часто, смазка на уплотнениях медленно испаряется, а затем уплотнения начинают протекать до тех пор, пока система не перестанет функционировать и ее необходимо будет повторно заправить. Для сравнения, герметичная или полугерметичная система может простаивать в течение многих лет и обычно может быть запущена снова в любое время, не требуя технического обслуживания или не испытывая потери давления в системе. Даже хорошо смазанные уплотнения со временем будут пропускать небольшое количество газа, особенно если охлаждающие газы растворимы в смазочном масле, но если уплотнения качественно изготовлены и обслуживаются, эти потери будут очень низкими.

Недостаток герметичных компрессоров заключается в том, что моторный привод нельзя ремонтировать или обслуживать, и весь компрессор необходимо заменять, если двигатель выходит из строя. Еще один недостаток состоит в том, что сгоревшие обмотки могут загрязнить всю систему, что требует полной откачки системы и замены газа (это также может происходить в полугерметичных компрессорах, где двигатель работает на хладагенте). Как правило, герметичные компрессоры используются в недорогих потребительских товарах заводской сборки, где стоимость ремонта и труда высока по сравнению со стоимостью устройства, и было бы более экономичным просто купить новое устройство или компрессор. Полугерметичные компрессоры используются в средних и крупных системах охлаждения и кондиционирования воздуха, где дешевле ремонтировать компрессор, чем покупать и устанавливать новый.Герметичный компрессор проще и дешевле построить, чем полугерметичный или открытый компрессор.

Термодинамика сжатия газа [ править ]

Изэнтропический компрессор [ править ]

Компрессор может быть идеализирован как внутренне обратимый и адиабатический , таким образом, изэнтропическое установившееся устройство, то есть изменение энтропии равно 0. ^[27] Определив цикл сжатия как изоэнтропический , можно достичь идеального КПД процесса и идеального производительность компрессора можно сравнить с реальной производительностью машины. Изотропное сжатие, используемое в коде ASME PTC 10, означает обратимый процесс адиабатического сжатия ^[28]

Изэнтропическая эффективность компрессоров:

${\ displaystyle \ eta _ {C} = {\ frac {\ rm {Isentropic \; Compressor \; Work}} {\ rm {Actual \; Compressor \; Work}}} = {\ frac {W_ {s}} {W_ {a}}} \ cong {\ frac {h_ {2s} -h_ {1}} {h_ {2a} -h_ {1}}}}$

${\ displaystyle h_ {1}}$- энтальпия в начальном состоянии

${\ displaystyle h_ {2a}}$является энтальпия в конечном состоянии для фактического процесса

${\ displaystyle h_ {2s}}$- энтальпия в конечном состоянии изоэнтропического процесса

Минимизация работы компрессора [ править ]

Сравнение реверсивных компрессоров с необратимыми [ править ]

Сравнение дифференциальной формы баланса энергии для каждого устройства
Пусть будет тепло, будет работа, будет кинетическая энергия и будет потенциальная энергия. Фактический компрессор:${\ displaystyle q}$${\ displaystyle w}$${\ displaystyle ke}$${\ displaystyle pe}$

${\ displaystyle \ delta q_ {act} - \ delta w_ {act} = dh + dke + dpe}$

Реверсивный компрессор:

${\displaystyle \delta q_{rev}-\delta w_{rev}=dh+dke+dpe}$

Правая часть каждого типа компрессора эквивалентна, поэтому:

${\displaystyle \delta q_{act}-\delta w_{act}=\delta q_{rev}-\delta w_{rev}}$

перестановка:

${\displaystyle \delta w_{rev}-\delta w_{act}=\delta q_{rev}-\delta q_{act}}$

Подставив известное уравнение в последнее уравнение и разделив оба члена на T:${\displaystyle \delta q_{rev}=Tds}$

${\displaystyle {\frac {\delta w_{rev}-\delta w_{act}}{T}}=ds-{\frac {\delta q_{act}}{T}}\geq 0}$

Кроме того, и T - [абсолютная температура] ( ), которая дает: или${\displaystyle ds\geq {\frac {\delta q_{act}}{T}}}$${\displaystyle T\geq 0}$
${\displaystyle \delta w_{rev}\geq \delta w_{act}}$

${\displaystyle w_{rev}\geq w_{act}}$

Следовательно, трудоемкие устройства, такие как насосы и компрессоры (работа отрицательная), требуют меньше работы, когда они работают реверсивно. ^[27]

Эффект охлаждения в процессе сжатия [ править ]

изоэнтропический процесс: без охлаждения,
политропный процесс: включает некоторое охлаждение,
изотермический процесс: включает максимальное охлаждение

Сделав следующие предположения, необходимая работа компрессора для сжатия газа из точки в каждый процесс будет следующей: Допущения:${\displaystyle P_{1}}$${\displaystyle P_{2}}$

${\displaystyle P_{1}}$ и ${\displaystyle P_{2}}$

Все процессы внутренне обратимы

Газ ведет себя как идеальный газ с постоянной удельной теплотой.

Изэнтропический ( , где ):${\displaystyle Pv^{k}=constant}$${\displaystyle k=C_{p}/C_{v}}$

${\displaystyle W_{comp,in}={\frac {kR(T_{2}-T_{1})}{k-1}}={\frac {kRT_{1}}{k-1}}\left[\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(k-1)/k}-1\right]}$

Политропный ( ):${\displaystyle Pv^{n}=constant}$

${\displaystyle W_{comp,in}={\frac {nR(T_{2}-T_{1})}{n-1}}={\frac {nRT_{1}}{n-1}}\left[\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(n-1)/n}-1\right]}$

Изотермический ( или ):${\displaystyle T=constant}$${\displaystyle Pv=constant}$

${\displaystyle W_{comp,in}=RTln\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)}$

Путем сравнения трех внутренне обратимых процессов сжатия идеального газа от до , результаты показывают, что изоэнтропическое сжатие ( ) требует наибольшей работы, а изотермическое сжатие ( или ) требует наименьшего объема работы. Для политропного процесса ( ) работайте в уменьшается по мере уменьшения показателя n за счет увеличения отвода тепла во время процесса сжатия. Одним из распространенных способов охлаждения газа во время сжатия является использование охлаждающих рубашек вокруг корпуса компрессора. ^[27]${\displaystyle P_{1}}$${\displaystyle P_{2}}$${\displaystyle Pv^{k}=constant}$${\displaystyle T=constant}$${\displaystyle Pv=constant}$${\displaystyle Pv^{n}=constant}$

Компрессоры в идеальных термодинамических циклах [ править ]

Идеальный цикл Ренкина 1-> 2 Изэнтропическое сжатие в насосе
Идеальный цикл Карно 4-> 1 Изэнтропическое сжатие
Идеальный цикл Отто 1-> 2 Изэнтропическое сжатие
Идеальный дизельный цикл 1-> 2 Изэнтропическое сжатие
Идеальный цикл Брайтона 1-> 2 Изэнтропическое сжатие в компрессор
Ideal Парокомпрессионное охлаждение Цикл 1-> 2 Изэнтропическое сжатие в компрессоре
ПРИМЕЧАНИЕ. Допущения изоэнтропии применимы только к идеальным циклам. Циклы реального мира имеют неотъемлемые потери из-за неэффективных компрессоров и турбин. Реальные мировые системы не являются истинно изэнтропическими, а скорее идеализированы как изоэнтропические для расчетных целей.

Температура [ править ]

Сжатие газа увеличивает его температуру .

Для политропного превращения газа:

${\displaystyle {\begin{cases}pV^{n}=const.=p_{1}V_{1}^{n}=p_{2}V_{2}^{n}\Rightarrow {\frac {p_{2}}{p_{1}}}\ =\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n}&\\{\frac {p^{\frac {n-1}{n}}}{T}}=const.={\frac {p_{1}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{1}}}={\frac {p_{2}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{2}}}\Rightarrow \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}={\frac {T_{2}}{T_{1}}}&\end{cases}}}$

Работа, выполняемая при политропном сжатии (или расширении) газа в закрытый баллон.

${\displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}^{n}\int _{V_{1}}^{V_{2}}V^{-n}dV={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}(V_{2}^{1-n}-V_{1}^{1-n})={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}V_{1}^{1-n}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)=}$

${\displaystyle ={\frac {1}{1-n}}\left(V_{2}\left({\frac {V_{2}^{-n}}{V_{1}^{-n}}}p_{1}\right)-p_{1}V_{1}\right)={\frac {1}{1-n}}\left(V_{2}\left({\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{V_{2}^{n}}}\right)-p_{1}V_{1}\right)={\frac {p_{2}V_{2}-p_{1}V_{1}}{1-n}}=}$

${\displaystyle ={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n-1}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {T_{2}}{T_{1}}}-1\right)}$

так

${\displaystyle W=-{\frac {p_{1}V_{1}}{n-1}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)}$

где p - давление, V - объем, n принимает разные значения для разных процессов сжатия (см. ниже), а 1 и 2 относятся к начальному и конечному состояниям.

• Адиабатический - эта модель предполагает, что никакая энергия (тепло) не передается к газу или от него во время сжатия, и вся поданная работа добавляется к внутренней энергии газа, что приводит к увеличению температуры и давления. Теоретическое повышение температуры составляет: ^[29]

${\displaystyle T_{2}=T_{1}\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{(\kappa -1)/\kappa }}$

где T ₁ и T ₂ в градусах Ренкина или кельвинах , p ₂ и p ₁ - абсолютное давление и отношение удельных теплоемкостей.${\displaystyle \kappa =}$ (примерно 1,4 для воздуха). Повышение соотношения воздуха и температуры означает, что сжатие не соответствует простому соотношению давления к объему. Это менее эффективно, но быстро. Адиабатическое сжатие или расширение более точно моделирует реальную жизнь, когда компрессор имеет хорошую изоляцию, большой объем газа или короткое время (например, высокий уровень мощности). На практике всегда будет определенное количество теплового потока из сжатого газа. Таким образом, создание идеального адиабатического компрессора потребует идеальной теплоизоляции всех частей машины. Например, металлическая камера насоса для велосипедных шин нагревается, когда вы сжимаете воздух, чтобы заполнить шину. Связь между температурой и степенью сжатия, описанная выше, означает, что значение для адиабатического процесса равно (отношение удельной теплоемкости).${\displaystyle n}$${\displaystyle \kappa }$

• Изотермический- Эта модель предполагает, что сжатый газ остается при постоянной температуре в процессе сжатия или расширения. В этом цикле внутренняя энергия удаляется из системы в виде тепла с той же скоростью, что и механическая работа сжатия. Изотермическое сжатие или расширение более точно моделирует реальную жизнь, когда компрессор имеет большую поверхность теплообмена, небольшой объем газа или большой временной масштаб (т. Е. Небольшой уровень мощности). Компрессоры, которые используют межступенчатое охлаждение между ступенями сжатия, наиболее близки к достижению идеального изотермического сжатия. Однако с помощью практических устройств идеальное изотермическое сжатие недостижимо. Например, если у вас нет бесконечного числа ступеней сжатия с соответствующими промежуточными охладителями, вы никогда не достигнете идеального изотермического сжатия.

Для изотермического процесса это 1, поэтому значение интеграла работы для изотермического процесса составляет:${\displaystyle n}$

${\displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}\int _{V_{1}}^{V_{2}}{\frac {1}{V}}dV=p_{1}V_{1}\ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}=-p_{1}V_{1}\ln \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)}$

При оценке оказывается, что изотермическая работа ниже адиабатической.

• Политропический - эта модель учитывает как повышение температуры газа, так и некоторую потерю энергии (тепла) в компонентах компрессора. Это предполагает, что тепло может поступать в систему или выходить из нее, и что работа входного вала может проявляться как в повышенном давлении (обычно полезная работа), так и в повышенной температуре выше адиабатической (обычно потери из-за эффективности цикла). Эффективность сжатия - это отношение повышения температуры при теоретических 100 процентах (адиабатическое) к фактическому (политропическое). Политропическое сжатие будет использовать значение от 0 (процесс постоянного давления) до бесконечности (процесс постоянного объема). Для типичного случая, когда прилагается усилие для охлаждения газа, сжатого приблизительно адиабатическим процессом, значение будет между 1 и .${\displaystyle n}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \kappa }$

Поэтапное сжатие [ править ]

В случае центробежных компрессоров коммерческие конструкции в настоящее время не превышают степень сжатия более 3,5: 1 на любой одной ступени (для типичного газа). Поскольку сжатие приводит к повышению температуры, сжатый газ необходимо охлаждать между ступенями, что делает сжатие менее адиабатическим и более изотермическим. Межступенчатые охладители обычно приводят к некоторой частичной конденсации, которая удаляется в парожидкостных сепараторах .

В случае небольших поршневых компрессоров маховик компрессора может приводить в действие охлаждающий вентилятор, который направляет окружающий воздух через промежуточный охладитель двух или более ступенчатого компрессора.

Поскольку в ротационных винтовых компрессорах может использоваться смазочно-охлаждающая жидкость для снижения повышения температуры от сжатия, они очень часто превышают степень сжатия 9: 1. Например, в обычном компрессоре для дайвинга воздух сжимается в три этапа. Если каждая ступень имеет степень сжатия 7: 1, компрессор может выдавать давление в 343 раза больше атмосферного (7 × 7 × 7 = 343 атмосферы ). (343 атм, или 34,8  МПа, или 5,04 тысячи  фунтов на квадратный дюйм )

Приводные двигатели [ править ]

Существует множество вариантов двигателя, приводящего в действие компрессор:

• Газовые турбины приводят в действие компрессоры с осевым и центробежным потоком, входящие в состав реактивных двигателей .
• Для больших компрессоров возможны паровые или водяные турбины .
• Электродвигатели дешевы и бесшумны для статических компрессоров. В небольших двигателях, подходящих для бытовых электросетей, используется однофазный переменный ток . Двигатели большего размера могут использоваться только там, где имеется промышленный трехфазный источник переменного тока.
• Дизельные двигатели или бензиновые двигатели подходят для переносных компрессоров и вспомогательных компрессоров.
• В автомобилях и других типах транспортных средств (включая самолеты с поршневым двигателем, лодки, грузовики и т. Д.) Выходная мощность дизельных или бензиновых двигателей может быть увеличена за счет сжатия всасываемого воздуха, так что за цикл можно сжечь больше топлива. Эти двигатели могут приводить в действие компрессоры, используя собственную мощность коленчатого вала (эта установка, известная как нагнетатель ), или использовать выхлопные газы для привода турбины, подключенной к компрессору (эта установка известна как турбонагнетатель ).

Приложения [ править ]

Газовые компрессоры используются в различных сферах, где требуется более высокое давление или меньшие объемы газа:

• При транспортировке очищенного природного газа от места добычи к потребителю по трубопроводу компрессор приводится в действие двигателем, работающим на газе, отбираемом из трубопровода. Таким образом, внешний источник питания не требуется.
• Нефтеперерабатывающие заводы, заводы по переработке природного газа, нефтехимические и химические заводы и аналогичные крупные промышленные предприятия требуют сжатия промежуточных и конечных газов.
• В холодильном оборудовании и кондиционере используются компрессоры для отвода тепла в циклах хладагента (см. Парокомпрессионное охлаждение ).
• Газотурбинные установки сжимают всасываемый воздух для горения .
• Очищенные или промышленные газы небольшого объема требуют сжатия для заполнения баллонов высокого давления для медицинских , сварочных и других целей.
• Для различных промышленных, производственных и строительных процессов требуется сжатый воздух для привода пневматических инструментов .
• При производстве и выдувном формовании пластиковых бутылок и контейнеров из ПЭТ.
• Некоторым самолетам требуются компрессоры для поддержания герметичности кабины на высоте.
• Некоторые типы реактивных двигателей, такие как турбореактивные и турбовентиляторные, сжимают воздух, необходимый для сгорания топлива. Турбины реактивного двигателя приводят в действие компрессор воздуха для горения.
• При подводном плавании с аквалангом , гипербарической кислородной терапии и других устройствах жизнеобеспечения компрессоры помещают дыхательный газ в емкости небольшого объема, такие как баллоны для дайвинга . ^{[30] [31]}
• При погружении с поверхности воздушный компрессор часто подает для дыхания воздух низкого давления (от 10 до 20 бар).
• Подводные лодки используют компрессоры для хранения воздуха для последующего использования при вытеснении воды из плавучих камер для регулировки глубины.
• Турбокомпрессоры и нагнетатели - это компрессоры, которые увеличивают производительность двигателя внутреннего сгорания за счет увеличения массового расхода воздуха внутри цилиндра, поэтому двигатель может сжигать больше топлива и, следовательно, производить больше мощности.
• Железнодорожные и тяжелые автомобильные транспортные средства используют сжатый воздух для приведения в действие тормозов железнодорожных транспортных средств или автотранспортных средств, а также различных других систем ( дверей , дворников , двигателя , управления коробкой передач и т. Д.).
• СТО и автомастерские используют сжатый воздух для заполнения пневматических шин и силовых пневматических инструментов.
• Пожарные поршни и тепловые насосы существуют для нагрева воздуха или других газов, и сжатие газа является лишь средством для достижения этой цели.
• Роторно-лопастные компрессоры часто используются для подачи воздуха в линии пневмотранспорта порошка или твердых веществ. Достигнутое давление может составлять от 0,5 до 2 бар изб. ^[32]

• Воздушный компрессор для дайвинга в шкафу шумоподавления

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]