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 сжимаются, компрессор также уменьшает объем газа. Жидкости относительно несжимаемы; в то время как некоторые из них могут сжиматься, основное действие насоса заключается в нагнетании 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, чтобы вмещать уже сжатый газ. Каждая ступень дополнительно сжимает газ и увеличивает давление.

Типы [ править ]

Основные и важные типы газовых компрессоров проиллюстрированы и рассмотрены ниже:

Положительное смещение [ править ]

Компрессор прямого вытеснения - это система, которая сжимает воздух за счет смещения механического рычага, уменьшающего объем (поскольку уменьшение объема из-за поршня в термодинамике считается положительным смещением 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 движение электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. ^{[1] [2] [3]} Небольшие поршневые компрессоры мощностью от 5 до 30  лошадиных сил (л.с.) обычно используются в автомобилестроении 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 некоторых приложениях, таких как сжатие воздуха, многоступенчатые компрессоры двустороннего действия считаются наиболее эффективными из имеющихся, и обычно они больше и дороже, чем сопоставимые роторные агрегаты. ^[4] 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 бытовых нужд, домашних мастерских и небольших строительных площадок 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. Из-за этого 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, больше весит, его трудно обслуживать из-за большого количества движущихся частей, а также ему присуща вибрация. ^[5]

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 .

Винтовые компрессоры [ править ]

В роторно-винтовых компрессорах используются два вращающихся винта с положительным смещением с сеткой, чтобы нагнетать газ в меньшее пространство. ^{[1] [6] [7]} 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. ^[8] Винтовые компрессоры серийно выпускаются масляного, водяного и сухого типов. Эффективность роторных компрессоров зависит от осушителя воздуха, ^{[ необходимо пояснение ],} и выбор осушителя воздуха всегда в 1,5 раза превышает объемную производительность компрессора. ^[9]

Существуют конструкции с одним винтом ^[10] или тремя винтами ^[11] вместо двух.

Винтовые компрессоры имеют меньше движущихся компонентов, большую производительность, меньше вибрации и помпажа, могут работать с переменной скоростью и, как правило, имеют более высокий КПД. Небольшие размеры или низкая частота вращения ротора нецелесообразны из-за естественных утечек, вызванных зазором между полостями сжатия или винтами и корпусом компрессора. ^[5] 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. По мере вращения ротора лопасти скользят в прорези и выходят из них, сохраняя контакт с внешней стенкой корпуса. ^[1] 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 движение электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. Машины с сухими лопастями 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%. ^[12]

Подвижный поршень [ править ]

Подвижный поршень в компрессоре с вращающимся поршнем играет роль перегородки между лопастью и ротором. ^[13] 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. ^[14] Конструкция без пружины называется компрессором поворота. ^[15]

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

Он обеспечивает более высокий КПД, чем поршневые компрессоры, благодаря меньшим потерям из-за объема зазора между поршнем и корпусом компрессора, его размер 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 зазора. ^[5]

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. ^{[16] [17] [18]} 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 накачивая 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 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 движением и качением, спиральные компрессоры более надежны, поскольку они имеют меньшее количество компонентов и имеют более простую конструкцию, более эффективны, поскольку у них нет зазора и клапанов, у них меньше пульсаций и они не так сильно вибрируют. Но по сравнению с винтовыми и центробежными компрессорами спиральные компрессоры имеют меньшую эффективность и меньшую производительность. ^[5]

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 осуществляется стержнем и механизмом коленчатого вала. Только мембрана и компрессорная коробка контактируют с сжимаемым газом. ^[1]

Степень изгиба и материал, из которого изготовлена ​​диафрагма, влияют на срок службы оборудования. Обычно жесткие металлические диафрагмы могут перемещать только несколько кубических сантиметров объема, потому что металл не может выдерживать большие степени изгиба без трещин, но жесткость металлической диафрагмы позволяет ей перекачивать при высоких давлениях. Резиновые или силиконовые диафрагмы способны выдерживать глубокие перекачивания с очень высокой степенью изгиба, 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 ( CNG ), а также в ряде других приложений.

На фотографии справа изображен трехступенчатый мембранный 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 (КПГ), построенной в центре города Феникс, штат Аризона, компанией Arizona Public. Сервисная компания (электроэнергетическая компания). Поршневые компрессоры использовались для сжатия природного газа . Поршневой компрессор природного газа был разработан Sertco . ^[19]

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, образующаяся 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 шахты. ^[20]

Центробежные компрессоры [ править ]

В центробежных компрессорах используется вращающийся диск или крыльчатка в профильном корпусе, чтобы нагнетать газ к ободу крыльчатки, 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 . ^{[1] [21] [22]} 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 во многих крупных снежных предприятиях (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 являются самыми крупными из доступных компрессоров, 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 , рабочее колесо должно вращаться с высокими скоростями, что делает малые компрессоры непрактичными, а помпаж становится более вероятным. ^[5]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 привести к тому, что газы будут течь вперед и назад между компрессором и всем, что подключено к его нагнетательной линии, вызывая колебания. ^[5]

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. ^{[23] По} сравнению с обычным центробежным компрессором (с такой же степенью сжатия ступеней) значение скорости компрессора смешанного потока в 1,5 раза больше. ^[24]

Осевые компрессоры [ править ]

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

Наборы профилей располагаются 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 лопасти, замедляют и изменяют направление потока жидкости, подготавливая ее для лопастей ротора следующей ступени. ^[1] 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 стационарные лопатки с переменным углом (известные как регулируемые входные направляющие лопатки и регулируемые статоры), способность позволять некоторому количеству воздуха выходить из части. 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 высококачественных материалов. 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 дорогостоящими 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 заключается 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 можно обслуживать 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 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 и 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, а в случае выхода из строя мотора необходимо заменить весь компрессор. Еще одним недостатком является то, что сгоревшие обмотки могут загрязнить всю систему, что требует полной откачки системы и замены газа (это также может случиться в полугерметичных компрессорах, где двигатель работает на хладагенте). Обычно герметичные компрессоры используются в недорогих потребительских товарах заводской сборки, где стоимость ремонта и труда высока по сравнению со стоимостью устройства, и было бы более экономично 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 можно идеализировать как внутренне обратимый и адиабатический , таким образом, изоэнтропическое устройство в установившемся режиме, то есть изменение энтропии равно 0. ^[25] Определив цикл сжатия как изэнтропический , можно достичь идеального КПД процесса и идеального производительность компрессора можно сравнить с реальной производительностью машины. Изотропное сжатие, используемое в коде ASME PTC 10, относится к обратимому, адиабатическому процессу сжатия ^[26]

Изэнтропическая эффективность компрессоров:

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

${\displaystyle h_{1}}$является 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 сторона 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, а 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. ^[25]

Эффект охлаждения в процессе сжатия [ править ]

изоэнтропический процесс: не требует охлаждения,
политропный процесс: включает некоторое охлаждение,
изотермический процесс: включает максимальное охлаждение

Сделав следующие допущения, 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}$

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

Сравнивая три внутренне обратимых процесса 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. ^[25]${\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 для идеальных циклов. Циклы реального мира имеют неизбежные 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: ^[27]

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

где T ₁ и T ₂ в градусах Ренкина или кельвинах , p ₂ и p ₁ - абсолютные давления 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 (т. Е. 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, даже 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 удельных теплоемкостей).${\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 количества ступеней сжатия с соответствующими промежуточными охладителями, вы никогда не добьетесь 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 изотермическая работа оказывается ниже адиабатической.

• Политропный - 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 прилагаются усилия для охлаждения газа, сжатого приблизительно адиабатическим процессом, значение будет находиться в пределах от 1 до .${\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 повышает температуру, 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 ротационные винтовые компрессоры могут использовать охлаждающую смазку для снижения повышения температуры от сжатия, они очень часто превышают степень сжатия 9: 1. Например, в типичном компрессоре для дайвинга воздух сжимается в три этапа. Если каждая ступень имеет степень сжатия 7: 1, компрессор может выдавать 343-кратное атмосферное давление (7 × 7 × 7 = 343 атмосферы ). (343 атм, или 34,8  МПа, или 5,04 тысячи  фунтов на квадратный дюйм )

Приводные двигатели [ править ]

Есть много 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 электроснабжений, используется однофазный переменный ток . Двигатели большего размера могут использоваться только при наличии промышленного электрического трехфазного источника 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 может сжигаться 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 ).

Смазка [ править ]

Компрессоры , которые приводятся в движение с помощью электродвигателя можно управлять с помощью частотно - регулируемого привода или преобразователя мощности , однако многие герметичные и полугерметичные компрессоры могут работать только на определенной скорости, так как они могут включать в себя встроенную масляных насосов. Масляный насос соединен с тем же валом, который приводит в движение компрессор, и нагнетает масло в компрессор и подшипники двигателя. На низких скоростях недостаточное количество масла достигает подшипников, 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, возможно, в нагнетательную линию из-за разбрызгивания. В конце концов масло вытечет, и подшипники останутся без смазки, что приведет к поломке, и масло может загрязнить хладагент, воздух или другой рабочий газ. ^[28]

Приложения [ править ]

Газовые компрессоры используются в различных приложениях, где требуется либо более высокое давление, либо меньшие объемы газа:

• При транспортировке очищенного природного газа по трубопроводу от места добычи к потребителю 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 , автономных дыхательных аппаратах , гипербарической кислородной терапии и другом оборудовании жизнеобеспечения компрессоры подают сжатый дыхательный газ либо напрямую, либо через контейнеры для хранения газа под высоким давлением, такие как водолазные баллоны . ^{[29] [30]} При подводном плавании с поверхности обычно используется воздушный компрессор для подачи воздуха низкого давления (от 10 до 20 бар) для дыхания.
• Подводные лодки используют компрессоры для хранения воздуха для последующего использования при вытеснении воды из плавучих камер для регулирования плавучести.
• 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. ^[31]

• Воздушный компрессор для дайвинга в шкафу шумоподавления

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]