Войти
г.Москва, ЗелАО, пр-д 4801-й, д.5

Объемное и динамическое сжимание воздуха: алгоритм работы

28.04.2020

В первую очередь необходимо изучить основные принципы сжимания газа, после чего сопоставить их и рассмотреть разнообразные компрессоры в данной сфере.

Алгоритмы сжимания


Есть два главных алгоритма сжимания воздуха (или газа):

  • возвратно-поступательное;

  • динамическое сжимание.

Алгоритм сжимания возвратно-поступательным передвижением характерен для таких компрессоров:

  • возвратно-поступательные (поршни);

  • орбитальные (спирали);

  • ротационные (лопасти, винты).

В ходе возвратно-поступательного сжимания происходит засасывание воздуха в камеры сжимания – после этого происходит их изоляция от входа. Понемногу идет понижение объема каждой камеры, что приводит к сжиманию воздуха. При достижении давлением расчетного коэффициента сжимания проводится открытие порта или клапана, что приводит к выгружению воздуха в выпускную систему под воздействием непрерывного снижения объема камеры сжимания.

Алгоритм динамического сжимания характерен для радиальных или осевых турбокомпрессоров.

В процессе динамического сжимания лопасти стремительно вращающегося рабочего класса компрессора вращают воздух и разгоняют его до значительной скорости. После этого происходит выпускание газа через диффузор, где идет преобразование кинетической энергии в давление в статике.

Возвратно-поступательные компрессоры

Максимально упрощенный метод сжимания на возвратно-поступательной основе можно рассмотреть на примере велосипедного насоса, при котором передвигающийся поршень втягивает воздух в цилиндр и сжимает его. Принцип функционирования поршневого компрессора аналогичен: вперед и назад двигается поршень, передвижение которого обеспечивается шатуном и коленчатым валом. Односторонний компрессор применяет для сжимания воздуха одну сторону поршня, двойной – верхнюю или нижнюю стороны.

Коэффициент давления – взаимосвязь между входным и выходным абсолютными давлениями. Если аппарат засасывает воздух при атмосферном давлении (1 бар (а) и сжимает его до 7 бар излишнего давления, то функционирование производится при коэффициенте давления (7 + 1)/1 = 8).

Работа возвратно-поступательных компрессоров

Указанные иллюстрации демонстрируют взаимосвязь давления и объема для компрессора в теории, а также для поршневого компрессора в реальном действии. Рабочий объем – объем цилиндра, в пределах которого в процессе засасывания происходит перемещение поршня. Объем камеры сжатия – объем под клапанами впуска и выпуска и над поршнем, которому механически необходимо находиться в верхней точке проворота поршня.

Объяснить разницу между рабочим объемом и объемом засасывания можно воздухом, который остался в объеме камеры сжатия до этапа засасывания. Практическая конструкция поршневого или иного компрессора объясняет различие между действительной и диаграммой в теории p/V. Абсолютная герметичность клапанам не свойственна, и какое-либо незапланированное утекание между поршневой юбкой и стенкой цилиндра наблюдается постоянно. Помимо этого, полное открытие и закрытие клапанов характеризуется минимальной задержкой. Это является причиной перепада давления при протечке газа по каналам. Вследствие особенностей конструкции при входе в цилиндр происходит нагревание газа. 


Функционирование компрессора с изометрическим сжиманием:


Функционирование компрессора с изоэнтропическим сжиманием:

Указанные взаимосвязи демонстрируют, что изометрическое сжимание нуждается в большей работе, по сравнению с изоэнтропическим.

Динамические компрессоры

Увеличение давления в таком компрессоре наблюдается при протечке потока газа. Происходит разгон протекающего газа до значительной скорости посредством вращения лопастей на рабочем колесе. После этого идет преобразование скорости газа в давление в статике, при котором расширение в диффузоре заставляет газ замедляться. Направление потока газа влияет на тип компрессора – осевой или радиальный.

В отличие от объемных компрессоров, динамические отличаются следующей особенностью: незначительная перемена в рабочем давлении влечет за собой существенные перемены в скорости потока.

У всех рабочих колес скорость обладает верхним и нижним пределом расхода. Значение верхнего предела – достижение показателя скорости потока газа показателю скорости звука. Значение нижнего предела – превышение противодавления давлению компрессора, что свидетельствует о появлении обратного потока в компрессоре, а это влечет за собой пульсирование, шумы и вероятность механического ущерба.

Поэтапное сжимание

В теории сжимание газа или воздуха может проводиться при неизменной энтропии или неизменной температуре. Каждый процесс может стать обратимым в теории цикла. Если бы была возможность эксплуатировать сжатый газ после сжимания при его конечной температуре, то сжимание при неизменной энтропии было бы выгодным. Но в реальности газ или воздух после сжимания практически не эксплуатируются. Перед использованием специалисты проводят его охлаждение до показателя температуры воздуха окружающей среды. По этой причине более выгодно сжимание при неизменной температуре (изотермически), так как в этом случае затрачивается меньше работы. Стандартная процедура изотермического сжимания предусматривает охлаждение газа в процессе сжимания. Если эффективное рабочее давление 7 бар, то в теории изоэнтропическое сжимание потребует энергии на 37% больше, по сравнению с изотермическим.

Используемый в реальности способ уменьшения нагрева газа заключается в разделении сжимания на ряд ступеней. Производится охлаждение газа после каждого этапа перед сжиманием до конечного давления. Тем самым обеспечивается максимально эффективное использование энергетических ресурсов. Для достижения максимального результата необходимо, чтобы каждый этап сжимания обладал одинаковым коэффициентом давления. Повышение количества этапов сжимания приближает процесс к изотермическому сжиманию. При этом есть предел рентабельности для количества ступеней, которые в состоянии применять реальная установочная конструкция.

Турбокомпрессор и возвратно-поступательный компрессор

При неизменной скорости вращения кривая давления и расхода для турбокомпрессоров значительно отличается от этой же кривой для тех компрессоров, которые функционируют на основе возвратно-поступательного движения. Турбокомпрессоры – машины с переменными показателями давления и расхода. В то же время объемный компрессор – это устройство с показателем неизменного расхода и переменного давления. Благодаря компрессору достигается повышенное отношение давления и при невысокой скорости. Турбокомпрессоры разработаны для повышенного расхода воздуха. 

Назад к списку