Компрессор

редактировать

Механическое устройство, увеличивающее давление газа за уменьшение объема

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

A компрессор - это механическое устройство, которое увеличивает давление газа за счет уменьшения его объема. воздушный компрессор - это особый тип газового компрессора.

Компрессоры аналогичны насосам : оба повышают давление на жидкость, и оба транспортировать жидкость по трубе. Газы сжимаемы, компрессор также уменьшает объем газа. Жидкости относительно несжимаемы; В то время как некоторые из них могут сжиматься, основное действие насоса - нагнетание и транспортировка жидкостей.

Многие компрессоры могут быть ступенчатыми, то есть жидкость сжимается несколько разноступенчато или ступенчато для увеличения давления нагнетания. Часто вторая ступень физически меньше первой ступени. Каждую ступень дополнительно сжимает газ и увеличение давления. Компрессоры, приводимые в действие электродвигателем, также могут управляться с помощью VFD или преобразователя мощности, однако многие (герметичные и полугерметичные) компрессоры могут работать только на определенных скоростях, поскольку они могут быть встроенными масляными 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 подшипниках нагнетается недостаточное количество масла или масло вообще не поступает, что в итоге приводит к выходу из строя 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. за разбрызгивания. В конечном итоге масло выходит, а подшипники остаются без смазки, что снова приводит к отказу, и масло может загрязнять хладагент, воздух или другой рабочий газ.

Содержание

1 Типы
- 1.1 Вытеснение
  - 1.1.1 Поршневые компрессоры
  - 1.1.2 Ионно-жидкостные поршневые компрессоры
  - 1.1.3 Винтовые компрессоры
  - 1.1.4 Роторно-лопастные компрессоры
  - 1.1.5 Роликовые поршневые
  - 1.1.6 Спиральные компрессоры
  - 1.1.7 Мембранные компрессоры
- 1.2 Динамические
  - 1.2.1 Воздушно-пузырьковые компрессоры
  - 1.2.2 Центробежные компрессоры
  - 1.2.3 Диагональные или смешанные компрессоры
  - 1.2.4 Осевые компрессоры
- 1.3 Герметичный, открытый или полугерметичный
2 Термодинамика сжатия газа
- 2.1 Изэнтропический компрессор
- 2.2 Минимизация работы, необходимой для компрессора
  - 2.2.1 Сравнение реверсивных компрессоров с необратимыми
  - 2.2.2 Эффект охлаждения в процессе сжатия
- 2.3 Компрессоры в идеальных термодинамических циклах
3 Температура
4 Ступенчатое сжатие
5 Привод двигатели
6 Области применения
7 См. также
8 Ссылки

Типы

Основные и важные типы газовых компрессоров, проиллюстрированы и предлагаемые ниже:

Объемный объем

Компрессор прямого вытеснения - это система, которая сжимает воздух за счет перемещения механического, уменьшающего объем (уменьшение объема из-за поршня в термодинамике как прямое смещение поршня).

Другими, 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

Шестицилиндровый поршневой компрессор с моторным приводом, который может работать с двумя, четырьмя или шестью цилиндрами.

Поршневые компрессоры используют поршни с приводом от коленчатого вал. Они могут быть стационарными или переносными, могут быть одно- или многоступенчатыми и приводиться в действие электродвигателями или двигателем внутреннего сгорания. Небольшие поршневые компрессоры мощностью от 5 до 30 лошадиных сил (л.с.) обычно используются в автомобильной промышленности, как правило, прерывистого режима работы. Более крупные поршневые компрессоры мощностью более 1000 л.с. (750 кВт) обычно используются в крупных промышленных и нефтяных установках. Давление нагнетания может действовать от низкого до очень высокого (>18000 фунтов на квадратный дюйм или 180 МПа). В некоторых областях применения, таких как сжатие воздуха, многоступенчатые компрессоры двустороннего действия являются наиболее эффективными из них, чем сопоставимые роторные агрегаты. Другой тип поршневого компрессора, обычно используемый в автомобильных системах кондиционирования воздуха, - это компрессор с наклонной шайбой или качающейся шайбой, в которой используются поршни, перемещаемые наклонной шайбой, установленной на валу (см. аксиально-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.

A линейный компрессор - поршневой компрессор, поршень которого 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 рассчитан на широкий диапазон мощностей, различных размер, количество цилиндров и разгрузку цилиндров. Он страдает от более высоких потерь из-за зазоров, сопротивление из-за нагнетания и всасывающего клапана, весит больше, его трудно обслуживать из-за большого количества движущихся частей, и ему присуща вибрация.

Ионная энергия. жидкостный поршневой компрессор

поршневой компрессор с ионной жидкостью, ионный компрессор или поршневой насос с ионной жидкостью - это водородный компрессор на основе поршня ионной жидкости вместо металлического поршня, как в поршневом компрессоре с металлической диафрагмой .

Винтовые компрессоры

Схема винтового компрессора

Винтовые компрессоры используют двусклеточные вращающиеся поршневые компрессоры винты со спиральными головками для подачи газа в меньшее пространство. 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).

Классификация винтовых компрессоров зависит, в частности, от ступеней, методов охлаждения и типов привода. Винтовые компрессоры серийно производятся масляными, водяными и сухими. Эффективность роторных компрессоров от осушителя воздуха, и выбор осушителя воздуха всегда в 1,5 раза больше объема компрессора.

Существуют конструкции с одним винтом или тремя винтами вместо двух.

Винтовые компрессоры имеют меньше движущихся компонентов, имеют меньшую производительность, меньше вибрации и помпажа, могут работать с переменной скоростью и обычно более высокими КПД. Малые размеры или низкая частота вращения ротора нецелесообразны из-за внутренних утечек между полостями. Они зависят от точных допусков на обработку, чтобы избежать высоких потерь на утечку, и склонны к повреждению при неправильной эксплуатации или плохом обслуживании.

Пластинчато-роторные компрессоры

Эксцентриковые пластинчато-роторные насосы

Пластинчато-роторные компрессоры состоят из ротора с помощью 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. Таким образом, вращающимися лопастями серию увеличивающихся и увеличивающихся размеров. Пластинчато-роторные компрессоры с поршневыми компрессорами являются одними из старейших компрессорных технологий.

При подходящих портовых соединениях устройства могут быть либо компрессором, либо вакуумным насосом. Они могут быть стационарными или переносными, могут быть одно- или многоступенчатыми и приводить в движение электродвигателями или двигателем 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%.

Поршень с качением

Компрессор с вращающимся поршнем

Поршень качения в компрессоре с вращающимся поршнем играет роль перегородки между лопаткой и ротором. 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. Конструкция без пружины известна как поворотный компрессор.

В холодильной технике и кондиционировании воздуха известен как роторный компрессор, при этом роторные винтовые компрессоры также известны как винтовые компрессоры.

Он обеспечивает более высокий КПД, чем поршневые компрессоры, из-за меньших потерь из-за зазора между поршнем и корпусом компрессора, он на 40-50% меньше и легче для данной производительности (что может повлиять на стоимость материалов) 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, менее эффективен, чем другие типы компрессоров, из-за потерь из-за объема зазора.

Спиральные компрессоры

Механизм действия спиральный насос

A спиральный компрессор, также известный как спиральный насос и спиральный вакуумный насос, использует две чередующиеся спиральные лопатки для накачки или сжатия текучие среды, такие как жидкости и газы. Геометрия лопатки может быть эвольвентной, архимедовой спиралью или гибридными кривыми. Они работают более плавно, тихо и надежно, чем другие компрессоры в диапазоне меньшего объема.

Часто одна из спиралей зафиксирована, в то время как другая вращая эксцентрически без вращения, тем самым захватывая и нагнетая или сжимая карманные жидкости между спиралями.

Благодаря минимальному зазору между неподвижной спиралью и вращающейся спиралью эти компрессоры очень высокие объемный КПД.

Эти компрессоры широко используются в системах кондиционирования воздуха и охлаждения, поскольку они легче и меньше и имеют меньше движущихся частей, чем поршневые компрессоры, а также более надежны. Системы охлаждения или кондиционирования воздуха, используемые при проектировании системы охлаждения или кондиционирования воздуха, являются наиболее важными для системы охлаждения или кондиционирования воздуха.

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

По сравнению с поршнями компрессорами с возвратно-поступательным движением и вращающимися поршнями 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 помпаж. и нет 't так сильно вибрировать. Но по сравнению с центробежными компрессорами спиральные компрессоры имеют меньшую эффективность и меньшую производительность.

Мембранные компрессоры

A мембранные компрессоры (также известные как мембранные компрессоры ). вариант обычного поршневого компрессора. Сжатие газа происходит за счет движения гибкой мембраны, а не всасывающего элемента. Возвратно-поступательное движение мембраны в движение стержнем и валом. Только мембрана и блок компрессора вступают в контакт с сжимаемым газом.

Степень изгиба и материал, из которого изготовлена мембрана, срок службы оборудования. Обычно жесткость металлической диафрагмы может перемещать только несколько кубических сантиметров объема, поскольку металл не может выдерживать большую степень изгиба без образования трещин, но жесткость металлической диафрагмы ей позволяет перекачивать при высоких давлениях. Резиновые или силиконовые диафрагмы, способные производить глубокие перегибающие 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 (CNG ), а также в ряде других приложений.

Трехступенчатый мембранный компрессор

На фотографии справа изображен трехступенчатый мембранный компрессор, используемый для сжатия газообразного водорода до 6000 фунтов на кв. Дюйм (41 МПа) для использования в прототипе сжатого водорода и заправочная станция для сжатого природного газа (КПГ), построенная в центре города Феникс, штат Аризона компанией Аризона Публичная служба (электроэнергетическая компания). Поршневые компрессоры использовались для сжатия природного газа. Поршневой компрессор природного газа был разработан Sertco.

. Прототип альтернативной заправочной станции был построен с соблюдением всех действующих в Фениксе правил техники безопасности, охраны окружающей среды и строительства, чтобы такие заправочные станции могли строиться в городских условиях.

Dynamic

Воздушный пузырьковый компрессор

Также известен как trompe. Смесь воздуха и воды, образующаяся в результате турбулентности, может упасть 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 поверхности на более низкой высоте, чем забор. Выпускное отверстие в крыше камеры подает сжатый воздух на поверхность. Установка по этому принципу была построена на реке Монреаль в Рэггед-Шутс около Кобальт, Онтарио в 1910 году и обеспечила 5000 лошадиных сил близлежащими шахтами.

Центробежные компрессоры

Одноступенчатый центробежный компрессор

Одноступенчатый центробежный компрессор, начало 1900-х гг., G. Schiele Co., Франкфурт-на-Майне

Центробежные компрессоры используют вращающийся диск или рабочее колесо в формованный корпус для нагнетания газа 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 заводы, химические и нефтехимические заводы и заводы по переработке природного газа. Их применение может составлять от 100 лошадиных сил (75 кВт) до тысяч лошадиных сил. Благодаря доступному управлению они достигают 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.

Многие крупные предприятия оснежения (например, горнолыжные курорты ) используют этот тип компрессора. Они также используются в двигателех внутреннего сгорания как нагнетатели и турбокомпрессоры. Центробежные компрессоры используются в небольших газовых турбинах двигателях или в качестве ступени конечного 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, весит до 90% меньше и занимают на 50% меньше места, чем поршневые компрессоры, они надежны и дешевле в обслуживании, поскольку меньше компонентов подвержены износу и генерируют минимальную вибрацию. Но их начальная стоимость выше, требует высокоточной обработки CNC, рабочее колесо должно вращаться с высокими скоростями, что делает малые компрессоры непрактичными, а помпаж становится более вероятным. 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.

Диагональные или смешанные компрессоры

Диагональ или Компрессоры со 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. По сравнению с обычным центробежным компрессором (с той же степенью сжатия ступеней) значение скорости компрессора смешанного потока в 1,5 раза больше.

Осевые компрессоры

Анимация осевого компрессора.

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

Массивы 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. Осевые компрессоры почти всегда являются многоступенчатыми, с уменьшением площади поперечного сечения газового канала 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 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% политропы в расчетных условиях. Однако они относительно дороги, требуют большого количества компонентов, жестких допусков и материалов высокого качества. Осевые компрессоры используются в средних и больших газотурбинных двигателях, газоперекачивающих станциях и некоторых химических предприятиях.

Герметично закрытый, открытый или полугерметичный

Небольшойгерметичный компрессор в обычном бытовом холодильнике или морозильнике обычно имеет закругленную стальную внешнюю оболочку. сварной затвор, изолирующий рабочие газы внутри системы. Утечка газов невозможна, например, вокруг уплотнения вала двигателя. В модели пластиковая верхняя часть является частью системы автоматического размораживания, которая использует тепло двигателя для испарения воды.

Компрессоры, используемые в холодильных нулевых систем, должны показывать почти утечки, чтобы избежать потерь 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 двигатель привод расположен относительно сжимаемого газа или пара. Некоторые компрессоры, не относящиеся к холодильной технике, могут быть в некоторой степени герметичными, как правило, при работе с токсичными, загрязняющими или дорогими газами, при этом большинством применений, не связанных с охлаждением, отношением к нефтехимической промышленности.

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

Разница между герметиком и полугерметиком заключается в том, что использует цельный сварной стальной кожух, который нельзя открыть для ремонта; если герметик выходит полностью из строя, его просто заменяют 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 открытого компрессора заключается в том, что они могут приводить в действие механизмом движущей силы, что позволяет выбрать наиболее подходящий двигатель для применения, или даже неэлектрические источники энергии, такие как двигатель внутреннего сгорания или турбина, а 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 подвержена утечке своих рабочих газов. В открытых системах смазочный материал в системе разбрызгивается на детали насоса и уплотнения. Смазка на уплотнениях медленно испаряется, а уплотнения начинают протекать, пока система не перестанет функционировать. 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 пропускают небольшое количество газа, особенно охлаждающие газы растворимы в смазочном масле, но если уплотнения качественно изготовлены и обслуживаются, потери будут очень низкими.

Недостатком герметичных компрессоров нельзя ремонтировать или обслуживать, и весь компрессор должен быть заменен в случае отказа двигателя. Еще один недостаток состоит в том, что сгоревшие обмотки могут загрязнять 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 устанавливать компрессор, чем покупать и устанавливать новый. Герметичный компрессор проще и дешевле построить, чем полугерметичный или открытый компрессор.

Термодинамика сжатия газа

Изэнтропический компрессор

Компрессор можно идеализировать как внутренне обратимый и адиабатический, таким образом, изэнтропический устройство в установившемся в режиме, то есть изменение энтропии равно 0. Определить цикл сжатия как изэнтропический, можно достичь идеального КПД для процесса и сравнить идеальную производительность компрессора. к реальной производительности машины. Изотропное сжатие, используемое в ASME Код PTC 10, относится к обратимому, адиабатическому процессу сжатия.

Изотропная эффективность компрессоров:

η C = I сентропический компрессор W ork A ctual Compressor W ork = W s W a ≅ h 2 s - h 1 h 2 a - h 1 {\ displaystyle \ eta _ {C} = {\ frac {\ rm {Isentropic \; Компрессор \; Work}} {\ rm {Фактический \; Компрессор \; Работа}}} = {\ frac {W_ {s}} {W_ {a}}} \ cong {\ frac {h_ {2s} -h_ {1}} {h_ {2a} -h_ {1}}}}

{\ displaystyle \ eta _ {C} = {\ frac {\ rm {Изэнтропический \; Компрессор \; Работа}} {\ rm {Актуально \; Компрессор \; Работа}}} = {\ frac {W_ {s}} {W_ {a}}} \ cong {\ frac {h_ {2s} -h_ {1}} {h_ {2a} -h_ {1}}}}

h 1 {\ displaystyle h_ {1}}

h_ {1}

- это энтальпия в начальном состоянии

h 2 a {\ displaystyle h_ {2a}}

h_ {2a}

- энтальпия в конечном состоянии для фактического процесса

h 2 s {\ displaystyle h_ {2s}}

h_ {2s}

- энтальпия в конечном состоянии для изоэнтропического процесса

Минимизация работы необходимого компрессора

Сравнение реверсивных и необратимых компрессоров

Сравнение дифференциальной формы баланса энергии для каждого устройства. Пусть $q {\ displaystyle q}$ $q$ быть теплом, $w {\ displaystyle w}$ $w$ быть работой, $ke {\ displaystyle ke}$ $ke$ быть кинетической энергией и $pe {\ displaystyle pe}$ $pe$ - потенциальная энергия.. Фактический компрессор:.

δ qact - δ wact = dh + dke + dpe {\ displaystyle \ delta q_ {act} - \ delta w_ {act} = dh + dke + dpe}

\ delta q _ {{act}} - \ delta w _ {{act} } = dh + dke + dpe

Реверсивный компрессор:.

δ qrev - δ wrev = dh + dke + dpe {\ displaystyle \ delta q_ {rev} - \ delta w_ {rev} = dh + dke + dpe}

\ delta q _ {{rev}} - \ delta w _ {{rev}} = dh + dke + dpe

. Правая часть каждого типа компрессора эквивалентна, таким образом:.

δ qact - δ wact = δ qrev - δ wrev {\ displaystyle \ delta q_ {act} - \ delta w_ {act} = \ delta q_ {rev} - \ delta w_ {rev}}

\ delta q _ {{act}} - \ delta w _ {{act}} = \ delta q _ {{rev}} - \ delta w _ {{rev}}

перестановка:.

δ wrev - δ wact = δ qrev - δ qact {\ displaystyle \ delta w_ {rev} - \ delta w_ {act} = \ delta q_ {rev} - \ delta q_ {act}}

\ delta w _ {{rev}} - \ delta w _ {{ act}} = \ delta q _ {{rev}} - \ delta q _ {{act}}

.. Подставивное известное уравнение $δ qrev = T ds {\ displaystyle \ delta q_ {rev} = Tds}$ $\ delta q _ {{rev}} = Tds$ в последнее уравнение и разделение обоих членов на T:.

δ wrev - δ wact T = ds - δ qact T ≥ 0 {\ displaystyle {\ frac {\ delta w_ {rev} - \ delta w_ {act}} {T}} = ds - {\ frac {\ delta q_ {act}} {T}} \ geq 0}

{\ frac {\ delta w _ {{rev}} - \ delta w _ {{act}}} {T}} = ds - {\ frac {\ delta q _ {{act}}} {T}} \ geq 0

. Кроме того, $ds ≥ δ qact T {\ displaystyle ds \ geq { \ frac {\ delta q_ {act}} {T}}}$ $ds \ geq { \ frac {\ delta q _ {{act}}} {T}}$ и T - [абсолютная температура] ( $T ≥ 0 {\ displaystyle T \ geq 0}$ $т \ geq 0$ ), что дает:. $δ wrev ≥ δ wact {\ displaystyle \ delta w_ {rev} \ geq \ delta w_ {act}}$ $\ delta w _ {{rev}} \ geq \ delta w _ {{act}}$ . или. $wrev ≥ wact {\ displaystyle w_ {rev} \ geq w_ {act}}$ $w _ {{rev}} \ geq w _ {{act}}$

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

Эффект охлаждения во время процесса сжатия

Pv (удельный объем vs. Давление) диаграмма, сравнивающая изоэнтропические, политропные и изотермические процессы в одних и тех же пределах давления.

изэнтропический процесс: без охлаждения,. политропный процесс: с некоторым охлаждением. изотермический процесс: включает максимальное охлаждение

При следующем допущенная необходимая работа компрессора для сжатия газа из $P 1 {\ displaystyle P_ {1}}$ $P_ {1}$ по $P 2 {\ displaystyle P_ {2}}$ $P_ {2}$ для каждого процесса :. Допущения:.

P 1 {\ displaystyle P_ {1}}

P_ {1}

P 2 {\ displaystyle P_ {2}}

P_ {2}

Все процессы внутренне обратимы

газ ведет себя как идеальный газ с постоянной удельной теплоемкостью

Изэнтропический ( $P vk = постоянный {\ displaystyle Pv ^ {k} = постоянный}$ $Pv ^ {k} = постоянная$ , где $k = C p / C v {\ displaystyle k = C_ {p} / C_ {v}}$ $k = C_ {p} / C_ {v}$ ):.

W comp, in = k R (T 2 - T 1) к - 1 знак равно к RT 1 к - 1 [(п 2 п 1) (к - 1) / к - 1] {\ 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]}

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]

Политропический ( $P vn = константа {\ displaystyle Pv ^ {n} = constant}$ $Pv ^ {n} = константа$ ):.

W comp, in = n R (T 2 - T 1) n - 1 = n RT 1 n - 1 [(P 2 P 1) (n - 1) / n - 1] { \ 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]}

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 ( $T = константа {\ displaystyle T = константа}$ $T = постоянная$ или $P v = constant {\ displaystyle Pv = constant}$ $Pv = константа$ ):.

W comp, in = RT ln (P 2 P 1) {\ displaystyle W_ {comp, in} = RTln \ left ({\ frac {P_ {2}} {P_ {1}}} \ right)}

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

Путем сравнения трех внутренне обратимых процессов сжатия идеального газа из $P 1 {\ displaystyle P_ {1}}$ $P_ {1}$ до $P 2 {\ displaystyle P_ {2}}$ $P_ {2}$ , результаты показывают, что изэнтропическое сжатие ( $P vk = Константа {\ displaystyle Pv ^ {k} = constant}$ $Pv ^ {k} = постоянная$ ) требует наибольшей работы и изотермического сжатие ( $T = constant {\ displaystyle T = constant}$ $T = постоянная$ или $P v = константа {\ displaystyle Pv = constant}$ $Pv = константа$ ) требует наименьшего объема работы. Для политропного процесса ( $P vn = constant {\ displaystyle Pv ^ {n} = constant}$ $Pv ^ {n} = константа$ ) уменьшаются 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.

Компрессоры в идеальных термодинамических циклах

Идеальный цикл Ренкина 1->2 Изэнтропическое сжатие в насосе. Идеальное Цикл Карно 4->1 Изэнтропическое сжатие. Идеальное Отто Цикл 1->2 Изэнтропическое сжатие. Идеально Дизельный цикл 1->2 Изэнтропическое сжатие. Идеальное Цикл Брайтона 1->2 Изэнтропическое сжатие в компрессоре. Идеальное Парокомпрессионный цикл охлаждения 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 идеализированными как изоэнтропические для расчетных целей.

Температура

Сжатие увеличивает его температуру.

W = ∫ V 1 V 2 pd V = p 1 V 1 n ∫ V 1 V 2 V - nd V {\ Стиль отображения W = \ int _ {V_ {1}} ^ {V_ {2}} pdV = p_ {1} V_ {1} ^ {n} \ int _ {V_ {1}} ^ {V_ {2}} V ^ {- n} dV}

W = \ int _ {{ V_ {1}}} ^ {{V_ {2}}} pdV = p_ {1} V_ {1} ^ {n} \ int _ {{V_ {1}}} ^ {{V_ {2}}} V ^ {{- n}} dV

где

p 2 p 1 = (V 1 V 2) n {\ displaystyle {\ frac {p_ {2}} {p_ {1}}} \ = \ left ( {\ гидроразрыва {V_ {1}} {V_ {2}}} \ \ right) ^ {n}}

{\ frac {p_ {2}} {p_ {1}}} \ = \ left ({\ гидроразрыв {V_ {1}} {V_ {2}}} \ \ right) ^ {n}

или

p 1 V 1 n = p 2 V 2 n = p V n {\ Displaystyle p_ {1} V_ {1} ^ {n} = p_ {2} V_ {2} ^ {n} = pV ^ {n}}

p_ {1} V_ {1} ^ {n} = p_ {2} V_ {2} ^ {n} = pV ^ {n}

p = p 1 V 1 n V n {\ displaystyle p = {\ frac {p_ {1} V_ {1} ^ {n}} {V ^ {n}}}}

p = {\ frac {p_ {1} V_ {1} ^ {n}} {V ^ {n}}}

поэтому

W = p 1 V 1 n 1 - n (V 2 1 - n - V 1 1 - n) {\ displaystyle W = {\ frac {{p_ {1}} {V_ {1} ^ {n}}} {1-n}} \ ({V_ {2} ^ { 1-n}} - {V_ {1} ^ {1-n}})}

W = {\ frac {{p_ {1}} {V_ {1} ^ {n}}} {1-n}} \ ( {V_ {2} ^ {{1-n}}} - {V_ {1} ^ {{1-n}}})

, где p - давление, V - объем, n принимает разные значения для разных процессов (см. Ниже) и 1 и 2 относится к начальному и конечному состоянию.

Адиабатический - эта модель предполагает, что 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:

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

{\ displaystyle T_ {2} = T_ {1} \ слева ({\ frac {p_ {2}} {p_ {1}}} \ right) ^ {( \ каппа -1) / \ каппа}}

с T 1 и T 2 в градусах Ранкина или кельвинов, p 2 и p 1 - абсолютные давления и $κ = {\ displaystyle \ kappa =}$ ${\ displaystyle \ kappa =}$ отношение удельная теплоемкость (приблизительно 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, 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 $n {\ displaystyle n}$ $n$ для адиабатического процесса равно $κ {\ displaystyle \ kappa}$ $\ kappa$ (соотношение теплоемкостей).

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 соответствующим промежуточным охлаждением Более того, вы никогда не достигли идеального изотермического сжатия.

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

W = - p 1 V 1 ln ⁡ (p 2 p 1) {\ displaystyle W = - {p_ {1}} {V_ {1}} \ ln \ left ({\ frac {p_ {2}} {p_ {1}}} \ right)}

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

При оценке изотермической работа оказывается ниже адиабатической.

Политропический - Эта модель учитывает как повышение температуры газа, так и некоторую потерю энергии (тепла) в компонентах компрессора. Это предполагает, что работа входного вала может происходить как повышенное давление (обычно полезная работа), так и в повышенной температуре выше адиабатической (обычно потери из-за эффективности цикла). Эффективность сжатия - это повышение температуры при теоретическом 100% (адиабатическом) к фактическому (политропическому). Политропическое сжатие будет использовать значение $n {\ displaystyle n}$ $n$ от 0 (процесс постоянного давления) до бесконечности (процесс постоянного объема). Для типичного случая, когда прилагаются усилия для охлаждения газа, сжатого адиабатического процесса, значение $n {\ displaystyle n}$ $n$ будет между 1 и $κ {\ displaystyle \ kappa}$ $\ kappa$ .

Ступенчатое сжатие

В случае центробежных компрессоров коммерческие конструкции в настоящее время не превышают любую степень сжатия более 3,5: 1 на одной ступени (для типичного газа). Энергия сокращения давления в газе. Межступенчатые охладители обычно используют к некоторой частичной конденсации, которая удаляется в парожидкостных сепараторах.

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

Временные винтовые компрессоры могут использовать охлаждающую смазку для 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 к 1, компрессор может выдавать давление, в 343 раза превышающее атмосферное (7 × 7 × 7 = 343 атмосферы ). (343 атм или 34,8 МПа или 5,04 тыс. Фунтов / кв. Дюйм )

Приводные двигатели

Есть много вариантов двигателя, который питает компрессор:

Газовые турбины выполняют действие осевые и центробежные компрессоры, входящие в состав реактивных двигателей.
Паровые турбины или водяные турбины возможны для больших компрессоров.
Электродвигатели дешевые и бесшумные для статических компрессоров. Небольшие двигатели, подходящие для бытовых электроснабжений, используются однофазный переменный ток. Двигатели большего размера можно использовать только там, где промышленные электрические трехфазные доступны источник переменного тока.
Дизельные двигатели или бензиновые двигатели подходят для переносных компрессоров и дополнительных компрессоров.
В автомобилях и других типах транспортных средств (включая поршневые) двигателей самолетов, лодок, грузовиков и т. д.), выход ную мощность дизельных или бензиновых двигателей можно увеличить за счет сжатия всасываемого воздуха, так что за один цикл может сжигаться больше топлива. не могут приводить в действие компрессоры, используя собственную мощность коленчатого вала (эта установка известна как нагнетатель ), или использовать выхлопные газы для привода турбины, подключенной к компрессору (эта установка известна как турбокомпрессор ).

Области применения

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

транспортировка по трубопроводам очищенного природного газа от места добычи к потребителю. источник энергии не требуется.
Нефтеперерабатывающие заводы, заводы по переработке природного газа, нефтехимические и химические заводы и аналогичные крупные промышленные предприятия требуют сжатия промежуточных и конечных газов.
Холодильное оборудование и кондиционер оборудование использует компрессоры для передачи тепла в циклах хладагента (см. охлаждение с компрессией пара ).
Газотурбинн ые системы сжимают воздухозаборник горение воздух.
Очищенные или промышленные газы небольшого объема требуют сжатия для заполнения баллонов высокого давления для медицинских, сварки и других целей.
Различные промышленные, производственные и строительные процессы требуют сжатого воздуха для питания пневматических инструментов.
при производстве и выдувном формовании пластиковых бутылок и контейнеров из ПЭТ.
Некоторым самолетам требуются компрессоры для поддержания герметичность кабины на высоте.
Некоторые типы реактивных двигателей, например tu реактивные двигатели и турбовентиляторы - сжимают воздух, необходимое для сгорания топлива. турбины реактивного двигателя вызывают в действие компрессор воздуха для горения.
В подводном плавании, гипербарической кислородной терапии и другие устройства жизнеобеспечения компрессоры, включающие газ для дыхания в емкости небольшого объема, такие как баллоны для дайвинга.
При погружении с поверхности воздушный компрессор часто подает воздух низкого давления (от 10 до 20 бар) для дыхания.
Подводные лодки использовать компрессоры для хранения воздуха для последующего использования при вытеснении воды из плавучих камер для регулировки глубины.
Турбокомпрессоры и нагнетатели - это компрессоры, которые увеличивают внутреннее сгорание характеристики двигателя за счет увеличения массового расхода воздуха внутри цилиндра, чтобы двигатель мог сжигать больше топлива и, следовательно, заявлять больше мощности.
Железнодорожный и тяжелый автомобильный транспорт используют сжатый воздух для приведения в действие тормозов рельсового транспортного средства или дорожного транспортного средства, а также различных других систем (двери, дворники, двигатель, управление коробкой передач и т. Д.).
СТО и автомастерские используют используемый воздух для заполнения пневматических шин и силовых пневматических инструментов.
Пожарные поршни и тепловые насосы предназначены для доставки воздуха или других газов.
Роторные компрессоры часто используются для подачи воздуха внутрь линии пневмотранспорта для порошка или твердого тел. Достигаемое давление может находиться в диапазоне от 0,5 до 2 бар.

Компрессор воздуха для дайвинга в шумоподавляющем шкафу

См. Также

Каталожные данные