Глава IV
ПРОЦЕССЫ В ЦИЛИНДРЕ ПАРОВОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
При рассмотрении теоретического процесса в цилиндре компрессора и построении его индикаторной диаграммы (рис.11) принимают, что с началом движения поршня из левого крайнего положения вправо открывается всасывающий клапан и холодильный агент всасывается в цилиндр. Всасывание (линия а-1) происходит при постоянном давлении p0, равном давлению в испарителе, из которого засасывается холодильный агент, и заканчивается, когда поршень достигает своего крайнего правого положения. Всасывающий клапан при этом закрывается. В процессе всасывания паров холодильного агента в цилиндр компрессора остается постоянным не только их давление, но также температура и удельный объем. При обратном движении поршня - справа налево - в цилиндре происходит адиабатическое сжатие (линия 1-2) холодильного агента. Он сжимается до давления p, равного давлению в конденсаторе. При этом давлении открывается нагнетательный клапан, через который пары холодильного агента при дальнейшем движении поршня влево вытесняются из цилиндра (линия 2-b). Этот процесс протекает при постоянном давлении p, равном давлению в конденсаторе.
Принимают также, что, когда поршень достигнет крайнего левого положения, между ним и крышкой цилиндра не остается пространства и, следовательно, весь холодильный агент при этом вытесняется из цилиндра.
Если обозначить объем, описываемый поршнями компрессора через Vc, а удельную объемную холодопроизводительность холодильного агента, соответствующую его состоянию при всасывании в компрессор, через qv, то теоретическая холодопроизводительность машины будет определяться по формуле:
. (14)
Действительная же холодопроизводительность машины значительно меньше.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС
Действительные процессы, протекающие в компрессоре, в отличие от теоретических сопровождаются рядом потерь, вызываемых сопротивлением в клапанах, теплообменом между паром и стенками цилиндра, наличием вредного пространства в цилиндре, трением и другими причинами. В компрессорах различают объемные и энергетические потери.
Объемные потери в компрессоре
В действительном компрессоре поступление паров холодильного агента в рабочую полость цилиндра начинается не с начала хода всасывания, а несколько позже. Происходит это из-за того, что во вредном пространстве цилиндра после нагнетания остается часть сжатых паров холодильного агента. Пока эти пары не расширятся во время следующего хода поршня до давления всасывания, всасывающий клапан не откроется и процесс всасывания не начнется.
На рис.12 показана действительная индикаторная диаграмма компрессора, на которой процесс расширения холодильного агента из вредного пространства изображен кривой d-a, представляющей собой политропу.
Точка a на диаграмме соответствует моменту открытия всасывающего клапана компрессора и началу процесса всасывания. Весь процесс всасывания изображается линией a-b, расположенной ниже линии p0 на величину ∆p0 вследствие сопротивлений во всасывающем трубопроводе, клапанах и каналах.
Точка b характеризует конец процесса всасывания и начало процесса сжатия. Сжимается холодильный агент по политропе b-c до давления, превышающего давление конденсации p на величину ∆p, равную гидравлическому сопротивлению в каналах, клапанах и нагнетательном трубопроводе. Точка c соответствует моменту открытия нагнетательного клапана. Линия c-d изображает процесс нагнетания.
Точка d показывает момент окончания процесса нагнетания и начало процесса расширения пара, оставшегося во вредном пространстве, т.е. момент, когда поршень занимает крайнее (в данном случае левое) положение.
Отрезок Vh пропорционален рабочему объему цилиндра, а отрезок V0 - объему вредного его пространства. Отрезок C1 пропорционален той части рабочего объема цилиндра, которая теряется из-за наличия вредного пространства, а отрезок C2 - рабочего объема цилиндра, которая теряется из-за гидравлического сопротивления на стороне всасывания.
Величина объемных потерь, обусловленных наличием вредного пространства, зависит от его объема и отношения давлений 
и учитывается коэффициентом λc, представляющим собой отношение объема V1 к объему Vh‚ т.е.
.
Размер отрезка C2 зависит от величины сопротивлений на стороне всасывания компрессора. Сопротивления, в свою очередь, определяются конструкцией машины, условиями ее эксплуатации и свойствами холодильного агента. Этот вид объемных потерь учитывают при помощи коэффициента дросселирования λдр, представляющего собой отношение V2 к V1, то есть
.
Практически коэффициент дросселирования близок к единице.
Помимо указанных на индикаторной диаграмме объемных потерь в действительной работе компрессора всегда имеются объемные потери от теплообмена между стенками цилиндра и паром холодильного агента.
Интенсивность теплообмена больше при засасывании в компрессор влажного пара, чем сухого. Кроме того, она зависит от отношения давлений и частоты вращения вала машины. Чем меньше это отношение и быстроходнее машина, тем меньше теплообмен в ее цилиндре.
Теплообмен в цилиндре компрессора влияет на процессы сжатия и расширения. Объемные потери от наличия теплообмена учитываются коэффициентом подогрева λп, который представляет собой отношение количества холодильного агента, действительно засасываемого в цилиндр, к количеству холодильного агента, которое компрессор мог бы засосать за то же время при отсутствии в цилиндре теплообмена. Так как при наличии теплообмена в цилиндре компрессора масса засасываемого холодильного агента уменьшается вследствие увеличения его удельного объема, то коэффициент подогрева можно выразить и как отношение удельных объемов паров холодильного агента в начале и в конце процесса всасывания.
В действительном компрессоре имеется еще один вид объемных потерь - потери через неплотности. Во время эксплуатации машины трудно добиться абсолютной плотности в клапанах и поршневом уплотнении, через которые вследствие разности давлений в разделяемых ими пространствах происходят утечки паров холодильного агента из рабочей полости цилиндра. Эти потери учитываются коэффициентом плотности λпл, выражающим отношение количества холодильного агента, действительно подаваемого компрессором из испарителя в конденсатор, к количеству холодильного агента, которое он мог бы подать за то же время при абсолютном отсутствии в нем неплотностей.
Все объемные потери, имеющиеся в действительной работе компрессора, учитываются коэффициентом подачи λ. Коэффициентом подачи компрессора называется отношение действительно подаваемой им массы холодильного агента М к массе Мтеор, которую он мог бы подать за то же время при отсутствии всех объемных потерь.
, (15)
где М - действительная массовая производительность компрессора, кг/с;
Мтеор - теоретическая массовая производительность компрессора при отсутствии в нем всех объемных потерь, кг/с;
Vc - объем, описываемый поршнями компрессора, м3/с;
v1 - удельный объем паров холодильного агента на всасывании в компрессор, м3/кг;
V - действительная объемная производительность компрессора, соответствующая условиям всасывания, м3/с.
Поскольку коэффициент подачи отражает все объемные потери в компрессоре, он может быть выражен как произведение коэффициентов, учитывающих отдельные виды объемных потерь, а именно
. (16)
Все условия, от которых зависят эти коэффициенты, влияют на коэффициент подачи. Значения коэффициентов подачи приводятся обычно в графиках для компрессоров различных типов в зависимости от отношения давлений (рис.13).
Рис.13. График коэффициентов подачи λ и индикаторных к.п.д. ηi:
а - для компрессоров на фреоне-12; б - для аммиачных бескрейцкопфных (1 - для средних компрессоров, 2 - для крупных компрессоров); в - для средних компрессоров на фреоне-22; г - для крейцкопфных компрессоров.
Энергетические потери
При осуществлении действительного процесса в цилиндре компрессора расходуется больше энергии на сжатие 1 кг холодильного агента, чем это требуется теоретически. Разность затрат энергии в действительном и в теоретическом процессах называется энергетическими потерями.
Особенно сильное влияние на энергетические потери оказывают теплообмен в цилиндре и величина гидравлических сопротивлений во всасывающей и нагнетательной линиях компрессора. Чем интенсивнее теплообмен в цилиндре и чем больше гидравлические сопротивления во всасывающей и нагнетательной линиях компрессора, тем больше энергетические потери.
Об энергетических потерях в цилиндре компрессора в той или иной степени можно судить по действительной индикаторной диаграмме компрессора, а также сопоставляя действительный и теоретический процессы сжатия компрессором паров холодильного агента в s, T-диаграмме. На рис.14 показаны схематически в s, T-диаграмме действительный и теоретический процессы сжатия холодильного агента от давления в испарителе (p0) до давления в конденсаторе (p). Теоретический процесс сжатия на этом рисунке изображен адиабатой 1'-2', действительный процесс - кривой 1-2, значительно отличающейся от адиабаты. Действительный процесс сжатия протекает по политропе с переменным показателем n, зависящим от интенсивности теплообмена в цилиндре и направления потока тепла. В начале действительного процесса сжатия от горячих стенок цилиндра, нагретых в предыдущих процессах сжатия и нагнетания, тепло переходит к холодильному агенту. В этом случае показатель политропы n больше показателя адиабаты k, и политропа отклоняется вправо. На промежуточном этапе процесса сжатия температуры холодильного агента и стенок цилиндра выравниваются - показатель n снижается до показателя k и политропа имеет вид вертикальной линии. В конце процесса сжатия температура сжимаемого холодильного агента превышает температуру стенок цилиндра, и тепло от него начинает переходить к стенкам цилиндра. Политропа при этом отклоняется влево, так как показатель ее становится меньше показателя адиабаты.
Отрезок 1'-a (см. рис.14) изображает процесс подогрева холодильного агента во всасывающей полости компрессора, a-b - дросселирование во всасывающих клапанах, b-c - подогрев холодильного агента от стенок цилиндра, c-1 - процесс подогрева всасываемого холодильного агента при смешении с парами, оставшимися во вредном пространстве, 2-d - охлаждение нагнетаемого холодильного агента через стенки и крышку цилиндра и d-e - дросселирование холодильного агента в нагнетательном вентиле. Как видно, действительно затрачиваемое в цилиндре компрессора количество энергии на сжатие холодильного агента изображается большей площадью, чем в теоретическом случае. Следовательно, на осуществление действительного процесса сжатия компрессором паров холодильного агента затрачивается больше энергии, чем требуется теоретически.
Увеличение действительной затраты работы в цилиндре компрессора против теоретической, т.е. энергетические потери в цилиндре компрессора учитываются индикаторным коэффициентом полезного действия ηi этого компрессора.
Индикаторным коэффициентом полезного действия компрессора называется отношение теоретической мощности Nтеор к индикаторной мощности Ni действительного компрессора, т.е.
. (17)
Индикаторный к.п.д. зависит от характера рабочего процесса компрессора и определяется в основном теми же условиями, что и коэффициент подачи. Числовые его значения, так же как и значения коэффициентов подачи для различных типов машин, в зависимости от отношения давлений p/p0 (рис.13) приводятся в виде графиков в справочной и учебной литературе.
ПОТЕРЯ МОЩНОСТИ НА ТРЕНИЕ
Мощность в компрессоре затрачивается не только в цилиндре, но и в шатунно-кривошипном механизме и других узлах на преодоление сил трения. Кроме того, мощность расходуется на приведение в действие вспомогательных механизмов компрессора (например, смазочных устройств машины). Эта часть мощности учитывается механическим к.п.д. компрессора ηм, представляющим собой отношение индикаторной мощности Ni компрессора к эффективной мощности Ne, подведенной к его валу:
. (18)
Механический к.п.д. компрессора также зависит от температурных условий работы машины. Но в основном он определяется типом, конструкций, размерами и частотой вращения коренного вала и системой смазки компрессора.
Для бескрейцкопфных компрессоров он находится в пределах 0,7-0,9. Верхний из этих пределов соответствует значениям механического к.п.д. больших машин.
