Машины для сжатия газов называются компрессорами. Они имеют широкое применение в технике как самостоятельные установки или как элемент более сложных установок – газотурбинных, холодильных и др.
Несмотря на большие конструктивные отличия компрессоров разных типов (поршневые, ротационные, центробежные, осевые) термодинамические принципы процессов сжатия газов в них одинаковы. Рассмотрим эти процессы на примере поршневого компрессора. При ходе поршня 1 (рис. 2.19) вправо открывается впускной клапан 2 и цилиндр наполняется газом. Этот процесс на индикаторной диаграмме изобразится линией 4 – 1, проходящей параллельно оси абсцисс при давлении р1, близком к атмосферному.
С началом движения поршня влево впускной клапан закрывается и начинается сжатие газа – процесс 1 – 2. После достижения давления р2 открывается выпускной клапан 3 и происходит вытеснение сжатого газа из цилиндра в нагнетательный патрубок – процесс 2 – 3.
С началом движения поршня влево впускной клапан закрывается и начинается сжатие газа – процесс 1 – 2. После достижения давления р2 открывается выпускной клапан 3 и происходит вытеснение сжатого газа из цилиндра в нагнетательный патрубок – процесс 2 – 3.
В идеальном компрессоре, в котором отсутствует вредное пространство, весь сжатый газ вытесняется поршнем из цилиндра, поэтому переход от давления р2 к давлению p1 в момент изменения направления движения поршня происходит при
v3 = v4 = 0. Затем все процессы вновь повторяются.
Считая, что сжатию подвергается 1 кг газа, определим работу l компрессора за два хода поршня (один оборот коленчатого вала компрессора). Она складывается из трех частей: работы всасывания в процессе 4 – 1 (l1 = p1v1), работы сжатия газа в процессе 1 – 2 (
) и работы вытеснения сжатого газа из цилиндра в процессе 2 – 3 (l3 = p2v2).
Суммируя l1, l2 и l3, следует иметь в виду, что работа сжатия и работа вытеснения газа отрицательна. Однако, говоря о затратах работы на привод компрессора, заведомо подразумевают работу со знаком «минус», поэтому можно записать:
. (2.64)
Эта работа на рис. 2.19 выражается площадью 1 – 2 – 3 – 4. Величина ее зависит от характера процесса сжатия 1 – 2. Можно представить два предельных случая. Если цилиндр компрессора имеет идеальную теплоизоляцию и процесс сжатия протекает достаточно быстро, то его можно считать адиабатным (1 – 2a на рис. 2.20). Работа адиабатного сжатия
. (2.65)
Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 2.20 Рис. 2.21
После подстановки в уравнение (2.64) получаем
. (2.66)
Если же цилиндр компрессора выполнен из идеально теплопроводного материала и процесс протекает достаточно медленно, так что температура газа остается равной температуре среды, то процесс сжатия будет изотермическим (1 – 2и).
Для изотермы p1v1 = p2v2; 
, поэтому работа компрессора
. (2.67)
Осуществить настолько интенсивный отвод тепла, чтобы температура газа при сжатии не повышалась, практически не представляется возможным. Действительный процесс сжатия займет некоторое промежуточное положение между адиабатным и изотермическим и будет протекать по политропе 1 – 2п. Формула работы компрессора при этом имеет вид:
. (2.68)
Наименьшие затраты работы на привод компрессора, как видно из рис. 2.20, будут при изотермическом процессе сжатия. В то же время политропное и адиабатное сжатие сопровождается повышением температуры газа (рис. 2.21).
При большом повышении давления температура конца процесса сжатия может достигнуть недопустимых при эксплуатации компрессора значений. Поэтому в случае необходимости получения высокого давления применяют многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением газа между ступенями.
