Компрессор

Машина для увеличения давления газа за счет уменьшения его объема

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

Поршневой компрессор высокого давления от Belliss and Morcom, используемый в сфере розлива.

Компрессор – механическое устройство, повышающее давление газа за счет уменьшения его объема . Воздушный компрессор — это особый тип газового компрессора.

Компрессоры подобны насосам : оба увеличивают давление жидкости и оба могут транспортировать жидкость по трубе . Основное отличие состоит в том, что целью компрессора является изменение плотности или объема жидкости, что в основном достижимо только для газов. Газы сжимаемы, а жидкости относительно несжимаемы, поэтому для жидкостей компрессоры применяются редко. Основное действие насоса – нагнетание и транспортировка жидкостей.

Многие компрессоры могут быть ступенчатыми, то есть жидкость сжимается несколько раз поэтапно или поэтапно для увеличения давления нагнетания. Часто вторая ступень физически меньше первичной, чтобы вместить уже сжатый газ без снижения его давления. Каждая ступень дополнительно сжимает газ и увеличивает его давление, а также температуру (если не используется промежуточное охлаждение между ступенями).

Типы

Основные и важные типы газовых компрессоров проиллюстрированы и рассмотрены ниже:

Положительное смещение

Компрессор объемного действия — это система, которая сжимает воздух за счет перемещения механической связи, уменьшающей объем (поскольку уменьшение объема за счет поршня в термодинамике считается положительным смещением поршня). ^{[ нечеткий ]}

Другими словами, компрессор объемного действия — это компрессор, который работает, всасывая дискретный объем газа из своего входного отверстия, а затем заставляя этот газ выходить через выходное отверстие компрессора. Увеличение давления газа происходит, по крайней мере частично, за счет того, что компрессор накачивает 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 приводом от двигателя, который может работать с двумя, четырьмя или шестью цилиндрами.

В поршневых компрессорах используются поршни , приводимые в движение коленчатым валом. Они могут быть стационарными или переносными, одноступенчатыми или многоступенчатыми, 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 автомобильной промышленности и обычно предназначены для прерывистого режима работы. Более крупные поршневые компрессоры мощностью более 1000 л.с. (750 кВт) обычно используются в крупных промышленных и нефтяных предприятиях. Давление нагнетания может варьироваться от низкого до очень высокого давления (>18000 фунтов на квадратный дюйм или 124 МПа). В некоторых приложениях, таких как сжатие воздуха, многоступенчатые компрессоры двойного действия считаются наиболее эффективными из имеющихся компрессоров, они обычно крупнее и дороже, чем сопоставимые роторные агрегаты. ^{[4] Другой тип поршневого компрессора, обычно используемый в системах} кондиционирования салона автомобиля , ^{[ нужна ссылка ]} — это компрессор с наклонной пластиной или качающейся пластиной, в котором используются поршни, перемещаемые наклонной пластиной, установленной на валу (см. Аксиально-поршневой насос ).

Бытовые компрессоры, компрессоры для домашних мастерских и небольшие компрессоры на рабочих площадках обычно представляют собой поршневые компрессоры мощностью 1½ л.с. или менее с прикрепленным ресиверным баком.

Линейный компрессор — это поршневой компрессор, в котором поршень 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 применений во многих различных отраслях промышленности и может быть рассчитан на широкий диапазон мощностей, за счет изменения размера, количества цилиндров и разгрузки цилиндров. Однако он страдает от более высоких потерь из-за зазорных объемов, сопротивления из-за нагнетательных и всасывающих клапанов, больше весит, его трудно обслуживать из-за большого количества движущихся частей, а также ему присуща вибрация. ^[5]

Поршневой компрессор с ионной жидкостью

Поршневой компрессор ионной жидкости , ионный компрессор или поршневой насос ионной жидкости представляет собой водородный компрессор на основе поршня ионной жидкости вместо металлического поршня, как в поршнево-металлически- диафрагменном компрессоре .

Ротационные винтовые компрессоры

аСхема ротационного винтового компрессора

В ротационно-винтовых компрессорах используются два сцепленных вращающихся винтовых винта положительного смещения, которые нагнетают газ в меньшее пространство. ^{[1] [6] [7]} Они обычно используются для непрерывной работы в коммерческих и промышленных целях и могут быть стационарными или портативными. Их применение может составлять от 3 лошадиных сил (2,2 кВт) до более 1200 лошадиных сил (890 кВт) и от низкого давления до умеренно высокого давления (> 1200 фунтов на квадратный дюйм или 8,3 МПа).

Классификация ротационных винтовых компрессоров различается в зависимости от ступеней, методов охлаждения и типов привода, среди прочего. ^[8] Роторно-винтовые компрессоры серийно производятся масляно-водяного и сухого типа. Эффективность ротационных компрессоров зависит от осушителя воздуха, ^{[ необходимы разъяснения ]} , а выбор осушителя воздуха всегда в 1,5 раза превышает объемную подачу компрессора. ^[9]

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

Винтовые компрессоры имеют меньше движущихся компонентов, большую производительность, меньшую вибрацию и помпаж, могут работать с переменной скоростью и обычно имеют более высокий КПД. Малые размеры или низкие скорости ротора непрактичны из-за присущих им утечек, вызванных зазором между полостями сжатия или винтами и корпусом компрессора. ^[5] Они зависят от точных допусков на механическую обработку, чтобы избежать высоких потерь на утечки, и склонны к повреждению при неправильной эксплуатации или плохом обслуживании.

Роторно-пластинчатые компрессоры

Эксцентриковый пластинчато-роторный насос

Роторно-лопастные компрессоры состоят из ротора с несколькими лопатками, вставленными в радиальные пазы ротора. Ротор установлен смещенно в корпусе большего размера, который имеет круглую или более сложную форму. Когда ротор вращается, лопасти входят и выходят из пазов, сохраняя контакт с внешней стенкой корпуса. ^[1] Таким образом, вращающиеся лопасти создают серию увеличивающихся и уменьшающихся объемов. Пластинчато-роторные компрессоры, а также поршневые компрессоры являются одной из старейших компрессорных технологий.

При подходящих портовых соединениях устройства могут представлять собой компрессор или вакуумный насос. Они могут быть стационарными или переносными, одноступенчатыми или многоступенчатыми, приводиться в движение электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. Сухие лопастные машины используются при относительно низких давлениях (например, 2 бар, или 200 кПа, или 29 фунтов на квадратный дюйм) для перемещения сыпучих материалов, тогда как машины с впрыском масла обладают необходимой объемной эффективностью для достижения давления примерно до 13 бар (1300 кПа; 190 фунтов на квадратный дюйм). в один этап. Пластинчато-роторный компрессор хорошо подходит для привода от электродвигателя и работает значительно тише, чем аналогичный поршневой компрессор.

Роторно-лопастные компрессоры могут иметь механический КПД около 90%. ^[12]

Вращающийся поршень

Роликовый поршневой компрессор

Вращающийся поршень в компрессоре с вращающимся поршнем играет роль перегородки между лопаткой и ротором. ^[13] Вращающийся поршень нагнетает газ на неподвижную лопатку.

Два таких компрессора могут быть установлены на одном валу для увеличения производительности и снижения вибрации и шума. ^[14] Конструкция без пружины известна как поворотный компрессор. ^[15]

В холодильном оборудовании и кондиционировании воздуха этот тип компрессора также известен как ротационный компрессор, а ротационные винтовые компрессоры также называются просто винтовыми компрессорами.

Он обеспечивает более высокую эффективность, чем поршневые компрессоры, благодаря меньшим потерям из-за зазора между поршнем и корпусом компрессора, он на 40–50 % меньше и легче при заданной производительности (что может повлиять на затраты на материалы и доставку при использовании в изделии). , вызывает меньшую вибрацию, содержит меньше компонентов и более надежен, чем поршневой компрессор. Но его конструкция не позволяет использовать мощность более 5 тонн холода, он менее надежен, чем другие типы компрессоров, и менее эффективен, чем другие типы компрессоров, из-за потерь зазорного объема. ^[5]

Спиральные компрессоры

Механизм спирального насоса

Спиральный компрессор , также известный как спиральный насос и спиральный вакуумный насос , использует две чередующиеся спиральные лопасти для перекачивания или сжатия жидкостей , таких как жидкости и газы . Геометрия лопаток может быть эвольвентной , архимедовой спиралью или гибридными кривыми. ^{[16] [17] [18]} Они работают более плавно, тихо и надежно, чем другие типы компрессоров в нижнем диапазоне громкости.

Часто одна из спиралей неподвижна, а другая вращается по эксцентричной орбите, не вращаясь, тем самым улавливая и перекачивая или сжимая карманы жидкости между спиралями.

Благодаря минимальному зазору между неподвижной 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 ротационные 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 на двигателях Volkswagen G60 и G40 в начале 1990-х годов.

По сравнению с поршневыми и роликовыми поршневыми компрессорами спиральные компрессоры более надежны, поскольку имеют меньшее количество компонентов и более простую конструкцию, более эффективны, поскольку у них нет ни зазора, ни клапанов, а также обладают преимуществами: меньшие помпажи и меньшая вибрация. . Но по сравнению с винтовыми и центробежными компрессорами спиральные компрессоры имеют меньшую эффективность и меньшую производительность. ^[5]

Мембранные компрессоры

Диафрагменный компрессор (также известный как мембранный компрессор ) представляет собой вариант обычного поршневого компрессора. Сжатие газа происходит за счет движения гибкой мембраны, а не впускного элемента. Возвратно-поступательное движение мембраны приводится в движение стержнем и механизмом коленчатого вала. С сжимаемым газом контактируют только мембрана и компрессорная коробка. ^[1]

Степень изгиба и материал, из которого состоит диафрагма, влияют на срок службы оборудования. Обычно жесткие металлические диафрагмы могут вытеснять лишь несколько кубических сантиметров объема, поскольку металл не может выдерживать большие изгибы без образования трещин, но жесткость металлической диафрагмы позволяет ей перекачивать при высоких давлениях. Резиновые или силиконовые диафрагмы способны выдерживать глубокие ходы накачки при очень высоком изгибе, но их низкая прочность ограничивает их использование в условиях низкого давления, и их необходимо заменять при возникновении охрупчивания пластика.

Мембранные компрессоры используются для водорода и сжатого природного газа ( СПГ ), а также в ряде других применений.

Трехступенчатый мембранный компрессор.

На фотографии справа изображен трехступенчатый диафрагменный компрессор, используемый для сжатия газообразного водорода до давления 6000 фунтов на квадратный дюйм (41 МПа) для использования на прототипе заправочной станции для сжатого водорода и сжатого природного газа (СПГ), построенной в центре Финикса, штат Аризона, компанией Arizona Public. Сервисная компания (электроэнергетическая компания). Для сжатия природного газа использовались поршневые компрессоры . Поршневой компрессор природного газа был разработан компанией Sertco . ^[19]

Прототип альтернативной заправочной станции был построен в соответствии со всеми действующими нормами безопасности, охраны окружающей среды и строительными нормами в Финиксе, чтобы продемонстрировать, что такие заправочные станции могут быть построены в городских районах.

Динамический

Воздушно-пузырьковый компрессор

Также известен как тромбе . Смесь воздуха и воды, образующаяся в результате турбулентности, попадает в подземную камеру, где воздух отделяется от воды. Вес падающей воды сжимает воздух в верхней части камеры. Погружной выход из камеры позволяет воде вытекать на поверхность на меньшей высоте, чем заборник. Выход в крыше камеры подает сжатый воздух на поверхность. Объект, основанный на этом принципе, был построен на реке Монреаль в Рагед-Шютс недалеко от Кобальта, Онтарио, в 1910 году и поставлял 5000 лошадиных сил на близлежащие шахты. ^[20]

Центробежные компрессоры

Одноступенчатый центробежный компрессор.

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

Центробежные компрессоры используют вращающийся диск или рабочее колесо в корпусе определенной формы, чтобы нагнетать газ к краю рабочего колеса, увеличивая скорость газа. Секция диффузора (расширяющегося воздуховода) преобразует энергию скорости в энергию давления. Они в основном используются для непрерывной стационарной эксплуатации в таких отраслях, как нефтеперерабатывающие заводы , химические и нефтехимические заводы и заводы по переработке природного газа . ^{[1] [21] [22]} Их применение может составлять от 100 лошадиных сил (75 кВт) до тысяч лошадиных сил. Благодаря многоступенчатости они могут достигать высокого выходного давления, превышающего 1000 фунтов на квадратный дюйм (6,9 МПа).

Компрессоры этого типа, наряду с винтовыми компрессорами, широко используются в крупных системах охлаждения и кондиционирования воздуха. Существуют центробежные компрессоры с магнитными подшипниками (на магнитной подвеске) и с воздушными подшипниками.

Многие крупные предприятия по производству снега (например, горнолыжные курорты ) используют компрессоры этого типа. Они также используются в двигателях внутреннего сгорания в качестве нагнетателей и турбокомпрессоров . Центробежные компрессоры используются в небольших газотурбинных двигателях или в качестве последней ступени сжатия газовых турбин среднего размера.

Центробежные компрессоры являются самыми большими из доступных компрессоров, обеспечивают более высокую эффективность 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 требуют меньше затрат на обслуживание, поскольку меньше компонентов подвергаются износу и создают лишь минимальную вибрацию. Но их первоначальная стоимость выше, они требуют высокоточной обработки на станке с ЧПУ , рабочее колесо должно вращаться на высоких скоростях, что делает небольшие компрессоры непрактичными, а помпаж становится более вероятным. ^[5] Помпаж — это изменение направления потока газа, то есть газ переходит со стороны нагнетания на сторону всасывания, что может привести к серьезным повреждениям, особенно подшипников компрессора и его приводного вала. Это вызвано давлением на стороне нагнетания, которое превышает выходное давление компрессора. Это может привести к тому, что газы будут течь туда и обратно между компрессором и всем, что подключено к его нагнетательной линии, вызывая колебания. ^[5]

Диагональные или смешанные компрессоры.

Компрессоры диагонального или смешанного потока аналогичны центробежным компрессорам, но имеют радиальную и осевую составляющие скорости на выходе из ротора. Диффузор часто используется для поворота диагонального потока в осевое, а не радиальное направление. ^[23] По сравнению с обычным центробежным компрессором (с той же степенью повышения давления) значение скорости компрессора смешанного потока в 1,5 раза больше. ^[24]

Осевые компрессоры

Анимация осевого компрессора.

Осевые компрессоры — это динамические вращающиеся компрессоры, в которых используются веерообразные лопатки для постепенного сжатия жидкости. Они используются там, где требуется высокая скорость потока или компактная конструкция.

Ряды аэродинамических профилей расположены рядами, обычно парами: один вращающийся, другой неподвижный. Вращающиеся аэродинамические профили, также известные как лопасти или роторы , ускоряют жидкость. Стационарные аэродинамические профили, также известные как статоры или лопатки, замедляют и изменяют направление потока жидкости, подготавливая ее к лопастям 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 . За пределами примерно 5 ступеней или расчетного соотношения давлений 4:1 компрессор не будет работать, если он не оснащен такими функциями, как неподвижные лопатки с переменным углом наклона (известные как регулируемые впускные направляющие лопатки и регулируемые статоры), способность выпускать некоторое количество воздуха из отдельных частей. вдоль компрессора (известный как межступенчатый выпуск воздуха) и разделяется на несколько вращающихся узлов (например, так называемых двойных золотников).

Осевые компрессоры могут иметь высокую эффективность; около 90% политропы в расчетных условиях. Однако они относительно дороги, требуют большого количества компонентов, жестких допусков и высококачественных материалов. Осевые компрессоры используются в средних и крупных газотурбинных двигателях, газоперекачивающих станциях и на некоторых химических заводах.

Герметично закрытый, открытый или полугерметичный.

Небольшой герметичный компрессор в обычном потребительском холодильнике или морозильнике обычно имеет закругленный стальной внешний корпус, постоянно приваренный, который герметизирует рабочие газы внутри системы, в данном случае хладагент R600a . Нет путей утечки газов, например, вокруг уплотнений вала двигателя. В этой модели пластиковая верхняя часть является частью системы автоматического размораживания , которая использует тепло двигателя для испарения воды.

Компрессоры, используемые в холодильных системах, должны иметь близкую к нулевой утечке, чтобы избежать потери хладагента, если они будут работать годами без обслуживания. Это требует использования очень эффективных уплотнений или даже устранения всех уплотнений и отверстий для создания герметичной системы. Эти компрессоры часто называют герметичными , открытыми или полугерметичными , чтобы описать, как компрессор закрыт и как расположен моторный привод по отношению к сжимаемому газу или пару. Некоторые компрессоры, не предназначенные для холодильного оборудования, также могут быть в некоторой степени герметично закрыты, обычно при работе с токсичными, загрязняющими или дорогими газами, при этом большинство неохлаждающих применений приходится на нефтехимическую промышленность.

В герметичных и большинстве полугерметичных компрессоров компрессор и двигатель, приводящий компрессор в действие, интегрированы и работают внутри газовой оболочки системы под давлением. Двигатель предназначен для работы и охлаждения сжимаемым газообразным хладагентом. Открытые компрессоры имеют внешний двигатель, приводящий в движение вал, который проходит через корпус компрессора, а вращающиеся уплотнения вокруг вала поддерживают внутреннее давление.

Отличие герметика от полугерметика заключается в том, что в герметике используется цельный сварной стальной корпус, который невозможно открыть для ремонта; в случае выхода из строя герметика его просто заменяют полностью новым блоком. В полугерметичном корпусе используется большой литой металлический корпус с герметичными крышками и винтами, которые можно открыть для замены компонентов двигателя и компрессора. Основным преимуществом герметичных и полугерметичных систем является отсутствие путей утечки газа из системы. Основным преимуществом открытых компрессоров является то, что они могут приводиться в движение любым источником движущей силы, что позволяет выбрать наиболее подходящий двигатель для конкретного применения, или даже от неэлектрических источников энергии, таких как двигатель внутреннего сгорания или паровая турбина , и, во-вторых, Двигатель открытого компрессора можно обслуживать, не открывая какую-либо часть системы хладагента.

Открытая система под давлением, такая как автомобильный кондиционер, может быть более подвержена утечке рабочих газов. В открытых системах смазка, находящаяся в системе, разбрызгивается на компоненты и уплотнения насоса. Если его эксплуатировать недостаточно часто, смазка на уплотнениях медленно испаряется, а затем уплотнения начинают протекать до тех пор, пока система не выйдет из строя и ее придется перезаправить. Для сравнения, герметичная или полугерметичная система может простаивать без использования в течение многих лет и обычно может быть снова запущена в любой момент, не требуя технического обслуживания или 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 хорошо изготовлены и обслуживаются, эти потери очень малы.

Недостатком герметичных компрессоров является то, что моторный привод не подлежит ремонту и обслуживанию, а в случае выхода из строя двигателя необходимо заменять весь компрессор. Еще одним недостатком является то, что перегоревшие обмотки могут загрязнить всю систему, что потребует полной откачки системы и замены газа (это также может произойти 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 экономичнее просто приобрести новое устройство или компрессор. Полугерметичные компрессоры используются в средних и крупных системах охлаждения и кондиционирования воздуха, где ремонт и/или модернизация компрессора обходятся дешевле, чем цена нового. Герметичный компрессор проще и дешевле построить, чем полугерметичный или открытый компрессор.

Термодинамика сжатия газа

Изэнтропический компрессор

Компрессор можно идеализировать как внутренне обратимый и адиабатический , то есть как изоэнтропическое устойчивое устройство, что означает, что изменение энтропии равно 0. ^[25]

Можно рассчитать изменение энтальпии проточного процесса. ^[26]

dH = VdP +TdS

Изэнтропическая dS равна нулю.

dH = ВдП

Неизоэнтропические процессы потока, такие как некоторые компрессоры объемного типа, могут использовать другое уравнение. ^[27]

dH = PdV

Определив цикл сжатия как изэнтропический , можно достичь идеальной эффективности процесса, а идеальную производительность компрессора можно сравнить с фактической производительностью машины. Изотропное сжатие, используемое в коде ASME PTC 10, относится к обратимому адиабатическому сжатию ^[28].

Изэнтропический КПД компрессоров:

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

${\displaystyle h_{1}}$- энтальпия в исходном состоянии

${\displaystyle h_{2a}}$- энтальпия в конечном состоянии реального процесса

${\displaystyle h_{2s}}$- энтальпия в конечном состоянии изэнтропического процесса

Минимизация работы, необходимой компрессору

Сравнение реверсивных и необратимых компрессоров.

Сравнение дифференциальной формы энергетического баланса 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 часть 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, и T представляет собой [абсолютную температуру] ( ), которая дает: или ${\displaystyle ds\geq {\frac {\delta q_{act}}{T}}}$ ${\displaystyle T\geq 0}$
${\displaystyle \delta w_{rev}\geq \delta w_{act}}$

${\displaystyle w_{rev}\geq w_{act}}$

Поэтому трудоемкие устройства, такие как насосы и компрессоры (работа отрицательна), при реверсивной работе требуют меньше работы. ^[25]

Эффект охлаждения в процессе сжатия

Диаграмма Pv (удельный объем в зависимости от давления), сравнивающая изэнтропические, политропные и изотермические процессы в одних и тех же пределах давления.

изоэнтропический процесс: не требует охлаждения;
политропный процесс: предполагает некоторое охлаждение;
изотермический процесс: предполагает максимальное охлаждение.

Сделав следующие предположения, требуемая работа компрессора для сжатия газа от до для каждого процесса будет следующей: Допущения: ${\displaystyle P_{1}}$ ${\displaystyle P_{2}}$

${\displaystyle P_{1}}$и ${\displaystyle P_{2}}$

Поточные процессы ВдП

Все процессы внутренне обратимы.

Газ ведет себя как идеальный газ с постоянной удельной теплоемкостью.

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 в, а изотермическое сжатие ( или ) требует наименьшего количества работы в. Для политропного процесса ( ) работа в уменьшается по мере уменьшения показателя степени n за счет увеличения отвода тепла в процессе сжатия. Одним из распространенных способов охлаждения газа во время сжатия является использование рубашек охлаждения 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

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 насосе компрессор
Идеальное охлаждение с сжатием пара Цикл 1->2 Изэнтропическое сжатие в компрессоре
ПРИМЕЧАНИЕ. Допущения об изоэнтропии применимы только для идеальных циклов. Реальные циклы имеют неотъемлемые потери из-за неэффективных компрессоров и турбин. Реальные системы мира не являются истинно изоэнтропическими, а скорее идеализированы как изоэнтропические для целей вычислений.

Температура

Сжатие газа увеличивает его температуру .

Для политропного превращения газа:

${\displaystyle {\begin{cases}pV^{n}={\text{constant}}=p_{1}V_{1}^{n}=p_{2}V_{2}^{n}\Rightarrow {\frac {p_{2}}{p_{1}}}\ =\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n}&\\{\frac {p^{\frac {n-1}{n}}}{T}}={\text{constant}}={\frac {p_{1}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{1}}}={\frac {p_{2}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{2}}}\Rightarrow \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}={\frac {T_{2}}{T_{1}}}&\end{cases}}}$

Работа, совершаемая при политропном сжатии (или расширении) газа в закрытом цилиндре.

${\displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}^{n}\int _{V_{1}}^{V_{2}}V^{-n}dV={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}(V_{2}^{1-n}-V_{1}^{1-n})={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}V_{1}^{1-n}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)=}$

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

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 газу или от него во время сжатия, и вся произведенная работа добавляется к внутренней энергии газа, что приводит к увеличению температуры и давления. Теоретическое повышение температуры составляет: ^[29]

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

где T ₁ и T ₂ выражены в градусах Рэнкина или Кельвина , p ₂ и p ₁ представляют собой абсолютное давление и соотношение удельных теплоемкостей (приблизительно 1,4 для воздуха). Увеличение соотношения воздуха и температуры означает, что сжатие не подчиняется простому соотношению давления и объема. Это менее эффективно, но быстро. Адиабатическое сжатие или расширение более точно моделируют реальную жизнь, когда компрессор имеет хорошую изоляцию, большой объем газа или короткий временной интервал (т. е. высокий уровень мощности). На практике из сжатого газа всегда будет выделяться определенное количество тепла. Таким образом, создание идеального адиабатического компрессора потребует идеальной теплоизоляции всех частей машины. Например, даже металлическая трубка велосипедного насоса для шин нагревается, когда вы сжимаете воздух для наполнения шины. Описанная выше связь между температурой и степенью сжатия означает, что значение для адиабатического процесса равно (отношению теплоемкостей). ${\displaystyle \kappa =}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \kappa }$

• Изотермический . Эта модель предполагает, что сжатый газ остается при постоянной температуре на протяжении всего процесса сжатия или расширения. В этом цикле внутренняя энергия удаляется из системы в виде тепла с той же скоростью, с которой она добавляется за счет механической работы сжатия. Изотермическое сжатие или расширение более точно моделирует реальную жизнь, когда компрессор имеет большую поверхность теплообмена, небольшой объем газа или длительный временной масштаб (т. е. небольшой уровень мощности). Компрессоры, в которых используется 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 числа ступеней сжатия с соответствующими промежуточными охладителями, вы никогда не достигнете идеального изотермического сжатия.

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

${\displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}\int _{V_{1}}^{V_{2}}{\frac {1}{V}}dV=p_{1}V_{1}\ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}=-p_{1}V_{1}\ln \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)}$

При оценке изотермическая работа оказывается ниже адиабатической.

• Политропный . Эта модель учитывает как повышение температуры газа, так и некоторую потерю энергии (тепла) на компонентах компрессора. Это предполагает, что тепло может поступать в систему или выходить из нее, и что работа входного вала может проявляться как в увеличении давления (обычно полезная работа), так и в увеличении температуры выше адиабатической (обычно потери из-за эффективности цикла). Тогда эффективность сжатия представляет собой отношение повышения температуры при теоретических 100 процентах (адиабатический) к фактическому (политропному). При политропном сжатии будет использоваться значение от 0 (процесс с постоянным давлением) до бесконечности (процесс с постоянным объемом). Для типичного случая, когда предпринимаются попытки охладить газ, сжатый приблизительно адиабатическим процессом, значение будет между 1 и . ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \kappa }$

Поэтапное сжатие

Что касается центробежных компрессоров, коммерческие конструкции в настоящее время не превышают степень сжатия более 3,5 к 1 на любой ступени (для типичного газа). Поскольку сжатие повышает температуру, сжатый газ необходимо охлаждать между стадиями, что делает сжатие менее адиабатическим и более изотермическим. Межступенчатые охладители (промежуточные охладители) обычно приводят к образованию 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 в ротационно-винтовых компрессорах для снижения повышения температуры при сжатии можно использовать смазочно-охлаждающую жидкость, степень сжатия в них очень часто превышает 9:1. Например, в типичном водолазном компрессоре 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 на квадратный дюйм )

Приводные двигатели

Существует множество вариантов двигателя, приводящего в действие компрессор:

• Газовые турбины приводят в действие осевые и центробежные компрессоры, входящие в состав реактивных двигателей .
• Для больших компрессоров возможны паровые турбины или водяные турбины .
• Электродвигатели дешевы и тихи для статических компрессоров. Небольшие двигатели, подходящие для домашнего электроснабжения, используют однофазный переменный ток . Двигатели большей мощности можно использовать только там, где доступен промышленный источник трехфазного переменного тока.
• Дизельные или бензиновые двигатели подходят для портативных компрессоров и вспомогательных компрессоров.
• В автомобилях и других типах транспортных средств (включая самолеты с поршневыми двигателями, лодки, грузовики и т. д.) выходную мощность дизельного или бензинового двигателя можно увеличить за счет сжатия всасываемого воздуха, чтобы за цикл можно было сжечь больше топлива. Эти двигатели могут приводить в действие компрессоры, используя собственную мощность коленчатого вала (эта установка известна как нагнетатель ), или использовать выхлопные газы для приведения в движение турбины, подключенной к компрессору (эта установка известна как турбонагнетатель ) .

Смазка

Компрессорами с приводом от электродвигателя можно управлять с помощью частотно-регулируемого привода или инвертора , однако многие герметичные и полугерметичные компрессоры могут работать только в диапазоне или на фиксированных скоростях, поскольку они могут включать встроенные масляные насосы. Встроенный масляный насос подключен к тому же валу, который приводит в движение компрессор, и подает масло в подшипники компрессора и двигателя. На низких скоростях недостаточное количество масла достигает подшипников, что в конечном итоге приводит к их выходу из строя, тогда как на высоких скоростях чрезмерное количество масла может вытекать из подшипников и компрессора и потенциально попасть в нагнетательную линию из-за разбрызгивания. В конечном итоге масло заканчивается, и подшипники остаются несмазанными, что приводит к выходу из строя, а масло может загрязнять хладагент, воздух или другой рабочий газ. ^[30]

Приложения

Газовые компрессоры используются в различных приложениях, где необходимы более высокие давления или меньшие объемы газа:

• При трубопроводной транспортировке очищенного природного газа от места добычи к потребителю компрессор приводится в движение двигателем, питаемым газом, отбираемым из трубопровода. Таким образом, внешний источник питания не требуется.
• В морских грузовых перевозках и грузовых операциях на газовозах .
• 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 оборудовании для кондиционирования воздуха используются компрессоры для перемещения тепла в циклах хладагента (см . холодильное оборудование с компрессией пара ).
• Газотурбинные системы сжимают впускной воздух для горения .
• Очищенные или промышленные газы небольшого объема требуют сжатия для заполнения баллонов высокого давления для медицинских , сварочных и других целей.
• Различные промышленные, производственные и строительные процессы требуют сжатого воздуха для питания пневматических инструментов .
• В производстве и выдувном формовании пластиковых бутылок и контейнеров из ПЭТ .
• Некоторым самолетам требуются компрессоры для поддержания давления в салоне на высоте.
• Некоторые типы реактивных двигателей , например турбореактивные и турбовентиляторные , сжимают воздух, необходимый для сгорания топлива. Турбины реактивного двигателя приводят в действие компрессор воздуха для горения.
• В подводном дайвинге , 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 баллоны для дайвинга . ^{[31] [32]} При дайвинге с поверхности воздушный компрессор обычно используется для подачи воздуха под низким давлением (от 10 до 20 бар) для дыхания.
• На подводных лодках используются компрессоры для хранения воздуха для последующего использования при вытеснении воды из камер плавучести для регулировки плавучести.
• Турбокомпрессоры и нагнетатели — это компрессоры, которые повышают 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 или дорожных транспортных средств , а также различных других систем ( дверей , дворников , управления двигателем , коробкой передач и т. д.).
• СТО и автомастерские используют сжатый воздух для наполнения пневматических шин и привода пневмоинструмента.
• Пожарные поршни и тепловые насосы существуют для нагрева воздуха или других газов, а сжатие газа является лишь средством достижения этой цели.
• Роторно-лопастные компрессоры часто используются для подачи воздуха в линии пневматической транспортировки порошка или твердых веществ. Достигнутое давление может находиться в диапазоне от 0,5 до 2 бар изб. ^[33]

• 
  Воздушный компрессор для дайвинга в шкафу шумоподавления

Смотрите также

• СМИ, связанные с компрессорами, на Викискладе?
• Осевой компрессор  – Машина для непрерывного сжатия газа.
• Герметизация кабины  - процесс поддержания внутреннего давления воздуха в самолете.
• Центробежный вентилятор  - механический вентилятор, который заставляет жидкость двигаться радиально наружу.
• Сжатый воздух  – воздух под давлением выше атмосферного.
• Осушитель сжатого воздуха  – системы фильтрации для снижения влажности сжатого воздуха
• Электрохимический водородный компрессор
• Пожарный поршень  - Инструмент для разжигания огня.
• Фольгированный подшипник  – Тип воздушного подшипника
• Двигатель горячего воздуха  - двигатель внешнего сгорания, использующий воздух в качестве рабочего тела.
• Компрессор с направляющим ротором  - Тип ротационного газового компрессора объемного типа.
• Водородный компрессор  - Устройство для повышения давления газообразного водорода.
• Линейный компрессор  - газовый компрессор, в котором поршень приводится в движение линейным приводом.
• Жидкостно-кольцевой компрессор  – тип вращающегося объемного насоса.
• Гидридный компрессор  - Водородный компрессор, основанный на поглощении и десорбции водорода.
• Компрессор Наттерера  - тип компрессора воздуха с ручным управлением.
• Пневмоцилиндр  – Механическое устройство со сжатым газом.
• Пневматическая трубка  – система подачи сжатого воздуха или вакуума.
• Поршневой компрессор  - устройство, используемое для перекачки газов под высоким давлением (поршневой компрессор).
• Воздуходувка Рутса  - кулачковый насос объемного действия Pages displaying short descriptions of redirect targets(лопастной компрессор).
• Коэффициент скольжения  – мера скольжения жидкости в рабочем колесе компрессора или турбины.
• Trompe  – Воздушный компрессор с водяным приводом
• Парокомпрессионное охлаждение  – Процесс охлаждения
• Воздушный компрессор с регулируемой скоростью  – Воздушный компрессор с использованием технологии привода с регулируемой скоростью.

Рекомендации

1. Перри, Р.Х.; Грин, Д.В., ред. (2007). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). МакГроу Хилл. ISBN 978-0-07-142294-9.
2. Блох, HP; Хефнер, Джей-Джей (1996). Поршневые компрессоры, эксплуатация и техническое обслуживание . Профессиональное издательство Персидского залива. ISBN 0-88415-525-0.
3. Основы поршневого компрессора. Архивировано 18 апреля 2009 г. в Wayback Machine. Адам Дэвис, Noria Corporation, Machinery Lubrication , июль 2005 г.
4. «Статьи о машинах, инструментах и ​​расходных материалах на ThomasNet» . www.thomasnet.com . Архивировано из оригинала 28 апреля 2010 года.
5. https://download.schneider-electric.com/files?p_Doc_Ref=SPD_VAVR-AE7T7G_EN ^{[ пустой URL-адрес PDF ]}
6. Винтовой компрессор. Архивировано 10 января 2008 г. в Wayback Machine. Описывает работу винтовых компрессоров и включает фотографии.
7. Технический центр. Архивировано 13 декабря 2007 г. в Wayback Machine. Обсуждаются маслозаполненные винтовые компрессоры, включая полную блок-схему системы.
8. ИКС. «Как работает винтовой воздушный компрессор?». Архивировано из оригинала 17 августа 2017 г. Проверено 16 августа 2017 г.
9. Черемисинов, Николай П.; Давлетшин, Антон (28 января 2015 г.). Операции по гидроразрыву пласта: Справочник по практике управления окружающей средой. Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781119100003. Архивировано из оригинала 24 декабря 2017 г.
10. «Одновинтовой компрессор». Daikin Applied Великобритания .
11. Джейкобс, Джон С. (2006), Технология трехроторного винтового сжатия с регулируемой скоростью, Международная конференция по разработке компрессоров. Бумага 1825 года.
12. Inc, Mattei Compressors. «Роторно-пластинчатые компрессоры и пластинчатый компрессор - Компрессоры для стационарного промышленного и OEM-приложения - Маттеи». www.matteicomp.com . Архивировано из оригинала 9 мая 2010 года. {{cite web}}: |last=имеет общее имя ( справка )
13. «Движение вращающегося поршня в ротационном компрессоре». Университет Пердью . Архивировано из оригинала 16 августа 2017 г. Проверено 16 августа 2017 г.
14. «Что означает новый мини-роторный компрессор Samsung» . news.samsung.com .
15. «Высокоэффективный компрессор для достижения высокого КПД | Кондиционирование воздуха и охлаждение | Daikin Global» . www.daikin.com .
16. Тишер, Дж., Аттер, Р.: «Спиральная машина, использующая давление нагнетания для осевого уплотнения», Патент США 4522575, 1985.
17. Кайлат Дж., Уэзерстон Р., Буш Дж.: «Машина спирального типа с осевым креплением», патент США 4767293, 1988 г.
18. Ричардсон-младший, Хьюберт: «Спиральный компрессор с вращающимся спиральным элементом, смещенным под давлением масла», патент США 4875838, 1989.
19. Эрик Слэк (зима 2016 г.). «Сертко». Энергетическая и горнодобывающая международная организация . Феникс Медиа Корпорация. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 27 февраля 2016 г.
20. Мейнард, Фрэнк (ноябрь 1910 г.). «Пять тысяч лошадиных сил из пузырьков воздуха». Популярная механика : 633. Архивировано из оригинала 26 марта 2017 г.
21. Диксон С.Л. (1978). Механика жидкости, термодинамика турбомашин (Третье изд.). Пергамон Пресс. ISBN 0-08-022722-8.
22. Онжер, Рональд Х. (2000). Центробежные компрессоры. Стратегия аэродинамического проектирования и анализа . АСМЭ Пресс. ISBN 0-7918-0093-8.
23. Черемисинов, Николай П. (20 апреля 2016 г.). Справочник по контролю загрязнения в нефтегазовой отрасли. Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781119117889. Архивировано из оригинала 24 декабря 2017 г.
24. Кано, Фумиката. «Разработка высокоскоростных компрессоров смешанного потока» (PDF) . Техасский университет A&M . Архивировано из оригинала (PDF) 11 августа 2014 г. Проверено 16 августа 2017 г.
25. Сенгель, Юнус А. и Майкл А. Болес. Термодинамика: инженерный подход. 7-е издание изд. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2012. Печать.
26. Альви. «Уравнения TdS». Университет штата Флорида . Фаму . Проверено 1 февраля 2023 г.
27. Мэй. «Беспроточные термодинамические процессы» (PDF) . курсы.сенс . buffalo.edu . Проверено 2 февраля 2023 г.
28. «Правила испытаний производительности PTC-10 для компрессоров и выхлопных газов - ASME» . www.asme.org . Архивировано из оригинала 19 июня 2015 года.
29. Справочник инженера-химика Перри, 8-е издание Перри, Грин, страницы 10-45, раздел 10-76
30. «Музей науки Toshiba: первый в мире инверторный кондиционер для жилых помещений» . toshiba-mirai-kagakukan.jp .
31. Миллар И.Л., Молди П.Г. (2008). «Сжатый воздух для дыхания – потенциал зла изнутри». Дайвинг и гипербарическая медицина . Южно-Тихоокеанское общество подводной медицины . 38 (2): 145–51. PMID  22692708. Архивировано из оригинала 25 декабря 2010 г. Проверено 28 февраля 2009 г.{{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link)
32. Харлоу, В. (2002). Спутник кислородного хакера . Пресс о воздушной скорости. ISBN 0-9678873-2-1.
33. «Воздуходувки (Корни)» . Инженерные ресурсы для порошкообразующих производств . www.powderprocess.net. Архивировано из оригинала 14 августа 2017 года . Проверено 15 августа 2017 г.