Компрессор

Машина для увеличения давления газа за счет уменьшения его объема

Небольшой стационарный компрессор высокого давления для наполнения баллонов акваланга.

Компрессор природного газа на газовой скважине

Поршневой компрессор высокого давления от Belliss и Morcom, используемый в бутылочной промышленности

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

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

Типы

Компрессоры похожи на насосы : оба увеличивают давление жидкости ( например, газа) и оба могут транспортировать жидкость по трубе . Главное отличие заключается в том, что компрессор фокусируется на изменении плотности или объема жидкости, что в основном достижимо только для газов. Газы сжимаемы, в то время как жидкости относительно несжимаемы, поэтому компрессоры редко используются для жидкостей. Основное действие насоса — нагнетание давления и транспортировка жидкостей.

Ниже проиллюстрированы и рассмотрены основные и важные типы газовых компрессоров:

Положительное смещение

Компрессор объемного действия — это система, которая сжимает воздух путем смещения механического соединения, уменьшая объем (поскольку уменьшение объема из-за поршня в термодинамике рассматривается как положительное смещение поршня). ^{[ неопределенно ]}

Другими словами, компрессор прямого вытеснения — это компрессор, который работает, втягивая 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, из-за того, что компрессор качает его с массовым расходом, который не может пройти через выходное отверстие при более низком давлении и плотности входного отверстия.

Поршневые компрессоры

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

Поршневые компрессоры используют поршни, приводимые в движение коленчатым валом. Они могут быть как стационарными, так и переносными, могут быть одно- или многоступенчатыми и могут приводиться в действие электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. ^{[1] [2] [3]} Небольшие поршневые компрессоры мощностью от 5 до 30  лошадиных сил (л. с.) обычно встречаются в автомобильной промышленности и, как правило, предназначены для прерывистого режима работы. Более крупные поршневые компрессоры мощностью более 1000 л. с. (750 кВт) обычно встречаются в крупных промышленных и нефтяных приложениях. Давление нагнетания может варьироваться от низкого до очень высокого (>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 и, как правило, больше и дороже, чем сопоставимые роторные агрегаты. ^[4] Другой тип поршневого компрессора, обычно используемый в системах кондиционирования воздуха в салонах автомобилей, ^{[ требуется ссылка ]} — это компрессор с качающейся шайбой или качающейся шайбой, в котором поршни приводятся в движение качающейся шайбой, установленной на валу (см. аксиально-поршневой насос ).

Компрессоры для бытовых нужд, домашних мастерских и небольших строительных площадок обычно представляют собой поршневые компрессоры мощностью 1,5 л. с. (1,1 кВт) или меньше с присоединенным ресивером.

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 спроектирован для широкого диапазона производительности, варьируя размер, количество цилиндров и разгрузку цилиндров. Однако он страдает от более высоких потерь из-за объемов зазоров, сопротивления из-за выпускных и всасывающих клапанов, больше весит, его трудно обслуживать из-за большого количества движущихся частей, и ему присуща вибрация. ^[5]

Поршневой компрессор с ионно-жидкостным двигателем

Поршневой компрессор с ионизированной жидкостью , ионный компрессор или поршневой насос с ионизированной жидкостью — это водородный компрессор, в котором вместо металлического поршня используется поршень с ионной жидкостью, как в поршнево-металлическом мембранном компрессоре .

Винтовые компрессоры

Схема винтового компрессора

Винтовые компрессоры используют два сцепленных вращающихся винтовых винта с положительным смещением для нагнетания газа в меньшее пространство. ^{[1] [6] [7]} Обычно они используются для непрерывной работы в коммерческих и промышленных приложениях и могут быть как стационарными, так и переносными. Их применение может быть 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 кв. дюйм или 8,3 МПа).

Классификации ротационных винтовых компрессоров различаются в зависимости от ступеней, методов охлаждения и типов привода среди прочего. ^[8] Ротационные винтовые компрессоры производятся серийно в масляном, водяном и сухом типах. Эффективность ротационных компрессоров зависит от осушителя воздуха, ^{[ необходимо разъяснение ]} , 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 пульсацию, могут работать на переменных скоростях и, как правило, имеют более высокую эффективность. Малые размеры или низкие скорости ротора непрактичны из-за внутренних утечек, вызванных зазором между полостями сжатия или винтами и корпусом компрессора. ^[5] Они зависят от точных допусков обработки, чтобы избежать высоких потерь от утечек, и склонны к повреждениям при неправильной эксплуатации или плохом обслуживании.

Роторно-пластинчатые компрессоры

Эксцентриковый пластинчато-роторный насос

Роторно-пластинчатые компрессоры состоят из ротора с рядом лопаток, вставленных в радиальные пазы в роторе. Ротор установлен со смещением в большем корпусе, который либо имеет круглую, либо более сложную форму. По мере вращения ротора лопатки скользят в пазы и из них, сохраняя контакт с внешней стенкой корпуса. ^[1] Таким образом, вращающиеся лопатки создают ряд увеличивающихся и уменьшающихся объемов. Роторно-пластинчатые компрессоры являются, наряду с поршневыми компрессорами, одной из старейших компрессорных технологий.

При наличии подходящих портовых соединений устройства могут быть либо компрессором, либо вакуумным насосом. Они могут быть как стационарными, так и переносными, могут быть одно- или многоступенчатыми и могут приводиться в действие электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. Сухие пластинчатые машины используются при относительно низких давлениях (например, 2 бар или 200 кПа или 29 фунтов на кв. дюйм) для перемещения сыпучих материалов, в то время как машины с впрыском масла имеют необходимую объемную эффективность для достижения давления примерно до 13 бар (1300 кПа; 190 фунтов на кв. дюйм) на одной ступени. Роторно-пластинчатый компрессор хорошо подходит для привода от электродвигателя и значительно тише в работе, чем эквивалентный поршневой компрессор.

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

Поршневой ролик

Компрессор с вращающимся поршнем

Вращающийся поршень в компрессоре с вращающимся поршнем играет роль перегородки между лопастью и ротором. ^[13] Вращающийся поршень прижимает газ к неподвижной лопасти.

Два таких компрессора можно установить на одном валу, чтобы увеличить производительность и снизить вибрацию и шум. ^[14] Конструкция без пружины известна как качающийся компрессор. ^[15]

В холодильной технике и кондиционировании воздуха этот тип компрессора также известен как ротационный компрессор, а ротационные винтовые компрессоры также известны как просто винтовые компрессоры.

Он обеспечивает более высокую эффективность, чем поршневые компрессоры, из-за меньших потерь из-за зазора между поршнем и корпусом компрессора, он на 40–50 % меньше и легче для данной мощности (что может повлиять на стоимость материалов и доставки при использовании в продукте), вызывает меньшую вибрацию, имеет меньше компонентов и более надежен, чем поршневой компрессор. Но его конструкция не позволяет достигать мощности более 5 тонн охлаждения, он менее надежен, чем другие типы компрессоров, и менее эффективен, чем другие типы компрессоров, из-за потерь из-за зазора. ^[5]

Спиральные компрессоры

Механизм спирального насоса

Спиральный компрессор , также известный как спиральный насос и спиральный вакуумный насос , использует две чередующиеся спиральные лопатки для перекачивания или сжатия жидкостей и газов . 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 диапазоне более низкого объема.

Часто одна из спиралей зафиксирована, а другая вращается эксцентрично, не вращаясь, тем самым захватывая и перекачивая или сжимая карманы жидкости между спиралями.

Благодаря минимальному зазору между неподвижной спиралью и вращающейся спиралью эти компрессоры имеют очень высокую объемную эффективность .

Эти компрессоры широко используются в кондиционировании воздуха и охлаждении, поскольку они легче, меньше и имеют меньше движущихся частей, чем поршневые компрессоры, а также они более надежны. Однако они более дороги, поэтому охладители Пельтье или роторные 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 меньше компонентов и более простую конструкцию, более эффективны, поскольку не имеют зазора и клапанов, и обладают преимуществами как меньшего пульсирования, так и не такой сильной вибрации. Но по сравнению с винтовыми и центробежными компрессорами спиральные компрессоры имеют более низкую эффективность и меньшую производительность. ^[5]

Мембранные компрессоры

Диафрагменный компрессор (также известный как мембранный компрессор ) — это вариант обычного поршневого компрессора. Сжатие газа происходит за счет движения гибкой мембраны, а не впускного элемента. Возвратно-поступательное движение мембраны осуществляется штоком и кривошипно-шатунным механизмом. Только мембрана и корпус компрессора контактируют с сжимаемым газом. ^[1]

Степень изгиба и материал, из которого изготовлена ​​диафрагма, влияют на срок службы оборудования. Обычно жесткие металлические диафрагмы могут вытеснять только несколько кубических сантиметров объема, поскольку металл не может выдерживать большие степени изгиба без растрескивания, но жесткость металлической диафрагмы позволяет ей перекачивать при высоких давлениях. Резиновые или силиконовые диафрагмы способны выдерживать глубокие ходы откачки с очень высоким изгибом, но их низкая прочность ограничивает их использование в приложениях с низким давлением, и их необходимо заменять, поскольку происходит пластическая хрупкость.

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

Трехступенчатый мембранный компрессор

На фотографии справа изображен трехступенчатый мембранный компрессор, используемый для сжатия водородного газа до 6000 фунтов на квадратный дюйм (41 МПа) для использования в прототипе заправочной станции сжатого водорода и сжатого природного газа (СПГ), построенной в центре города Финикс, штат Аризона, компанией Arizona Public Service (компания по предоставлению электроэнергии). 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 в Финиксе нормами безопасности, охраны окружающей среды и строительства, чтобы продемонстрировать, что такие заправочные станции можно строить в городских районах.

Динамичный

Воздушно-пузырьковый компрессор

Также известен как trompe . Смесь воздуха и воды, полученная в результате турбулентности, попадает в подземную камеру, где воздух отделяется от воды. Вес падающей воды сжимает воздух в верхней части камеры. Подводный выход из камеры позволяет воде вытекать на поверхность на более низкой высоте, чем вход. Выход в крыше камеры подает сжатый воздух на поверхность. Установка по этому принципу была построена на реке Монреаль в Ragged Shutes около Кобальта, Онтарио, в 1910 году и поставляла 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 ободу рабочего колеса, увеличивая скорость газа. Секция диффузора (расширяющегося канала) преобразует энергию скорости в энергию давления. Они в основном используются для непрерывной стационарной работы в таких отраслях, как нефтеперерабатывающие заводы , химические и нефтехимические заводы и заводы по переработке природного газа . ^{[1] [21] [22]} Их применение может быть от 100 лошадиных сил (75 кВт) до тысяч лошадиных сил. Благодаря многоступенчатому функционированию они могут достигать высокого выходного давления, превышающего 1000 фунтов на квадратный дюйм (6,9 МПа).

Этот тип компрессора, наряду с винтовыми компрессорами, широко используется в крупных холодильных и кондиционерных системах. Существуют магнитные подшипники (магнитно-левитирующие) и центробежные компрессоры с воздушным подшипником.

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

Центробежные компрессоры являются самыми большими из имеющихся 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 на 90% меньше и занимают на 50% меньше места, чем поршневые компрессоры, надежны и обходятся дешевле в обслуживании, поскольку меньше компонентов подвергаются износу, и создают только минимальную вибрацию. Но их первоначальная стоимость выше, требуется высокоточная обработка на станках с ЧПУ , рабочее колесо должно вращаться на высоких скоростях, что делает небольшие компрессоры непрактичными, и пульсации становятся более вероятными. ^[5] Пульсации - это изменение направления потока газа, то есть газ переходит со стороны нагнетания на сторону всасывания, что может вызвать серьезные повреждения, особенно в подшипниках компрессора и его приводном валу. Это вызвано давлением на стороне нагнетания, которое выше выходного давления компрессора. Это может привести к тому, что газы будут течь вперед и назад между компрессором и всем, что подключено к его линии нагнетания, вызывая колебания. ^[5]

Компрессоры диагонального или смешанного потока

Диагональные или смешанные компрессоры похожи на центробежные компрессоры, но имеют радиальную и осевую составляющую скорости на выходе из ротора. Диффузор часто используется для поворота диагонального потока в осевом, а не радиальном направлении. ^[23] По сравнению с обычным центробежным компрессором (с тем же отношением давления ступени) значение скорости смешанного компрессора в 1,5 раза больше. ^[24]

Осевые компрессоры

Анимация осевого компрессора.

Осевые компрессоры — это динамические вращающиеся компрессоры, которые используют массивы веерообразных аэродинамических профилей для постепенного сжатия жидкости. Они используются там, где требуются высокие скорости потока или компактная конструкция.

Массивы аэродинамических поверхностей устанавливаются рядами, обычно парами: одна вращающаяся и одна неподвижная. Вращающиеся аэродинамические поверхности, также известные как лопатки или роторы , ускоряют жидкость. Неподвижные аэродинамические поверхности, также известные как статоры или лопасти, замедляют и перенаправляют направление потока жидкости, подготавливая ее к лопаткам ротора следующей ступени. ^[1] Осевые компрессоры почти всегда многоступенчатые, причем 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 функционировать, если не оснащен такими функциями, как неподвижные лопатки с переменными углами (известные как переменные направляющие лопатки входного направляющего аппарата и переменные статоры), способность позволять некоторому количеству воздуха выходить на полпути вдоль компрессора (известная как межступенчатый отбор) и разделение на более чем одну вращающуюся сборку (известную как двойные катушки, например).

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

Герметично закрытый, открытый или полугерметичный

Небольшой герметичный компрессор в обычном бытовом холодильнике или морозильнике обычно имеет закругленную стальную внешнюю оболочку, постоянно заваренную, которая герметизирует рабочие газы внутри системы, в данном случае хладагент R600a . Нет пути 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 демонстрировать почти нулевую утечку, чтобы избежать потери хладагента , если они должны работать годами без обслуживания. Это требует использования очень эффективных уплотнений или даже устранения всех уплотнений и отверстий для формирования герметичной системы. Эти компрессоры часто описываются как герметичные , открытые или полугерметичные , чтобы описать, как компрессор закрыт и как привод двигателя расположен по отношению к сжимаемому газу или пару. Некоторые компрессоры вне холодильного обслуживания также могут быть герметично запечатаны в некоторой степени, как правило, при работе с токсичными, загрязняющими или дорогими газами, при этом большинство нехолодильных применений находятся в нефтехимической промышленности.

В герметичных и большинстве полугерметичных компрессоров компрессор и двигатель, приводящий в действие компрессор, интегрированы и работают в газовой оболочке под давлением системы. Двигатель предназначен для работы в сжимаемом газообразном хладагенте и его охлаждения. Открытые компрессоры имеют внешний двигатель, приводящий в движение вал, который проходит через корпус компрессора, и полагаются на вращающиеся уплотнения вокруг вала для сохранения внутреннего давления.

Разница между герметичными и полугерметичными заключается в том, что герметичные используют цельный сварной стальной корпус, который нельзя открыть для ремонта; если герметичный выходит из строя, его просто заменяют полностью новым блоком. Полугерметичные используют большой литой металлический корпус с прокладочными крышками с винтами, которые можно открыть для замены компонентов двигателя и компрессора. Основное преимущество герметичных и полугерметичных заключается в том, что нет пути утечки газа из системы. Главные преимущества открытых компрессоров заключаются в том, что они могут приводиться в действие любым источником движущей силы, что позволяет выбирать наиболее подходящий двигатель для применения или даже неэлектрические источники энергии, такие как двигатель внутреннего сгорания или паровая турбина , а во-вторых, двигатель открытого компрессора можно обслуживать, не открывая ни одной части системы хладагента.

Открытая система под давлением, такая как автомобильный кондиционер, может быть более восприимчива к утечке рабочих газов. Открытые системы полагаются на смазку в системе, которая разбрызгивается на компоненты насоса и уплотнения. Если она не эксплуатируется достаточно часто, смазка на уплотнениях медленно испаряется, а затем уплотнения начинают протекать, пока система не перестанет функционировать и ее необходимо будет перезаправлять. Для сравнения, герметичная или полугерметичная система может простаивать годами и обычно может быть запущена снова в любое время без необходимости обслуживания или потери давления в системе. Даже хорошо смазанные уплотнения будут пропускать небольшое количество газа со временем, особенно если охлаждающие газы растворяются в смазочном масле, но если уплотнения хорошо изготовлены и обслуживаются, эта потеря очень мала.

Недостатком герметичных компрессоров является то, что привод двигателя не подлежит ремонту или обслуживанию, и весь компрессор должен быть заменен в случае отказа двигателя. Еще одним недостатком является то, что сгоревшие обмотки могут загрязнять всю систему, тем самым требуя полной откачки системы и замены газа (это также может произойти в полугерметичных компрессорах, где двигатель работает в 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 более экономично просто купить новое устройство или компрессор. Полугерметичные компрессоры используются в средних и больших холодильных и кондиционирующих системах, где дешевле ремонтировать и/или восстанавливать компрессор по сравнению со стоимостью нового. Герметичный компрессор проще и дешевле в изготовлении, чем полугерметичный или открытый компрессор.

Термодинамика сжатия газа

Изоэнтропический компрессор

Компрессор можно представить как внутренне обратимый и адиабатический , то есть как изоэнтропическое устройство с устойчивым состоянием, что означает, что изменение энтропии равно 0. ^[25]

Изменение энтальпии для процесса потока можно рассчитать. ^[26]

dH = VdP +TdS

Изэнтропический dS равен нулю.

dH = VdP

Непоточные изоэнтропические процессы, такие как некоторые компрессоры прямого вытеснения, могут использовать другое уравнение. ^[27]

dH = PdV

Определяя цикл сжатия как изоэнтропический , 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 процессу сжатия ^[28]

Изоэнтропическая эффективность компрессоров:

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

${\displaystyle h_{1}}$это энтальпия в начальном состоянии

${\displaystyle h_{2a}}$это энтальпия в конечном состоянии для фактического процесса

${\displaystyle h_{2s}}$это энтальпия в конечном состоянии для изоэнтропического процесса

Минимизация работы, требуемой компрессором

Сравнение реверсивных и нереверсивных компрессоров

Сравнение дифференциальной формы энергетического баланса для каждого устройства.

Пусть будет тепло, будет работа, будет кинетическая энергия и будет потенциальная энергия. ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle ke}$ ${\displaystyle pe}$

Фактический компрессор:

${\displaystyle \delta q_{act}-\delta w_{acteltaq_{act}}{T}\geq 0}$

Кроме того, T — [абсолютная температура] ( ), что дает: ${\displaystyle ds\geq {\frac {\delta q_{act}}{T}}}$ ${\displaystyle T\geq 0}$
${\displaystyle \delta w_{rev}\geq \delta w_{act}}$

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

Поэтому устройства, потребляющие работу, такие как насосы и компрессоры (работа отрицательна), требуют меньше работы, когда они работают обратимо. ^[25]

Эффект охлаждения в процессе сжатия

Диаграмма Pv (удельный объем-давление), сравнивающая изэнтропические, политропические и изотермические процессы в одних и тех же пределах давления.

изоэнтропический процесс: не включает охлаждение,
политропический процесс: включает некоторое охлаждение
изотермический процесс: включает максимальное охлаждение

При следующих предположениях требуемая работа компрессора для сжатия газа от до для каждого процесса будет следующей: ${\displaystyle P_{1}}$ ${\displaystyle P_{2}}$

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

Потоковые процессы VdP

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, а изотермическое сжатие ( или ) требует наименьшего количества работы. Для политропического процесса ( ) работа уменьшается по мере уменьшения показателя степени 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. ^[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 Изоэнтропическое сжатие в насосе
Идеальный цикл Карно 4->1 Изоэнтропическое сжатие
Идеальный цикл Отто 1->2 Изоэнтропическое сжатие
Идеальный цикл Дизеля 1->2 Изоэнтропическое сжатие
Идеальный цикл Брайтона 1->2 Изоэнтропическое сжатие в компрессоре
Идеальное паровое компрессионное охлаждение Цикл 1->2 Изоэнтропическое сжатие в компрессоре
ПРИМЕЧАНИЕ: Изоэнтропические предположения применимы только к идеальным циклам. Реальные циклы имеют неотъемлемые потери из-за неэффективных компрессоров и турбин. Реальные системы не являются истинно изэнтропическими, а скорее идеализируются как изэнтропические для целей расчета.

Температура

Сжатие газа повышает 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 энергия (тепло) не передается газу или из него во время сжатия, и вся приложенная работа добавляется к внутренней энергии газа, что приводит к повышению 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 в градусах Ранкина или кельвинах , p ₂ и p ₁ — абсолютные давления и отношение удельных теплоемкостей (приблизительно 1,4 для воздуха). Рост отношения воздуха и температуры означает, что сжатие не следует простому отношению давления к объему. 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 масштаб (т. е. высокий уровень мощности). На практике всегда будет определенное количество теплового потока из сжатого газа. Таким образом, создание идеального адиабатического компрессора потребовало бы идеальной теплоизоляции всех частей машины. Например, даже металлическая трубка велосипедного насоса нагревается, когда вы сжимаете воздух, чтобы наполнить шину. Соотношение между температурой и степенью сжатия, описанное выше, означает, что значение для адиабатического процесса равно (отношение удельных теплоемкостей). ${\displaystyle \kappa =}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \kappa }$

• Изотермический – эта модель предполагает, что сжатый газ остается при постоянной температуре в течение всего процесса сжатия или расширения. В этом цикле внутренняя энергия удаляется из системы в виде тепла с той же скоростью, с которой она добавляется механической работой 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, ближе всего подходят к достижению идеального изотермического сжатия. Однако с практическими устройствами 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 равно 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.

• Политропная – эта модель учитывает как повышение температуры газа, так и некоторую потерю энергии (тепла) в компонентах компрессора. Это предполагает, что тепло может поступать в систему или выходить из нее, и что работа входного вала может проявляться как повышенное давление (обычно полезная работа) и повышенная температура выше адиабатической (обычно потери из-за эффективности цикла). Эффективность сжатия тогда представляет собой отношение повышения температуры при теоретических 100 процентах (адиабатическая) к фактической (политропная). Политропная компрессия будет использовать значение от 0 (процесс постоянного давления) до бесконечности (процесс постоянного объема). Для типичного случая, когда предпринимается попытка охладить газ, сжатый приблизительно адиабатическим процессом, значение будет находиться в диапазоне от 1 до . ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \kappa }$

Поэтапное сжатие

В случае центробежных компрессоров коммерческие конструкции в настоящее время не превышают степень сжатия более 3,5 к 1 на любой одной ступени (для типичного газа). Поскольку сжатие повышает температуру, сжатый газ должен охлаждаться между ступенями, делая сжатие менее адиабатическим и более изотермическим. Межступенчатые охладители (промежуточные охладители) обычно приводят к некоторой частичной конденсации, которая удаляется в сепараторах пара и жидкости .

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 винтовые компрессоры могут использовать охлаждающую смазку для снижения повышения температуры от сжатия, они очень часто превышают степень сжатия 9 к 1. Например, в типичном компрессоре для дайвинга воздух сжимается в три этапа. Если каждая ступень имеет степень сжатия 7 к 1, компрессор может выдавать давление в 343 раза больше атмосферного (7 × 7 × 7 = 343 атмосферы ). (343 атм или 34,8  МПа или 5,04  ksi )

Приводные двигатели

Существует множество вариантов двигателя, приводящего в действие компрессор:

• Газовые турбины приводят в действие осевые и центробежные компрессоры, входящие в состав реактивных двигателей .
• В качестве крупных компрессоров возможны паровые или водяные турбины .
• Электродвигатели дешевы и тихи для статических компрессоров. Небольшие двигатели, подходящие для бытовых электросетей, используют однофазный переменный ток . Более крупные двигатели можно использовать только там, где доступен промышленный трехфазный переменный ток.
• Дизельные двигатели или бензиновые двигатели подходят для передвижных компрессоров и вспомогательных компрессоров.
• В автомобилях и других типах транспортных средств (включая поршневые самолеты, лодки, грузовики и т. д.) выходная мощность дизельного или бензинового двигателя может быть увеличена путем сжатия всасываемого воздуха, так что больше топлива может быть сожжено за один цикл. Эти двигатели могут приводить в действие компрессоры, используя собственную мощность коленчатого вала (эта установка известна как нагнетатель ) , или использовать свои выхлопные газы для приведения в действие турбины, соединенной с компрессором (эта установка известна как турбонагнетатель ).

Смазка

Компрессоры, которые приводятся в действие электродвигателем, могут управляться с помощью частотно-регулируемого привода или инвертора мощности , 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 соединен с тем же валом, который приводит в действие компрессор, и нагнетает масло в подшипники компрессора и двигателя. На низких скоростях недостаточное количество масла достигает подшипников, что в конечном итоге приводит к отказу подшипников, в то время как на высоких скоростях чрезмерное количество масла может быть потеряно из подшипников и компрессора и потенциально в нагнетательной линии из-за разбрызгивания. В конце концов масло заканчивается, и подшипники остаются несмазанными, что приводит к отказу, а масло может загрязнять хладагент, воздух или другой рабочий газ. ^[30]

Приложения

Газовые компрессоры используются в различных областях, где требуются более высокие давления или меньшие объемы газа:

• При трубопроводной транспортировке очищенного природного газа от места добычи к потребителю компрессор приводится в действие двигателем, работающим на газе, отбираемом из трубопровода. Таким образом, внешний источник энергии не требуется.
• В морских грузовых перевозках и грузовых операциях газовозов .
• На нефтеперерабатывающих заводах, заводах по переработке природного газа, нефтехимических и химических заводах, а также на аналогичных крупных промышленных предприятиях требуется сжатие промежуточных и конечных газов.
• Холодильное оборудование и кондиционеры используют компрессоры для перемещения тепла в циклах хладагента (см. парокомпрессионное охлаждение ).
• Газотурбинные системы сжимают всасываемый воздух для горения .
• Очищенные или синтезированные газы небольшого объема требуют сжатия для заполнения баллонов высокого давления, используемых в медицине , сварке и других целях.
• Для питания пневматических инструментов в различных промышленных, производственных и строительных процессах требуется сжатый воздух .
• В производстве и выдувном формовании ПЭТ -бутылок и контейнеров.
• Некоторым самолетам требуются компрессоры для поддержания давления в салоне на высоте.
• Некоторые типы реактивных двигателей , такие как турбореактивные и турбовентиляторные, сжимают воздух, необходимый для сгорания топлива. Турбины реактивного двигателя приводят в действие компрессор воздуха сгорания.
• В подводном плавании , автономных дыхательных аппаратах , гипербарической оксигенотерапии и другом оборудовании для жизнеобеспечения компрессоры обеспечивают подачу сжатого дыхательного газа либо напрямую, либо через контейнеры для хранения газа высокого давления, такие как баллоны для дайвинга . ^{[31] [32]} При поверхностном плавании воздушный компрессор обычно используется для подачи воздуха низкого давления (от 10 до 20 бар) для дыхания.
• На подводных лодках компрессоры используются для хранения воздуха с целью его 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, благодаря чему двигатель может сжигать больше топлива и, следовательно, вырабатывать больше мощности.
• Железнодорожные и большегрузные транспортные средства используют сжатый воздух для приведения в действие тормозов рельсовых и дорожных транспортных средств , а также различных других систем ( дверей , стеклоочистителей , двигателя , управления коробкой передач и т. д.).
• На станциях техобслуживания и в автомастерских сжатый воздух используется для накачивания пневматических шин и питания пневматических инструментов.
• Огневые 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 пневматические линии транспортировки порошка или твердых веществ. Достигаемое давление может варьироваться от 0,5 до 2 бар. ^[33]

• 
  Воздушный компрессор для дайвинга в шумопоглощающем шкафу

Смотрите также

• Медиафайлы по теме «Компрессоры» на Wikimedia Commons
• Осевой компрессор  – Машина для непрерывного сжатия газа
• Наддув салона  – 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  – Фильтрующие системы для снижения влажности сжатого воздуха
• Электрохимический водородный компрессор
• Пожарный поршень  – Инструмент для разжигания огня
• Фольгированный подшипник  – Тип воздушного подшипника
• Двигатель с горячим воздухом  – двигатель внешнего сгорания, использующий воздух в качестве рабочего тела.
• Компрессор с направляющим ротором  – Тип объемного роторного газового компрессора
• Водородный компрессор  – устройство для повышения давления газообразного водорода.
• Линейный компрессор  – газовый компрессор, в котором поршень приводится в движение линейным приводом.
• Жидкостно-кольцевой компрессор  – тип ротационного объемного насоса.
• Гидридный компрессор  – водородный компрессор, работающий на принципе абсорбции и десорбции водорода.
• Компрессор Наттерера  – тип ручного компрессора воздуха
• Пневмоцилиндр  – механическое устройство со сжатым газом.
• Пневматическая трубка  – система транспортировки сжатого воздуха или вакуума.
• Поршневой компрессор  – устройство, используемое для перекачивания газов под высоким давлением (поршневой компрессор).
• Воздуходувка Рутса  – объемный кулачковый насос Страницы, отображающие краткие описания целей перенаправления(компрессор кулачкового типа)
• Коэффициент скольжения  – мера скольжения жидкости в рабочем колесе компрессора или турбины.
• Trompe  – Воздушный компрессор с водяным приводом
• Парокомпрессионное охлаждение  – Процесс охлаждения
• Воздушный компрессор с переменной скоростью  — воздушный компрессор, использующий технологию привода с переменной скоростью.

Ссылки

1. Перри, Р. Х.; Грин, Д. В., ред. (2007). Справочник инженеров-химиков Перри (8-е изд.). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-142294-9.
2. Блох, HP; Хёфнер, JJ (1996). Поршневые компрессоры, эксплуатация и техническое обслуживание . Gulf Professional Publishing. ISBN 0-88415-525-0.
3. Основы поршневого компрессора. Архивировано 18 апреля 2009 г. на 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 г.
5. "Ref Doc". download.schneider-electric.com .
6. Винтовой компрессор. Архивировано 10 января 2008 г. на Wayback Machine. Описывает работу винтовых компрессоров и содержит фотографии.
7. Технический центр Архивировано 13 декабря 2007 г. на Wayback Machine Обсуждаются маслозаполненные винтовые компрессоры, включая полную схему потока системы.
8. ICS. «Как работает винтовой воздушный компрессор?». Архивировано из оригинала 2017-08-17 . Получено 2017-08-16 .
9. Черемисинофф, Николас П.; Давлетшин, Антон (28.01.2015). Операции по гидравлическому разрыву пласта: Справочник по методам управления окружающей средой. John Wiley & Sons. ISBN 9781119100003. Архивировано из оригинала 2017-12-24.
10. "Одновинтовой компрессор". Daikin Applied UK .
11. Якобс, Джон С. (2006), Технология винтовой компрессии с переменной скоростью вращения трехроторного компрессора, Международная конференция по машиностроению. Доклад 1825.
12. Inc, Mattei Compressors. "Роторно-пластинчатые компрессоры и пластинчатые компрессоры - Компрессоры для стационарных промышленных и OEM-приложений - Mattei". www.matteicomp.com . Архивировано из оригинала 9 мая 2010 г. {{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь )
13. "Движение вращающегося поршня в роторном компрессоре". Университет Пердью . Архивировано из оригинала 2017-08-16 . Получено 2017-08-16 .
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. Кейллат, Дж., Уэзерстон, Р., Буш, Дж.: «Спиральная машина с осевым податливым креплением», патент США 4767293, 1988.
18. Ричардсон-младший, Хьюберт: «Спиральный компрессор с вращающимся спиральным элементом, смещаемым давлением масла», патент США 4875838, 1989.
19. Эрик Слэк (зима 2016 г.). "Sertco". Energy and Mining International . Phoenix Media Corporation. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Получено 27 февраля 2016 г.
20. Мейнард, Фрэнк (ноябрь 1910 г.). «Пять тысяч лошадиных сил из пузырьков воздуха». Popular Mechanics : 633. Архивировано из оригинала 2017-03-26.
21. Диксон СЛ (1978). Механика жидкости, термодинамика турбомашин (третье изд.). Pergamon Press. ISBN 0-08-022722-8.
22. Онгиер, Рональд Х. (2000). Центробежные компрессоры: стратегия аэродинамического проектирования и анализа . ASME Press. ISBN 0-7918-0093-8.
23. Черемисинофф, Николас П. (2016-04-20). Справочник по контролю загрязнения для нефтегазовой промышленности. John Wiley & Sons. ISBN 9781119117889. Архивировано из оригинала 2017-12-24.
24. Кано, Фумиката. "Разработка высокоскоростных компрессоров смешанного потока" (PDF) . Техасский университет A&M . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-08-11 . Получено 2017-08-16 .
25. Cengel, Yunus A., and Michaeul A. Boles. Термодинамика: инженерный подход. 7-е издание. Нью-Йорк: Mcgraw-Hill, 2012. Печать.
26. Alvi. "TdS Equations". Университет штата Флорида . Famu . Получено 1 февраля 2023 г.
27. Mae. "Non-Flow Thermodynamic Processes" (PDF) . courses.sens . buffalo.edu . Получено 2 февраля 2023 г. .
28. "PTC-10 Performance Test Code on Compressors & Exhausters - ASME". www.asme.org . Архивировано из оригинала 19 июня 2015 г.
29. Справочник инженера-химика Перри, 8-е издание Перри, Грин, стр. 10-45, раздел 10-76
30. «Научный музей Toshiba: первый в мире бытовой инверторный кондиционер». toshiba-mirai-kagakukan.jp .
31. Millar IL, Mouldey PG (2008). «Сжатый воздух для дыхания – потенциал зла изнутри». Дайвинг и гипербарическая медицина . 38 (2). Южнотихоокеанское общество подводной медицины : 145–51. PMID  22692708. Архивировано из оригинала 25.12.2010 . Получено 28.02.2009 .{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
32. Харлоу, В. (2002). Спутник кислородного хакера . Airspeed Press. ISBN 0-9678873-2-1.
33. "Blowers (Roots)". Инженерные ресурсы для отраслей переработки порошков . www.powderprocess.net. Архивировано из оригинала 14 августа 2017 г. Получено 15 августа 2017 г.