ОДНОСТУПЕНЧАТЫЙ ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ
SINGLE-STAGE PISTON COMPRESSOR OF DOUBLE ACTION

Изобретение относится к компрессорной технике, а именно к компрессорам двойного действия.
Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому устройству является одноступенчатый поршневой компрессор двойного действия, содержащий цилиндр с полостями сжатия, расположенными по обе стороны от поршня, в котором выполнены каналы с расположенными в них запорными органами, всасывающие и нагнетательные клапаны [1]. Недостатком прототипа является невысокая степень повышения давления.
Задачей изобретения является увеличение степени повышения давления. Это достигается тем, что в цилиндре выполнены окна для сообщения полостей сжатия цилиндра в крайних положениях поршня с межступенчатой промежуточной емкостью высокого давления, а в поршне выполнены сверления с клапанами для перепуска газа из вредного пространства в под/над поршневую полость.
Предлагаемый одноступенчатый поршневой компрессор двойного действия относится к газомеханическим устройствам, в которых процесс сжатия осуществляется в два этапа: на первом этапе за счет энергии сжатого газа, на втором этапе за счет энергии механического привода [2].
На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый одноступенчатый поршневой компрессор двойного действия, на фиг. 2 - индикаторная диаграмма работы компрессора.
Компрессор содержит цилиндр 1 с полостями сжатия 2 и 3, расположенными над и под поршнем 4, соединенными посредством окон с коллектором высокого (конечного) давления 6 и межступенчатой промежуточной емкостью высокого давления 7.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства на примере процессов, происходящих в надпоршневой полости 2, которые схематично представлены на индикаторной диаграмме (фиг. 2).
вс
к
вс
пр
При достижении поршнем 4 верхней мертвой точки (ВМТ) открывается клапан Б и вредное пространство (пространство над поршнем при нахождении поршня в ВМТ) соединяется с подпоршневой полостью и давление в нем уменьшается (процесс 4-5). Далее поршень перемещается вниз и давление в надпоршневой полости уменьшается и становится равным давлению в магистрали всасывания р (процесс 5-6), открывается всасывающий клапан С и подпоршневая полость заполняется свежей порцией сжимаемого газа низкого давления (процесс 6-1). При достижении поршнем нижней мертвой точки (НМТ) с небольшим предварением открываются окна 5, через которые газ высокого (конечного) давления р подается в цилиндр из коллектора высокого (конечного) давления 6 и поджимает находящийся там газ (с давлением р) до некоторого промежуточного давления р (процесс 1-2).
Промежуточное давление определяется по соотношению
,
пр
где р - промежуточное давление;
к
р - конечное давление (давление нагнетания);
вс
р - давление во всасывающей магистрали;
пp
V - объем промежуточной полости;
h
V - рабочий объем цилиндра (объем, описываемый поршнем при перемещении из ВМТ в НМТ);
a
- относительный объем вредного пространства.
к
к
После этого поршень 4 начинает перемещаться к ВМТ и происходит процесс (2-3) сжатия газа до давления р за счет механической энергии привода. При достижении давления р открывается клапан А и газ поступает в межступенчатую промежуточную емкость высокого давления 7 (процесс 3-4) и далее потребителю.
Общая степень повышения давления определяется соотношением
,
газ
где π - степень повышения давления за счет энергии сжатого газа;
мех
π - степень повышения давления за счет энергии привода.
газ
Таким образом, давление нагнетания предложенного компрессора будет в π раз больше, чем у прототипа.
Кроме того, производительность компрессора может быть увеличена за счет снижения давления во вредном пространстве.
Ступень газового сжатия благотворно влияет на температурный режим работы воздушного компрессора, так как при дросселировании газ будет охлаждаться.
К достоинствам одноступенчатого поршневого компрессора двойного действия можно отнести и то, что им можно заменить любой многоступенчатый компрессор.
Определим удельный расход энергии, затрачиваемой на сжатие газа в рассматриваемом компрессоре [2].
н
пр
р
сж
1
0
Будем считать, что давление газа в промежуточной полости равно давлению нагнетания р, а объем ее равен V. Процессы сжатия (1-2) и расширения (3-4) газа протекают с одинаковыми показателями политропы n-n=n. Общая степень повышения давления будет . Температуру газа перед сжатием обозначим Т, при этом λ=λ. С учетом принятых допущений определим массу газа, поступающего в цилиндр в процессе всасывания (в точке 1 по индикаторной диаграмме на фиг. 2)
Масса газа в цилиндре непосредственно перед сжатием (в точке 2) может быть определена из уравнения состояния
пр
Зная массу газа в промежуточной полости и полости цилиндра, можно определить давление р, давление в промежуточной полости и полости цилиндра после их сообщения
где В - относительное промежуточное пространство.
С учетом (3) соотношение (2) примет вид
пр
к
Обозначим степень предварительного повышения давления - π, а степень повышения давления при сжатии - π'. Тогда можно записать:
Принимая во внимание соотношения (4), (5), (6), работу, затрачиваемую на сжатие газа в компрессоре, запишем в виде
или
н
Соответственно, удельная работа, затрачиваемая на получение 1 кг выдаваемого потребителю газа с давлением р, будет определяться выражением
или
В безразмерном виде она запишется следующим образом:
к
пр
Величины l и  могут быть использованы для сравнительной оценки удельных затрат энергии при получении сжатого газа в одноступенчатом поршневом компрессоре двойного действия и многоступенчатом компрессоре. Положив, что V=0 (В=0), а=0 (С=1), уравнение (8) преобразуем к выражению удельного расхода энергии при политропном сжатии газа:
Анализ выражения (9) позволяет выявить влияние объема промежуточной полости (В) на удельный расход энергии в одноступенчатом поршневом компрессоре двойного действия.
вс
пр
Действительная удельная работа, затраченная на сжатие свежей порции газа в цилиндре, будет меньше работы по (8) на величину работы расширения газа высокого давления, поступающего из межступенчатой промежуточной емкости высокого давления в цилиндр компрессора. Эта работа будет равна работе, затрачиваемой на сжатие свежей порции газа в цилиндре от давления р до давления р.
Рассмотрим процесс сжатия свежей порции газа в газовой ступени, принципиальная схема которой представлена на фиг. 3 а, б.
н
вс
пр
В начале процесса полость межступенчатой промежуточной емкости высокого давления р отделена (разобщена) от полости цилиндра с давлением Р поршнем А с фиксатором В (фиг. 3а). Далее поршень освобождается и под действием силы давления расширяющегося газа перемещается в цилиндре до тех пор, пока давления в межступенчатой промежуточной емкости высокого давления и цилиндре не сравняются и станут равными Р.
Изменение температуры газа в цилиндре будет незначительным, поэтому процесс сжатия можно считать изотермным.
Работа, совершаемая газом высокого давления при расширении, будет равна работе изотермного сжатия газа в цилиндре, т.е.
С учетом обозначений, принятых выше, запишем
Таким образом, действительная удельная работа, затрачиваемая на сжатие газа в одноступенчатом поршневом компрессоре двойного действия, будет равна
Предлагаемый одноступенчатый поршневой компрессор двойного действия обеспечивает увеличение степени повышения давления. Рассмотренные подходы показали свою результативность и могут быть использованы при создании одноступенчатого поршневого компрессора двойного действия.
Список используемых источников
1. Кабаков А.Н., Стариков В.И., Щерба В.Е. Поршневой компрессор двойного действия. Авторское свидетельство №681211. Бюл. 1979. №31.
2. Дзитоев М.С., Пеньков М.М. и др. Системы газоснабжения и вакуумная техника: учебник. - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2010. - 530 с.