Соловьев В.С., Смородин А.С. Стационарные машины и установки

Подождите немного. Документ загружается.

8.7Как выбирается электронасосный агрегат для

стационарного шахтного водоотлива [2,5]?

6. РУДНИЧНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ

УСТАНОВКИ

Применение сжатого воздуха в горном деле обусловлено его

безопасностью для рабочих, лучшими условиями вентиляции

забойного участка, малым весом и простотой конструкции ручного

пневматического инструмента, надежностью в работе и простотой

обслуживания.

Основным недостатком пневматики является то, что на

подведение 17кВт пневмоэнергии к забою необходима затраченная

мощность на поверхности в 67кВт. Однако ликвидация ручного труда

стоит таких затрат.

6.1. Классификация компрессоров

Машина, служащая для преобразования механической

энергии привода в полезную потенциальную и кинетическую энергию

сжатого газа, называется компрессором. По способу сжатия газа

компрессоры делятся на две группы: объемного сжатия – давление

газа повышается за счет уменьшения рабочего пространства

(поршневые, винтовые, ротационные); кинетического сжатия –

газ сжимается в процессе принудительного движения газа при

силовом взаимодействии с лопатками вращающихся колес

(турбокомпрессоры – центробежные и осевые или лопастные).

По величине создаваемого давления: вакуум-насосы –

отсасывающие газ из пространства с вакуумом и сжимающие его до

атмосферного или чуть большего давления; воздуходувки (газодувки)

– давление до 0,37МПа; компрессоры низкого давления – 0,3-1,07МПа;

среднего давления – 1,0-107МПа; высокого давления – 10-2507МПа.

В горном деле наиболее широко применяются компрессоры

низкого давления, а также вакуум-насосы для отсасывания метана из

угольных пластов.

По числу ступеней сжатия компрессоры подразделяются на

одно-, двух- и многоступенчатые.

6.2. Принципиальная схема и принцип действия

поршневого компрессора

Основные узлы поршневого одноступенчатого компрессора –

рабочий цилиндр 1 (рис.45), поршень 2, приемный (всасывающий)

клапан 3, нагнетательный клапан 4. Кривошипно-шатунный

механизм, состоящий из штока 5, крейцкопфа 6, шатуна 7 и

кривошипа 8 служит для преобразования вращательного движения

привода в возвратно-поступательное движение поршня.

Расстояние между двумя крайними положениями поршня (А-А

и В-В) называется ходом поршня: S%=%2r, где r – радиус кривошипа.

При движении поршня 2 вправо увеличивающийся объем

рабочего цилиндра заполняется воздухом через открытый клапан 3 из

всасывающего трубопровода (процесс всасывания). По достижении

поршнем положения В-В клапан 3 закрывается и поршень начинает

двигаться влево, начинается процесс сжатия, который заканчивается

при достижении поршнем положения С-С. В этом положении

открывается нагнетательный клапан 4 и происходит процесс

нагнетания, т.е. вытеснение воздуха поршнем в напорный

трубопровод. С началом движения вправо клапан 4 закрывается и

начинается процесс

всасывания. Все это составляет

цикл работы поршневого

компрессора.

Рис.45. Схема поршневого

одноступенчатого компрессора простого

действия

6.3. Теоретический и рабочий процесс одноступенчатого

поршневого компрессора

Идеальным будет называться компрессор, отвечающий

следующим требованиям:

температура и давление воздуха в процессе всасывания в

цилиндре компрессора неизменны и равны параметрам

всасываемого воздуха;

в процессе выталкивания температура и давление воздуха

неизменны и равны параметрам сжатого воздуха за компрессором;

после окончания процесса выталкивания в цилиндре не

остается воздуха, т.е. поршень вплотную прилегает к крышке

цилиндра;

утечки и перетечки воздуха в цилиндре отсутствуют;

затраты мощности на механическое трение отсутствуют.

Точка 1 на индикаторной диаграмме идеального компрессора

(рис.46) соответствует тому, что весь объем цилиндра заполнен

воздухом низкого давления (поршень в положении В-В, см.7рис.45)

и объем воздуха равен V

. Кривая

1-2 – процесс сжатия воздуха в

компрессоре от давления P

до P

при закрытых клапанах. В точке 2

процесс сжатия заканчивается,

объем воздуха достигает

величины V

и открывается

нагнетательный клапан.

Рис.46. Индикаторная диаграмма

идеального компрессора

Линия 2-3 – процесс выталкивания воздуха из цилиндра в

резервуар высокого давления, при котором происходит уменьшение

количества воздуха в цилиндре. Точка 4 – открывание

всасывающего клапана. Линия 4-1 – процесс всасывания в цилиндр

воздуха из резервуара низкого давления Р

, а объем воздуха в

цилиндре при этом увеличивается.

Площадь диаграммы, ограниченная ломаной 1-2-3-4-1, есть

полная работа за цикл L

1п

и будет полезной, так как совершается

без потерь.

Работа на сжатие воздуха в процессе 1-2







pdVL

(95)

Так как V

77V

, то работа L

1-2

всегда отрицательна и на

диаграмме изображена площадью под кривой 1-2 (косая штриховка).

Работа по выталкиванию воздуха в нагнетательную сеть







pdVL

или

 

2223232

VpVVpL 



(96)

При выталкивании P

7=7const, а для идеального компрессора

объем воздуха в цилиндре в конце процесса равен нулю (V

7=70). На

диаграмме работа L

2-3

соответствует площади прямоугольника под

прямой 2-3 (горизонтальная штриховка).

Точка 4 на диаграмме выражает начало процесса всасывания

и поскольку изменение давления от Р

до Р

происходит без

изменения объема V

7=7V

7=70, то работа на этом участке равна нулю.

Работа в процессе 4-1 всасывания воздуха

 

1141114

VPVVPPdVL







(97)

так как V

7=70, а P

7=7const.

Суммируя значения работ цикла 1-2-3-4-1, получим

L7=7P

7–7P

7+7



PdV

(98)

Применяя для PdV преобразование вида

PdV7=7d(pV)7–7Vdp (99)

и взяв интеграл, получим

.)(

1122

 



VdPVPVPPdV

(100)

Подставив (100) в уравнение (98), получим работу

поршневого компрессора





PdVL

(101)

Работа L изображена площадью 1-2-3-4-1 и будет

отрицательна, так как для сжатия воздуха необходимо затратить

внешнюю работу. Величина L есть техническая работа компрессора

и она существенно отличается от работы сжатия в компрессоре



PdV

Для решения интеграла необходимо знать зависимость

давления от объема в процессе сжатия. Эти законы известны из

термодинамики.

Адиабатный процесс сжатия. Условием процесса является

постоянство теплосодержания воздуха. Отвод тепла отсутствует и

система теплоизолирована, т.е. все тепло, образовавшееся при

сжатии, не отводится, а идет на повышение температуры

сжимаемого воздуха.

Основное уравнение адиабаты:

2211

constcPVVPVP

kkk



отсюда

V7=7













(102)

где k – показатель адиабаты, k7=71,4.

Изотермический процесс сжатия протекает при постоянной

температуре с отводом тепла, т.е. показатель k7=71:

7=7P

7=7PV7=7const.

Политропный процесс сжатия протекает с отводом

некоторого количества теплоты. Этот процесс является общим по

отношению к первым двум, т.е. 177k771,4.

На рис.47 представлен график сравнения процессов сжатия

воздуха в зависимости от показателя процесса. Начальные

параметры воздуха и конечные давления для всех трех процессов

приняты одинаковыми, поэтому изотермический процесс изображен

линией 1-2, политропный – 1-2', адиабатный –1-2".

Из рис.47 следует, что с увеличением показателя процесса

увеличиваются работа компрессора, температура и объем сжатого

воздуха. Следовательно, с целью уменьшения работы необходимо

уменьшать показатель процесса за счет интенсивного охлаждения

воздуха в компрессоре.

Для адиабатного процесса работа теоретического цикла

сжатия с учетом (102) составит

Рис.47. График процессов

сжатия в зависимости

от показателя процесса

11ад

















7=7P

следовательно, удельная объемная работа при адиабатном сжатии

ад

изм

































(103)

Для изотермического процесса получим

.ln

изм

PL 

(104)

Для политропного процесса:

 

1нк

полм





































TTR

(105)

где n – показатель политропы, 177n%71.4; R – газовая

постоянная; Т

, Т

– начальная и конечная температура

сжимаемого газа.

6.4. Действительный цикл в поршневом компрессоре

В реальном поршневом компрессоре (в отличие от

идеального, теоретического) термодинамические процессы

протекают иначе, так как в цилиндре после завершения цикла

остается часть сжатого воздуха объемом V

с давлением Р

(рис.48).

В компрессоре всегда есть вредное пространство с объемом

за счет зазора между крышкой цилиндра и крайним положением

поршня (необходим для исключения ударов из-за неточности

сборки, износа, теплового расширения элементов). Расширение

объема V

уменьшает объем всасывания на V7=7V

–V'

Кроме того, процессы в цилиндре идут с постоянным

изменением параметров состояния P,V,T.

Рассмотрим процесс сжатия (линия 1-2, рис.48). Точка 1 –

начало сжатия, здесь параметры состояния Р

,Т. В точке 1

давление P

будет равно давлению в приемном трубопроводе.

Линия 1-2 является линией политропы, показатель которой n

изменяется в процессе сжатия вследствие изменения направления

теплового потока в начале и в конце сжатия (в начале воздух

холодный – тепло к нему подводится, в конце горячий – он сам

отдает тепло). Сжатие заканчивается в точке 2 и здесь давление Р

больше давления Р

в напорном трубопроводе. Разница P

7=7P

–P

обеспечивает открытие напорного клапана, т.е. идет на преодоление

силы напряжения пружины.

Процесс нагнетания (линия 2-3). В точке 2 открывается

нагнетательный клапан и начинается процесс нагнетания. В

начальный период, когда скорости поршня и воздуха малы –

давление падает. В середине хода поршня скорость воздуха будет

максимальной, увеличиваются потери на гидравлические

сопротивления, это вызывает повышение давления до P'

. Далее

скорость уменьшается и падает давление. В точке 3 нагнетание

Рис.48. Цикл реального компрессора

воздуха заканчивается и давление в цилиндре равно давлению в

напорном трубопроводе.

Процесс расширения (линия 3-4). В положении 3 в цилиндре

остается объем воздуха V

с давлением P

. С началом движения

поршня вправо этот объем расширяется, давление в цилиндре падает

и напорный клапан закрывается.

При достижении давления Р

открытие всасывающего

клапана не происходит. Это произойдет в точке 4, так как в

цилиндре должно создаться разряжение, а перепад давлений P

вс

пойдет на преодоление натяжения пружины и рабочей пластины

клапана. Таким образом, рабочий объем в цилиндре будет равен

7=7V

–V

Процесс всасывания (линия 4-1). В точке 4 открывается

клапан и начинается процесс заполнения воздухом цилиндра.

Изменение скорости движения поршня, а значит и воздуха,

приводит к неравномерности давления в цилиндре. В точке 1

давление в полости цилиндра равно давлению воздуха во

всасывающем трубопроводе. Рассмотрим факторы, влияющие на

производительность компрессора.

Влияние вредного пространства на производительность

учитывается объемным коэффициентом 

7=7V

, где V

7=7V

7+7V

–

– рабочий объем; V

– теоретический объем (рис.49).

При окончании нагнетания (точка 3) в компрессоре остается

объем V

с давлением Р

, который затем расширяется до V

давлением P

. Уравнение политропы имеет вид:

1420

PVPV



или

































VVV

п0т

































Так как степень сжатия 7=7P

, получим

,11



















mили

(106)

где m7=7V

– относительное вредное пространство; n – показатель

политропы.

Следовательно, объемный коэффициент есть величина,

определяющая степень использования рабочего объема

компрессора, поэтому при конструировании машины стремятся к

максимальному увеличению 

за счет уменьшения объема вредного

пространства (

7=70,85-0,95).

Из-за теплообмена между всасываемым воздухом и

нагретыми стенками цилиндра, поршнем и клапанами компрессора

температура воздуха в конце фазы всасывания будет выше

Рис.49. Влияние вредного пространства

на работу компрессора