2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС В РАБОЧЕМ ЦИЛИНДРЕ ПРИВОДА

Широко применяемый в настоящее время пневматический поршневой привод по способу использования энергии рабочего тела может быть назван одноступенчатым. Упрощенное изображение идеальной системы компрессор—одноступенчатый привод показано на рис. XII.1. Эта система состоит из компрессора, ресивера и привода, имеющего распределитель и рабочий цилиндр. При ходе поршня компрессора влево всасывающий клапан 3 открывается и в рабочую полость цилиндра всасывается воздух с давлением, равным атмосферному. Давление в полости цилиндра компрессора на протяжении всего хода поршня; равно атмосферному. При обратном ходе воздух в цилиндре сжимается (клапан 3 закрыт) по политропическому закону.

Рис. XII. 1. Упрощенная схема системы компрессор—одноступенчатый привод: 1 — цилиндр компрессора; 2 — поршень; 3 — всасывающий клапан; 4 — нагнетательный клапан; 5 — ресивер; 6 — воздушный распределитель; 7 — распределительное устройство; 8 — цилиндр привода; 9 — поршень

В частном случае сжатие может быть изотермическим или адиабатическим. При достижении определенного давления воздуха, на которое настроен компрессор, открывается нагнетательный клапан 4 и воздух под заданным давлением поступает в ресивер 5.

При политропическом или адиабатическом сжатии между цилиндром компрессора и ресивером располагается холодильник, в котором воздух охлаждается до температуры засасываемого воздуха (на рис. XI. 1 холодильник условно не показан). Сжатый воздух аккумулируется в ресивере, откуда поступает на питание привода.

Для включения привода в действие распределительное устройство поворачивается в ту или иную сторону автоматически (или вручную). В результате сжатый воздух, подается в одну из полостей рабочего цилиндра привода, которая становится активной. Другая полость — пассивная — сообщается с атмосферой. На протяжении всего хода, поршня привода давление в активной полости равно давлению питающего воздуха, а в пассивной — атмосферному.

Работу, затрачиваемую на получение сжатого воздуха с такими параметрами, которые имеет воздух в ресивере, следует рассматривать без учета потерь в компрессоре, которые влияют на его к. п. д., не затрачивая энергетики привода.

При любом характере процесса сжатия в цилиндре компрессора (изотермическом, политропическом, адиабатическом) воздух в ресивере,

идущий на питание привода, имеет температуру воздуха, всасываемого в компрессор, т. е. предполагается, что система компрессор — привод находится в среде с одинаковой температурой. При политропическом или адиабатическом сжатии это выполняется за счет охлаждения воздуха в системе компрессор — холодильник. Поэтому процесс сжатия в цилиндре компрессора можно считать изотермическим.

Теоретический рабочий процесс в цилиндре компрессора для одного хода поршня может быть представлен диаграммой в координатах (рис. XII.2, а), где по оси V откладываются объемы воздуха в цилиндре.

Рис. XII.2. Теоретический рабочий процесс: а — в цилиндре компрессора; б — в цилиндре одноступенчатого привода

Рис. XII.3. Зависимость Для одноступенчатого привода

Соответствующая диаграмма для цилиндра привода приведена на рис. XII.2, б. Процесс, изображаемый этой диаграммой, назовем одноступенчатым. Из рис. XII.2, а, б видно, что в приводе используется энергия, затраченная в цилиндре компрессора на участке в 2—3 хода поршня, т. е. энергия, необходимая для выталкивания сжатого воздуха, в приводе не используется.

Предположим, что на протяжении одного хода поршня компрессора и одного хода поршня привода в процессе участвует 1 кг воздуха. Тогда для рабочего процесса в цилиндре компрессора (см. рис. XII.2, а) имеем

где — работа, затраченная на изотермическое сжатие воздуха в цилиндре компрессора;

— удельный объем всасываемого воздуха;

- степень сжатия;

— абсолютное давление соответственно всасываемого и сжатого воздуха.

Для рабочего процесса в цилиндре привода

- степень расширения (условная).

Наибольшая работа воздуха, питающего привод, может быть получена при изотермическом расширении и равна работе, затраченной на его изотермическое сжатие. Теоретический к. п. д. в соответствии с формулами (XI 1.5) и (XI 1.6)

По выражению (XII.7) на рис. XI 1.3 построены графики зависимости для некоторых значений

Если принятое в данном случае изотермическое сжатие воздуха в системе компрессор — привод осуществляется непосредственно в цилиндре компрессора, то к. п. д. относится и к системе в целом.

Рис. XII.4. Схема работы системы компрессор—одноступенчатый привод: а — начало и конец сжатия (1 — цилиндр компрессора; 2 — трубопровод; 3 — цилиндр привода; 4 — поршень привода; 6, 5 — поршень компрессора в начале и конце сжатия); — процесс выталкивания (7 — поршень компрессора в процессе выталкивания; 8 — поршень привода в процессе движения); в — конец выталкивания (9 — поршень компрессора в конце выталкивания; 10 — поршень привода в конце движения)

Коэффициент отражает совершенство всего теоретического процесса и показывает, какая часть энергии, сообщенной воздуху, используется для выполнения внешней работы. Работа системы компрессор — привод может быть представлена следующим образом (рис. XII.4). В цилиндре компрессора воздух сжимается и как бы кинематически связывает поршни компрессора и привода, передавая движение от поршня компрессора к поршню привода, т. е. поршень компрессора через ранее сжатый им воздух перемещает поршень привода. Основные преимущества такой кинематической связи в отличие от механической заключаются в том, что она дистанционна и время выработки сжатого воздуха (связывающего звена) может не совпадать с периодом его применения — временем передачи энергии от поршня компрессора к поршню привода.

Если сжатый воздух поступает к приводу после предварительного понижения давления путем дросселирования или редуцирования,

что имеет место на практике, то характер работы системы остается прежним, но для с учетом формулы (XII.7) имеем

где - коэффициент понижения давления (дросселирования или редуцирования);

— давление воздуха, поступающего к приводу после понижения давления. При этом предполагается, что после редуцирования воздух приобретает температуру, равную температуре в ресивере.

Зависимость (XII.8) графически показана на рис. XII.5. Термический к. п. д. одноступенчатого воздушного поршневого привода, а при сделанных выше допущениях и системы компрессор — привод в целом при степени сжатия составляет не более При увеличении значение понижается при

Рис. XII.5. Зависимость

Практически значения наиболее часто находятся именно в этих пределах. Как правило, тогда при имеем что соответствует основному диапазону применяемых давлений. В случае понижения давления воздуха перед подачей его к приводу значение дополнительно уменьшается.

Таким образом, в одноступенчатом воздушном поршневом приводе большая часть энергетических возможностей питающего сжатого воздуха не используется.

Наличие в системе компрессор — привод весьма значительных потерь, рассмотренных выше, объясняется недостаточным использованием в одноступенчатом приводе энергии, затраченной в компрессоре. Это вызывает необходимость повышения энергетического качества привода, т. е. его экономичности. Поэтому следует по возможности использовать для работы привода энергию, затраченную на собственно сжатие воздуха в компрессоре. Такую задачу можно выполнить полностью, если в приводе осуществляется рабочий процесс, обратный процессу, протекающему в компрессоре. Для этого требуется, чтобы воздух в цилиндре привода изотермически расширялся до давления

Возможности повышения экономичности привода за счет реализации в нем обратного процесса должны быть дополнительно рассмотрены с учетом внешних функций привода, его назначения и характера механических операций, выполняемых на выходе привода.

В машинах непрерывного действия (двигатели внутреннего сгорания и паровые машины) поршень перемещается из одного крайнего положения в другое. При этом поршень имеет колебательные движения относительно своего среднего положения с постоянной амплитудой и некоторым периодом, который может меняться.

Такой характер движения поршня в машинах непрерывного действия позволяет осуществлять расширение рабочего тела в цилиндре, так как в этом режиме движения поршня можно управлять процессом расширения рабочего тела, т. е. началом и концом расширения. В рабочем цилиндре воздушного поршневого привода также может быть применено расширение, если привод работает как машина непрерывного действия. Однако для работы в таком режиме воздушный поршневой привод применяется редко. Наиболее широкое распространение он получил в качестве исполнительного элемента в различных полуавтоматических и автоматических устройствах, системах регулирования, где работа привода в общем случае характеризуется следующими особенностями: во-первых, по команде поршень может быть остановлен в любом положении, из которого он начинает двигаться после следующей команды; во-вторых, величина и направление перемещения поршня могут быть различными и определяются величиной и знаком команды. Следовательно, при таком режиме движения поршня возможности, характерные для машин непрерывного действия, отсутствуют.

В автоматических устройствах привод является машиной дискретного действия. Поэтому в рабочем цилиндре не может быть осуществлен процесс расширения рабочего тела. Для повышения энергетического качества воздушного привода, предназначенного для работы в дискретном режиме, должны быть найдены пути, отличные от известных. Ниже излагается способ решения задачи повышения экономичности пневматического поршневого привода, работающего дискретно, путем многоступенчатого использования энергии сжатого воздуха.