Термодинамические процессы в компрессорах

Процессы сжатия в идеальном компрессоре. Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия газов. Принцип действия поршневого компрессора заключается в следующем (рис. 1.20). При движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления p_t и под действием разности этих давлений открывается всасывающий клапан. Цилиндр заполняется газом. На индикаторной диаграмме всасывание показано линией 4—1. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается и газ сжимается (линия 1—2). Давление в цилиндре увеличивается до тех пор, пока не станет больше р₂. Под действием разности этих давлений открывается нагнетательный клапан и газ выталкивается поршнем в сеть (линия 2—3). Затем нагнетательный клапан закрывается и все процессы повторяются.

Индикаторную диаграмму не следует смешивать с р, г-диаграммой, которая строится для постоянного количества вещества. В индикаторной диаграмме линии всасывания 4—1п нагнетания 2—3 не изображают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела в них остается постоянным — меняется только его количество.

На сжатие и перемещение килограмма газа затрачивается работа (-/тс*), которую производит двигатель, вращающий вал компрессора (4 = - 4е_Х). Из рис. 1.4 следует, что.

На индикаторной диаграмме 4 изображается площадью контура 4−3-2−1.

Рис. 1.20. Индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора.

Техническая работа, затрачиваемая в компрессоре, зависит от характера процесса сжатия. На рис. 1.21 изображены изотермический (п = 1), адиабатный (и = к) и политропный процессы сжатия. Сжатие по изотерме дает наименьшую площадь, т. е. происходит с наименьшей затратой работы, следовательно, применение изотермического сжатия в компрессоре является энергетически наиболее выгодным.

Чтобы приблизить процесс сжатия к изотермическому, необходимо отводить теплоту от сжимаемого в компрессоре газа.

Это достигается путем охлаждения наружной поверхности цилиндра водой, подаваемой в рубашку охлаждения, которая образуется полыми стенками цилиндра. Однако практически сжатие газа осуществляется по политропе с показателем п = 1,18… 1,2, поскольку достичь значения п = 1 не удается.

Рис. 1.21. Процессы изотермического, политропного и адиабатного сжатия в компрессоре.

Теоретическая работа на привод идеального компрессора, все процессы в котором обратимы, вычисляется по соотношению (1.18). Из уравнения политропы (1.15) следует, что и.

Если обозначить расход газа в компрессоре через т (кг/с), то теоретическая мощность привода компрессора определится из уравнения.

Многоступенчатое сжатие. Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры (рис. 1.22), в которых процесс сжатия осуществляется в нескольких последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого сжатия.

Рис. 1.22. Схема многоступенчатого компрессора:

/…/// — ступени сжатия; 1,2 — промежуточные холодильники Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора изображена на рис. 1.23. В первой ступени компрессора газ сжимается по политропе до давления р_и, затем он поступает в промежуточный холодильник 1, где охлаждается до начальной температуры Ту Сопротивление холодильника по воздушному такту с целью экономии энергии, расходуемой на сжатие, делают небольшим. Это позволяет считать процесс охлаждения газа изобар

Рис. 1.23. Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора (а) и графическое изображение процесса сжатия в Т, s-диаграмме (б)

ным. После холодильника газ поступает во вторую ступень и сжимается по политропе до р_ш, затем охлаждается до температуры 7 в холодильнике 2 и поступает в цилиндр третьей ступени, где сжимается до давления р₂.

Если бы процесс сжатия осуществлялся по изотерме 1—3—5—7, то работа сжатия была бы минимальна. При сжатии в одноступенчатом компрессоре по линии 1—9 величина работы определялась бы площадью контура 0—1—9—8, а работа трехступенчатого компрессора — площадью 0—1—2—3—4—5—6—8. Заштрихованная площадь показывает выигрыш в технической работе от применения трехступенчатого сжатия.

Чем больше число ступеней сжатия и промежуточных охладителей, тем ближе процесс к наиболее экономичному — изотермическому, но тем сложнее и дороже конструкция компрессора. Поэтому вопрос о выборе числа ступеней, обеспечивающих требуемую величину р₂, решается на основании технических и технико-экономических соображений.

Процессы сжатия в реальном компрессоре характеризуются наличием внутренних потерь на трение, поэтому работа, затрачиваемая на сжатие газа, оказывается больше, чем техническая работа идеального компрессора, определяемая уравнением (1.19).

Эффективность работы реального компрессора определяется относительным внутренним КПД, представляющим собой отношение работы, затраченной на привод идеального компрессора, к действительной.

Для характеристики компрессоров, работающих без охлаждения, применяют адиабатный КПД:

где /" — работа при равновесном адиабатном сжатии, вычисленная по уравнению (1.19) при п = к; 1_к — работа, затраченная в реальном компрессоре при сжатии 1 кг газа.

Для характеристики охлаждаемых компрессоров используют изотермический КПД:

где /_из — работа обратимого сжатия в изотермическом процессе, рассчитанная по формуле (1.19) при /7=1.

Контрольные вопросы

• 1. Назовите основные параметры состояния рабочего тела и единицы их измерения.
• 2. Чем отличается реальный газ от идеального?
• 3. Дайте определение средней и истинной теплоемкости. Чем отличается теплоемкость с_р от с"?
• 4. В чем заключается сущность первого закона термодинамики? Дайте его математическое выражение.
• 5. Опишите основные термодинамические процессы и укажите энергобаланс этих процессов.
• 6. В чем заключается сущность второго закона термодинамики? Дайте некоторые формулировки этого закона.
• 7. Что такое цикл Карно и как оценивается его эффективность?
• 8. Покажите в /?, v- и Г, 5-диаграммах области и линии, характерные для воды и водяного пара.
• 9. Покажите в 7>-диаграмме площади, изображающие количество теплоты, идущей на подогрев воды, теплоту парообразования и перегрев пара.
• 10. Для чего в компрессорах применяют охлаждение?