Термодинамический анализ процессов в компрессорах

Процессы сжатия в идеальном компрессоре. Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия и перемещения газа.

В поршневом компрессоре (рис. 5.7) при движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления р₁, открывается всасывающий клапан. Цилиндр заполняется газом. Всасывание изображается на индикаторной диаграмме линией 4-1. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, и газ сжимается по линии 1-2. Давление в цилиндре увеличивается до тех пор, пока не станет больше р₂. Нагнетательный клапан открывается, и газ выталкивается поршнем в сеть (линия 2-3). Затем нагнетательный клапан закрывается, и все процессы повторяются.

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

Рис. 5.7. Индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора

На сжатие и перемещение 1 кг газа затрачивается работа (-l_тех), которую производит двигатель, вращающий вал компрессора. Обозначим ее через l_к ( ). Из (5.5) при условии, что с₁=с₂ следует, что

. (5.22)

На индикаторной диаграмме l_к изображается площадью 4-3-2-1.

Техническая работа, затрачиваемая в компрессоре, зависит от характера процесса сжатия. На рис. 5.8. изображены изотермический (n=1), адиабатный (n=k) и политропный процессы сжатия. Сжатие по изотерме дает наименьшую площадь индикаторной диаграммы, 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 от сжимаемого в компрессоре газа теплоту. Это достигается путем охлаждения наружной поверхности цилиндра водой, подаваемой в рубашку, образуемую полыми стенками цилиндра. Однако практически сжатие газа осуществляется по политропе с показателем n=1,18¸1,2, поскольку достичь значения n=1 не удается.

Работа, затрачиваемая на привод идеального компрессора, все процессы в котором равновесны, вычисляется по соотношению (5.22). Считая газ идеальным, из уравнения политропы получаем и

Или окончательно

. (5.23)

Если обозначить расход газа через компрессор m, кг/с, то теоретическая мощность привода компрессора определится из уравнения

. (5.24)

Рис. 5.8. Сравнение работы адиабатного, изотермического и политропного сжатия

Многоступенчатое сжатие. Для получения газа высокого давление применяют многоступенчатые компрессоры (рис. 5.9), в которых процесс сжатия осуществляются в нескольких последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого сжатия.

Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора изображена на рис. 5.10. В первой ступени компрессора газ сжимается по политропе до давления р_II, затем он поступает в промежуточный холодильник 1, где охлаждается до начальной температуры Т₁. Сопротивлении холодильника по воздушному тракту с целью экономии энергии, расходуемой на сжатие, делают небольшим. Это позволяет считать процесс охлаждения изобарным. После холодильника газ поступает во вторую ступень и сжимается по политропе до р_III, затем охлаждается до температуры Т₁ 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 работа определялась бы площадью 0-1-9-8. Работа трехступенчатого компрессора определяется площадью 0-1-2-3-4-5-6-8. Заштрихованная площадь показывает уменьшение затрат работы от применения трехступенчатого сжатия.

Рис. 5.9. Схема многоступенчатого компрессора: I – III – степени сжатия; 1, 2 – промежуточные холодильники	Рис 5.10. Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора (а) и изображение процесса сжатия в T, s – диаграмме (б)

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, решают на основании технических и технико-экономических обоснований.

Процессы сжатия в реальном компрессоре характеризуются наличием внутренних потерь на трение, поэтому работа, затрачиваемая на сжатие газа, оказывается больше, рассчитанной по уравнению (5.23).

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

Для характеристик компрессоров, работающих без охлаждения, применяют адиабатный КПД , где l_ад – работа при равновесном адиабатном сжатии, вычисленная по уравнению (5.23) при n=k; l_кд – работа затраченная в реальном компрессоре при сжатии 1 кг газа.

Для характеристики охлаждаемых компрессоров используют изотермический КПД , работа равновесного сжатия в изотермическом процессе , поскольку в этом процессе pv=p₂v₂ и .

Контрольные вопросы и задачи

5.1. Определить теоретические значения скорости истечения и расхода воздуха, вытекающего из воздухопровода через отверстие диаметром 5 мм в атмосферу. Избыточное давление в воздухопроводе 0,2×10⁵ Па, температура 20°С. Барометрическое давление 758 мм. рт. ст.

5.2. Во сколько раз изменится теоретическая скорость истечения сухого насыщенного пара (р₁=4,5 МПа) в атмосферу, если суживающееся сопло заменить соплом Лаваля? Трение в сопле не учитывать.

5.3. За счет чего при дросселировании пара любого состояния происходит увеличение энтропии?

5.4. Можно ли в результате дросселирования сухого насыщенного пара вновь получить сухой пар меньшего давления?

5.5. Компрессор сжимает 100 м³/ч воздуха температурой t₁=27°С от давления р₁=0,098 до р₂=0,8 МПа. Определить мощность, необходимую для привода идеального (без потерь) компрессора, считая сжатие изотермическим, адиабатическим и политропным с показателем политропы п=1,2.