Назначение и типы компрессоров
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ,
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ
СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ
УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ
Кафедра физики и теплообмена
Дисциплина:
ТЕПЛОТЕХНИКА
Л Е К Ц И Я
ТЕМА 7. КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ
ТЕМА 8. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Автор:
д.ф.-м.н., профессор П.В. Скрипов
Екатеринбург 2006
Цели лекции:
Учебные: Сформировать представление об основах работы компрессорных и холодильных машин; дать термодинамический анализ работы компрессионной и холодильной установок.
Воспитательные: Воспитывать стремление к углубленному изучению предмета; прививать убежденность в практической значимости получаемых в лекционном курсе знаний.
Развивающие: Развивать способность творчески воспринимать и конспектировать предоставляемый материал; развивать навыки самостоятельной аналитической работы, умение выделять главное, проводить сопоставление и обобщение.
Метод проведения: лекция
Время занятия: 80 минут
Место проведения: аудитория
Материальное обеспечение: раздаточный материал с представлением основных соотношений и графиков
ЛИТЕРАТУРА:
1. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.
2. Техническая термодинамика: Учебное пособие / В.Н.Королёв, Е.М.Толмачёв. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 180 с.
ПЛАН ЛЕКЦИИ:
1. Введение к части 2. Прикладные вопросы термодинамики.
2. Назначение и типы компрессоров.
3. Термодинамический анализ работы компрессора.
4. Многоступенчатый компрессор.
5. Выбор числа ступеней.
6. Цикл воздушной холодильной установки.
7. Цикл парокомпрессионной холодильной установки.
8. Тепловой насос.
ЧАСТЬ 2. Прикладные вопросы термодинамики
ВВЕДЕНИЕ
Используя теоретический материал, изложенный в первой части курса, рассмотрим термодинамические основы работы компрессорных машин, а также циклы тепловых двигателей и холодильных установок.
Система коэффициентов полезного действия, характеризующих экономичность работы теплосиловых установок. Степень совершенства преобразования теплоты в работу в цикле теплового двигателя характеризуется термическим КПД (ht), который оценивается отношением максимально возможной полезной работы , полученной в цикле, к подведенной теплоте q1: Термический КПД не учитывает потери, которые имеют место при преобразовании теплоты в полезную работу. Необратимость тепловых процессов внутри теплового двигателя приводит к тому, что действительная полезная работа получается меньше теоретической. Отношение действительной работы , полученной в цикле, к подведённой теплоте называется эффективным КПД .
Отношение действительной работы, полученной в цикле, к теоретической называется внутренним относительным КПД .
Часть работы тратится на механические потери в различных элементах теплового двигателя. Величина этих затрат характеризуется механическим КПД hм, который определяет отношение работы, передаваемой на привод электрогенератора (если цель установки – выработка электроэнергии) или иной привод, к работе :
.
Отношение к количеству подведенной теплоты в цикле называется эффективным КПД теплового двигателя: . Для того, чтобы получить эффективный КПД всей теплосиловой установки, необходимо учесть потери энергии в других узлах установки, например в электрогенераторе, паропроводе, парогенераторе и т.д.
Среднеинтегральная температура. Количество теплоты в обратимом процессе определяется площадью под кривой процесса на диаграмме T – S, которая, в свою очередь, может быть вычислена как площадь равновеликого прямоугольника, т.е.
где Tср – среднеинтегральная температура процесса, представляющая собой на диаграмме T – S (рис. 2.3) среднюю высоту площади, ограниченной кривой процесса и осью энтропии. Эта площадь эквивалентна теплоте процесса, а основание есть изменение энтропии.
Среднеинтегральная температура является удобной величиной при термодинамическом анализе циклов тепловых двигателей.
Тема 7. КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ (10)
Назначение и типы компрессоров
Компрессорами называются машины, предназначенные для сжатия газов и паров. Они широко применяются во всех областях техники.
По принципу действия различают компрессоры объёмные и лопаточные. В объёмных компрессорах рабочее тело сжимается за счёт сближения ограничивающих стенок. В лопаточных компрессорах рабочему телу вращающимся ротором сообщается значительная кинетическая энергия, которая затем в диффузоре преобразуется в потенциальную энергию. В обоих случаях давление в конце сжатия повышается.
Машины, создающие давление до 0.1 бар, называются вентиляторами, от 0.1 до 3 бар – воздуходувками или газодувками.
Объёмные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные, а лопаточные – на центробежные и осевые. Производительность поршневых и ротационных компрессоров, выпускаемых промышленностью, не превышает 300 м3/мин, центробежных – 4000 м3/мин, производительность осевых компрессоров достигает 15000 м3/мин и более. Степень повышения давления х = p2/p1 у поршневых компрессоров 2.5…1000, ротационных – 3…12, лопаточных – не более 20.
Поршневые компрессоры простейшей конструкции представляют собой цилиндр 1 (рис. 7.1), в котором совершает возвратно-поступательное движение поршень 2 с помощью кривошипно-шатунного механизма 3, приводящегося в действие двигателем. При движении поршня вправо открывается всасывающий клапан 4. Давление p1 рабочего тела, поступающего в цилиндр, из-за сопротивления всасывающего трубопровода и клапана несколько меньше давления среды, из которой происходит всасывание. Вследствие наличия в любом реальном компрессоре вредного пространства процесс всасывания 4 – 1 начинается в точке 4. Процесс сжатия 1–2, осуществляемый при перемещении поршня из крайнего правого положения в левое, сопровождается теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндра, так как в начале сжатия температура рабочего тела меньше температуры стенок, а затем по мере сжатия температура его растёт и с некоторого момента начинает превышать температуру стенок. В силу сопротивления нагнетательного клапана 5 (рис. 7.1) он откроется при давлении выше давления p2 среды (рис. 7.2), куда происходит нагнетание. Процесс нагнетания изобразится линией 2–3. От точки 3 рабочее тело, оставшееся во вредном пространстве, расширяется (процесс 3–4).
Ротационные компрессоры по характеру рабочего процесса близки к поршневым и являются наиболее распространенными. В них воздух сжимается в отдельных камерах переменного объёма, образуемых пластинами 1 (рис. 7.3), скользящими в пазах ротора 2 и прижимающимися под действием центробежной силы к стенкам корпуса 3. Ротор и корпус расположены эксцентрично, поэтому при перемещении камер снизу вверх объем их возрастает, а затем уменьшается. Воздух поступает через всасывающий патрубок 4, сжимается за счёт сближения ограничивающих стенок и нагнетается в нагнетательный трубопровод 5.
7.2. Термодинамический анализ работы компрессора
Несмотря на существенные конструктивные различия между компрессорами разных типов, сущность термодинамического анализа их одинакова, так как в любом компрессоре осуществляется процесс политропного сжатия рабочего тела.
Вообще, процесс сжатия газа в компрессоре в зависимости от условий теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра может осуществляться по изотерме 1–2 (рис. 7.4), адиабате 1–2¢ и политропе 1–2². Работа, затрачиваемая на сжатие, в этих процессах будет различная. Сжатие по изотерме позволяет затратить наименьшую работу, которая графически изобразится площадью 1-2-3-0-1. Вся энергия в этом случае, подводимая в форме работы, отводится в виде теплоты.
Сжатие по адиабате требует наибольшей затраты работы (графически работа равна площади 1-2¢-3-0-1). При этом вся энергия, подводимая в виде работы, идет на изменение энтальпии. Так как осуществить изотермически сжатие газа практически невозможно из-за того, что теплоту, выделяющуюся в процессе сжатия, полностью отвести нельзя, а в процессе адиабатного сжатия затрачивается наибольшая работа, то в технике процессы сжатия в компрессорах осуществляются по политропе. Причём, чтобы уменьшить работу сжатия, процесс сжатия приближают к изотермическому, для этого отводят от сжимаемого газа теплоту путём охлаждения рубашки цилиндра водой. У компрессоров малой мощности стенки делаются ребристыми. Обдув ребер воздухом повышает интенсивность охлаждения.
Определим работу, затрачиваемую на привод компрессора. При изотермическом сжатии полезная внешняя работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, определится по формуле
. (7.1)
Тогда мощность N, затрачиваемая на сжатие G кг/с газа, определится следующим образом:
. (7.2)
Для осуществления изотермического сжатия необходимо отвести теплоту в количестве
или . (7.3)
При осуществлении адиабатного сжатия (без подвода и отвода теплоты) работа на привод компрессора определится следующим образом:
(7.4)
В процессе политропного сжатия будет затрачена работа
(7.5)
При этом количество теплоты, полученное в процессе сжатия, определится по формулам
(7.6)