 |
Назначение, принцип действия и классификация компрессорных машин
|
|
|
|
Лекция 10
ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ ГАЗОВ
Классификация машин для транспорта газа.
Термодинамические основы процесса сжатия газа.
Теоретические процессы сжатия газов. Изотермический, адиабатический, политропический процесс.
КПД компрессоров.
Охлаждение газов в процессе сжатия.
Классификация машин для транспорта газа
Назначение, принцип действия и классификация компрессорных машин
Гидравлические машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называются компрессорными машинами.
Большое число технологических процессов химических, газо- и нефтеперерабатывающих производств осуществляется с участием всевозможных газов, сжатых до значительных давлений. В качестве примеров можно назвать абсорбционные и адсорбционные процессы переработки природного газа, процессы органического синтеза в производстве синтетического спирта, аммиака, каучука, полимеров.
Применение компрессоров в промышленности идет в различных направлениях:
· Сжатый газ является аккумулятором энергии, которая может расходоваться для привода в движение различных машин и механизмов (в пневматических молотах, для привода пневматического инструмента и исполнительных механизмов, (пневматические тормоза, приборы и др.). В этих случаях компрессор обеспечивает получение энергоносителя (рабочего тела).
· Компрессорные машины используются для перемещения газа по трубопроводам.
· В технологических производствах, связанных с процессами, протекающими в газовых средах, компрессоры должны создавать необходимое давление в системах и развивать подачу определенного количества газа, являющегося сырьем.
|
|
|
· Компрессоры, служащие для отсасывания и нагнетания паров хладагентов — холодильные компрессоры.
Помимо использования сжатого газа как агента технологических процессов он может являться аккумулятором энергии, которая может расходоваться для привода в движение различных машин и механизмов. Так, во взрывоопасных цехах химических и нефтехимических производств, сжатый воздух используется для привода в движение грузоподъемных средств (кранов, тельферов) и пневмоинструмента (пневмозубило, пневмошлифовальная машина и т.п.), а также для работы приборов системы контроля и автоматизации производственных процессов.
Компрессорные машины классифицируют следующим образом:
1. По принципу действия:
· лопастные
· объемные.
В лопастных компрессорных машинах механическая энергия двигателя преобразуется в механическую энергию газа путем непрерывного силового воздействия лопастей рабочего колеса на газ в проточной камере, имеющей постоянное сообщение с входным и выходным патрубками. В эту группу компрессорных машин входят центробежные и осевые компрессоры и вентиляторы.
В объемных компрессорных машинах преобразование механической энергии двигателя в механическую энергию газа происходит путем периодического сжатия газа в камере, попеременно сообщающейся с входным и выходным патрубками. В эту группу компрессорных машин входят поршневые и ротационные компрессоры.
2. В зависимости от давления нагнетания:
· низкого давленияизбыточное давление до 0,1ат.(вентиляторы)
· среднего давления избыточное давление от 0,1 до 0,3 ат (газодувки)
· высокого давления избыточное давление от 3 ат. и выше
3. По способу установки компрессоры:
· стационарные
· передвижные
4. По характеристике сжимаемого газа:
· воздушные компрессорные (воздушные вентиляторы, воздуходувки, воздушные компрессоры)
|
|
|
· компрессорные машины (газовые вентиляторы, газодувки, газовые компрессора которые предназначены для сжатия всех остальных газов, кроме кислорода)
Компрессоры, предназначенные для сжатия кислорода, а также сжатия воздуха с целью получения кислорода называются кислородными.
Кислородные компрессора выделяют в отдельную группу не, потому что процессы компримирования воздуха и кислорода имеют различия. Это вызвано необходимостью применять специальные материалы для некоторых узлов и специальную смазку рабочих органов.
Особую группу представляют компрессорные машины, предназначенные для всасывания газов из систем с целью создания разрежения. Подобные компрессора называются вакуум-насосами.
5. По расположению рабочих органов (штоков, поршней, валов рабочих колес и др.):
· горизонтальные
· вертикальные
· наклонные
В настоящее время применяются угловые поршневые компрессоры, которые имеют вертикальные и горизонтальные цилиндры, а также компрессоры со встречным движением поршней (оппозитные).
Компрессорные машины различаются по составу перекачиваемого газа, поскольку агрессивные и взрывоопасные газы требуют специальных материалов для изготовления некоторых узлов и специальных смазочных материалов.
6. По принципу действия:
Поршневые компрессоры, принцип действия которых основан на сжатии в замкнутом пространстве при уменьшении его объема. Изменение объема происходит вследствие возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре.
Рис. 10.1. Схема поршневого компрессора
Центробежные компрессоры, в которых давление газа создается за счет центробежных сил, возникающих во вращающемся газовом потоке, особенностью центробежных компрессоров являются осевые компрес-машины, принцип действия которых основан на сообщении частицам скорости, т. е. на повышении кинетической энергии потока.
Рис. 10.2 Схема центробежного компрессора
Ротационные компрессоры, являющиеся разновидностью поршневых компрессоров. В ротационных компрессорах сжатие газа происходит в отсеках, образующемся зазоре между корпусом (статором) компрессора и вращающимся который расположен эксцентрично по отношению к статору.
|
|
|
Рис. 10.3. Схема ротационного компрессора
2. Термодинамические основы процесса сжатия газа
Как известно из термодинамики, внутренняя энергия идеального газа U и его энтальпия i являются функцией лишь температуры:
, [кал/кг]
, [кал/кг]
Следовательно, внутренняя энергии газа и его энтальпия при одной и той же температуре, но различных давлениях одинаковы. Работоспособность газа при большем давлении выше, чем при меньшем. Но если газ расширяясь от большего давления к меньшему, произведет работу, температура его снизится и энтальпия упадет точно на величину отданной работы. Наоборот если произвести изотермическое сжатие газа – вся израсходованная энергия будет отведена в виде тепла охлаждающей воды, теплоотдачи наружу.
Т.о. работа Не расходуемая компрессором для сжатия V м3 газа от начального давления р1 до конечного р2 равна
(10.1)
т.к. 
откуда 
, следовательно 
, подставляя это выражение в уравнение первого начала термодинамики 
(приращение внутренней энергии газа равно сумме сообщенного газу тепла и механической работе сжатия) после интегрирования с учетом работы сжатия получим уравнение (10.1).
Т.о. уравнение первого начала термодинамики можно представить в виде:
Для движущегося газа сообщенное тепло qc равно сумме внешнего тепла (-q) и тепла всех гидравлических потерь ΔН:
Учитывая этот факт, окончательно получаем:
(10.2)
Уравнение 10.2 в явном виде не содержит членов, учитывающих кинетическую энергию, но оно справедливо при любом соотношении скоростей в начале и конце сжатия.
Уравнение первого начала термодинамики в форме 10.2 удобно при анализе процесса сжатия в Т-S диаграмме, где S – энтропия газа (из термодинамики – энтропия представляет собой некоторую функцию состояния тела, которая увеличивается при подводе к нему тепла, причем это увеличение тем меньше, чем выше температура тела.)
Приращение энтропии при подводе тепла составляет при обратимом процессе
, [дж/кг град] (10.3)
На Т-S диаграмме нанесены линии, соответствующие постоянной температуре (изотермы) изображаются горизонтальными кривыми, и линии, соответствующие постоянному давлению (изобары).
|
|
|
Линия АКВ является пограничной кривой. Область, лежащая ниже этой кривой, соответствует влажному пару, ветвь АК — жидкости при температуре насыщения, ветвь КВ — сухому насыщенному пару. Точка К является критической точкой. Слева от ветви АК находится область жидкости, справа от ветви КВ — область перегретого пара. Так как испарение и конденсация жидкости протекают при постоянных температурах и давлениях, то в области влажного пара изобары совпадают с изотермами. Конденсация смеси влажных паров протекает при переменной температуре, поэтому в таких случаях изобары в области влажного пара не совпадают с изотермами.
Кроме того, на T-S -диаграмме (рис. 10.4) нанесены линии постоянной энтальпии (i = const). Энтальпия идеальных газов зависит только от температуры, и для таких газов линии i = сonst совпадают с изотермами. Энтальпия реальных газов зависит также от давления и для них линии i = сonst не совпадают с изотермами.
 |
Рис. 10.4 Диаграмма Т-S процесса сжатия газа.
Процессы сжатия газа в компрессоре изображаются на диаграмме Т—S следующим образом.
При адиабатическом сжатии q = 0, следовательно по формуле (10.3) ΔS = 0, т. е. процесс идет без изменения энтропии (S = соnst). Поэтому процесс изображается вертикальной линией 1 — 2, причем точка 1 характеризует состояние газа до сжатия и лежит на пересечении изобары p1 и изотермы Т1; точка 2 отвечает состоянию газа после сжатия и лежит на изобаре, соответствующей давлению р2.
При изотермическом сжатии процесс протекает при Т = const и изображается горизонтальной линией 1—2', причем точка 2', характеризующая состояние газа после сжатия, лежит на изобаре р2. Количество отводимого тепла q, согласно формуле (10.3), составляет TΔS и на рис. 10.4 выражается площадью заштрихованного прямоугольника а — 1 — 2' — b, высота которого равна Т1, а основание — изменению энтропии ΔS. В данном процессе энтропия уменьшается, т.е. величина ΔS отрицательна. Поэтому количество тепла будет также отрицательным, т.е. процесс сопровождается, как указывалось выше, отводом тепла. Та же площадь а — 1 — 2' — b выражает работу изотермического сжатия в тепловых единицах, а площадь а — 2 — 2'—b на рис. 10.4 равна работе адиабатического сжатия.
|
|
|
