Процессы сжатия в турбокомпрессорах
Рассмотрим принцип действия турбокомпрессоров, пользуясь термодинамическими диаграммами состояния газа. При исследовании процессов изменения состояния газа в турбокомпрессорах используются диаграммы P-v; T-S; i-S. Термодинамические диаграммы позволяют помимо параметров газа (Т, Р, v, S, i) определить энергетические параметры процессов (работу, потери энергии, подведенное и отведенное тепло). Вспомним основные свойства P-v и T-S -диаграмм. P-v диаграмма дает наиболее наглядное представление о принципе действия компрессоров объемного действия. Эта диаграмма показана на рис. 2.2а, б. В отличие от компрессоров объемного действия физическим смыслом на термодинамических диаграммах обладает только процесс сжатия 1-2. А площади, ограниченные кривой 1-2 и осями абсцисс и ординат в P-v диаграмме, соответствуют соответственно работе на сжатие () и работе на сжатие и перемещение (). Для компрессорных машин динамического действия работу сжатия нельзя выделит отдельно, поскольку процессы сжатия и перемещения протекают одновременно с затратой работы lп. Обычно процессы сжатия газов могут осуществляться в любой области правее и выше правой пограничной кривой линии насыщения. При этом, в зависимости от того, в какой области диаграммы сжимается газ, он может подчиняться законам либо совершенного газа, либо реального.
Рис. 2.12. Р-v диаграмма и процесс сжатия в ней
T-S диаграмма более наглядно дает представление о процессах сжатия в компрессорах динамического действия, поскольку кроме работы, по ней можно судить о количестве подведенного и отведенного тепла. Основные свойства T-S диаграммы: a) площадь, ограниченная линией политропического процесса, осью абсцисс (Т =0) и ординатами, проходящими через крайние точки политропы эквивалентна количеству подведенной (q >0) или отведенной (q <0) теплоты, т. к. ;
b) площадь, ограниченная изобарой, осью абсцисс и ординатами, проходящими через крайние точки изобары, эквивалентна разности энтальпий между этими точками, т. к. dq = di-vdP и при P = const, dq = di; c) для процесса без подвода тепла (dq =0) dS = dq/T =0. Если dq >0, то dS >0; если dq <0, то dS <0. Рассмотрим изображение работы сжатия и перемещения газа на диаграммах P-v и T-S при различных процессах (рис. 2.14) – политропном без охлаждения, политропном с охлаждением, изоэнтропном, изотермном.
а) б) Рис. 2.14. Процессы сжатия в Р-v и T-S диаграммах Определим работу на сжатие и перемещение газа в турбокомпрессоре для различных процессов изменения состояния газа от точки 1 до точки 2. Воспользуемся уравнениями сохранения энергии и Бернулли, причем для простоты будем считать, что приращение кинетической энергии в конце сжатия отсутствует, т.е. С 1= С 2 и СdС =0. Такое допущение является правомерным, если в качестве начальной 1 и конечной 2 точек выбраны сечения проточной части стационарного компрессора, расположенные во всасывающем и нагнетательном патрубках, либо на входе и выходе из ступени или секции. , отсюда выразим dl=vdP, получим
где – изменение энтальпии; – изменение количества теплоты (внешний теплообмен + тепло от трения, ). Проинтегрировав уравнение , взяв величину v из уравнения процесса , получаем формулы для полезной (эффективной) работы: - политропный процесс где π = P 2/ P 1 – отношение давлений; - адиабатный процесс (n = k) - изотермный процесс (n =1) Ранее были получены уравнения (2.21) и (2.28), с учетом допущений они выглядят: , . Рассмотрим на T-S - диаграмме эти процессы и определим площади, соответствующие полезным работам (рис. 2.5): - Изоэнтропный процесс (кривая 1-2¢, n = k, qвн =0, qr =0).
Поскольку dq =0, ; , т.е. в изоэнтропном процессе вся энергия, сообщаемая газу равна приращению энтальпии и идет на работу сжатия и перемещения, она пропорциональна площади 2¢2¢¢¢352¢. Рис. 2.15. К определению полезной работы для различных процессов сжатия - Политропный процесс без охлаждения (кривая 1-2, n > k, qвн =0, qr >0). Тело, подведенное к газу от трения qr = q 1-2, ; , где Δl – дополнительная работа, обусловленная повышением температуры газа за счет возвращенной теплоты трения. При увеличении температуры газа (Т 2 >T 1)за счет подвода теплоты от тренияв политропном процессе, удельный объем газа также увеличивается (v 2> v 1), что приводит к затратам дополнительной работы Dl на перемещение большего объема газа. - Политропный процесс с охлаждением (кривая 1-2¢¢, 1< n < k, qвн <0, qr >0). , где теплота q 1-2`<0, т.к. S 2¢¢< S 1. Если принять, что потери на трение такие же, как и в процессе без охлаждения, то с учетом принятого правила знаков определим теплоту,отводимую от газа: , , она также отрицательна (qвн <0). . - Изотермный процесс (кривая 1-2¢¢¢, n =1, Т 2= Т 1). , поэтому . В этом процессе от газа отводится вся теплота трения плюс количество теплоты, равное подведенной к газу работе . На основании анализа процессов сжатия в диаграмме T-S можно сформулировать следующие выводы. 1. Потери энергии неблагоприятно сказываются на работе компрессорной машины по двум причинам. Во-первых, необходимо затрачивать дополнительную работу lr (пл. 12651); во-вторых, работа lr превращается в тепло qr и передается газу. Газ при этом нагревается и его объем увеличивается, поэтому необходимо затрачивать дополнительную работу Dl. 2. Пренебрежение изменением кинетической энергии не является обязательным. Оно может быть отображено на T-S диаграмме введением параметров торможения Р* и Т* (рис. 2.16): и . В этом случае полезная работа будет определяться площадями под изобарой . 3. Еще проще определять работу и напоры на i-S диаграмме, там им соответствуют отрезки прямых, а не площади (рис. 2.17).
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|