 |
Процессы сжатия в компрессорах
|
|
|
|
Понятие компрессорные машины охватывает все возможные типы машин, предназначенных для сжатия газов и паров. По принципу действия компрессоры можно разбить на три основные группы: объемные, динамиеские и струйные. К объемным компрессорам относятся поршневые, ротационные и винтовые. К лопаточным компрессорам относятся центробежные и осевые. Струйные компрессоры из-за весьма низкого КПД не получили широкого распространения в промышленности.
Основными параметрами, характеризующими работу компрессорных машин, можно считать соотношение давлений сжатия, определяемое как отношение давления рабочего тела за компрессором к давлению рабочего тела перед компрессором, и их подачу. Под подачей принято понимать секундное или часовое количество газа или пара, которое подает компрессор, выраженное в кубических метрах газа или пара при параметрах, которые они имеют на входе в компрессор.
Поршневой одноступенчатый компрессор состоит из цилиндра (1); поршня (2), совершающего возвратно–поступательное движение, двух клапанов (3) – всасывающего и нагнетательного (рис. 1).
Компрессор работает следующим образом. При движении поршня слева направо давление газа в цилиндре становится меньше давления во всасывающем патрубке. Всасывающий клапан открывается и по мере движения поршня в крайнее положение полость цилиндра заполняется газом теоретически по линии n-1. При обратном движении поршня справа налево всасывающий клапан закрывается и поршень сжимает газ в цилиндре теоретически по кривой 1–2, пока давление в цилиндре не достигает давления р2, равного давлению газа в нагнетательной линии трубопровода. Открывается нагнетательный клапан и поршень выталкивает газ в нагнетательную линию трубопровода при постоянном давлении р2 (линия 2–3).
|
|
|
| Рис. 1.. Принципиальная схема одноступенчатого поршневого компрессора и индикаторная диаграмма |
В начале нового хода поршня слева направо, вновь открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает с р2 до р1 теоретически мгновенно (линия 3–n)и процесс повторяется.
Площадь 1-2-3-п характеризует работу, расходуемую идеальным компрессором на сжатие газа за один оборот его вала.
Процессы, протекающие в реальных компрессорах, достаточно сложны, так как при этом приходится учитывать влияние вредного пространства, обусловленного тем, что поршень не может доходить в левом крайнем положении вплотную до крышки цилиндра и поэтому между поршнем и крышкой цилиндра всегда остается некоторый объем. В реальных компрессорах приходится учитывать потери давления при течении газа через клапаны, трение поршня о стенки цилиндра, утечки газа через неплотности и т. д. Все это вместе взятое сильно изменяет вид индикаторной диаграммы поршневого компрессора. В частности, из-за наличия сжатого газа во вредном пространстве при движении поршня слева направо, давление газа в цилиндре изменяется по линии 3–4, а не мгновенно по линии 3–n. Всасывающий клапан открывается не при давлении р1, а при давлении, которому соответствует
точка d.
То же самое относится к работе нагнетательного клапана, который открывается при давлении несколько большем, чем давление р2.
Анализируя работу компрессора по индикаторной диаграмме, нельзя говорить, как это иногда делается, округовом процессе (или цикле) компрессора, потому что в компрессоре осуществляется только один процесс сжатия по линии 1–2 (или по линии а–b в реальном компрессоре). Во время процессов всасывания (линия 4–1) и нагнетания (линия 2–3) состояние газа теоретически не меняется.
|
|
|
При анализе термодинамического процесса сжатия газа в компрессоре основной интерес обычно представляет определение работы, затрачиваемой на сжатие газа, и конечной температуры процесса сжатия.
Удельную работу процесса сжатия можно найти из уравнения первого начала термодинамики, записанного для потока. При этом полагают, что процесс сжатия в компрессоре происходит при следующих условиях: теплообмен с окружающей средой весьма мал и, следовательно, 
; скорости движения газа во всасывающем и нагнетательном патрубках равны
с1 = с2; изменением высоты центра тяжести потока можно пренебречь z1=z2; необратимые потери работы отсутствуют ( 
). При этих условиях уравнение упрощается и удельная работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа или пара в компрессоре, будет определяться соотношением
. (1)
Для идеального газа выражение (1) принимает вид
, (2)
где cp – удельная изобарная теплоемкость газа; Т1, Т2 –начальная и конечная температуры процесса сжатия; w1, 2 – удельная потенциальная (техническая) работа сжатия.
Величина w1, 2 - отрицательная, так как при сжатии приходится затрачивать работу, однако для удобства расчетов, ее определяют как положительную – по абсолютному значению.
Если обозначить расход газа через компрессор(G), то можно определить мощность, которую затрачивают на сжатие газа в компрессоре, для реального газа
(3)
и идеального газа
. (4)
Полученные уравнения справедливы как для поршневых, так и для лопаточных машин, поэтому процессы сжатия газа в поршневых или лопаточных машинах с термодинамической точки зрения идентичны.
Для обратимого адиабатного процесса удельная работа сжатия газа определяется из соотношения:
идеального газа
(5)
реального газа
(6)
Для изотермического обратимого процесса удельная работа сжатия газа определяется из соотношения:
идеального газа
(7)
реального газа
(8)
|
|
|
Для политропного обратимого процесса удельная работа сжатия газа определяется из соотношения:
идеального газа
(9)
реального газа
(10)
Работа сжатия газа в реальном процессе определяется после введения понятия внутреннего относительного КПД компрессора η ic, характеризующего необратимые потери при сжатии
(11)
Из диаграмм рис. 2. видно, что в реальном компрессоре из-за необратимых потерь линия процесса сжатия идет правее линии обратимого процесса. Это связано с тем, что необратимые потери работы переходят в теплоту внутреннего теплообмена 
и энтропия при этом возрастает.
Отношение потенциальных работ 
и 
в процессах сжатия 1–2а и 1–2 характеризует внутренние необратимые потери и определяет относительный внутренний КПД компрессора
. (11)
Рис. 2. Процесс сжатия Рис. 3. Процесс сжатия
в компрессоре в диаграмме h-s в компрессоре при различных
показателях процесса
На диаграмме рис. 3 видно, что переход от адиабатного процесса сжатия (1–2а) к изотермическому (1–2u) приводит к уменьшению работы сжатия и наоборот.
Изотермический процесс сжатия является как бы эталонным, к которому стремятся приблизить реальный процесс сжатия газа в компрессорах.
|
|
|
