Одноступенчатое сжатие

ПРОЦЕССЫ КОМПРЕССОРОВ

Методические указания

Необходимо усвоить основные определения и понятия, относящиеся к влажному воздуху, уметь рассчитать характеристики и параметры влажного воздуха; приобрести навыки пользования h-d- диаграммой; понимать, как изображаются на диаграмме процессы влажного воздуха (нагрев, охлаждение, сушка), как изменяются параметры в этих процессах, уметь произвести необходимые расчеты.

Следует внимательно относиться к размерностям при расчетах с влажным воздухом: влагосодержание в h-d- диаграмме может быть в (г пара)/(кг с.в.), или в (кг × пара)/(кг с.в.). Относительную влажность j в расчетные формулы следует подставлять в долях, а не в %, размерность давления в формулах для расчета влагосодержания (7.8–7.10) может быть любая, но одинаковая в числителе и знаменателе.

Компрессоры предназначены для сжатия газов. Их можно разделить на две группы: статического сжатия (поршневые, ротационные), в которых повышение давления происходит за счет уменьшения объема, и динамического сжатия (центробежные, осевые, инжекционные). В компрессорах динамического сжатия сначала газу сообщается некоторая скорость, затем в процессе торможения потока скорость убывает до нуля и повышается давление газа.

Термодинамический анализ процессов, осуществляемых в компрессоре, не зависит от способа сжатия и может быть рассмотрен на примере поршневого компрессора.

На рис. 8.1 представлены схема и индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора.

Различают следующие стадии:

а -1 – заполнение цилиндра газом при открытом всасывающем клапане;

1-2 – сжатие газа от давления p ₁ до давления p ₂ при закрытых клапанах;

2-b – выталкивание сжатого газа при открытом нагнетательном клапане.

На сжатие и перемещение 1 кг газа в процессах наполнения и выталкивания затрачивается внешняя работа процесса 1-2

,

которую производит двигатель, вращающий вал компрессора (l_k):

.

(8.1)

Работа компрессора (l_k) в p-v- диаграмме изображается площадью криволинейной трапеции a12b.

Если уравнение первого закона термодинамики

записать в виде

,

то, учитывая (8.1), его можно представить так:

.

(8.2)

Уравнение (8.2) можно рассматривать как уравнение первого закона термодинамики для компрессора, где q _отв = -q _1-2 – отводимая теплота от рабочего тела в процессе сжатия.

Работа компрессора зависит от характера процесса сжатия.

На рис. 8.2 и 8.3 в p-v- и T-s- диаграммах представлены изотермический (1-2 T), адиабатный (1-2 а) и политропный (1-2 n) процессы сжатия.

При изотермическом сжатии идеального газа T = const, D h = 0. Согласно (8.2) можем записать

.

(8.3)

Заштрихованные площади в p-v- и T-s- диаграммах изображают l_k и q _отв.

При адиабатном сжатии (неохлаждаемые компрессоры, q _отв = 0) согласно (8.2) имеем

,

(8.4)

или

.

(8.5)

При политропном сжатии газа показатель политропы 1< n < k, работа, затрачиваемая на компрессор, может быть вычислена по уравнению (8.2) или по формуле (8.6)

.

(8.6)

Величина отводимой теплоты рассчитывается по уравнению

.

(8.7)

Из p-v- диаграммы (см. рис. 8.2) следует, что минимальная работа затрачивается на изотермическое сжатие, максимальная – на адиабатное. Чтобы приблизить процесс сжатия к наиболее выгодному (изотермическому), необходимо отводить от сжимаемого газа теплоту (например, охлаждать проточной водой цилиндр поршневого компрессора), в этом случае осуществляется
n = 1 не удается.

Производительность компрессора – это количество газа, сжимаемого
в компрессоре в единицу времени: G – массовая производительность, кг/с;
V – объемная производительность, нм³/с. Связь между ними описывает уравнение состояния идеального газа при нормальных физических условиях
(p =760 мм рт. ст., t = 0 ^оС)

.

(8.8)

Теоретическая мощность привода компрессора вычисляется по формуле

.

(8.9)

8.2. Многоступенчатое сжатие

Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых процесс сжатия осуществляется в нескольких последовательно соединенных цилиндрах (ступенях) с промежуточным охлаждением газа между ступенями.

На рис. 8.4–8.6 приведены схема двухступенчатого компрессора и процессы политропного сжатия с охлаждением газа между ступенями в промежуточном охладителе.

Как видно из диаграмм p-v и T-s, при многоступенчатом сжатии процесс в компрессоре приближается к наиболее выгодному процессу, изотермическому. При этом уменьшается работа, затрачиваемая на сжатие, на площадку 2^’22^’’1^’ (рис. 8.5); уменьшается температура сжатого газа (T ₂ < T _2¢¢, рис. 8.6), что повышает надежность работы компрессора.

Здесь I, II – ступени сжатия; ПО – промежуточный охладитель;

p¢ – промежуточное давление; 1-1¢, 2¢-2 – сжатие газа в ступенях;

1¢-2¢ – охлаждение газа в ПО; 1-2¢¢ – одноступенчатое сжатие газа

Пусть b = p ₂/ p ₁ – степень повышения давления в компрессоре, – степени повышения давления в ступенях, тогда

.

(8.10)

Как выбираются промежуточные давления при многоступенчатом сжатии?

Анализ системы уравнений для расчета работы, затрачиваемой на двухступенчатое сжатие, имеющей вид

показывает, что минимальная работа затрачивается тогда, когда степени повышения давления в ступенях одинаковы (b₁ = b₂). В этом случае на основании (8.10) имеем

.

(8.11)

С помощью формулы (8.11) определяется .

При многоступенчатом сжатии с числом ступеней z степени повышения давления в ступенях определяются из условия

.

(8.12)

Если характер процессов сжатия и степени повышения давления в ступенях одинаковы, а охлаждение газа в промежуточных охладителях производится до первоначальной температуры, то можно утверждать следующее:

· работа, затрачиваемая на сжатие в каждой ступени, одинакова:

.

(8.13)

· температура сжатого газа на выходе каждой ступени одинакова (для двухступенчатого сжатия , рис. 8.6);

· теплота, отводимая от сжимаемого газа в ступенях, одинакова:

· теплота, отводимая в промежуточных охладителях, одинакова:

Теплота, отводимая в компрессоре от 1 кг газа, рассчитывается по формуле

.

(8.14)

Теплота, отводимая в компрессоре в единицу времени,

.

(8.15)

Расход воды (G _в), необходимой для охлаждения газа, рассчитывается из уравнения теплового баланса

,

(8.16)

где – энтальпия и температура воды на входе и на выходе из компрессора; – теплоемкость воды.

Дата добавления: 2014-01-13