Многоступенчатое сжатие в компрессоре

Адиабатический процесс водяного пара. Изображение процесса в p – V, i – S и T –S диаграммах.

Адиабатный процесс совершается без подвода и отвода теплоты, и энтропия рабочего тела при обратимом процессе остаётся постоянной величиной: s=const. Поэтому на is и Ts- диаграммах адиабаты изображаются вертикальными прямыми: рис. а и б

При адиабатном расширении давление и температура пара уменьшаются; перегретый пар переходит в сухой, а затем во влажный пар. Из условий постоянства энтропии возможны определение конечных параметров пара, если известны параметры начального и один параметр конечного состояний.

На pv - диаграмме обратимый адиабатный процесс изображается некоторой кривой (рис. в)

Удельная работа в адиабатном процессе определяется из уравнения:

.

Изменение удельной внутренней энергии:

Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры

в которых сжатие газа осуществляется политропно в нескольких последовательно соединённых цилиндрах с промежуточным его охлаждением после каждого сжатия.

Применение сжатия газа в нескольких цилиндрах понижает отношение давлений в каждом из них и повышает объёмный к.п.д. компрессора. Кроме того, промежуточное охлаждение газа после каждой ступени улучшает условия смазки поршня в цилиндре и уменьшает расход энергии на привод компрессора.

идеальная индикаторная диаграмма трёхступенчатого компрессора, где 0-1 – линия всасывания в первую ступень;

1-2 – политропный процесс сжатия в первой ступени; 2-а – линия нагнетания из первой ступени в первый охладитель; а-3 – линия всасывания во вторую ступень; 3-4 – политропный процесс сжатия во второй ступени; 4-в – линия нагнетания из второй ступени во второй охладитель; в-5 – линия всасывания в третью ступень; 5-6 - политропный процесс сжатия в третьей ступени; 6-с – линия нагнетания из третьей ступени в резервуар или на производство. Отрезки 2-3, 4-5 изображают уменьшение объёма газа в процессе при постоянном давлении от охлаждения в первом и втором охладителях. Охлаждение рабочего тела во всех охладителях производится до одной и той же температуры, равной начальной Т₁, поэтому температуры газа в точках 1, 3 и 5 одинаковые и лежат на изотерме 1 – 7.

Отношение давлений во всех ступенях обычно берётся одинаковым:

При одинаковых отношениях давлений во всех ступенях, равенстве начальных температур и равенстве показателей политропы равны между собой и конечные температуры газа в отдельных ступенях компрессора:

Степень увеличения давления в каждой ступени или при z ступеней

Степень увеличения давления в каждой ступени равна корню z-й степени из отношений конечного давления

к начальному

При равенстве температур газа у входа в каждую ступень и равенстве отношений давлений во всех цилиндрах получаем равенство затраченных работ во всех ступенях компрессора:

Во второй ступени

Работа в третьей ступени

Откуда l₁=l₂=l₃

Полная удельная работа в джоулях, расходуемая на сжатие газа в трёх ступенях компрессора: l_к=3l₁

При одинаковых условиях сжатия газа количества теплоты, отводимые от газа в отдельных ступенях, равны между собой:

Теплоту отводимую от газа в любом охладителе при изобарном процессе охлаждения, находим по формуле:

В Ts- диаграммах процессы адиабатного сжатия изображены прямыми 1-2, 3-4, 5-6, а процессы охлаждения кривыми 2-3, 4-5, 6-7.

Процессы политропного сжатия изображены кривыми 1-2, 3-4, 5-6, а процессы охлаждения в охладителях - линиями 2-3, 4-5, 6-7.

Цикл ДВС со сгоранием при V=const

На рисунке изображена индикаторная диаграмма двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объёме. В качестве горючего используется бензин, светильный или генераторный газ, спирты и др.

При ходе поршня из левого мёртвого положения в крайнее правое через всасывающий клапан засасывается горючая смесь. Этот процесс изображён кривой 0-1, называется линией всасывания, она не является термодинамическим процессом, т.к. в нём основные параметры не изменяются, а изменяются только масса и объём смеси в цилиндре. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие горючей смеси. Изображается кривой 1-2, называется линией сжатия. В точке 2 происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры. Сгорание горючей смеси происходит почти мгновенно, т.е. практически при постоянном объёме. Этот процесс изображён кривой 2-3. В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается (точка 3). Затем продукты горения расширяются. Поршень перемещается в правое мёртвое положение, и газы совершают полезную работу. На индикаторной диаграмме процесс расширения изображается кривой 3-4, называемой линией расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает почти до наружного давления. При дальнейшем движении поршня справа на лево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении, несколько превышающим атмосферное давление. Изображается кривой 4-0 и называется линией выхлопа. Такой рабочий процесс совершается за четыре хода поршня или за два оборота вала. Такие двигатели называются четырёхтактными.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме состоит из двух адиабат и двух изохор

Характеристиками цикла являются:

– степень сжатия

– степень повышения давления

Количество подведённой теплоты:

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла

Термический к.п.д. цикла:

Цикл ДВС со сгоранием при p=const

Изучение циклов с подводом количества теплоты при постоянном объёме показало, что для повышения экономичности двигателя, работающего по этому циклу, необходимо применять высокие степени сжатия. Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без запальных приспособлений. Раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое тяжёлое и дешёвое топливо – нефть, мазут, смолы, каменноугольные масла.

Таким достоинством обладают двигатели, работающие с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении. В них воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора.

Идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т.е. цикл с подводом количества теплоты при постоянном давлении осуществляется следующим образом.

Газообразное рабочее тело с начальными параметрами p₁, v₁, T₁ сжимается по адиабате 1-2; затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количество теплоты q₁. От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. По изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом в теплоприёмник отводится теплота q₂.

Характеристики цикла:

-степень сжатия

степень предварительного расширения.

Количество подведённой теплоты:

Количество отведённой теплоты:

Работа цикла

Термический к.п.д. цикла:

Цикл ДВС с подводом тепла при V и p =const

В бескомпрессорном двигателе высокого сжатия со смешанным подводом количества теплоты жидкое топливо топливным насосом подаётся через топливную форсунку в головку цилиндра в виде мельчайших капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит в течении всего периода, пока открыта форсунка: вначале при постоянном объёме, а затем при постоянном давлении.

Идеальный цикл двигателя со смешанным подводом количества теплоты изображён в pv – и Ts – диаграммах.

рабочее тело с начальными параметрами p₁, v₁, T₁ сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 к рабочему телу подводится первая доля теплоты. По изобаре 3-4 подводится вторая доля теплоты. От точки 4 рабочее тело расширяется по адиабате 4-5. По изохоре 5-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние – в точку 1, при этом отводится теплота в теплоприёмник.

Характеристики цикла являются:

-степень сжатия

– степень повышения давления

- степень предварительного расширения.

Определим термический КПД цикла при условии что теплоёмкости c_p, c_v и показатель адиабаты k= c_p / c_v постоянны:

Первая доля подведённой теплоты:

Вторая доля подведённого количества теплоты:

Количество отведённой теплоты:

Термический КПД цикла

Дата добавления: 2015-05-09