Термодинамика процессов сжатия газа

Классификация и основные характеристики

Машины для перекачивания и сжатия газов

♦ По способу действия: объемные

лопастные

струйные

♦ По конструктивным признакам:

Ориентировочные значения основных параметров

машин даны в таблице:

Тип	Назначение	Подача, м^3/с	Степень повышения давления	Частота вращения, об/мин
Поршневые	Вакуум-насосы Компрессоры	0 – 100 0 – 500	1 – 50 2,5 – 1000	60 – 1500 100 – 3000
Роторные	Вакуум-насосы Газодувки Компрессоры	0 – 100 0 – 100 0 – 500	1 – 50 1,1 – 3 3 – 12	250 – 6000 300 – 15000 300 – 15000
Центробежные	Вентиляторы Газодувки Компрессоры	0 – 6000 0 – 5000 100 – 4000	1 – 1,15 1,1 – 4 3 – 20	300 – 3000 300 – 3000 1500 – 45000
Осевые	Вентиляторы Компрессоры	50 – 10000 100 – 15000	1 – 1,04 2 – 20	150 – 10000 500 – 20000

♦ Т.е. основные параметры –

Подача – либо при условии всасывания либо при нормальных условиях.

В поршневых компрессорах при больших степенях повышения давления ε в каждой ступени сжатия предусматривается охлаждения цилиндра.

При этом появляется система охлаждения цилиндров:

циркуляционный насос → трубопровод → рубашка охлаждения → трубопровод → охлаждение нагретой в рубашке охлажденной воды

(теплообменник, например АВО → вентилятор + радиатор)

Теория машин, сжимающих газы, основывается на термодинамике идеального газа, подчиняющегося уравнениям:

р = ρRT до р = 10 мПа

р = zρRT при р > 10 мПа

♦ Вспоминая уравнения процессов сжатия и расширения

1. Политропный процесс: рVⁿ = const (p/ρⁿ = const);

2. Адиабатный процесс: рV^k = const (p/ρ^k = const)

(dq = 0, n = k);

3. Изотермический процесс pV = const (p/ρ = const)

(T = const, n = 1).

Вообще-то все процессы – политропные, адиабатный и изотермический – частные случаи (n = k и n = 1)

Вспомним: Адиабатный процесс: = процесс без теплообмена с окружающей

средой. * Практически невозможен.* В таком процессе возможно

внутреннее образование теплоты за счет трения и вихреобразова-

ния (энтропия может расти: S↑)

Изотермический: = процесс при Т = const. → pV = RT = const pV = const

Еще бывает изоэнтропный процесс, который отличается от адиабатного отсутствием внутреннего тепловыделения. А вообще-то адиабатный и изоэнтропный процессы близки (при S = const → n ≈ k).

Указанные процессы изображают в диаграммах S-T и p-V

В диаграмме р-V заштрихованная площадь: = работа сжатия данного процесса.

Из анализа диаграмм S-T и p-V следует, что для сжатия от р₁ до р₂ наиболее эффективен изотермический процесс т.к. при этом работа сжатия минимальна.

Если Q не отводить в процессе сжатия, то Т↑ → V↑ (в конце процесса V↑↑).

Удельная полезная работа L:

Для политропного сжатия:

●

Подставим в выражение для L:

Для политропного процесса

Подставив в предыдущее выражение, получим:

и, используя уравнение состояния р₁V₁ = RT₁

♦ Для изотропного (адиабатного) процесса (n = k):

♦ Для изотермического процесса →

Подставив в уравнение (●)

но p₂V₂ = p₁V₁ (= pV = const), следовательно

поэтому

♦ В теории компрессорных процессов (процессов сжатия) часто используются параметры торможения.

Вспомним: Если изоэнтропный поток скоростью С и температурой Т полностью затормозится, то его кинетическая энергия перейдет в тепловую. При этом температура, которую приобретет поток Т*: = температура торможения.

Следовательно, уравнение изоэнтропного процесса:

Давление торможения (из уравнения адиабаты + уравнения состояния):

Мощность компрессора

где ρ – плотность газа на входе в компрессор, кг/м³ ; Q – объемная подача на входе в компрессор, м³/с; L – удельная энергия компрессорного процесса, Дж/кг (рассчитывается в зависимости от реализуемого процесса – политропа, адиабата, изотерма). η_о, η_м – объемный и механический КПД.

♦ КПД компрессора

Эффективность компрессоров нельзя оценивать знанием обычного энергетического КПД (: = )

Докажем это.

Числитель: = (здесь q – потери тепла в окружающую среду). Знаменатель: =

т.е.

Для изотермического процесса Т₂ = Т₁ т.е. η = 0, но это не так, изотермический процесс – наиболее выгодный (наименьшие затраты энергии).

Совершенство компрессорных процессов оценивают при помощи относительных термодинамических КПД – изотермического и изоэнтропного.

♦ η_из применяют для оценки компрессоров с интенсивным охлаждением (поршневых и роторных). Для этих компрессоров изотермический процесс, обладающий min L, является эталонным.

♦ Компрессоры с неинтенсивным охлаждением (ЦБ и осевые) оцениваются η_а, так как для них эталонным является изоэнтропный процесс.

Запишем выражения для L_a и L через параметры торможения

;

Следовательно,

Дата добавления: 2013-12-13