КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ
Компрессоры предназначены для сжатия и перемещения газов. Они нашли широкое применение в технике, являясь одним из основных агрегатов в газотурбинных, а также в некоторых поршневых двигателях.
По способу сжатия газа компрессоры подразделяются на две группы.
К первой группе относятся объемные компрессоры (поршневые, ротационные и др.),
а ко второй - центробежные (турбинные). Несмотря на конструктивные различия термодинамика процессов, протекающих в обеих группах компрессоров, одинакова. Поэтому для анализа процессов, протекающих в машинах для сжатия газов, ниже будет рассмотрена работа поршневого компрессора, как наиболее простого по конструкции.
Рис. 8.1
Компрессор состоит (рис. 8.1) из цилиндра 1, поршня 2, всасывающего клапана 3 и нагнетательного клапана 4. Рабочий процесс совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При движении поршня вправо через открытый всасывающий клапан газ поступает в цилиндр. При обратном движении поршня (влево) всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие газа до определенного давления, при котором открывается нагнетательный клапан и производится нагнетание газа в резервуар.
Компрессор называется идеальным если:
1. сжатый в цилиндре газ полностью без остатка выталкивается поршнем,
2. отсутствуют потери энергии в клапанах,
3. отсутствуют утечки и перетечки газа через неплотности,
4. отсутствуют силы трения поршня о цилиндр.
Теоретическая индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора показана на рис. 8.1. На диаграмме
линия 4 -1 - называется линией всасывания;
1-2 - процесс сжатия по изотерме;
1-2" - процесс сжатия по адиабате;
1-2' - политропный процесс сжатия;
2-3 - линия нагнетания;
3-4 -условная линия, замыкающая цикл.
Следует отметить, что линии всасывания 4 -1 и нагнетания 2-3 не изображают термодинамические процессы, т.к. состояние рабочего тела здесь не меняется, а меняется лишь его количество.
Термодинамический расчет компрессора выполняется с целью определения работы, затрачиваемой на сжатие, что в свою очередь дает возможность определить мощность приводного двигателя.
Удельная работа l , затрачиваемая на получение сжатого газа при условии обратимости всех процессов и отсутствии приращения кинетической энергии газа, определяется по следующей формуле
где;
p1v1 - работа всасывания (затрачивается внешней средой при заполнении цилиндра);
p2v2 - работа нагнетания (затрачивается на вытеснение газа из цилиндра);
- работа, затраченная на сжатие газа.
Так как
то
Ввиду того, что работа lк на получение сжатого газа затрачивается, она имеет отрицательный знак. Эта работа называется технической работой компрессора.
Работа компрессора lк на диаграмме в рv - координатах изображается площадью 12341 (работа изотермического сжатия).
Работа, затраченная на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии определяется по формуле (см. § 4.4)
(8.1)
При адиабатном сжатии работа на природ компрессора будет (см. § 4.5)
Эта работа численно равна площади 12"341. Работа на привод компрессора при адиабатном сжатии может быть также записана в виде формулы
где
работа адиабатного сжатия.
В случае сжатия по политропе формула для определения работы на привод идеального компрессора будет (см. § 4.6)
(8.3)
Работа на привод компрессора при политропном сжатии численно равна площади 12'341.
Таким образом, сжатие по изотерме дает наименьшую площадь и, следовательно, наименьшую затрату работы. Наибольшая затрата работы получается при адиабатном сжатии.
Для того чтобы процесс сжатия газа приблизить к изотермическому, необходимо от него в процессе сжатия отводить теплоту. С этой целью в стенках цилиндра компрессора делаются полости, через которые прокачивается охлаждающая жидкость.
Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора представлена на рис.
8.2.
На этой диаграмме
процесс всасывания изображается линией 4-1, сжатие - 1-2,
нагнетание - 2-3.
Линия 3-4 характеризует процесс расширения газа, оставшегося во вредном пространстве.
Вредным пространством называется некоторый свободный объем V0 между поршнем и крышкой цилиндра в момент нахождения поршня в крайнем верхнем положении. Его объем составляет 4-10 % от рабочего объема Vh цилиндра. После нагнетания газ, оставшийся во вредном пространстве, имеет давление нагнетания р2. При обратном движении поршня происходит расширение газа, оставшегося во вредном пространстве. Всасывание новой порции газа начинается лишь тогда, когда давление расширяющегося в цилиндре газа станет меньше давления всасывания р1 (окружающей среды). При этом всасывание начинается только в точке 4 и в цилиндр поступит новая порция газа V = Vh - V0 , объем которой меньше рабочего объема Vh
Рис. 8.3
Таким образом, отличие действительной индикаторной диаграммы одноступенчатого компрессора от теоретической (рис. 8.1) заключается в наличии вредного пространства в реальном компрессоре, а также наличием потерь на дросселирование во всасывающем и нагнетательном клапанах. Вследствие этого всасывание новой порции газа в цилиндр происходит при давлении, меньшем p1а нагнетание - при давлении, большем давления р2в нагнетательном трубопроводе.
Вредное пространство уменьшает количество всасываемого газа и, следовательно, уменьшает производительность компрессора.
Степень использования рабочего объема цилиндра оценивается объемным кпд компрессора
Объемный кпд уменьшается с увеличением объема вредного пространства, т.к. в этом случае уменьшается объем всасываемого в цилиндр газа и при некоторой величине V λv может стать равным нулю.
Объемный кпд уменьшается также и с повышением давления сжатия. На графике рис. 8.3 дана диаграмма сжатия газа в одноступенчатом компрессоре для трех разных давлений р2 , р2 , р' В этой диаграмме процесс
1-2 -адиабатный процесс сжатия до давления р2 ;
2-3 - линия нагнетания газа в резервуар при давлении р2 ;
3-4- адиабатный процесс расширения газа, оставшегося во вредном пространстве;
4-1 - линия всасывания газа.
Объем газа, поступающего в цилиндр, в этом случае будет равен V.
Если давление сжатия повысить до давления р'2 , то в этом случае будем иметь следующие процессы: 1 - 2' - процесс сжатия; Т - У - нагнетание газа в резервуар;
3'-4'- расширение газа, оставшегося во вредном пространстве;
4' -1 - всасывание новой порции газа в цилиндр компрессора.
Можно заметить, что с увеличением давления сжатия объем газа, поступающего в цилиндр, уменьшается (V / V). Это связано с тем, что газ, оставшийся в цилиндре при большем давлении, при расширении занимает больший объем. В результате рабочий объем цилиндра уменьшается.
И в пределе, когда линия сжатия 1 - 3" пересекает
линию вредного пространства (линия 3-3"), компрессор будет сжимать и расширять одну и ту же порцию газа, так как будет отсутствовать процесс всасывания. Это связано с тем, что газ, оставшийся во вредном пространстве при давлении , в результате расширения (процесс 3" -1) занимает весь объем цилиндра и всасывания новой порции газа не происходит. Объемный кпд в этом случае равен нулю, производительность компрессора также равна нулю.
С увеличением давления увеличивается температура сжатого газа, в том числе и температура газа, оставшегося во вредном пространстве. Повышается также и температура стенок цилиндра. При всасывании новой порции газа происходит его нагрев от стенок цилиндра и от перемешивания с нагретым газом, оставшимся во вредном пространстве.
Этот нагрев сопровождается увеличением удельного объема газа, всасываемого в цилиндр, что сопровождается уменьшением массы поступающего в цилиндр газа.
Это уменьшение массы оценивается отношением , где - температура всасываемого газа;
Т1 - температура газа, нагретого в цилиндре в результате всасывания.
Суммарное уменьшение производительности компрессора из-за нагрева газа и влияния вредного пространства оценивается коэффициентом наполнения
Теоретическая работа, затраченная на привод компрессора с учетом влияния вредного пространства, численно равна площади 12341 (при сжатии до давления p1, см. рис. 8.3).
Уменьшение объемного кпд λv с ростом р2 / p1 , и ухудшение при этом условий смазки из-за роста температуры газа делают одноступенчатый (одноцилиндровый) компрессор непригодным для получения газа высокого давления.
Обычно одноступенчатый компрессор применяется при степенях повышения давления не выше 10-12. Для получения газа высокого давления применяется многоступенчатое сжатие в трех, четырех и т.д. цилиндрах, последовательно соединенных между собой. При переходе газа из одного цилиндра в следующий применяется промежуточное охлаждение газа, что позволяет улучшить условия смазки компрессора и получить экономию электроэнергии за счет приближения процесса сжатия к изотермическому, при котором работа компрессора lк оказывается наименьшей (см. § 8.2).
Дата добавления: 2016-06-05; просмотров: 4184;