в чем заключается термодинамическая сущность работы компрессионных машин

Термодинамический анализ процессов в компрессорах

Процессы сжатия в идеальном компрессоре. Компрессором – называется устройство, предназна­ченное для сжатия газов.

Принцип действия поршневого компрессора таков (рис. 5.7): при движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления p₁, и под дей­ствием разности этих давлений от­крывается всасывающий клапан. Цилиндр заполняется газом. Всасы­вание изображается на индика­торной диаграмме линией 41. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, и газ сжимается по линии 12. Дав­ление в цилиндре увеличивается до тех пор, пока не станет больше р₂. Под действием разности этих давле­ний открывается нагнетательный клапан, и газ выталкивается порш­нем в сеть (линия 23). Затем нагнетательный клапан закрывается, и все процессы повторяются.

Рис. 5.7. Индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора

Индикаторную диаграмму не следует путать с р, v- диаграммой, которая строится для постоян­ного количества вещества. В инди­каторной диаграмме линии всасыва­ния 41 и нагнетания 23не изобра­жают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела в них остается постоянным – меня­ется только его количество.

На сжатие и перемещение 1 кг газа затрачивается работа –l_тех, которую производит двигатель, вращающий вал компрессора, обозначим ее через l_к. Так как l_к= –l_тех, l_к= . На индикаторной диаграмме l_к изображается площадью 4321.

Техническая работа, затрачиваемая в компрессоре, зависит от характера процесса сжатия. На рис. 5.8 изображены изотермический (n=1), адиабатный (n=k) и политропный (n=1,2) процессы сжатия.

Рис. 5.8. Сравнение работы адиабатного, изотермического

и политропного сжатия

Сжатие по изотерме дает наименьшую площадь, т.е. происходит с наименьшей затратой работы. Следовательно, изотермическое сжатие является энергетически наиболее выгодным.

Обеспечение изотермического сжатия осуществляется отводом от сжимаемого газа теплоты.

На практике сжатие газа осуществляется по политропе n=1,18–1,2, поскольку n=1 достичь не удается.

Из уравнения политропы , следовательно,

, (*)

для Т=const – .

,

где m – расход газа в компрессоре.

Многоступенчатое сжатие.Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые ком­прессоры, в которых про­цесс сжатия осуществляется в не­скольких последовательно соединен­ных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого сжатия.

Индикаторная диаграмма трех­ступенчатого компрессора изобра­жена на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора

и изображение процесса сжатия в T, s- диаграмме

В первой ступени компрессора газ сжимается по по­литропе до давления р’,затем он поступает в промежуточный холо­дильник, где охлаждается до на­чальной температуры Т₁. Сопротив­ление холодильника по воздушному тракту с целью экономии энергии, расходуемой на сжатие, делают не­большим. Это позволяет считать процесс охлаждения газа изобар­ным. После холодильника газ посту­пает во вторую ступень и сжимается по политропе до р”, затем охлаж­дается до температуры Т₁в холо­дильнике и поступает в цилиндр третьей ступени, где сжимается до давления р₂.

Если бы процесс сжатия осуще­ствлялся по изотерме 1bd2_и, то ра­бота сжатия была бы минимальна. При сжатии в одноступенчатом ком­прессоре по линии 12_пвеличина ра­боты определялась бы площадью 412_п3. Работа трехступенчатого ком­прессора определяется площадью 41abcd23. Заштрихованная площадь показывает выигрыш в технической работе от применения трехступенча­того сжатия.

Чем больше число ступеней сжа­тия и промежуточных охладителей,
тем ближе процесс к наиболее эко­номичному – изотермическому, но
тем сложнее и дороже конструкция компрессора.

Процессы сжатия в реальном компрессоре характеризуются на­личием внутренних потерь на тре­ние, поэтому работа, затрачиваемая на сжатие газа, оказывается боль­ше, чем техническая работа идеаль­ного компрессора.

Эффективность работы реально­го компрессора определяется от­носительным внутренним КПД, представляющим собой от­ношение работы, затраченной на привод идеального компрессора, к действительной.

Для характеристики компрессо­ров, работающих без охлаждения,, применяют адиабатный КПД:

,

где l_ад – работа при равновесном адиабатном сжатии, вычисленная при n=k по уравнению (*);

l_к – работа, затраченная в реальном компрессоре при сжатии одного кг газа.

Если компрессор охлаждается, то используют изотермический КПД

,

где l_из – работа обратимого сжатия в изотермическом процессе, определенная по (*) при n=1.

Источник

ТЕРМОДИНАМИКА КОМПРЕССОРНОГО ПРОЦЕССА

Простейшая теория компрессорных машин, обладающая практически приемлемой точностью, основывается на термодинамике идеального газа, подчиненного уравнению

. (12.1)

При конечном давлении воздушного компрессорного процесса более 10 МПа следует пользоваться уравнением состояния реального газа

, (12.2)

где z – коэффициент сжимаемости. Опытные значения его в зависимости от безразмерных величин p / p_кр и T / T_кр приведены в технической справочной литературе (например, Шерстюк А. Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Высшая школа, 1972, 342 с.).

Основные уравнения.Совместное использование первого закона термодинамики и уравнения состояния идеального газа приводит к следующим уравнениям процессов сжатия и расширения, происходящих в компрессорах:

политропный процесс (12.3)

адиабатный процесс (12.4)

изотермический процесс (12.5)

Адиабатным называют процесс без теплообмена с внеш­ней средой; в таком процессе возможно внутреннее образо­вание теплоты за счет работы газового трения и вихреобразования. Строго адиабатный процесс в компрессорах получить нельзя вследствие невозможности полной тепло­вой изоляции газового потока от окружающей среды.

Диаграммы ST и pv.Указанные процессы удобно изображать графически в координатах S, T (рис. 12.5.).

описываемых формулами (12.3) – (12.5).

Здесь представлены основные виды компрессорных процессов: политропный n k, типичный для лопастных (центробежных и осевых) компрессоров (рис. 12.5, б);

изоэнтропный с S = const (рис.12.5, в);

изотермический с T = const (рис. 12.5, г).

Отметим свойства термодинамических диаграмм комп­рессорных процессов, показанных на рис. 12.5.

Процесс сжатия во всех случаях представляется ли­ниями 1-2. В случаях на рис. 12.5, а и б сжатие (повыше­ние давления) сопровождается изменением энтропии и повышением температуры газа. При этом увеличивается эн­тальпия газа.

В политропном компрессорном процессе при n k (рис. 12.5), что характерно для компрессоров с воздушным или неинтенсивным водяным охлаждением, площадь 1-2-6-5 под политропой 1-2 процесса сжатия представляет собой количество теплоты, образующейся в потоке вследст­вие газового трения и вихреобразования.

Энергия, подводимая к компрессору, расходуется на проведение компрессорного процесса (сжатие и проталки­вание) и работу газового трения в проточной полости. Ра­бота компрессорного процесса представляется площадью 1-2-3-4-5. Следовательно, полная энергия, расходуемая компрессором (без энергии, идущей на покрытие механи­ческих и объемных потерь), выражается площадью 2-3-4-6.

Если бы процесс в компрессоре протекал по изоэнтропе 1-2′, то полная затрата энергии была бы равна площади 1-2′-3-4-5, т. е. была бы меньше на размер площади 1-2′-2-6-5. Следовательно, увеличение энергии, расходуе­мой компрессором, при переходе от изоэнтропного процес­са к реальному политропному с n > k сопровождается увеличением потребления энергии, равным площади 2′-2-6-5-1. Очевидно, площадь 1-2′-2 представляет собой энергию, за­трачиваемую дополнительно на сжатие и проталкивание объема, появляющегося в ре­зультате нагрева газа в про­цессе трения и вихреобразования.

Наименьшее количество энергии затрачивается в ком­прессорном процессе с изотер­мическим сжатием (рис. 12.5, г). Эта энергия представ­ляется площадью 1-2-4-5.

Рис. 12.6. — диаграммы компрессорных процессов,

описываемых формулами (12.3) – (12.5)

Уравнения работы компрессорных процессов. Поскольку компрессоры, как и насосы, служат для перемеще­ния текущих тел, к ним формально применимы понятия, используемые в качестве технических показателей насосов: удель­ная полезная работа или напор, полезная мощность, к. п. д.

Действительно, выражение работы, переданной потоку газа рабочими органами компрессора, полученное из баланса работ в проточной машине, выглядит так же, как для насосов:

;

,

где — удельный объём ( = V / m); = 1 / ρ.

Поэтому определения l и H – формальные. Дело в том, что для вычисления интеграла главной части полезной работы (работы изменения давления ) необходимо проследить за всеми особенностями сложного процесса сжатия газа в компрессоре. Сложность в том, что, во-первых, зависимость V = f (p) в интеграле работы определяется условиями теплообмена (его направлением и интенсивностью), которые, в свою очередь, зависят от системы охлаждения машины, и, кроме того, изменяются с температурой сжимаемого газа на его пути от всасывающего до нагнетательного патрубка. Во-вторых, газовый поток неоднороден в том смысле, что состояние газа в различных частях потока изменяется по-разному. Некоторая часть потока газа (перетекания или остатки газа в компрессорной камере) имеет параметры, отличающиеся от параметров основной части потока. Определение средних параметров неоднородного потока сопряжено с большими трудностями.

Вследствие этого понятие полезной работы и производные его (т. е. l, H, p, N_п) как количественные показатели действия компрессора практического значения не имеют. Их функции (выражать нагрузку на машину и определять к. п. д.) выполняют другие величины.

На графике характеристики компрессора указывают непосредственно конечное p₂ и начальное давления p₁ (средние их значения) или с т е п е н ь п о в ы ш е н и я д а в л е н и я ε = p₂ / p₁.

Удельная работа l, затрачиваемая в компрессорном процессе при сжатии и выталкивании 1 кг массы газа, выражается площадью р, — диаграммы, ограниченной изобарами начального р₁ и ко­нечного p₂ давлений, политропой сжатия и осью ординат (рис. 12.б).

Для процесса с n 1

1 По ГОСТ 2939 – 63: 20°C, 760 мм рт. ст., относительная влажность = 0.

Черта над символами здесь и ниже означает расход (в отличие от объёма или массы – без ……черты).

Источник

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОМПРЕССИОННЫХ МАШИНАХ

Компрессор – это машина, предназначенная для сжатия газов и паров. В зависимости от давления, которое создается компрессорами, они подразделяются следующим образом: вакуум-насосы – машины, которые отсасывают газ из пространства с давлением ниже атмосферного и, сжимая его, обычно нагнетают в пространство, имеющее давление атмосферное или выше; газодувки – машины, предназначенные для сжатия газа до давления 0,2 МПа; компрессоры низкого давления, осуществляющие сжатие до давления 0,1-0,2 МПа; компрессоры среднего давления, служащие для сжатия газа до давления 1-10 МПа; компрессоры высокого давления, предназначенные для сжатия газа до давления 10-100 МПа и выше. Компрессоры низкого и среднего давления применяются в двигателях внутреннего сгорания, холодильных установках, газотурбинных и реактивных двигателях, в различных отраслях промышленности и на магистральных станциях перекачки газа. Компрессоры высокого давления применяются в азотно-туковом и других производствах синтеза газов под давлением, в установках для разделения воздуха методом глубокого охлаждения.

По принципу действия компрессоры можно разделить на два класса: поршневые и турбокомпрессорные. К первому классу относятся компрессоры собственно поршневые с возвратно поступательным движением поршня, ротационные и винтовые. Второй класс объединяет центробежные и осевые компрессоры.

В поршневых компрессорах сжатие и нагнетание газа осуществляются путем сокращения объема рабочей полости цилиндра, находящийся в ней газ подвергается сжатию и при повышении давления до соответствующего значения выталкивается в нагнетательный трубопровод. В компрессорах второго класса сжатие осуществляется в два этапа и носит динамический характер. На первом этапе газу сообщается некоторая скорость, а затем кинетическая энергия потока преобразуется в энергию давления.

Поршневые компрессоры имеют различные конструкции и компоновки с широким диапазоном подач.

Объемной подачей компрессора называется объемное количество газа, засасываемого компрессором в единицу времени при начальных параметрах газа. Объемная подача компрессора является его количественной характеристикой.

Отношение начального объема газа V₁ к конечному объему V₂ (после сжатия) называется степенью сжатия

В зависимости от объема всасываемого газа различают компрессоры: малой подачи – до 0,003 м 3 /с; средней подачи – от 0,003-0,03 м 3 /с; большой подачи – от 0,03 м 3 /с и выше.

В зависимости от числа ступеней последовательного сжатия газа компрессоры делятся на одноступенчатые и многоступенчатые.

Качественной характеристикой компрессора является степень повышения давления

в зависимости от степени повышения давления различают: вентиляторы (π=1,0-1,1); газодувки (π=1,1-1,4); собственно компрессоры, предназначенные для сжатия газов (π=3-4).

Термодинамические процессы в компрессионных машинах рассматриваются в целях определения работы, которую необходимо затратить для получения определенного количества сжатого газа или воздуха при заданных начальных и конечных давлениях Р₁ и Р₂.

Источник

Устройство и принцип работы компрессионной холодильной машины

Из всех способов наибольшее применение получило охлаждение с помощью холодильных машин (машинное охлаждение), при котором используется принцип кипящих жидких газов. Работа холодильной машины полностью автоматизирована, что обеспечивает удобство в эксплуатации, безопасность работы обслуживающего персонала, возможность соблюдения требуемого температурного режима для различных видов продуктов, а также режима экономии.

Ресивер представляет собой стальной герметичный сосуд, служащий для накопления, хранения сжиженного хладона и равномерной его подачи в другие части холодильной машины. В ресивере и конденсаторе поддерживается одинаковое давление, равное давлению конденсации. Из ресивера жидкий хладон подается к терморегулирующе-му вентилю 10.

щий температуру паров хладона на выходе из испарителя. При повышении температуры, что является признаком недостаточного заполнения испарителя, клапан вентиля автоматически открывается, увеличивая подачу жидкого хладона в испаритель. Другой важной функцией ТРВ является дросселирование (расширение жидкости при истечении через узкие отверстия) жидкого хладона. Дросселирование происходит в кольцевой щели между игольчатым клапаном и седлом вентиля. На этом участке резко падает давление жидкого хладона, поскольку в испарителе поддерживается более низкое давление, чем в конденсаторе и ресивере. При этом давление конденсации хладона понижается до давления кипения. Соответственно понижается температура кипения жидкого хладона.

Источник

Термодинамические основы компрессора

Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия газа или пара и транспорта его к потребителю. По принципу сжатия рабочего тела в компрессоре эти машины классифицируются на две основные группы:1 – поршневые, винтовые и ротационные;2 – лопаточные.

В первой группе машин сжатие рабочего тела осуществляется путём уменьшения его объёма, во второй – путём движения потока по каналам переменного сечения.

Термодинамические процессы, протекающие в компрессорах идентичны.

Рассмотрим принцип действия поршневого компрессора (рис. 40).

При движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления , открывается всасывающий клапан, и цилиндр заполняется газом. На индикаторной диаграмме это линия 4-1 (рис. 40). При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, и газ сжимается по линии 1-2. Давление газа увеличивается до тех пор, пока не станет больше , в результате чего открывается нагревательный клапан, и газ выталкивается поршнем в сеть, что показано линией 2-3. После чего нагнетательный клапан закрывается, и все процессы повторяются.

Индикаторная диаграмма это не — диаграмма. Линии 4-1 и 2-3 не изображают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела в них остаётся постоянным – меняется только его количество.

Теперь определим работу, которая теоретически затрачивается в компрессоре за один цикл. Эта работа будет равна сумме работ всасывания газа, его сжатие в цилиндре и выталкивание газа из цилиндра:

,

так как

(работа сжатия на диаграмме изобразится площадью под кривой процесса 1-2).

(эта работа будет площадь под прямой 4-1).

(на диаграмме эта площадь под прямой 2-3).

Техническая работа компрессора будет представлять собой площадь 4-3-2-1:

Если в компрессоре сжимается идеальный газ, то работа сжатия газа в политропном процессе будет равна:

,

а следовательно, техническая работа компрессора:

,

то есть техническая работа равна работе политропного сжатия газа в цилиндре, умноженной на показатель политропы n.

Техническая работа, затраченная в компрессоре, зависит от характера процесса сжатия, что хорошо видно из диаграммы (рис. 41): — адиабатный процесс; — политропный процесс; — изотермический процесс.

Сжатие газа по изотерме, как видно из графика, даёт наименьшую площадь, такое сжатие происходит с наименьшей затратой работы, то есть является наиболее энергетически выгодным.

— Так как процесс сжатия газа в цилиндре протекает настолько быстро, что теплообмен его через стенку цилиндра достаточно мал, то можно считать его как адиабатный (n=k).

— Если предположить, что компрессор имеет водяную рубашку, обеспечивающую изотермическое сжатие, то это (n=1).

— Однако практически сжатие газа осуществляется по политропе с показателем n=1,18-1,2, так как достичь n=1 не удаётся.

Таким образом, техническая работа компрессора исходя из уравнения политропы:

.

Количество теплоты, отводимое от 1 кг идеального газа в процессе его сжатия:

.

С учётом необратимости процесса сжатия в цилиндре компрессора, действительная работа компрессора будет больше теоретической, на величину работы против сил трения и составит:

.

В соответствии с этим действительное количество теплоты будет больше на величину, эквивалентную работе трения:

.

Мы рассмотрели идеальную индикаторную диаграмму поршневого компрессора. Действительная индикаторная диаграмма сжатия реального газа будет выглядеть следующим образом (рис. 42)

Объём цилиндра между ВМТ и НМТ называют рабочим объёмом цилиндра компрессора. Объём между поршнем, находящимся в ВМТ, и крышкой цилиндра называется вредным пространством или мертвым. Объемом V_м. ОбычноV_м=(0,04-0,1) .

Отношение называют степенью сжатия.

Рассмотрим процесс сжатия в компрессоре при различных давлениях (рис. 43):

Когда кривая сжатия пересекает линию, характеризующую объём вредного пространства, всасывание воздуха в цилиндр прекращается и, следовательно, объёмный К. П. Д. и подача компрессора становится равной нулю.

Если же парциальное давление водяного пара ниже давления насыщения, то воздух является ненасыщенным (т. е. влажный воздух не содержит при данном давлении и температуре максимальное количество водяного пара); водяной пар в этом случае находится в состоянии перегретого пара.

Для определения состояния пара в воздухе необходимо знать его парциальное давление. Очень просто его находят при помощи гигрометра, прибора, который определяет точку росы. Точка росы- это температура, до которой нужно охладить при постоянном давлении воздух, чтобы он стал насыщенным. По этой температуре в таблицах насыщенного пара определяют давление, которое и будет парциальным.

Влагосодержание, абсолютная и относительная влажность

Абсолютной влажностью воздуха называется масса пара в 1м 3 влажного воздуха, численно равная плотности пара p_n при парциальном давлении p_n.

Отношение действительной абсолютной влажности воздуха r_n к максимально возможной абсолютной влажности r_s при той же температуре называют относительной влажностью и обозначают φ

p_s — максимальное возможное парциальное давление водяного пара при данной температуре.

Величина j выражается в процентах. Так как 0≤p_n≤p_s, то 0≤φ≤100 %.

Для сухого воздуха φ=0, для насыщенного φ= 100 %.

Влагосодержаниемназывается отношение массы водяного пара M_п, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха M_в (кг/кг):

Если считать пар, находящийся в воздухе, идеальным газом, то исходя из уравнения состояния идеального газа можно записать выражение (26) следующим образом:

Максимально возможное влагосодержание достигается при полном насыщении воздуха водяными парами (φ=1):

d= .

Если давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению p_в, что достигается при температуре кипения, то d=∞.

Эта формула также показывает, что влагосодержание d при постоянном барометрическом давлении полностью определяется парциальным давлением пара p_п и не зависит от температуры воздуха.

Зависимость влагосодержания d от величин t_c и t_м устанавливается экспериментально. По результатам экспериментов строят специальные психрометрические таблицы или диаграммы. С их помощью по показаниям психрометра определяется влагосодержание воздуха.

Источник