1. Лекции Термодинамика (УЭИ)

141

1 - корпус (улитка); 2 - рабочее колесо; 3 - вал; 4 - устройство для торможения потока газа и повышения давления (диффузор);

5 - направляющий аппарат; 6, 7 - всасывающий и нагнетательный патрубки.

Рисунок 8.4 - Центробежный компрессор

1, 2 - статор и его лопатки; 3, 4 - ротор и его лопатки; 5, 6 - направляющий и

спрямляющий аппараты;

7 - диффузор; 8, 9 - всасывающий и нагнета-

тельный патрубки.

Рисунок 8.5 - Осевой компрессор

142

Основными частями такой машины служат ротор и корпус-статор, снабженные лопатками. При вращении ротора газ перемещается вдоль оси машины, причем кинетическая энергия потока превращается в энергию давления одновременно на лопатках ротора и статора; кроме того, статорные лопатки образуют своеобразное направляющее устройство, по каналам которого сжатый газовый поток через спец. спрямляющий аппарат и выходной патрубок поступает в напорный трубопровод. Осевые компрессоры имеют более высокий КПД, меньшие массу и габаритные размеры, чем машины с радиальным потоком.

Основные достоинства турбокомпрессоров: большой срок службы и высокая надежность работы; сжатие газов без загрязнения смазочными материалами; непрерывность подачи газа; малая металлоемкость; достаточно высокий КПД; возможность использования легких фундаментов вследствие небольшой вибрации.

В струйных компрессорах (инжекторах) ускорение газа происходит в результате смешения потоков разных удельных энергий. При этом газ низкого давления сжимается до промежуточного за счет кинетической энергии газа, подаваемого под высоким давлением. Вследствие компактности, простоты устройства и надежности эксплуатации струйные машины часто экономически целесообразно использовать, несмотря на невысокий КПД (обычно 0,2…0,25), напр., в качестве тепловых насосов в выпарных установках.

Тип компрессора выбирается в соответствии с производительностью и требуемым давлением. Сравнение характеристик работы машин разных типов примерно одинаковой производительности показывает, что поршневые компрессоры значительно более экономичны, чем остальные машины, но уступают им по металлоемкости и надежности. Два наиболее важных типа компрессоров - поршневые и турбокомпрессоры - скорее не конкурируют, а дополняют друг друга, причем в каждом конкретном случае оптимально применение того или иного типа машин в зависимости от сочетания условий функционирования (показателя политропы, плотности, влажности, агрессивности и степени загрязнения газов, стоимости машин и др.). Однако турбокомпрессоры предпочтительнее использовать при Q = 900 м3/мин и выше. Роторные компрессоры занимают промежуточное положение между поршневыми и центробежными.

В зависимости от конечного давления компрессоры подразделяют на:

•вакуум-компрессоры (вакуум-насосы) - машины, которые служат для от-

сасывания газа из пространства с давлением ниже или выше атмосферно-

го; степень сжатия ε таких машин обычно превышает 100;

•компрессоры низкого давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа;

•компрессоры среднего давления - с давлением в линии нагнетания

1,2…10 МПа;

•компрессоры высокого давления - с конечным давлением от 10 до 100 МПа;

143

•компрессоры сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше 100 МПа.

Компрессоры называют дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное.

В свою очередь машины, создающие низкое давление подразделяются:

•на вентиляторы (давление до 0,1 бар),

•на воздуходувки или газодувки (давление от 0,1 до 3 бар).

Компрессоры низкого давления называют компрессорами общепромышленного или общего назначения. Подобного давления требуют пневматические инструменты, машины, приспособления и другие устройства, позволяющие заменять мускульную силу человека работой машин. Компрессоры низкого давления изготавливаются очень большими сериями и являются наиболее распространенным типом машин.

Компрессоры среднего давления, сжимающие газы от 1,2 до 10 МПа. Та-

кие давления используются в некоторых химических производствах, холодильной технике, системах автоматического регулирования, пусковых устройствах двигателей внутреннего сгорания, при гашении искры в электрических выключателях, транспортировке газа и т. д. Подобные компрессоры изготовляются уже меньшими сериями.

Компрессоры высокого давления создают давления от 10 до 100 МПа.

Подобные компрессоры используются в производстве азотных удобрений, некоторых видов полиэтиленов, синтетических бензинов, мочевины и т. д. Такие компрессоры делаются еще более мелкими сериями.

Компрессоры сверхвысокого давления повышают давление газа выше

100 МПа. Верхний предел не ограничен. Такие компрессоры изготавливаются, как правило, индивидуально или очень небольшими сериями. Сверхвысокое давление используется при производстве некоторых видов полиэтиленов, в порошковой металлургии и других производствах.

В промышленности выпускаются компрессоры производительностью, (объем всасываемого газа в единицу времени):

•поршневых - не превышает 500 м3/мин,

•ротационных – 500 м3/мин,

•центробежных – 4000 м3/мин,

•осевых – 15000 м3/мин и более.

8.2 Термодинамический анализ работы компрессора

Несмотря на существенные конструктивные и принципиальные различия между компрессорами разных типов сущность термодинамических процессов в них одинакова. Рассмотрим работу поршневого компрессора.

Поршневой компрессор простейшей конструкции (рисунок 8.6) представляет собой цилиндр 1, в котором совершает возвратно-поступательное движение поршень 2. Это движение сообщается ему посредством шатуна 3 от кри-

144

вошипа или коленчатого вала 4, который приводится во вращение двигателем. Крайние положения поршня в цилиндре называются верхней (в.м.т.) и ниж-

ней (н.м.т.) мертвыми точками.

При перемещении поршня вправо к н.м.т. в цилиндр через всасывающий клапан 5 поступает рабочее тело, при обратном ходе поршня оно сначала сжимается, затем через нагнетательный клапан 6 выталкивается в нагнетательный трубопровод.

6

5

в.м.т.

1

2

н.м.т.

3

4

Рисунок 8.6 – Схема действия поршневого компрессора

На рисунке 8.7 представлен рабочий цикл идеального поршневого компрессора, работающего без потерь и не имеющего вредного (мертвого) пространства, обусловленного в реальных машинах необходимостью расположения в головке цилиндра клапанов.

P
3	2
P2

P1	4	1

0		v
a	b

Рисунок 8.7 – Цикл идеального поршневого компрессора в координатах

145

Рабочий цикл поршневого компрессора состоит из четырех процессов:

• Процесс 4-1 – всасывание газа во внутреннюю полость цилиндра при . Процесс происходит при открытом впускном клапане, при

этом совершается положительная работа (площадь прямоуголь-

ника 4-1-b-0).

• Процесс 1-2 – сжатие газа. При движении поршня справа налево к в.м.т. впускной клапан закрывается и происходит процесс сжатия газа (линия

1-2) до давления . На этот процесс затрачивается работа ,

показанная на рисунке площадью фигуры 1-2-a-b.

• Процесс 2-3 – выталкивание сжатого газа в сеть. В точке 2 открывается выпускной клапан и газ выталкивается в сеть при постоянном давлении

. При этом затрачивается работа (площадь прямо-

угольника 2-3-0-a).
•	Процесс 3-4 – снижение давления. Выпускной клапан закрывается,
впускной - открывается,			давление внутри цилиндра падает от	до	без
затрат работы:		.

Далее весь цикл повторяется снова.

Работа компрессора , затрачиваемая внешним двигателем на сжатие и выталкивание газа из цилиндра (или техническая работа компрессора), равна:

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

Работа компрессора равна площади фигуры 1-2-3-4 (рисунок 8.7), т.е.

располагаемой работе процесса сжатия 1-2;

Работа компрессора является отрицательной. Знак минус указывает на процесс внешнего сжатия газа, т.е. работу, совершаемую над газом.

Техническую работу компрессора обычно указывают со знаком «+», при этом подразумевают, что эта работа затрачивается на привод компрессора:

По величине техническая работа компрессора зависит от характера процесса сжатия (рисунок 8. 8).

				146
P				T
	2t	2n	2q	2q
P2	3			P2
				2n
				2t

1

P1

P1	4	1

v

s

Рисунок 8.8 – Изображение процессов сжатия в и координатах

Идеализируя условия протекания рабочего процесса, можно представить себе два крайних случая:

•в первом случае стенки компрессора можно считать идеально теплонепроницаемыми, и теплообмена между потоком рабочего тела и окружающей средой не происходит. Тогда процесс сжатия (линия 1-2q, рисунок 8.8)

будет адиабатным и техническая работа вдиаграмме изоб-

разится площадью 1-2q - 3-4- 1, а аналитически она может быть найдена из первого закона термодинамики (5.50):

•во втором случае (например, при сжатии воздуха) рабочее тело можно считать идеальным газом. Тогда процесс сжатия газа можно считать изотерми-

ческим (линия 1-2t), в котором . Из рисунка 8.8 надиаграмме

работа изотермического процесса сжатия изобразится площадью 1-2t - 3-4- 1, а аналитически может быть определена из выражения (5.30):

диаграмма (рисунок 8.8) показывает, что затрата технической работы при адиабатном сжатии будет наибольшей, а при изотермическом сжатии получается наименьшей. Этим определяется техническая целесообразность устройства водяного охлаждения стенок компрессора.

Однако практически осуществить настолько интенсивный отвод теплоты, чтобы процесс был изотермическим, невозможно. Поэтому более реальным яв-

147

ляется процесс политропного сжатия, при котором кривая процесса сжатия располагается между адиабатой и изотермой (линия 1-2 n), т. е. показатель политропы , где показатель адиабаты.

Так что в общем случае в идеальном компрессоре происходит процесс политропного сжатия рабочего тела, причем техническая работа компрессора изображается площадью 1-2n- 3-4-1.

Техническая работа, затрачиваемая на привод компрессора, в этом случае составляет:

Выражения (8.3) и (8.5) получены из первого закона термодинамики без каких-либо иных допущений, поэтому они применимы в равной степени, как для газов, так и для паров (т.е., как для идеальных, так и для реальных газов).

Если сжимаемый газ можно рассматривать как идеальный, то в соответствии с теорией политропных процессов работа одноступенчатого компрессора будет определяться по формулам:

1.в политропном процессе сжатия газа (уравнение 5.70):

2.в адиабатном процессе (уравнение 5.49):

3.в изотермическом процессе (уравнение 5.30):

Количество теплоты, отводимой в политропном и изотермическом процессах, будет определяться по формулам:

1.в политропном процессе (уравнение 5.71):

2.в изотермическом процессе (уравнение 5.30):

148

Рабочие процессы в машинах характеризуются степенью повышения давления и степенью сжатия.

Степень повышения давления – это отношение давления газа на выходе из машины к давлению на входе в неё .

Степень сжатия ε – это отношение объемов газа до машины и после неё:

.

Малая степень повышения давления перемещаемого вентилятором газа позволяет его считать практически несжимаемой жидкостью . Тогда работа сжатия в этом случае равна нулю

Это означает, что термодинамическое состояние перемещаемой среды практически не меняется, при условии, что пренебрегаем малым изменением температуры газа за счет работы сил трения. Поэтому вентиляторы можно рассматривать как гидравлические машины, использующие уравнение Д. Бернулли для идеальной несжимаемой жидкости, являющегося частным случаем первого закона термодинамики для аэрогидромеханических систем:

где	давление газа;

плотность газа; скорость потока газа;

ускорение свободного падения; геометрическая высота оси потока относительно выбранного уровня отсчета.

8.3 Многоступенчатое сжатие

Политропное сжатие, как и адиабатное, сопровождается повышением температуры, что наглядно представлено вдиаграмме (рисунок 8.8). Этим устанавливается предел повышения давления, поскольку при больших степенях повышения давления конечная температура получается недопустимо высокой.

Поэтому при необходимости получения высокого давления компрессоры выполняются многоступенчатыми, причем после каждой ступени рабочее те-

149

ло поступает в холодильник, где охлаждается при постоянном давлении до исходной температуры.

Издиаграммы, в которой в качестве примера изображен рабочий процесс трехступенчатого компрессора (рисунок 8.9), отчетливо видно, что промежуточное охлаждение рабочего тела существенно уменьшает затрату технической работы (пл. 1-2’- 3’- 2”- 3”- 2’”- 4-5-1 < пл. 1- 2- 4-5-1) и приближает процесс сжатия к изотермическому (линия 1- 3'- 3").

Этот вывод следует также издиаграммы этого процесса (рисунок 8.9), поскольку с увеличением числа ступеней изотерма Т2 сближается с изотермой T1 и в пределе они сливаются в одну горизонтальную линию.

P					T
4	2'”	2
P2
						P2	P”	P’
					T	2'”	2"	2'
					2
P”	2"
								P
	3"								1
	T		2'
P’	1			T2	T1
						3"	3'	1
		3'
5
					1
P1
					v			s

Рисунок 8.9 – Процесс трехступенчатого сжатия видиаграммах

Для обеспечения равенства затрат энергии на привод каждой из ступеней, степени повышения давления на каждой из ступеней принимаются равными, что приводит к формуле:

где давление соответственно перед каждой ступенью компрессора и за ней;

давление соответственно перед компрессором и за ним; число ступеней.

Таким образом, степень повышения давления у всех ступеней компрессора должна быть одинаковой.

150

8.4Работа действительного компрессора

8.4.1Изотермический и адиабатный КПД компрессора

Ранее в п.8.2 было показано, что техническая работа, затрачиваемая в компрессоре, зависит от характера процесса сжатия.

Сжатие по изотерме (линия 1-2t, рисунок 8.8) дает наименьшую площадь, т. е. происходит с наименьшей затратой работы, следовательно, применение изотермического сжатия в компрессоре является энергетически наиболее выгодным.

Чтобы приблизить процесс сжатия к изотермическому, необходимо отводить от сжимаемого в компрессоре газа теплоту.

Это достигается путем охлаждения наружной поверхности цилиндра водой, подаваемой в рубашку, образуемую полыми стенками цилиндра.

Однако практически сжатие газа осуществляется по политропе с показателем n = 1,18…1,2, поскольку достичь значения n = 1 не удается.

Совершенство работы охлаждаемых компрессоров, как поршневых, так и других типов характеризуется изотермическим КПД, представляющим собой отношение энергии, потребляемой идеальным компрессором при изотермическом сжатии (когда она минимальна), к энергии, потребляемой компрессором в действительности. Этот КПД учитывает все потери в охлаждаемом компрессоре и определяется по формуле:

где	изотермический КПД;
	работа равновесного сжатия в изотермическом процессе, определяе-
	мая по формуле (8.8);
	работа, затраченная в реальном компрессоре при сжатии 1 кг газа.
	Совершенство работы неохлаждаемых компрессоров характеризуется

адиабатным КПД:

где - адиабатный КПД; работа равновесного адиабатного сжатия, определяемая по формуле (7);

работа, затраченная в реальном компрессоре при сжатии 1 кг газа.