Термодинамический анализ процессов в компрессорах

Процессы сжатия в идеальном компрессоре. Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия и перемещения газов. Принцип действия поршневого компрессора таков (рис. 7.1): при движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления р₁ открывается всасывающий клапан. Цилиндр заполняется газом. Всасывание изображается на индикаторной диаграмме линией 4-1. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, и газ сжимается по линии 1-2. Давление в цилиндре увеличивается до тех мор, пока не станет больше р₂ . Нагнетательный клапан открывается, и газ выталкивается поршнем в сеть (линия 2-3).

Рис. 7.1 Индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора.

Затем нагнетатель клапан закрывается, и все процессы повторяются. Индикаторную диаграмму не следует смешивать с р, υ- диаграммой, которая строится для постоянного количества вещества. В индикаторной диаграмме линии всасывания 4-1 и нагнетания 2-3 не 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 ( ), которую производит двигатель, вращающий вал компрессора. Обозначим ее через . Из рис. (7.1) следует, что . На индикаторной диаграмме изображается площадью 4-3-2-1. Техническая работа, затрачиваемая в компрессоре, зависит от характера процесса сжатия.

Рис. 7.2 Сравнение работы адиабатного, изотермического и политропного сжатия.

На рис. 7.2 изображены изотермический (n=1), адиабатный (n= k) и политропный процессы сжатия. Сжатие по изотерме 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 , поскольку достичь значения n=1 не удается. Работа, затрачиваемая на привод идеального компрессора, все процессы в котором равновесны, вычисляется по соотношению . Считая газ идеальным ', из уравнения политропы получаем и . Если обозначить расход газа в компрессоре через m, кг/с, то теоретическая мощность привода компрессора определится из уравнения

Рис. 7.3 Схема многоступенчатого компрессора: I-III-ступени сжатия; 1,2-промежуточные холодильники.

Рис. 7.4 Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора (а) и изображение процесса сжатия в Ts-диаграмме(б).

Многоступенчатое сжатие. Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры (рис. 7.3), в которых процесс сжатия осуществляется в нескольких последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого сжатия.

Индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора изображена на рис. 7.4. В первой ступени компрессора газ сжимается по политропе до давления p_ll , затем он поступает в промежуточный холодильник I, где охлаждается до начальной температуры . 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_III, затем охлаждается до температуры Т₁ в холодильнике 2 и поступает в цилиндр третьей ступени, где сжимается до давления р₂.

Если бы процесс сжатия осуществлялся по изотерме 1-3-5-7, то работа сжатия была бы минимальна. При сжатии в одноступенчатом компрессоре по линии 1—9 величина работы определялась бы площадью 0-1-9-8. Работа трехступенчатого компрессора определяется площадью 0-1-2-3-4-5-6-8. Заштрихованная площадь показывает уменьшение затрат работы 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. Поэтому вопрос о выборе числа ступеней, обеспечивающих требуемую величину р₂, решается на основании технических и технико-экономических соображений. Процессы сжатия в реальном компрессоре характеризуются наличием внутренних потерь на трение, поэтому работа, затрачиваемая на сжатие газа, оказывается больше рассчитанной по уравнению .

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 — работа при равновесном адиабатном сжатии, вычисленная по уравнению при n = k ; — работа, затраченная в реальном компрессоре при сжатии 1 кг газа.

Для характеристики охлаждаемых компрессоров используют изотермический КПД , где — работа равновесного сжатия в изотермическом процессе, подсчитанная по формуле при n=1.