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 – .

Теоретическая мощность

,

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.