Лекци@19-Компрессоры [Режим совместимости] (Лекции по ТД Рыжков (PDF))

Лекции по термодинамикедоцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.Э6нергомашиностроение.Лекция №19КОМПРЕССОРЫ•Назначение компрессоров и схема их классификации.•Схема устройства поршневого одноступенчатого компрессора.•Идеальный одноступенчатый поршневой компрессор.•Особенности работы реального одноступенчатого компрессора.•Двухступенчатый идеальный поршневой компрессор.•Экономичность поршневого компрессора.•Турбокомпрессоры.Назначение компрессоров и схема их классификацииКомпрессором называется машина-орудие для сжатия и перемещения под давлением вышеатмосферного различных парогазообразных тел.По роду сжимаемых веществ различают компрессоры воздушные (пневматические), углекислотные,аммиачные, гелиевые и т. п.

По устройству и принципу работы компрессоры делят на поршневые,шестеренчатые, винтовые, ротационные, мембранные, турбокомпрессоры и др.Схема устройства поршневого одноступенчатого компрессораЦилиндр компрессора снабжают охлаждающимустройством. Чаще всего применяют водяноеохлаждение: через специальную водяную рубашку,окружающую цилиндр и его крышку, под напоромпропускают охлаждающую воду. Иногда, применяютвоздушное охлаждение: цилиндр компрессора,имеющий специальные охлаждающие ребра,обдувается воздухом.Поршневой компрессор, как и всякую поршневуюмашину, невозможно выполнить так, чтобы прикрайнем положении его поршня (верхняя мертвая точка)между его кромкой и крышкой цилиндра не осталсябольший или меньший объем, называемый объемоммертвого пространства.

На индикаторной диаграмме этому пространству соответствует объем V0.Остающийся в этом объеме к концу процессанагнетания газ при обратном ходе поршня расширяетсяРис. 1. Схема устройства и индикаторнаяи к началу всасывания имеет давление, близкоедиаграмма одноступенчатого 2к давлению свежего всасываемого газа.поршневого компрессораРассмотрение термодинамической стороны рабочего процесса поршневых компрессоров удобноначать с так называемого идеального одноступенчатого компрессора.Идеальный одноступенчатый поршневой компрессорИдеальным поршневым называюткомпрессор, который не имеет объемамертвого пространства и клапаны которогоне оказывают никаких гидравлическихсопротивлений всасываемому и нагнетаемомугазу, а в процессе сжатия и нагнетанияобеспечивается абсолютная герметичностьрабочей полости цилиндра.

Поршень такогокомпрессора движется вдоль оси цилиндрабез трения.Индикаторная диаграмма идеальногокомпрессора приведена на рис. 2. Давленияна линиях всасывания a1 и нагнетания 2bпостоянны. Несмотря на это, процессы a1 и2b не являются термодинамическимипроцессами. Эти процессы характеризуютсяпеременными количествами рабочего ипостоянством параметров состояния его.Поэтому индикаторную диаграмму можнопредставлять только в координатах Vр, где Vв м3 - объем, описываемый поршнем приРис. 2.

Идеальный одноступенчатыйдвижении. В дальнейшем для упрощенияпоршневой компрессорвсех выводов принимается, что за одинрабочий цикл в цилиндр всасывается,сжимается в нем и выталкивается из него в нагнетательный трубопровод 1 кг идеального газа.3Процесс сжатия газа в идеальном компрессоре может осуществляться: по адиабате, в случаеотсутствия теплообмена с внешней средой; по изотерме, если вся энергия, подводимая за рабочийцикл в форме работы, отводится от газа в форме теплоты, и по политропе, когда осуществляетсячастичный теплообмен.

Определим работу, затрачиваемую на получение сжатого газа в компрессорепри трех процессах сжатия, считая, что сжимается 1 кг газа.Изотермическое сжатие.l k = 2 ,3 RT lgpυ2= 2 ,3 RT lg 1υ1p2(1)Адиабатное сжатие.1lk = p1υ1 +( p1υ1 − p 2υ 2 ) − p 2υ 2k −1kkp2( p1υ 1 − p 2υ 2 ) =lk =p1υ 1 (1 − ( )k −1k −1p1k −1k)(2)l = ( u1 − u 2 )l k = p 1υ 1 + ( u 1 − u 2 ) − p 2υ 2 = ( h1 − h 2 )(3)4Политропное сжатие.1l k = − p 1υ 1 +( p 1υ 1 − p 2υ 2 ) + p 2υ 2n −1n −1nnp2 nlk =( p1υ1 − p 2υ 2 ) =p1υ1 (1 − ( ) )n −1n −1p1(3)Рис. 3.

Рабочие циклы одноступенчатого Рис. 4. Изображение различных процессовкомпрессора при различных процессахсжатия в одноступенчатом идеальномкомпрессоре в диаграмме sT5Особенности работы реального одноступенчатого компрессораКак указывалось выше, цилиндр реального компрессора всегда имеет объем мертвогопространства.

Влияние этого объема на рабочий процесс компрессора чрезвычайно сложно ирассматривается в специальных курсах. В общих же курсах термодинамики можно ограничитьсярассмотрением влияния объема мертвого пространства на рабочий процесс компрессора, у которого,так же как и у идеального, всасывающий и нагнетательный тракты не оказывают гидравлическогосопротивления протекающему через них газу в процессах всасывания и нагнетания, не происходиттеплового взаимодействия между газом и стенками цилиндров и в течение всего рабочего процессаотсутствуют утечки рабочего тела.Если весь объем, описываемыйпоршнем, при движении его от однойкрайней точки к другой, равен V, товследствие расширения газа,остающегося в мертвом пространстве,объем всасываемого газа (объемвсасывания) Vвс < V.V вс=ϕV(5)называют объемным коэффициентом(или объемным к.

п. д.) компрессора.Этим коэффициентом оцениваетсявлияние объема мертвого пространстваРис. 5. Рабочий цикл одноступенчатого компрессора сна производительность компрессора.учетом «мертвого» пространстваСжимать в одном цилиндре средувыше чем до 5 – 8 aт при давлении всасывания 1 aт практически нецелесообразно. Для больших6значений конечного давления сжатия применяют многоступенчатое сжатие (двухступенчатое,трехступенчатое и т. д.).Двухступенчатый идеальный поршневой компрессорУ реальных компрессоров, правильнорассчитанных и изготовленных иработающих в нормальныхусловиях, промежуточныйхолодильник обеспечиваетохлаждение газа, называемоеполным. Расчеты показывают, чтовыгодно добиваться равенстваработ в обеих ступеняхкомпрессора, т.

е. lI = lII этимиусловиями и определяется искомоедавление. Работу каждой ступенинаходят как работу одноступенчатогокомпрессора.Рис. 6. Схема устройства и индикаторная диаграммаидеального двухступенчатого поршневого компрессораХВ – холодный воздухПХ – промежуточный холодильникГВ –горячий воздух7npp 1υ 1 (1 − ( 2 )n −1p1n −1nnp)=p 3υ 3 (1 − ( 4 )n −1p3n −1n)Считая, что показатели политроп сжатия в обеих ступенях одинаковы и учитывая, что p1υ1=p3υ3,так как t1=t3, получаемp2p4=p1p3p 2 p 3 = p1 p 4p2 = p32p21 p4p 2 = p1 p 4 =p1p 2 = p1p4= xp1p2 = p1 xp4p1Рис. 7. Рабочий цикл идеальногодвухступенчатого поршневого компрессора(6)x – степень сжатия в каждой ступени компрессора8Рис. 8.

Изображение рабочего процессадвухступенчатого компрессора вкоординатах sTРис. 9. Рабочий цикл идеальногодвухступенчатого поршневого компрессорас учетом «мертвого» пространства9Объёмные коэффициенты ступеней сжатия этого компрессораϕϕIII=V всIVI=x=ϕ=V в с IIV IIp4p1VвсVIРешающими соображениями в пользу двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждениемследует признать увеличение объемного коэффициента и снижение максимальной температурысжимаемого газа.10Рис. 10.

Схема устройства трехступенчатого поршневого компрессора.IПХ – промежуточный холодильникIIПХ – промежуточный холодильник11Рис. 11. Рабочий цикл трехступенчатогопоршневого компрессора в координатахvp и sTРис. 12. Рабочий процессмногоступенчатого компрессорас промежуточным охлаждением(сжатие в таком компрессоре взначительной мере приближается кизотермическому)12Экономичность поршневого компрессораЭкономичность компрессора определяется сравнением работы, действительно затрачиваемой насжатие и нагнетание в трубопроводе 1 кг газа, с работой, которая потребовалась бы на сжатие 1 кг газа видеальном компрессоре.

В качестве примера рассмотрим методы определения экономичностиодноступенчатого компрессора.li =Limгде Li — полная работа за рабочий цикл в Дж.В идеальном одноступенчатом компрессоре потребляемая работа l0 (в Дж/кг) выражается площадьюа12b (см. рис. 2).li= ηl0(7)называется к. п. д. компрессора и, являясь основным показателем экономичности, характеризуетстепень совершенства компрессора.Если затрачиваемую работу определять с учетом потерь на трение в звеньях кривошипно-шатунногомеханизма, то вычисляемые к. п. д. называют эффективными.

Эти к. п. д. также могут бытьадиабатные и изотермические.13ТурбокомпрессорыРис. 13. Схема турбокомпрессора1 – вал2 – лопатки3 – диффузорПроцесс сжатия газа в турбокомпрессоре в идеальном случае можно считать адиабатным.14l = h − h1'2(8)Экономичность турбокомпрессораоценивается его адиабатным к. п. д.:η =h 2 − h1h 2' − h1Для идеального газаи тогдаη ад =(9)h = c pT(T 2 − T1 ) c p(T − T1 ) c p'2T2 − Tt 2 − t1= '= 'T2 − Tt 2 − t1=(10)Рис.

14. Изображение рабочего цикла процессатурбокомпрессора в координатах sTЭтим к.п.д. учитывает только так называемые внутренние потери, поэтому он и называется внутреннимотносительным. Если же учесть потери на трение в движущихся частях, т. е. затрачиваемую работуопределять на валу компрессора, то следует ввести понятие эффективного к.п.д.

турбокомпрессора.15Контрольные вопросы•••••••Назначение компрессоров и схема их классификацииСхема устройства поршневого одноступенчатого компрессораИдеальный одноступенчатый поршневой компрессорОсобенности работы реального одноступенчатого компрессораДвухступенчатый идеальный поршневой компрессорЭкономичность поршневого компрессораТурбокомпрессоры16.