Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Это понижение темпера. туры впервые было исследовано Джоулем и Томсоном и получило название эффекта Джоуля — Томсона. Этот эффект дросселиро. вания используется на практике для получения низких температур ГЛАВА 1О МАШИНЫ ДЛЯ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ ГАЗА Компрессоры и детандеры (турбины) являются важнейшими частями энергетических установок и от степени их совершенства зависит и кпд установки в целом. В главе излагаются основы теории компрессоров и детандеров различных типов с учетом тех термодинамических процессов, которые в них происходят. 5 10.1.
КОМПРЕССОР. ОСНОВНЫЕ ПРОПЕССЫ В ОДНОСТУПЕНЧАТОМ КОМПРЕССОРЕ Назначение компрессора состоит в сжатии газа и непрерывной подаче его потребителю. Сжатый газ находит широкое применение в технике, в частности в авиации. Компрессор является одним из основных агрегатов газотурбинных, поршневых и комбинированных авиационных двигателей. В поршневых двигателях сжатие воздуха происходит в цилиндрах.
Если двигатель комбинированный, то сжатие воздуха или топливовоздушной смеси (наддув двигателя) предвари. тельно осуществляется в компрессоре. Применение наддува было вызвано стремлением увеличить высотность двигателя, так как с увеличением высоты мощность простого двигателя падает, вследствие понижения плотности атме.
сферного воздуха. В газотурбинных двигателях во время полета сжатие воздуха происходит как в струе набегающего потока на входе в двигатель (динамическое сжатие), так и в компрессоре. Компрессор газотурбинного двигателя является одним яз основных агрегатов установки н предназначается для сжатия воздуха перед поступлением его в камеры сгорания. Компрессор обеспечивает получение больших мощностей двигателя, а также силы тяги при работе двигателя на земле.
По способу сжатия воздуха или газа компрессоры можно разделить на две группы. К первой относятся объемньге компрессоры (лоршневые, шестеренчатые, ротационные). Давление в них повышается прн непосредственном уменьшении объема газа, поступившего в рабочее пространство компрессора. Ко второй группе относятся центробежные, осевые и диагональные. Последние являются промежуточным типом между центробежными и осевыми. Во всех этих компрессорах сжатие осу. ществляется как бы в два этапа. На первом этапе газ получает некоторую скорость, приобретает кинетическую энергию. На вто. ром происходит преобразование кинетической энергии в потенци альную энергию давления. 138 Несмотря на конструктивные различия компрессоров, с термодниамической точки зрения процессы сжатия, происходящие в них, Одинаковы. Поэтому термодинамические основы процессов сжатия газа или воздуха рассмотрим применительно к поршневому комярессору как наиболее простому.
Одноцилиндровый поршневой компрессор (рис. 10.1) состоит из пялиндра 1 с поршнем 2, который движется возвратно-поступательно, и двух клапанов: всасывающего 3 и нагнетающего 4. При ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан и в цилиндр поступает при неизменном давлении газ. При обратном ходе поршня н закрытых клапанах ~ з г этот газ сжимается. После того как в результате сжатия будет достигнуто заданное давление, открывается нагнетательный клапан н прн движении поршня справа налево происходит выталкивание сжатого газа (врн постоянном давлении). к потре.
Рис. 10.1 бителю. В поршневом компрессоре не весь объем, описываемый за один ход поршня, может быть использован для всасывания новой порции газа за счет так называемого вредного пространства, которое остается между поршнем н головкой цилиндра, когда поршень находится в крайнем (блнжнем к головке) положении. Для идеального поршневого компрессора вредным пространством и, как следствие наличия его, расширением газа перед процессом всасывания пренебрегаем. а) И Р 7 5 Рис.
! 0.2 1О, На рабочей диаг()амме компрессора в координатах р, У (рис. .2,а) А- — линия всасывания газа в цилиндр, В-С вЂ” линия с1катия, С-9 †лин выталкивания. Так как процессы А-В и С-В не являются термодинамически- "и и идут с неизменными параметрами, то совокупность процессов, изображенных на рис. 10.2, а, 'не является замкнутым термодинамическим процессом — циклом. Линия сжатия в зависимости от количества теплоты, отбираемого от газа при его сжатии (ин- 139 тенсивности охлаждения компрессора), может быть изотермо» В-С', адиабатой В-С" и политропой В-С.
Указанные термодинамя ческие процессы изображены Тз-диаграмме (рис. 10.2, 6). Работа затраченная на получение 1 кг сжатого газа в одноступенчатом компрессоре, графически изображается пл. АВСО (рис. 10.2, а) и является алгебраической суммой площадей: пл. АВСО=пл. СРОЕ+пл. ВСЕŠ— пл. АВРО, где пл. СРОЕ=1в =р,иг — работа выталкивания; еу пл. ВСЕР=1, = ) рдо — работа сжатия; пл.
АВРО = 1„= р~о1 — работа всасывания. Значение работы, затрачиваемой на сжатие, всегда отрицательно (о1>ох, до<0). Отрицательна и работа выталкивания, так как в процессе выталкивания работа производится над газом. Нако. нец, работа в процессе всасывания положительна, так как в этом случае поступающий газ совершает (отдает) работу. Следовательно, суммарная работа Ю~ 2 1„=1„+1, — 1,„,=р,о,+~ Рбо — р оз= — ') обр. (10.1) Эта работа является технической работой процесса сжатия [см.
(3.58) 1. $10сн РАБОТА И МОЩНОСТЬ НА ПРИВОД КОМПРЕССОРА Основная цель термодннамяческого расчета компрессора — зто определение работы (мощностн), которую следует затратить, чтобы получить некоторое количество газа прн заданных параметрах начала я конца сжатия. Работу определяют по уравнению (10.1). 1. Когда процесс сжатия идет по изотерме ро=сопз(, а ( рйо=р(Т,!п(о,/о,)= — гсТ,!п(рз/Р,), ес работа идеального «изотермического» компрессора, отнесенная к 1 кг газа, с учетом, что р,о~=рава, 1„„,= — гтТ, 1п (р~р,).
(10.2) 2. При адиабатном сжатии е~ ) Р бо = (Рзоз Р1о1) = Ргюг ~~ — ) ь, = — (иа — И,). 140 работа «адиабатного» компрессора ! 1ква=РР~ — (Рзоз Р!и!1 Р!за= (Рзоз — Р!о~)= Ф вЂ” ! а — ! (10.3) 1~щ=Р!о! — (пг — п~) — Рта=(п!+Р!т!!) (из+Раз)= = — (Лз — Ь!). (10.4) Пользуясь выражением (10.4), работу компрессора удобно рассчитывать с помощью Ьз-диаграммы. Как адиабатный, так и изотермический процессы сжатия газа могут рассматриваться только как теоретические. В действительности процессы сжатия идут по политропе, имеющей переменный 'показатель.
Показатель политропы зависит от интенсивности теплообмена в процессе сжатия газа в компрессоре: для охлаждаемого компрессора а>п>1; для неохлаждаемого компрессора (центробежные, осевые) л>а. ,3. Для политропного процесса сжатия е~ ! Р бе= — (Рзоз Р!о!) л — ! и работа ! !к а=Рай! — — (Рзоз — Р!о!) — Рзоз = ив Среднее значение показателя полнтропы, как правило, определяется по параметрам газа в начале и конце сжатия. ,Как видно из рис.
10.2,а, в случае охлаждаемого компрессора 1„,~1„(1,„нли пл. АВС'Р<.пл. АВСО~пл. АВС"О, т е. с точки зрения затраты наименьшей работы изотермический "Роцесс сжатия является наиболее выгодным. Мощность (кВт), затрачиваемая на получение сжатого газа Ф, = 01„/1000. (10.6) !4! Совершенство компрессора может быть оценено значением кпд п„=Ю„(Ме, (10.7) где 7те — мощность, потребляемая реальным компрессором пра изотермическом и адиабатном сжатии в компрессоре; т)низ=0,6.„ 0~76~ т)н ад= 0,75 ...
0,85. й 10.3. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР Многоступенчатый компрессор применяется для получения сжатого газа высокого давления. Сжатие газа в нем осуществляется в нескольких ступенях с промежуточным охлаждением сжямаемого газа между ступенями. Охлаждение газа после каждой ступени производится прн постоянном давлении. Многоступенчатое сжатие газа позволяет: а) снизить температуру газа в конце сжатия, применяя промежуточное охлаждение, и обеспечить надежную эксплуатацию компрессора; б) понизить мощность, идущую на привод компрессора, за счет работы, сэкономленной при охлаждении газа в холодильнике.
Д р лг Рнс. 10.3 На рис. 10.3, а дана схема двухступенчатого компрессора, а на рис. 10.3, б — р)г-диаграмма процесса сжатия газа в обеих ступенях такого компрессора. На этой диаграмме: А- — всасыванне газа в 1-ю ступень; В-С вЂ” политропное сжатие в 1-й ступени; С-Р— процесс выталкивания газа из 1-й ступени; Р-С вЂ” процесс поступления газа в холодильник; С-Š— процесс охлаждения в холодильнике; Е-Р— процесс выталкивания газа из холодильника; Р-Š— процесс всасывания газа во 2-ю ступень; Е-à — политропное сжатие газа во 2-й ступени; Е-Н вЂ” процесс нагнетания газа из 2-й ступени к потребителю; пл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
