Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Действительная индикаторная диаграмма компрессора для рабочего объема слева от поршня показана на рис. 10.2. При движении поршня 2 от НМТ влево впускной клапан 4 закрывается, и воздух, имеющийся в цилиндре, сжимается. В точке 2 давление в цилиндре компрессора оказывается равным давлению воздуха в нагнетательном патрубке. Однако затем давление в цилиндре повышается дополнительно, что обеспе- о Рмс. 10.2 Рмс. 10. 1 285 Глава 10. Процесса в машинах для снегин и расширения газа Х В 4 чивает открытие клапана 5 и выталкивание воздуха в нагнетательный патрубок 6 (в воз- О дугпный ресивер о давлением р ).
По мере приближения поршня к крайнему левому по1 Б ложению скорость его движе- ния уменьшается, перепад давРио. Зо.з лений между цилиндром и реоивером также уменьшается и при достижении поршнем ВМТ (точка 3) давления в цилиндре и ресивере выравниваются.
При движении поршня в обратном направлении давление в цилиндре падает, клапан 5 закрывается и воздух, сжатый в обт,- еме Ус вредного пространства, расширяется (процесс 3 — 4'). В точке 4' давление в цилиндре оказывается равным давлению рз окружающей среды, после чего в цилиндре образуется некоторое разрежение, обеспечивающее открытие впускного клапана 4 и всасызание воздуха в цилиндр 1 из окружающей среды. В точке 1 впускной клапан закрывается и при обратном движении поршня сжимается новая порция воздуха.
Охлаждение ком~рессора происходит проточной водой 3. На рис. 10.3 приведена принципиальная схема ротационного (пластинчатаго) компрессора. Компрессор состоит нз входного патрубка 1, корпуса 3, ротора 3, пластин 4 и выходного патрубка 5. Ротор 3 устанавливается эксцентрично относительно корпуса 3. В теле ротора имеются пазы, в которые свободно вставлены пластины 4. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы вьздвигаются из пазов и скользят по внутренней стенке корпуса 3. Газ из резервуара низкого давления по входному патрубку 1 поступает в компрессор. Попавшая между пластинами порция газа по ходу вращения ротора постепенно уменьшается з объеме, в результате чего его давление повышается.
Сжатый газ поступает в выходной патрубок 5. Как видно, принцип действия ротационного компрессора аналогичен принципу действия поршневого компрессора — и в том, н в другом случае сжатие газа происходит за счет уменьшения объема, в котором заключен газ. На рис. 10.4 приведена принципиальная схема одноступенчатого центробежного компрессора, который состоит нз входного 2ВВ 10.2. Принцип алыхые схемы коыпрессарае патрубка 1, рабочего колеса 2 с рабочими лопатками, диффузора 3, выходных 4 патрубков 4 и корпуса 5.
Газ поступает 8 через входной патрубок в каналы, образованные лопатками рабочего колеса. г При вращении рабочего колеса газ захватывается атими лопатками и приобретает высокую скорость, так как вращение диска сообщает газу большую кинетическую знергию. Далее газ поступает в диффузор, лопатки которого установлены в неподвижном корпусе компрессора. В диффузоре скорость газа уменьшается, л а за счет его торможения кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию давления. Затем газ отводится Рис. 10.4 через выходной патрубок. На рис. 10.6 приведена конструктивная схема осевого компрессора. Ряд лопаток 2, закрепленных на вращающемся роторе! компрессора, образует рабочее колесо. Обычно на роторе устанавливается несколько рабочих колес. Между ними располагаются ряды неподвижных лопаток 3, которые образуют спрямляющие аппараты. Рабочее колесо и установленный за ним спрямляющий аппарат составляют стряпне осевого компрессора.
Таким образом, в осевом компрвссоре воздух перемещается вдоль осн и сжимается в ряде ступеней, состоящих из рабочих колес и спрямляющих аппаратов. На рис. 10.6 приведена принципиальная схема многоступенчатого осевого компрессора. Осевые компрессоры совре- Р, Рхл Рй Рб. Рс 1ст Лет зст л„ст Рис.
10.6 Рис. 10.6 287 Глава 10. Процессы в машинах для сжатия и расширения газа менных турбореактивных двигателей имеют от 4 до 30 и более ступеней. Неподвижные лопатки, установленные перед первым рабочим колесом, называются направляющим аппаратом. На рис. 10.7 показано изменение параметров воздуха в осевом компрессоре. Видно, что давление и температура повышаются как в рабочих колесах, так и спрямляющих аппаратах.
Абсолютная же скорость движения воздуха возрастает в каждом рабочем колесе и уменьшается в каждом спрямляющем аппарате. Центробежные и осевые компрессоры отличаются от поршневых непрерывностью действия и значительными скоростями перемещения рабочего тела. На рис. 10.8 приведена принципиальная схема струйного компрессора, или эжектора. Эжектор — устройство для сжатия и перемещения газов, паров, а также жидкостей и пульпы. Эжектор состоит из сопла 1, камеры смешения 2, всасывающей камеры 3 и диффузора 4. В эжекторе происходит передача энергии от одной среды, движущейся с высокой скоростью (рабочая среда), к другой среде (подсасываемая среда). Сжатие и перемещение подсасываемой среды достигаются за счет передачи ей части кинетической энергии рабочей среды в процессе смешения.
Рабочая среда расширяется в сопле и поступает в камеру смешения, в которую из всасывающей камеры поступает подлежащая сжатию подсасываемая среда (газ или пар низкого давления). Смесь двух сред из камеры смешения поступает в диффузор, в котором кинетическая энергия струй переходит в потенциальную энергию с повышением давления. По виду рабочей и подсасываемой сред эжекторы подразделяются на несколько типов: газо-газовые, парогазовые, жидкоР2 2 Тг Р; т, Рис. 10.8 Рис.
10.7 288 10.3. Работа одноступенчатого поршневого компрессора стно-газовые, жидкостно-жидкостные, парожидкостные и т. д. Парожидкостный эжектор называют инжектором. Основное различие процессов в эжекторе и компрессоре состоит в том, что сжатие газа или пара в эжекторе осуществляется не внешним источником механической работы, а рабочей средой, которая смешивается с подсасываемой средой. Несмотря на конструктивные отличия и различие в принципах работы компрессоров различных групп, процессы, происходящие в них, с термодинамической точки зрения вполне эквивалентны. 1 О.3. Работа одноступенчатого поршневого компрессора Обратимся вновь к рис. 10.2.
На нем видно, что рабочий процесс одноступенчатого компрессора состоит из всасывания в рабочий цилиндр газа низкого давления, сжатия его до высокого давления и выталкивания из цилиндра сжатого газа. В каждом из этих процессов работа не равна нулю. Для возможности учета затрат на сжатие газа обычно рассматривается не действительная индикаторная диаграмма, а идеальный рабочий процесс. При этом не учитывается влияние клапанов и принимается, что процесс нагнетания 2 — 3 происходит при давлении р2, равном давлению в ресивере, а всасывание — при давлении р1, равном давлению окружающей среды.
Кроме того, считается, что геометрический объем цилиндра компрессора равен рабочему объему. Зто допущение равнозначно отсутствию вредного пространства. В расчетах также предполагается, что трение отсутствует и всасывание газа в цилиндр происходит при постоянном давлении. С учетом сделанных допущений Рт теоретическая индикаторная диаграмма будет соответствовать совокуп- о ности процессов, отображенных на рис. 10.9. Идеальный процесс Π— 1, Рис. 10.9 289 19 — 5580 Глава 10, Процессы в машинах для сжатия и расширения газа соответствующий наполнению цилиндра газом при постоянном давлении р„не является термодинамическим процессом в строгом смысле, поскольку происходит изменение лишь массы рабочего тела, всасываемого в цилиндр, а параметры состояния ТРТ неизменны.
Процесс Π— 1 называется всасыванием. Точка 1 соответствует положению поршня в НМТ, когда весь цилиндр заполнен газом низкого давления. Кривая 1 — 2 соответствует процессу сжатия газа в компрессоре от давления р до рз при закрытых всасывающем и нагнетательном клапанах и при условии постоянства теплоемкости в течение процесса сжатия — это политропный процесс. В точке 2 происходит открытие нагнетательного клапана. Горизонтальная линия 2 — 3 соответствует процессу выталкпвавпя газа из цилиндра в резервуар высокого давления и называется линией нагнетания. При этом количество газа, находящегося в цилиндре, уменьшается.
Этот процесс тоже не является термодинамическим, так как параметры состояния рабочего тела остаются постоянными. В расчетах же процессы всасывания и выталкивания с переменной массой ТРТ заменяются условными термодинамическими процессами с постоянной массой ТРТ и переменными параметрами политропного процесса у = сопа$. Из рис.
10.9 видно, что работа Х „, затраченная на сжатие газа в одноступенчатом компрессоре, графически изображается площадью 12301 и определяется по формуле 1'к ~12 + Х'22 ~" 01 = пл. 211'2'+ пл. $;,322' — пл. $~ 011' (10.1) или по формуле 1.„=)' ) др. (10.2) В общем случае в зависимости от условий теплообмена между сжимаемым рабочим телом и стенкшии цилиндра процесс сжатия может осуществляться по адиабате, изотерме и политропе.
Если указанный процесс осуществляется достаточно быстро и так, что между окружающей средой и газом не происходит теплообмена или передача теплоты затруднена вследствие высокой температуры окружающей среды, то его можно считать адиабатным. Если же цилиндр компрессора охлаждается 290 10.3. Работа одноступенчатого поршневого компрессора водой с температурой Т и обеспечивается идеальный теплообмен между газом в цилиндре и рубашкой охлаждения (т. е. теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью отводится охладителем), то процесс сжатия происходит при Тт = = сопз$ и сам процесс изотермический. Изотермический и адиабатный процессы сжатия можно рассматривать только теоретически.
В действительности процессы сжатия происходят с показателем степени политропного процесса у, который зависит от интенсивности отвода теплоты от сжимаемого газа в компрессоре. При сжатии газов в охлаждаемых компрессорах 1 - у < Й, а в неохлаждаемых )центробежных и осевых) у > )г. Среднее значение показателя политропного процесса рассчитывается по параметрам газа в начале и в конце сжатия. На рис. 10.10 в р)'- и Тз-координатах показаны теоретические процессы идеального компрессора. Из рисунка видно, что при сжатии газа по изотерме 1 — 2 работа сжатия изображается площадью 12301, а при сжатии по адиабате 1 — 2"— площадью 12"301. Для сравнения на этом же рисунке показан процесс сжатия и по политропам с 1 < у < )т (1 — 2') и с у > )г (1 — 2"').
Поскольку площадь 12301 наименьшая, то можно констатировать, что изотермический процесс сжатия является наиболее выгодным — затрачивается минимум работы. Из этого следует, что для уменьшения работы сжатия реального компрессора необходимо приблизить процесс сжатия к изотермическому, т. е. обеспечить достаточно хороший отвод теплоты от сжимаемого газа в цилиндре компрессора, что Т тропа т > а бата тропа т< Й ерма ~ мэ )вкк а) Рис. 10.10 291 10.4.
Работа одноступанчатого центробежного компрессора Работа компрессора при адиабатном сжатии может быть подсчитана и иным путем. Действительно, при подстановке 12 вместо т в уравнение (10.3) и дальнейшей замене по уравнению состояния идеального газа р т' = тЯТ будем иметь Ьк = лтА(Т2 — Т1). й (10.6) С учетом того что )т = с 1с и с — с = Л, уравнение (10.6) пере- пишется в виде Ь =тс(Т вЂ” Т). (10. 7) Поскольку для идеального газа ЙЬ = с ЙУ, то (10.7) окончательно перепишется в виде 1к 02 ~1' (10.8) сопа$ При изотермическом сжатии Ъг = и Формула для Р Ь, будет иметь вид Л,= ) к др = сопэС ) — = р к' !п — = тЯТ)п —.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
