Термодинамические циклы в компрессорах

Компрессором называется устройство, предназначенное для сжатия газа или пара и транспорта его к потребителю. По принципу сжатия рабочего тела в компрессоре эти машины классифицируются на две основные группы:1 – поршневые, винтовые и ротационные;2 – лопаточные.

В первой группе машин сжатие рабочего тела осуществляется путём уменьшения его объёма, во второй – путём движения потока по каналам переменного сечения.

Термодинамические процессы, протекающие в компрессорах идентичны.

Рассмотрим принцип действия поршневого компрессора (рис. 40).

При движении поршня слева направо давление в цилиндре становится меньше давления , открывается всасывающий клапан, и цилиндр заполняется газом. На индикаторной диаграмме это линия 4-1 (рис. 40). При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, и газ сжимается по линии 1-2. Давление газа увеличивается до тех пор, пока не станет больше , в результате чего открывается нагревательный клапан, и газ выталкивается поршнем в сеть, что показано линией 2-3. После чего нагнетательный клапан закрывается, и все процессы повторяются.

Индикаторная диаграмма это не — диаграмма. Линии 4-1 и 2-3 не изображают термодинамические процессы, так как состояние рабочего тела в них остаётся постоянным – меняется только его количество.

Теперь определим работу, которая теоретически затрачивается в компрессоре за один цикл. Эта работа будет равна сумме работ всасывания газа, его сжатие в цилиндре и выталкивание газа из цилиндра:

(работа сжатия на диаграмме изобразится площадью под кривой процесса 1-2).

(эта работа будет площадь под прямой 4-1).

(на диаграмме эта площадь под прямой 2-3).

Техническая работа компрессора будет представлять собой площадь 4-3-2-1:

Если в компрессоре сжимается идеальный газ, то работа сжатия газа в политропном процессе будет равна:

а следовательно, техническая работа компрессора:

то есть техническая работа равна работе политропного сжатия газа в цилиндре, умноженной на показатель политропы n.

Техническая работа, затраченная в компрессоре, зависит от характера процесса сжатия, что хорошо видно из диаграммы (рис. 41): — адиабатный процесс; — политропный процесс; — изотермический процесс.

Сжатие газа по изотерме, как видно из графика, даёт наименьшую площадь, такое сжатие происходит с наименьшей затратой работы, то есть является наиболее энергетически выгодным.

— Так как процесс сжатия газа в цилиндре протекает настолько быстро, что теплообмен его через стенку цилиндра достаточно мал, то можно считать его как адиабатный (n=k).

— Если предположить, что компрессор имеет водяную рубашку, обеспечивающую изотермическое сжатие, то это (n=1).

— Однако практически сжатие газа осуществляется по политропе с показателем n=1,18-1,2, так как достичь n=1 не удаётся.

Таким образом, техническая работа компрессора исходя из уравнения политропы:

Количество теплоты, отводимое от 1 кг идеального газа в процессе его сжатия:

Видео:8. Основы теплотехники. Круговой процесс. Циклы ДВС. Цикл Карно. Характеристики циклов. Циклы ДВССкачать

С учётом необратимости процесса сжатия в цилиндре компрессора, действительная работа компрессора будет больше теоретической, на величину работы против сил трения и составит:

В соответствии с этим действительное количество теплоты будет больше на величину, эквивалентную работе трения:

Мы рассмотрели идеальную индикаторную диаграмму поршневого компрессора. Действительная индикаторная диаграмма сжатия реального газа будет выглядеть следующим образом (рис. 42)

Объём цилиндра между ВМТ и НМТ называют рабочим объёмом цилиндра компрессора. Объём между поршнем, находящимся в ВМТ, и крышкой цилиндра называется вредным пространством или мертвым. Объемом V_м. ОбычноV_м=(0,04-0,1) .

Вследствие наличия в цилиндре вредного объёма V_м подача компрессора будет не V_h и не =V_h—V_м — полезный объём, а V_д= V_h — — действительный объём газа, поступающий в цилиндр (так как объём газа V_м остаётся перед всасыванием с давлением , а при открывании всасывающего клапана он будет расширяться до с ). Отношение вредного объёма V_м к полезному объёму цилиндра V_пол называют коэффициентом вредного пространства ε₀= V_м/ . Эта величина зависит от конструкции компрессора и колеблется 0,05-0,1. Отношение действительного объёма газа V_д, засасываемая в цилиндр за один оборот вала к полезному объёму цилиндра V_пол называют коэффициентом объёмного наполнения =V_д/V _пол.

Читайте также: Компрессор triton waco 201

Отношение называют степенью сжатия.

Рассмотрим процесс сжатия в компрессоре при различных давлениях (рис. 43):

Когда кривая сжатия пересекает линию, характеризующую объём вредного пространства, всасывание воздуха в цилиндр прекращается и, следовательно, объёмный К. П. Д. и подача компрессора становится равной нулю.

Видно, что с увеличением конечного давления подача V_д компрессора уменьшается и при давлении, соответствующем точки 2 ´´ , становится = 0. С другой стороны, процесс сжатия газа в цилиндре протекает по политропе l о С), т. е. водяной пар в воздухе является насыщенным. Повышение парциального давления водяного пара сверх давления насыщения в практике невозможно, т. к. водяной пар конденсируется и выпадает в виде капель воды.

Если же парциальное давление водяного пара ниже давления насыщения, то воздух является ненасыщенным (т. е. влажный воздух не содержит при данном давлении и температуре максимальное количество водяного пара); водяной пар в этом случае находится в состоянии перегретого пара.

Для определения состояния пара в воздухе необходимо знать его парциальное давление. Очень просто его находят при помощи гигрометра, прибора, который определяет точку росы. Точка росы- это температура, до которой нужно охладить при постоянном давлении воздух, чтобы он стал насыщенным. По этой температуре в таблицах насыщенного пара определяют давление, которое и будет парциальным.

Влагосодержание, абсолютная и относительная влажность

Абсолютной влажностью воздуха называется масса пара в 1м 3 влажного воздуха, численно равная плотности пара p_n при парциальном давлении p_n.

Отношение действительной абсолютной влажности воздуха r_n к максимально возможной абсолютной влажности r_s при той же температуре называют относительной влажностью и обозначают φ

где p_n — парциальное давление водяного пара во влажном воздухе;

p_s — максимальное возможное парциальное давление водяного пара при данной температуре.

Величина j выражается в процентах. Так как 0≤p_n≤p_s, то 0≤φ≤100 %.

Для сухого воздуха φ=0, для насыщенного φ= 100 %.

Влагосодержаниемназывается отношение массы водяного пара M_п, содержащегося во влажном воздухе, к массе сухого воздуха M_в (кг/кг):

Если считать пар, находящийся в воздухе, идеальным газом, то исходя из уравнения состояния идеального газа можно записать выражение (26) следующим образом:

Максимально возможное влагосодержание достигается при полном насыщении воздуха водяными парами (φ=1):

Если давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению p_в, что достигается при температуре кипения, то d=∞.

Видео:9. ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ТЕРМОДИНАМИКА КОМПРЕССОРОВ. Работа компрессора. Вредный объём.Скачать

Эта формула также показывает, что влагосодержание d при постоянном барометрическом давлении полностью определяется парциальным давлением пара p_п и не зависит от температуры воздуха.

Определение парциального давления и в дальнейшем относительной влажности по точке росы (по гигрометру) нельзя признать достаточно точным, т. к. момент появления росы трудно точно отметить. Наиболее точно относительная влажность определяется психрометром. Он состоит из двух термометров: сухого (обыкновенного) и мокрого, ртутный шарик которого обернут тканью, непрерывно смачиваемый водой. При обдувании ртутных шариков термометров влажным воздухом сухой термометр показывает действительную температуру влажного воздуха t_с, а мокрый — температуру испаряющейся с поверхности ткани воды t_м. Чем суше воздух, тем интенсивнее будет испаряться вода. Следовательно, разность температур t_c—t_м пропорциональна влажности воздуха: чем суше воздух, тем больше разность.

Зависимость влагосодержания d от величин t_c и t_м устанавливается экспериментально. По результатам экспериментов строят специальные психрометрические таблицы или диаграммы. С их помощью по показаниям психрометра определяется влагосодержание воздуха.

По данной диаграмме определяется относительная влажность воздуха. По оси абсцисс отложены попадания сухого термометра, по оси ординат — относительная влажность. Диаграмма обычно приводится доля барометрического давления В=1_атм. При другой величине В вводится небольшая дополнительная поправка.

5.6. Циклы компрессоров

5.6.1. Способы получения высоких давлений газов

Сжатые газы широко используются в сельскохозяйственном производстве как в качестве энергоносителей, так и рабочего тела в различных технологических процессах. Машины для создания давления и подачи газа потребителю называют в е н т и л я т о р а м и, в о з д у х о д у в к а м и, к о- м п р е с с о р а м и. Компрессоры создают избыточное давление от 0,15 МПа

Читайте также: Компрессор гонит масло через сапун причина

.и более; нагнетатели и насосы – от 0.02 до 0.2 МПа; вентиляторы повышают давление газов до 0,02 МПа.

По принципу действия компрессоры делятся на две группы: объемные и динамические.

В объемных компрессорах повышение давления достигается сжатием газа путем сближения ограничивающих его стенок. Объемные компрессоры подразделяются на поршневые, ротационные, винтовые и мембранные.

В динамических компрессорах газу первоначально сообщается некоторая кинетическая энергия, которая затем в специальных каналах (диффузорах) преобразуется в потенциальную энергию давления. Динамические компрессоры

компрессоры подразделяются на лопаточные и струйные.

На рис. 5.15 представлена схема поршневого одноступенчатого охлаждаемого компрессора. В цилиндре 1 поршень 2 перемещается кривошипно- шатунным механизмом При движении поршня слева направо открывается впускной клапан 3 и цилиндр заполняется газом. При обратном движении поршня впускной клапан закрывается, объем газа в ци- линдре уменьшается, а давление увеличивается. Давление на выходе из компрессора устанав- ливается регулировкой выпускного клапана 4.При открытии последнего газ выталкивается поршнем из цилиндра и подается потребителю с давлением нагнетания. С целью снижения энер-

Рис. 5.15 гии, затрачиваемой на сжатие газа, цилиндр охлаждается теплоносителем 5.

Схема ротационного компрессора показана на рис.5.16. В корпусе 1

эксцентрично расположен ротор 3, в пазах которого свободно скользят пластины 2. При вращении ротора под действием центробежных сил пластины плотно прижимаются к корпусу, препятствуя перетеканию газа из одной полости в другую. Попавшая между пластинами порция газа по ходу вращения ротора уменьшается в объеме, за счет чего и повышается давление.

На рис. 5.17 представлена схема винтового компрессора. В корпусе 3 на подшипниках 1 и 4 установлены два ротора:

Рис. 5.16ведущий 7 и ведомый 6. Для предотвра

щения утечки газов по валам роторов установлены специальные уплотнения 2. Синхронное вращение роторов обеспечивается шестернями связи 5. В корпусе имеются патрубки для всасывания и нагнетания газа с окнами против торцов роторов. По мере того как роторы делают один оборот, всасывающее окно перекрывается зубьями, а поступившая порция газа, перемещаясь вдоль роторов. Зубья ведущего ротора входят в соответствующие углубления в ведомом роторе, в результате чего объем газа уменьшается, а давление увеличивается. К противоположному торцу роторов газ поступает в сжатом состоянии и выталкивается в нагнетательное окно.

Видео:11. ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ПОЛУЧЕНИЕ ХОЛОДА. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН. Устройство холодильникаСкачать

Схемы лопаточных компрессоров приведены на рис 5.18 и рис. 5.19

В корпусе 1 центробежного компрессора (см. рис.5.18) вращается диск 2,

выполненный с рабочими лопатками в виде каналов 3. Газ, поступивший в

межлопаточные каналы, отбрасывается центробежными силами к периферии и попадает в диффузоры 4, лопатки которых укреплены в корпусе. В диффузорах происходит преобразование кинетической энергии газа в потенциальную энергию давления. Через нагнетательный патрубок сжатый газ поступает потребителю.

В осевом компрессоре (см. рис.5.19) направление движения газа

совпадает с осью ротора. Рабочие лопатки компрессора 1 закреплены в кольцевых проточках ротора 6, образуя форму дисков. Осевое расстояние между дисками обеспечивает размещение в корпусе 5 лопаток 2 спрямляющего аппарата, выполняющего роль диффузора. Канал, образованный лопатками одного диска и последующего за ним спрямляющего аппарата, называют с т у-п е н ь ю компрессора. Спрямляющие лопатки первого ряда 3 и конффузор 4 обеспечивают осевое направление входящего в компрессор воздуха. При вращении ротора кинетическая энергия газа в каналах между рабочими лопатками становится существенной. Газовый поток, проходя далее диффу-

зор 7, преобразует. кинетическую энергию в энергию сил давления. Давление на выходе из компрессора в основном определяется количеством ступеней.

К показателям компрессорных машин относят:

— степень повышения давления в компрессора, ;

— подачу компрессора, м 3 /с .

Под объемной подачей понимают количество кубических метров газа, выходящего из компрессора в единицу времени и приведенного к давлению и температуре на входе в компрессор.

На рис. 5.20 показаны поля применимости компрессоров

Рис. 5.20

Читайте также: Как подобрать компрессор для морозильной камеры

5.6.2. Поршневой компрессор и его показатели

В одноступенчатом поршневом компрессоре (ОПК) зависимость давления газа внутри цилиндра от занимаемого им объема определяют опытным путем с помощью прибора, именуемого и н д и к а т о р о м. Подобную зависимость, например, изображенную на рис. 5.21, называют и н д и к а т о р- н о й д и а г р а м м о й или действительным циклом ОПК.

Рассмотрим процессы этого цикла.

4-1 – процесс наполнения цилиндра «свежей» порцией газа. Этот процесс не является термодинамическим, так как он осуществляется с нарастанием массы газа, практически с неизменной температурой и переменным давлением;

Видео:Основы теплотехники. Термодинамические процессы. Изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный.Скачать

1-2 – процесс повышения давления. В этом процессе на начальном этапе к газу от стенок цилиндра подводится тепло, а в конце сжатия, наоборот, газ нагревает стенки. Данный процесс необратим;

2-3 – процесс нагнетания. Он протекает с изменением массы газа,

сзабросом давления для открытия выпускного клапана и неизменной температурой. Этот процесс тоже далек от термодинамического;

3-4 – процесс расширения газа, оставшегося в цилиндре после закрытия. Этому процессу присущи как подвод, так и отвод тепла.

В реальном поршневом компрессоре при нагнетании не весь газ покидает цилиндр. Часть его остается в объеме так называемого в р е д н о г о пространства V₀ (объем между крышкой цилиндра и крайним левым положением поршня). При движении поршня слева направо оставшийся в цилиндре газ расширяется, Рис. 5.21

К показателям поршневого компрессора, кроме степени повышения давления и объемной подачи, относят:

– величину рабочего объема цилиндра V_p, м 3 ;

– относительную величину вредного объема ;

– коэффициент объемной подачи .

С увеличением иобъемная подача поршневого компрессора

уменьшается, что наглядно демонстрируется рисунками 5.22 и 5.23.

Величина вредного пространства ограничивает и давление нагнетания ОПК. Так при λ = 0 значение определяется по выражению:

.

Степень повышения давления у реальных компрессоров лимитируется не только относительной величиной вредного пространства, но и температурой газа в конце сжатия T₂, которая не должна превышать температур самовоспламенения смазки. В одноступенчатом компрессоре с учетом реальных значений ,иT₂ можно получить 3,75… 4,25. В современных поршневых компрессорах= 0,025…0,045 и= 0,75…090.

Для оценки совершенства реального компрессора проводят анализ его идеального цикла.

5.6.3. Идеальный цикл одноступенчатого поршневого компрессора

Заменим реальный цикл компрессора идеальным, для чего примем допущения:

Видео:Урок 178. Тепловые двигатели и их КПД. Цикл КарноСкачать

– вредное пространство в компрессоре отсутствует;

– процессы всасывания и нагнетания, протекающие с изменением

массы газа, считаем термодинамическими;

– тепловые и механические потери отсутствуют.

. На рис. 5.24 идеальный цикл ОПК изображен в pV-координатах , а на рис.5.25, – в Ts – координатах.

В принципе, процесс сжатия может быть изотермическим (1-2), адиабатным (1-2) или политропным с n к (1-2«`). Процесс нагнетания сжатого газа (2-3) осуществляется изобарно. Процесс (3-4) – условный, соответствует падению давления в цилиндре без вредного пространства при изменении направления движения поршня. Всасывание изображено процессом 4-1.

Из рис. 5.24 следует, что минимальная работа, затраченная на сжатие газа за один цикл будет при изотермическом процессе (наименьшая площадь цикла 4-1-2-3-4). Однако, изотермическое сжатие газа в поршневых комрессорах нереально. Если в процессе сжатия от газа отводить теплоту, допустим через стенки цилиндра, то работа сжатия будет несколько больше, чем при изотермическом процессе, но меньше, чем при адиабатном. Отсюда в реальных компрессора показатель политропы сжатия находится в пределах 1 2 = p₁· p₄, откуда

.

Следовательно, для двухступенчатого компрессора наименьшая затрата работы будет в случае, когда степень повышения давления в каждой ступени одинакова. Это утверждение для многоступенчатого компрессора записывается выражением:

Так как степень повышения давления в компрессоре равна произведению, то

, (5.10)

где z – число ступеней компрессора.

При заданном значении число ступеней определяют по выражению:

(5.11)

С учетом соотношения (5.9) работа для многоступенчатого компрессора при сжатии газа массой m кг может быть вычислена по формуле:

. (5.12)

Видео:Цикл КарноСкачать

• Свежие записи
  • Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
  • Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
  • Какие моторы бывают у стиральных машин
  • Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
  • Как снять стопорную шайбу с вала

  
  

  источники:

  https://evakuatorinfo.ru/termodinamicheskie-tsikly-v-kompressorah

  🎬 Видео

  Термодинамика Л3.1. Политропический процесс. Термодинамические циклы и КПДСкачать

  

  Термодинамические циклы с идеальным газом. Цикл КарноСкачать

  

  Лекция 4. Определение характеристик цикла холодильной машины.Скачать

  

  Компрессоры. Цикл обучающих роликов (№5.3)Скачать

  

  термодинамический циклСкачать

  

  10. ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. Циклы газотурбинных установок ГТУ. Цикл Брайтона. Сравнение цикловСкачать

  

  Лекция 3 Построение цикла кондиционера на диаграммеСкачать

  

  Термодинамика Л3.8. Политропический процесс. Термодинамические циклы и КПДСкачать

  

  4.2. Циклы ГТУСкачать

  

  Компрессорный завод / Единственное в России предприятие полного циклаСкачать

  

  Компрессоры. Цикл обучающих роликов (№5.1)Скачать

  

  Поршневой компрессорСкачать

  

  Термодинамика Л3.2. Политропический процесс. Термодинамические циклы и КПДСкачать