Процессы сжатия в компрессоре. Работа, затрачиваемая на привод компрессора

Процесс сжатия газа в компрессорных машинах (независимо от их типа и конструкции) в общем виде характеризуется урав­нением первого начала термодинамики для потока.

δq =δq *+δq** = dh + cdc + gdz + δw* + δw* * (а); при δw ** = δq **=0 (процесс сжатия без трения); δq *= dh + cdc + gdz + δw* (б)

Для компрессорных машин можно пренебречь изменением высоты центра тяжести потока gdz=О, тогда δq *= dh + cdc + δw* (в); Интегрируя выражение (в) в пределах 1—2, получаем w1-2=h1 - h2-([c2²/2] - [c1²/2])+ q*1-2 (9.4)

Полученное уравнение — это уравнение первого начала тер­модинамики для потока по внешнему балансу. Работа, затра­чиваемая на сжатие газа, всегда величина отрицательная. Для расчета удобно уравнение, в котором эта работа рассматрива­ется по абсолютному значению │w1-2│=h2 - h1-([c2²/2] - [c1²/2])- q*1-2 (9.5)

В уравнении (9.5) для упрощения записи принято │w*1-2│=│w1-2│, далее в уравнения работы сжатия прямые скобки опускаются.

Из уравнения (9.5) следует, что работа сжатия равна преж­де всего увеличению энтальпии сжимаемого газа или пара. Если теплота в процессе сжатия отводится от газа в окружаю­щую среду (q*1-2 — отрицательная величина), то работа сжатия газа будет меньше на величину отведенной теплоты q*1-2. В связи с тем, что процесс сжатия в компрессоре всегда связан с затратой работы, необходимо стремиться к тому, чтобы при заданных начальном р1 и конечном р2 давлениях работа сжа­тия была минимальной.

Рассмотрим теоретические процессы обратимого адиабатное го, изотермического и политропного сжатия газа в интервале давлений р1 —р2.

Адиабатный процесс сжатия (рис. 9.2, линия 1 — 2ад″). В уравнении (9.5) изменением кинетической энергии и теплообменом через стенки компрессора в связи с их небольшим численным значением по сравнению с разностью энтальпии можно пренебречь, тогда w 1,2 = w ад 1,2 = h2 - h1 (9.6)

Рис. 9.2. Адиабатный, изотермический и политропный процессы сжатия газа в р — v и Т —s координатах

Формула (9.6) справедлива для любых реальных и идеаль­ных газов, сжимаемых в объемных и лопастных компрессорных машинах, а также для расчетов насосов, перекачивающих жид­кости. Если принять газ идеальным и теплоёмкость постоян­ной, то получим w ад 1,2 = h2 - h1= Ср(Т2-Т1) (9.7)

где h1 и h2 — соответственно начальная и конечная энтальпия газа; Ср — средняя изобарная теплоемкость; Т1, Т₂ — начальная и конечная температура газа. Используя соотношения для адиабатного процесса идеального газа

pv^k = idem; T2/T1=(p2/p1)в степени([к-1]/к); k=Ср/Сv; Ср-Сv=R, после преобразования выражения (9.7) получим

Изотермический процесс сжатия (см. рис. 9.2, линия /—2′ ). Из уравнения (9.5), пренебрегая изменением кинетической энергии и считая газ идеальным h=h(T), получим w изот 1-2 = =- q* 1-2 (9.9) Это значит, что в изотермическом процессе от газа должна отводиться теплота, эквивалентная работе сжатия. Работа сжа­тия газа в изотермическом процессе определяется по формуле

(9.10)

Политропный процесс сжатия (см. рис. 9.2, ли­ния 1—2). В реальном процессе сжатия имеют место необрати­мые потери, вызванные трением газа, а также отвод теплоты через стенки компрессора (q**1-2 ≠ 0; q*1-2 ≠ 0). Такой процесс нужно рассматривать как политропный с постоянным показа­телем.

Формула удельной работы в политропном процессе сжатия идеального газа: (9.11) где Т2 — температура в конце политропного сжатия.

Формула работы политропного сжатия (9.11) отличается or формулы адиабатного сжатия (9.8) только показателем про­цесса.

Минимальная работа сжатия газа затрачивается при изотер­мическом процессе сжатия (см. рис. 9.2, а). На диаграмме ра­бота изотермического сжатия изображена площадью 1 — 2' — 3—4—1.

Следовательно, исходя из экономии затрат энергии следует стремиться к обеспечению изотермического сжатия. Практиче­ски этот процесс реализовать не представляется возможным. Приближение к изотермическому процессу сжатия осуществля­ется за счет использования интенсивного водяного охлаждения; поршневых и роторных компрессоров, для которых эталонным процессом может быть изотермический процесс. Центробежные и осевые компрессоры имеют неинтенсивное охлаждение. Для таких компрессоров эталонным процессом, исходя из затрат-энергий на сжатие, является адиабатный процесс.

4. Обоснование многоступенчатого сжатия. Изображение в "Р -v" и "Т - s" диаграммах.

С целью получения газа высокого давления применяют много­ступенчатое сжатие. В современных поршневых компрессорах степень повышения давления в одной ступени е^4. При более высоких е (число ступеней сжатия t>l) применяют промежу­точное охлаждение газа (рис. 9.3, 9.4). Предельное значение g определяется допустимыми температурами газа в конце про­цесса сжатия исходя из требований предупреждения воспламе­нения паров смазочного масла в цилиндре компрессора при вы­соких температурах.

Принято, что в каждой ступени компрессора осуществляется политропное сжатие газа с отводом некоторого количества теп­лоты через стенки цилиндров в окружающую среду (процесс при n<k).

Охлаждение газа в промежуточных охладителях осуществ­ляется до начальной температуры. Потери давления при про­хождении газа по трубкам промежуточных охладителей не учи­тываются.

Рис. 9.3. Схема трехступенчатого поршневого комп­рессора с двумя промежуточными охладителями га­за

Рис. 9.4. Процесс трехступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения газа в р — v и Т — s координатах

Газ при давлении pi (см. рис. 9.4) поступает в первый ци­линдр компрессора (I ступень), где политропно сжимается по линии 1— 2 до давления p2. Сжатый газ поступает в охлади­тель 1, где охлаждается до первоначальной температуры Т1 — линия 2 —3. Газ охлаждается при постоянном давлении Р2=Р3. Далее газ поступает во второй цилиндр (II ступень), сжимает­ся политропно по линии 3—4 до давления р4, поступает в охла­дитель 2, где вновь охлаждается до температуры Т1 при P4=Р5. Далее газ поступает в третий цилиндр (III ступень), политроп­но сжимается (линия 5 — 6) до давления Р6, после чего газ на­гнетается в газгольдер или подается потребителю.

Как следует из индикаторной диаграммы (рис. 9.4, а), про­межуточное охлаждение значительно уменьшает затраты рабо­ты на сжатие газа. Потенциальная работа сжатия уменьшается на величину, которой соответствует площадь заштрихованной части диаграммы 2 — 8 — 6 —5— 4 — 3 — 2. При одноступенчатом сжатии газа и при отсутствии промежуточного охлаждения, но при том же начальном Р1 и конечном Рк давлении процесс сжа­тия осуществлялся бы по линии 1 — 8, а работа затраченная на сжатие, была бы равна площади диаграммы а —/— 2 — 8 — d —а. Промежуточное охлаждение приводит также к уменьшению температуры в конце сжатия. На диаграмме рис. 9.4, б началь­ная температура газа Т1, конечная температура газа при сжа­тии— Т_К.

Количество теплоты, отведенной от газа в первом охладите­ле, равно площади диаграммы в Т — s координатах 2 — 3 — f — е — 2, а количество теплоты, отведенной во втором охладителе, — пло­щади 4 —5— h — g — 4 (см. рис. 9.4,6). В результате промежуточ­ного охлаждения процесс сжатия газа в многоступенчатом компрессоре приближается к изотермическому. При бесконечно большом числе промежуточных охладителей процесс сжатия: будет изотермическим (см. рис. 9.4, а, линия /— 3 — 5 — 7).

Работа, затрачиваемая на сжатие в многоступенчатом комп­рессоре, равна сумме работ, затрачиваемых в отдельных ступе­нях. При проектировании и эксплуатации стремятся обеспечить минимальную суммарную работу сжатия, что достигается, если степень повышения давления в каждой ступени компрессора одинаковая, следовательно, и затраченная работа в каждой сту­пени сжатия также одинаковая.

Степень повышения давления в каждой ступени сжатия при общем числе ступеней i определяется из соотношения ε1 = ε2 = … = εi = √ Pк/ P1, где Рк — конечное давление при многоступенчатом сжатии. В рассматриваемом случае Рк = Р6.....

При одинаковых температурах газа на входе и выходе каж­дой ступени сжатия количество отведенной" в промежуточных, охладителях теплоты будет одинаковым. Вопрос о рациональ­ном числе ступеней сжатия и промежуточного охлаждения в реальных условиях проектирования решается с учетом потерь давления при движении газа в охладителях и в соединитель­ных трубопроводах, а также с учетом массы и габаритных размеров охладителей. Необходимо стремиться к сокращению потерь давления со стороны газа и в трубопроводной обвязке, к уменьшению массы и размеров охладителей газа. Таким образом, целесообразность промежуточного охлаждения газа при сжатий определяется на основе технико-экономических расчетов.

Поиск по сайту: