Процессы сжатия в компрессоре
Машины для сжатия газов называются компрессорами. Они имеют широкое применение в технике как самостоятельные установки или как элемент более сложных установок – газотурбинных, холодильных и др.
Несмотря на большие конструктивные отличия компрессоров разных типов (поршневые, ротационные, центробежные, осевые) термодинамические принципы процессов сжатия газов в них одинаковы. Рассмотрим эти процессы на примере поршневого компрессора. При ходе поршня 1 (рис. 2.19) вправо открывается впускной клапан 2 и цилиндр наполняется газом. Этот процесс на индикаторной диаграмме изобразится линией 4 – 1, проходящей параллельно оси абсцисс при давлении р1, близком к атмосферному.
С началом движения поршня влево впускной клапан закрывается и начинается сжатие газа – процесс 1 – 2. После достижения давления р2 открывается выпускной клапан 3 и происходит вытеснение сжатого газа из цилиндра в нагнетательный патрубок – процесс 2 – 3.
С началом движения поршня влево впускной клапан закрывается и начинается сжатие газа – процесс 1 – 2. После достижения давления р2 открывается выпускной клапан 3 и происходит вытеснение сжатого газа из цилиндра в нагнетательный патрубок – процесс 2 – 3.
В идеальном компрессоре, в котором отсутствует вредное пространство, весь сжатый газ вытесняется поршнем из цилиндра, поэтому переход от давления р2 к давлению p1 в момент изменения направления движения поршня происходит при
v3 = v4 = 0. Затем все процессы вновь повторяются.
|
|
|
Считая, что сжатию подвергается 1 кг газа, определим работу l компрессора за два хода поршня (один оборот коленчатого вала компрессора). Она складывается из трех частей: работы всасывания в процессе 4 – 1 (l1 = p1v1), работы сжатия газа в процессе 1 – 2 ( 
) и работы вытеснения сжатого газа из цилиндра в процессе 2 – 3 (l3 = p2v2).
Суммируя l1, l2 и l3, следует иметь в виду, что работа сжатия и работа вытеснения газа отрицательна. Однако, говоря о затратах работы на привод компрессора, заведомо подразумевают работу со знаком «минус», поэтому можно записать:
. (2.64)
Эта работа на рис. 2.19 выражается площадью 1 – 2 – 3 – 4. Величина ее зависит от характера процесса сжатия 1 – 2. Можно представить два предельных случая. Если цилиндр компрессора имеет идеальную теплоизоляцию и процесс сжатия протекает достаточно быстро, то его можно считать адиабатным (1 – 2a на рис. 2.20). Работа адиабатного сжатия
. (2.65)
Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 2.20 Рис. 2.21
|
|
|
После подстановки в уравнение (2.64) получаем
. (2.66)
Если же цилиндр компрессора выполнен из идеально теплопроводного материала и процесс протекает достаточно медленно, так что температура газа остается равной температуре среды, то процесс сжатия будет изотермическим (1 – 2и).
Для изотермы p1v1 = p2v2; 
, поэтому работа компрессора
. (2.67)
Осуществить настолько интенсивный отвод тепла, чтобы температура газа при сжатии не повышалась, практически не представляется возможным. Действительный процесс сжатия займет некоторое промежуточное положение между адиабатным и изотермическим и будет протекать по политропе 1 – 2п. Формула работы компрессора при этом имеет вид:
. (2.68)
Наименьшие затраты работы на привод компрессора, как видно из рис. 2.20, будут при изотермическом процессе сжатия. В то же время политропное и адиабатное сжатие сопровождается повышением температуры газа (рис. 2.21).
|
|
|
При большом повышении давления температура конца процесса сжатия может достигнуть недопустимых при эксплуатации компрессора значений. Поэтому в случае необходимости получения высокого давления применяют многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением газа между ступенями.
Ошибка! Ошибка связи. Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 2.22 Рис. 2.23
Для примера рассмотрим процесс сжатия в трехступенчатом компрессоре (рис. 2.22 и 2.23). В первой ступени газ сжимается по политропе 1 – а до давления р', затем охлаждается по изобаре a – b до начальной температуры Т1. В цилиндре второй ступени происходит повышение давления до р" с последующим охлаждением во втором промежуточном холодильнике в процессе с – d. В третьей ступени осуществляется сжатие газа до заданного давления р2.
Использование многоступенчатого компрессора приводит к тому, что процесс сжатия совместно с участками промежуточного охлаждения, изображаемый ломаной линией 1 – а – b – с – d – 2, в значительной степени приближается к изотерме 1 – 2и. При этом снижаются затраты работы на сжатие газа (на величину заштрихованной площадки рис. 2.22) и одновременно уменьшается конечная температура Т2 (см. рис. 2.23) по сравнению с температурой Т2П в одноступенчатом компрессоре.
|
|
|
Циклы теплосиловых установок
Прямой Цикл Карно.
Теоретический цикл, разработанный французским инженером С. Карно в 1824 г., имеет особое значение в термодинамике. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат и имеет в диаграммах р, v и Т, s вид, показанный на
рис. 3.5.
Ошибка! Ошибка связи. Ошибка! Ошибка связи.
а б
Рис. 3.5
Цикл осуществляется между двумя бесконечно емкими источниками тепла: горячим, с температурой Т1 и холодным, имеющим температуру Т2. Изотермические процессы подвода тепла 4 – 1 и отвода тепла 2 – 3 осуществляются при бесконечно малой разнице температур между источниками тепла и рабочим телом. Сжатие 3 – 4 и расширение 1 – 2 рабочего тела происходят адиабатно при s = const. Следовательно, цикл в целом обратим, поскольку все процессы его обратимы. Это означает, что цикл может быть осуществлен как в прямом (по ходу часовой стрелки), так и в обратном направлении, по одному и тому
же пути.
Термический КПД прямого цикла Карно, как и любого произвольного цикла, описывается общим выражением (3.6): ht = 1 – q2 / q1. Отведенное в цикле холодным источником тепло q2 при температуре Т2 на диаграмме Т, s (см. рис. 3.5, б) изображается площадью прямоугольника под процессом 2 – 3,
q2 = T2∆s. Подведенное от горячего источника тепло q1 отражается площадью прямоугольника под процессом 4 – 1 q1 = T1∆s.
Подставляя значения q1 и q2 в исходное выражение, получаем
ηt = 1 – T2 / T1. (3.9)
Отсюда следует, что термический КПД цикла Карно зависит только от температуры горячего и холодного источников и не зависит от природы рабочего тела.
Из анализа формулы (3.9) видно, что значения ηt для цикла Карно изменяются в пределах от нуля при Т1 = Т2 до единицы при T2 = 0 или Т1 = ¥. Однако последние условия практически невыполнимы, поэтому термический КПД цикла Карно никогда не достигает единицы.
В паросиловых энергетических установках температура рабочего тела в процессе подвода тепла T1 не превышает обычно 850 K; если бы эти установки работали по обратимому идеальному циклу Карно, то термический КПД составил бы
.
Значение цикла Карно прежде всего состоит в том, что он устанавливает теоретический предел совершенства теплового цикла, предел возможности преобразования тепловой энергии в механическую. Действительно, сравнивая в Т, s-диаграмме любой произвольный цикл с циклом Карно (рис. 3.6), можно убедиться в том, что в заданных температурных границах средняя температура T1cp подвода тепла в процессе а – b – с всегда меньше, чем температура Т1, при которой подводится тепло в цикле Карно. Точно так же T2ср > T2.
Воспользовавшись формулой (3.9), можно заключить, что невозможен какой-либо цикл, имеющий КПД выше, чем КПД цикла Карно, протекающего в тех же температурных интервалах.
Кроме того, цикл Карно показывает, что для повышения КПД реальных тепловых двигателей необходимо стремиться к изотермным подводу и отво-
ду тепла.
Второй закон термодинамики на основании опыта устанавливает условия превращения одного вида энергии в другой, в частности тепла в работу.
Замечено, что все самопроизвольные процессы всегда протекают в строго определенном направлении – от верхнего потенциала к нижнему. Используя эти процессы, можно получать работу, пока не наступит полного равновесия системы. Например, тепловой поток, используемый в тепловых двигателях, может иметь место лишь при наличии горячего и холодного источников. Энергия сжатого газа может быть преобразована в механическую, если есть среда с меньшим давлением. Перетекание жидкости из одного бассейна в другой возможно в тех случаях, когда они находятся на разных уровнях. Ток в электрической цепи течет до тех пор, пока имеется разница электрических потенциалов источника питания.
Осуществление этих же процессов в обратном направлении требует затрат энергии. Передача тепла от холодного тела к более нагретому (в холодильной установке), сжатие газа в компрессоре, перекачка воды на верхний уровень, зарядка батарей источника питания – все это примеры не самопроизвольных процессов, а тех, которые могут быть реализованы лишь при определенных затратах энергии.
Существует несколько классических формулировок второго закона термодинамики, предложенных в виде постулатов различными естествоиспы-тателями.
Р. Клаузиус сформулировал второй закон термодинамики в таком виде: теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому.
М. Планк дал следующую формулировку: невозможно построить периодически действующий двигатель, который производил бы только поднятие груза и охлаждение источника тепла. Этот постулат утверждает невозможность получения механической энергии при наличии одного источника тепла, другими словами, невозможность создания вечного двигателя второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, работающего без затрат энергии вопреки первому закону термодинамики). Действительно, если бы удалось создать двигатель с одним источником тепла, то это было бы равносильно вечному двигателю, так как тепловой энергии хаотического движения молекул в природе бесконечно много. Такой двигатель мог бы действовать, например, за счет охлаждения воды мирового океана, атмосферы воздуха, грунта и пр. Чтобы подчеркнуть бесплодность попыток создания подобного двигателя, формулировку Планка иногда видоизменяют следующим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно.
В. Томсон предложил формулировку: невозможно осуществление цикла теплового двигателя без переноса некоторого количества теплоты от верхнего источника к нижнему. Это означает, что в цикле подведенное тепло верхнего источника не целиком превращается в работу, а часть его обязательно передается холодному источнику тепла. Следовательно, термический КПД теплового двигателя всегда должен быть меньше единицы. Это важнейшее положение второго закона термодинамики наглядно проиллюстрировано на примере цикла Карно.
Л. Больцман, рассматривая рабочее тело как статистическую совокупность множества элементарных частиц, пришел к выводу: природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 573; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!