Назначение и типы компрессоров
Компрессорами называются устройства, предназначенные для повышения давления газов и паров. Повышение давления может осуществляться за счет уменьшения объема (объемные компрессоры) или торможения предварительно ускоренного потока (лопаточные компрессоры).В свою очередь объёмные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные, а лопаточные - на центробежные и осевые.
Схема поршневого компрессора приведена на рис.1, а процессы - на диаграмме состояния p - v (рис.2). При движении поршня вправо открывается всасывающий клапан 4 и при постоянном давлении p1 происходит процесс всасывания 4 - 1. Давление рабочего тела, поступающего в цилиндр, из-за аэродинамического сопротивления всасывающего трубопровода и клапана несколько меньше давления среды, из которой происходит всасывание.
Вследствие наличия в реальном компрессоре вредного пространства процесс всасывания начинается в точке 4. Перемещение поршня из крайнего правого положения - процесс сжатия 1-2 - в общем случае сопровождается теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндра и увеличением температуры. Из-за сопротивления нагнетательного клапана 5 он откроется при давлении выше давления p2 среды, куда происходит нагнетание. Процесс нагнетания изобразится линией 2-3. Процесс 3-4 соответствует расширению рабочего тела, оставшегося во вредном пространстве.
В ротационных компрессорах газ сжимается в отдельных камерах переменного объёма, образуемых пластинами 1 (рис.3), скользящими в пазах ротора 2 и прижимающимися под действием центробежной силы к стенкам корпуса 3. Ротор и корпус расположены эксцентрично, поэтому при перемещении камер их объем попеременно возрастает и уменьшается. Газ поступает через всасывающий патрубок 4, сжимается при уменьшении объема и нагнетается в нагнетательный трубопровод 5.
|
|
|
В лопаточных компрессорах (центробежных и осевых) скорость газа увеличивается при помощи лопаток, вращающихся вместе с ротором компрессора. Кинетическая энергия потока газа превращается в потенциальную в расширяющихся каналах, образованных неподвижными лопатками, укрепленными на корпусе компрессора.
Термодинамический анализ работы компрессора
Термодинамический анализа компрессоров разных типов одинаков, так как в любом компрессоре осуществляется процесс политропного сжатия рабочего тела.
В общем случае процесс сжатия газа в компрессоре является политропным. Значения показателя политропы лежат в интервале от n = 1 (изотермическое сжатие, охлаждаемый компрессор) до n = k (адиабатное сжатие, неохлаждаемый компрессор). Работа, затрачиваемая на сжатие, в этих процессах будет различной.
|
|
|
Охлаждаемый компрессор, изотермическое сжатие
Процессы в охлаждаемом компрессоре изображены на диаграмме состояния p - v последовательностью процессов 0-1 2-3 (рис.4). Работа, затрачиваемая на привод компрессора - это внешняя полезная работа 
. Для изотермического сжатия удельное количество этой работы равно
и графически изображается площадью 1-2-3-0-1.
Тогда мощность N, затрачиваемая на сжатие G кг/с газа, равна
Вся энергия, подводимая в форме работы, в этом случае отводится в виде теплоты:
.
Неохлаждаемый компрессор, адиабатное сжатие.
Процессы в неохлаждаемом компрессоре изображены на диаграмме состояния p - v последовательностью процессов 1-2¢-3-0-1 (рис.4).
Удельное количество работы равно
и графически изображается площадью 1-2¢-3-0-1.
Мощность, затрачиваемая на привод компрессора
Политропное сжатие в компрессоре
В процессе политропного сжатия затрачивается работа
При этом количество теплоты, которое необходимо отвести от рабочего тела за единицу времени, равно
Работа изотермического сжатия (заштрихованная площадь на рис.4) минимальна, адиабатного сжатия - максимальна. В реальном компрессоре с политропным сжатием приблизиться к изотермическому сжатию можно в многоступенчатом компрессоре.
|
|
|
Многоступенчатый компрессор
В неохлаждаемом компрессоре в адиабатном или политропном процессе сжатия температура газа увеличивается в соответствии с уравнениями процессов:
, 
При увеличении степени повышения давления и связанным с этим увеличением температуры возрастает отрицательное влияние мёртвого пространства на производительность компрессора. Кроме этого, существует предельная температура сжатого газа, которая определяется пределом термостойкости масла, смазывающего цилиндр машины. Смазочные масла, применяемые для этих целей, при температурах 150…180оС начинают разлагаться, выделяя летучие компоненты, способные образовывать со сжимаемым газом взрывчатую смесь. Поэтому для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых сжатие осуществляется в нескольких последовательно соединённых цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждой ступени сжатия.
Схема такого трёхступенчатого компрессора изображена на рис.5.
|
|
|
В каждой ступени газ сжимается от давления 
до давления 
(i = 1,2,3 - номер ступени). с уменьшением объёма и увеличением температуры от T1 до T2. Сжатый газ поступает в теплообменный аппарат, где охлаждается до температуры T1 при постоянном давлении.
Процессы в трехступенчатом компрессоре изображены на диаграммах состояния p - v (рис.6) и T - s (рис.7):
-1 - процесс всасывания газа в первую ступень; 1-2, 3-4, 5-6 - политропные процессы сжатия газа в ступенях компрессора; 2-3, 4-5 - изобарные процессы охлаждения газа в теплообменных аппаратах.
Отводимая теплота эквивалентна заштрихованным площадям на рис.7. Точки лежат на изотерме T1. Работа сжатия газа в трёхступенчатом компрессоре равна сумме работ отдельных ступеней и изображается площадью 123456701. Она меньше площади фигуры 1а701, соответствующей работе политропного сжатия газа в одноступенчатом компрессоре на величину заштрихованной площади. Увеличение числа ступеней приближает процессы сжатия газа 123456 к изотерме, проходящей через точки 1,3,5, уменьшая работу сжатия (рис.6).
Минимальная работа на привод многоступенчатого компрессора затрачивается при равенстве степеней повышения давления во всех ступенях:
Перемножая степени повышения давления и учитывая, что 
и 
, получим 
, а степень повышения давления в каждой ступени
.
Для любого числа ступеней m степень повышения давления в каждой ступени равна
Аэродинамическое сопротивление трубопроводов, теплообменных аппаратов приводит к потерям давления, которые могут составлять 5…15% от давления нагнетания предыдущей ступени и учитываются коэффициентом потерь давления между ступенями y. Тогда
где y = 1.05 … 1.15,
а число ступеней многоступенчатого компрессора m можно определить по формуле
.
Мощность, затрачиваемая на привод многоступенчатого компрессора
где N1 - мощность одной ступени, рассчитываемая по формулам (6) или (7) для адиабатного и политропного сжатия соответственно.
Количество теплоты, отводимой водой в теплообменных аппаратах в единицу времени
C другой стороны, это количество теплоты выделяется в процессе изобарного охлаждения газа:
)
Температура в конце сжатия в каждой ступени определяется по формуле (9):
при адиабатном сжатии
при политропном сжатии
Тогда расход воды для охлаждения многоступенчатого компрессора составит
Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 88; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!