Вопрос 3. Неохлаждаемые (адиабатные) компрессоры.
Схема проточной части ступени первой ступени центробежного компрессора.
Ступенью динамического компрессора называется комплекс элементов компрессора, состоящий из рабочего колеса и диффузора (в многоступенчатом компрессоре в состав ступени входят также поворотное колено и обратный направляющий аппарат). К первой ступени относится также всасывающая камера, к последней ступени компрессора относится сборная камера, которая может выполняться в виде спирального отвода (улитки).
Принцип действия центробежного компрессора.
Сжимаемый газ по всасывающему трубопроводу подводится к всасывающей камере и затем поступает в каналы, образованные лопатками рабочего колеса (РК). Под действием центробежных сил газ отбрасывается к периферии РК. При движении газа в колесе за счет энергии, передаваемой от лопаток РК, увеличивается скорость газа и повышается давление. РК является единственным элементом ступени, в котором энергия подводится к газу из окружающей среды. Во всех остальных (неподвижных) элементах ступени происходит только преобразование энергии, полученной в рабочем колесе.
В диффузоре происходит преобразование кинетической энергии потока газа в потенциальную энергию давления.
После выхода из диффузора в одноступенчатой машине или после последней ступени в многоступенчатой машине газ поступает в сборную камеру, служащую для сбора потока газа, дальнейшего повышения давления газа и подвода его к нагнетательному трубопроводу.
В многоступенчатых компрессорах для подвода газа к следующей ступени применяется обратный направляющий аппарат.
1 – рабочее колесо (РК); 2 – диффузор; 3 – входное устройство;
4 – обратный направляющий аппарат; 5 –лопатки РК
В неохлаждаемых компрессорах обычно тепловой поток, отводимый в окружающую среду намного меньше мощности, потребляемой компрессором (Qвнеш<<Nк), поэтому процесс сжатия в них принимается адиабатным, но остается подвод теплоты в процессе сжатия из-за трения газа в проточной части компрессора, т.е. из-за необратимости процесса сжатия.
Процесс сжатия газа в нагнетателе в T,S- координатах
Удельная работа компрессора, затрачиваемая на сжатие газа:
- из 1-го закона термодинамики
;
- из закона сохранения механической энергии
Для неохлаждаемых компрессоров в качестве соответствующего равновесного идеального процесса принимается изоэнтропный процесс 1-2s. Для этого процесса =0 и удельная работа компрессора, затрачиваемая на сжатие газа:
- из 1-го закона термодинамики
;
- из закона сохранения механической энергии
.
Конечная температура реального процесса сжатия больше, чем в изоэнтропном процессе за счет разогрева газа при диссипации энергии: Т2>Т2s.
Таким образом, в компрессоре существует два вида потерь:
- диссипация энергии (потери на трение) - =lтр≡12s2s1;
- потери на разогрев газа (дополнительные затраты работы на сжатие газа за счет увеличения удельного объема газа из-за диссипации энергии) Δlраз≡12s2.
Эти потери приводят к общим потерям удельной работы Δlк= +Δlраз≡2s2s2s1.
В турбокомпрессорах есть еще потери на трение дисков вращающихся рабочих колес о газ и потери на перетечки через уплотнения, но их пока учитывать не будем.
Показатель политропы сжатия для реальных процессов в неохлаждаемых компрессорах, как и в охлаждаемых, определяется опытным путем и равен
.
Для турбокомпрессоров при k=1,4
=1,45-1,6.
Тогда работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа в реальном процессе равна
,
Дж/кг.
Как уже отмечалось выше, для оценки энергетической эффективности процессов сжатия используются различные КПД, которые определяют степень приближения реального процесса сжатия к какому-либо теоретическому процессу.
Величина энергии диссипации , т.е. потерь на трение в элементах компрессора lтр, учитывается гидравлическим (политропным) КПД:
Откуда потери работы за счет диссипации энергии в процессе сжатия, Дж/кг
.
Так как
,
а
,
то
.
Откуда
.
Из формулы видно, что при ηг
→1
→k.
Чем меньше ηг
, тем больше
отличается от k.
Для учета всех потерь работы Δlк применяется относительный внутренний КПД. Для турбокомпрессоров он равен отношению работы, затраченной на сжатие газа в изоэнтропном процессе сжатия lкs, к работе, затраченной на сжатие газа в действительном процессе сжатия lк, и называется изоэнтропным (адиабатным) КПД:
Видно, что ηoi<ηг.
Зная
можно определить удельную энтальпию
газа на выходе из неохлаждаемого
компрессора в действительном процессе
сжатия 1-2
.
Рассмотрим еще раз потери энергии в неохлаждаемом компрессоре.
Полные потери удельной работы за счет внутренней необратимости процесса сжатия, Дж/кг
.
С другой стороны эти потери равны
.
Из последних двух уравнений получаем выражение для :
.
Для центробежных компрессоров обычно ηoi=ηs= ηад≈0,8;.
ηг≈0,85,
≈1,45-1,6
при k=1,4.