Ящик Грассмана

Механич.

эксергия

химическая

эксергия

эксергия эксергия

п одводим. эксергия отводимая

тепла

эксергия

потока вещ-ва потери Т S

Эксергетические диаграммы состояния.

Известны эксергетические диаграммы: h-S, T-S c линиями e=const и e-h.

Эксергетический баланс, эксергетический КПД ЭХТС и ее отдельных элементов.

При исследовании ЭХТС и ее элементов в первую очередь составляются материальный и тепловой балансы, а затем эксергетический. Тепловой баланс не отражает степень приближения ЭХТС к идеальной, ее термодинамическое совершенство. В отличие от теплового баланса эксергетический баланс учитывает потери от необратимости в ЭХТС и тем самым отражает степень приближения системы к идеальной, для которой эксергетический КПД равен 1. Совершенство ЭХТС и ее элементов тем выше, чем меньше потери эксергии, и поэтому степень совершенства ЭХТС и ее элементов обычно характеризуют так называемым эксергетическим КПД, который определяется из эксергетического баланса. Перед составлением балансов необходимо выделить систему, подлежащую исследованию, для чего мысленно отделяют ее от других объектов контрольной поверхностью, а эксергии всех проходящих через нее потоков вещества и энергии включаются в эксергетический баланс.

Для вещества массой m в единицу времени или за определенный период составим эксергетический баланс и вычислим КПД.

1. Эхтс.

или

,

где , - сумма эксергий, входящих в ЭХТС и выходящих из нее соответственно;

- сумма работ, совершаемых в ЭХТС;

- сумма эксергетических потерь ЭХТС.

.

Рассмотрим эксергетические балансы отдельных элементов ЭХТС. Любая ЭХТС в общем случае состоит из машин и всевозможных аппаратов.

2. машина (используется механическая энергия)

или

и при D = 0 → , то есть при обратимом процессе в машине работа L, совершаемая ею или затраченная на ее действие, равна изменению эксергии на входе и выходе из нее.

3. Аппарат (физико-химические процессы, преобразуется тепловая, химическая энергия).

и при D = 0 → , то есть при обратимом процессе в аппарате эксергия вещества, находящегося в нем, не изменяется и .

Для необратимых процессов.

В общем случае КПД определится или

Числитель представляет собой полезный эксергетический эффект, знаменатель– затраты эксергии.

Компрессоры.

Назначение. Идеальная индикаторная диаграмма для одноступенчатого поршневого компрессора. Анализ цикла на T-S диаграмме.

Компрессор - машина, предназначенная для сжатия газов и паров. Используется для получения сжатого воздуха и непрерывной подачи потребителю. Входит в схему тепловых двигателей и холодильных установок. Различают поршневые компрессоры и турбинные.

Рассмотрим работу идеального одноступенчатого поршневого компрессора на индикаторной диаграмме(графическое представление процесса изменения давления в цилиндре при перемещении поршня)

ВК-всасывающий клапан

НК-нагнетательный клапан

1-корпус с рубашкой для охлаждения

2-поршень

3-крышка

КШ-кривошит

ХВ,ГВ-холодная и горячая вода

Компрессор состоит из цилиндра К с рубашкой для охлаждения водой, поршеня П, кривошипно-шатунного механизма КШ, соединенного с двигателем для привода компрессора. В специальных коробках крышки цилиндра размещены два клапана ВК и НК, которые открываются автоматически под действием давления в цилиндре.

В идеальном компрессоре протекают равновесные процессы, отсутствует трение, поршень подходит к крышке цилиндра вплотную, отсутствует гидравлическое сопротивление при проходе газа через клапаны; всасывание и нагнетание осуществляется при постоянных Р₁ и Р₂.

На индикаторной диаграмме рассмотрим работу компрессора. При движении поршня вправо всасывание газа изображено линией 4-1.При обратном движении поршня сжатие- линия 1-2. Газ сжатый до Р₂ выпускается и идет к потребителю. 2-3 - линия нагнетания. В конце выпуска в т.3 давление в цилиндре в идеальном случае мгновенно падает до Р₁ – линия 3-4. Рабочим процессом компрессора является процесс получения сжатого газа по линии 1-2-3-4.

Работа, затрачиваемая на сжатие газа за 1 рабочий процесс, определяется как алгебраическая сумма работ всасывания, сжатия и нагнетания и изображается площадью 1234.

В идеальном компрессоре процесс сжатия газа можно в зависимости от условий охлаждения цилиндра производить по изотерме 1-2¹, адиабате 1-2¹¹ и по политропе 1-2.

В реальных компрессорах процесс сжатия идёт по политропе.

Работа сжатия по политропе.

Полная работа:

(1)

Удельная работа:

l = (2)

Работа в единицу времени(мощность):

N = (3)

- давление и объём при условиях всасывания.

Действительная индикаторная диаграмма.

Индикаторная диаграмма отличается от идеальной:

1. наличием гидравлических сопротивлений при всасывании и нагнетании газа;

2. наличием вредного пространства.

Вследствие гидравлических сопротивлений всасывание газа происходит при давлении в цилиндре меньшем давления окружающей среды, а нагнетание происходит при давлении, большем чем давление р₂, назначенное потребителем.

Вредным пространством называется V, который образуется между крышкой цилиндра и поршнем в его крайнем левом положении при нагнетании газа. V вредного пространства составляет -4-10% от рабочего объёма цилиндра компрессора.

2

(4)

V

4 1

Из рисунка видно, что в конце нагнетания линия 2-3, в цилиндре остаётся некоторое кол-во газа в объеме V_вр.. Этот газ при обратном ходе поршня расширяется и втекание свежей порции газа будет возможно, когда р в цилиндре уменьшается до р всасывания. Линия 3-4 изображает расширение газа, оставшегося во вредном пространстве. Начало втекания газа изображает т.4. Т.о. вредное пространство уменьшает производительность компрессора, но исключают удар поршня о крышку цилиндра.

Отношение объёма газа, поступающего в цилиндр к рабочему объёму, называется объёмным коэффициентом полезного действия. КПД уменьшается с увеличением Vвр и при некоторых значениях Vвр при увеличении Р₂ может стать равным 0.

Повышение конечного давления сжатия Р₂ повышает T сжатого газа Т₂ и если Т₂ превысит Т самовоспламенения смазочного масла, то произойдет авария компрессора.

Производительность поршневого компрессора, коэффициент подачи, степень сжатия.

Производительность одноступенчатого компрессора простого действия.

(5)

, при условии всасывания

- коэффициент подачи,б/р

F- площадь поршня, м2

S- ход поршня,м

n- частота вращения,об/мин

(6)

- объёмный коэффициент подачи

(7)

-отношение объёма вредного пространства цилиндра к р+++абочему объёму цилиндра

n- показатель политропы расширенния сжатого газа, оставшегося во вредном пространстве.

Коэффициент подачи находится в пределах:

=(0,6-0,85) (8)

Коэффициент подачи - произведение коэффициентов, учитывающих все потери производительности

(9)

_изот. – учитывает степень необратимости действительных процессов сжатия.

_{наполнения} – коэффициет объемного наполнения.

Многоступенчатое сжатие.

В-15.

Получить газ высокого давления более 10 атм(1Мпа), невозможно при одноступенчатом сжатии, т.к. Т сжатого газа превысит допустимую.

Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых процесс сжатия осуществляют последовательно в нескольких цилиндрах с промежуточным охлаждением сжатого газа между цилиндрами.

Рассмотрим рабочий процесс, например, 3-х ступенчатого компрессора.

1-2 политропное сжатие в первом цилиндре от р₁ до р₂.Заштрихованная площадь под процессом численно равна кол-ву теплоты q_ц1, которая отводится от газа через стенки первого цилиндра в окружающую среду.

2-3 изобарное охлаждение сжатого в 1 цилиндре газа.

Заштрихованная площадь под процессом численно равна теплоте q_тк1, отведённой от газа в теплообменнике ТК 1.

3-4 политропа сжатия во втором цилиндре от p₂ до р₃.

4- 5 изобарное охлаждение газа. сжатого во втором цилиндре и т. д.

Газ с параметрами в т.6 направляется потребителю.

1-2-3-4-5-6 линия многоступенчатого сжатия.

1-7 изотерма, к которой приближается процесс многоступенчатого сжатия при увеличении числа ступеней.

В 3-х ступенчатом компрессоре конечная температура Т6. При одноступенчатом сжатии процесс протекал бы по политропе 1-8 и конечная температура =Т8. Т6<<Т8

Самостоятельно проработать процесс 3-х ступенчатого сжатия на p – V диаграмме и сравнить работу при сжатии в1-у ступень.