Теоретические основы теплотехники 1

112

ное в кубических метрах газа или пара при параметрах, которые они имеют на входе в компрессор.

Поршневой одноступенчатый компрессор состоит из цилиндра (1);

поршня (2), совершающего возвратно–поступательное движение, двух кла-

панов (3) – всасывающего и нагнетательного (рис. 28).

Компрессор работает следующим образом. При движении поршня сле-

ва направо давление газа в цилиндре становится меньше давления во всасы-

вающем патрубке. Всасывающий клапан открывается и по мере движения поршня в крайнее положение полость цилиндра заполняется газом теорети-

чески по линии n-1. При обратном движении поршня справа налево всасы-

вающий клапан закрывается и поршень сжимает газ в цилиндре теоретически по кривой 1–2, пока давление в цилиндре не достигает давления р2, равного давлению газа в нагнетательной линии трубопровода. Открывается нагнета-

тельный клапан и поршень выталкивает газ в нагнетательную линию трубо-

провода при постоянном давлении р2 (линия 2–3).

Рис. 28. Принципиальная схема одноступенчатого поршневого компрессора и индикаторная диаграмма

114

Удельную работу процесса сжатия можно найти из уравнения первого начала термодинамики, записанного для потока. При этом полагают, что процесс сжатия в компрессоре происходит при следующих условиях: тепло-

движения газа во всасывающем и нагнетательном патрубках равны

с1 = с2; изменением высоты центра тяжести потока можно пренебречь z1=z2;

уравнение упрощается и удельная работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа или пара в компрессоре, будет определяться соотношением

Для идеального газа выражение (295) принимает вид

где cp – удельная изобарная теплоемкость газа; Т1, Т2 – начальная и конечная температуры процесса сжатия; w1,2 – удельная потенциальная (техническая)

работа сжатия.

Величина w1,2 - отрицательная, так как при сжатии приходится затрачи-

вать работу, однако для удобства расчетов, ее определяют как положитель-

ную – по абсолютному значению.

Из соотношения (296) видно, что удельная работа сжатия по абсолют-

ной величине равна увеличению энтальпии сжимаемого газа или пара

Если обозначить расход газа через компрессор (G), то можно опреде-

лить мощность, которую затрачивают на сжатие газа в компрессоре, для ре-

ального газа

Полученные уравнения справедливы как для поршневых, так и для ло-

паточных машин, поэтому процессы сжатия газа в поршневых или лопаточ-

ных машинах с термодинамической точки зрения идентичны. Уравнения справедливы для всех реальных газов, а также для определения работы и мощности, затрачиваемых в насосах при перекачке жидкостей.

Для обратимого адиабатного процесса удельная работа сжатия идеаль-

ного газа определяется из соотношения

Работа сжатия газа в реальном процессе определяется после введения понятия внутреннего относительного КПД компрессора ηic, характеризующе-

го необратимые потери при сжатии

Из диаграмм рис. 29 видно, что в реальном компрессоре из-за необра-

тимых потерь линия процесса сжатия идет правее линии обратимого процес-

116

са. Это связано с тем, что необратимые потери работы переходят в теплоту

и 1–2 характеризует внутренние необратимые потери и определяет относи-

тельный внутренний КПД компрессора

На диаграмме рис. 30 видно, что переход от адиабатного процесса сжа-

тия (1–2а) к изотермическому (1–2u) приводит к уменьшению работы сжатия и наоборот.

Для изотермического процесса удельная работа обратимого сжатия идеального газа может быть определена по уравнению

Реализация изотермического процесса в компрессорах, при проведении которого необходимо постоянно отводить теплоту, чтобы температура газа в процессе оставалась неизменной, практически трудно осуществима. Изотер-

мический процесс сжатия является как бы эталонным, к которому стремятся приблизить реальный процесс сжатия газа в компрессорах.

Термодинамический процесс многоступенчатого компрессора

При высоких степенях сжатия газа в одноступенчатом компрессоре в конце процесса температура газа достигает весьма высокого значения, что нежелательно, в частности, из-за опасности воспламенения масла в системе смазки. Поэтому для получения газа высокого давления используют много-

ступенчатые компрессоры, представляющие собой несколько последователь-

но соединенных одноступенчатых компрессоров.

Между отдельными ступенями устанавливают теплообменники, обес-

печивающие охлаждение газа, сжатого в предыдущей ступени (рис. 31).

Рис. 31. Схема двухступенчатого компрессора:

1 – первая ступень сжатия (компрессор низкого давления); 2 – промежуточный холодильник; 3 – вторая ступень сжатия (компрессор высокого давления)

119

можно выполнить, если степень повышения давления каждой ступени ком-

прессора одинакова.

Под степенью повышения давления понимается отношение давления газа на выходе из ступени к давлению на входе в ступень, т. е.

Если в компрессоре не две, а т ступеней, то распределение давлений между ступенями идеального компрессора должно отвечать условию

Таким образом, зная начальное рн, и конечное рк давления газа в ком-

прессоре, можно определить общее соотношение давлений сжатия (C = рк/рн)

и подсчитать давления сжатия по ступеням. Затем по уравнению подсчитать работу сжатия в каждой ступени и, просуммировав работы сжатия по ступе-

ням, определить общую работу сжатия по компрессору в целом.

Чем больше ступеней сжатия в многоступенчатом компрессоре с про-

межуточным охлаждением рабочего тела, тем ближе процесс приближается к изотермическому и тем сложнее и дороже компрессор.

12. Циклы паросиловых установок и холодильных машин

Паросиловая установка. Цикл Ренкина

В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются па-

ры различных жидкостей (вода, ртуть и т. п.), но чаще всего водяной пар.

В паровом котле паросиловой установки (1) за счет подвода теплоты

Q1, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при посто-

янном давлении р1 (рис. 33). В пароперегревателе (2) он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (3) (например, в паровую турбину), где