3175

120

топливе. Основным недостатком двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто является необходимость затраты работы на привод устройства для распыления топлива и относительная тихоходность, обусловленная более медленным сгоранием топлива.

Сравнение циклов поршневых ДВС

Для сравнительного анализа эффективности различных типов поршневых ДВС можно ограничится сопоставлением термических к.п.д. циклов этих двигателей, поскольку коэффициенты к.п.д. двигателя меняются при переходе от

одного двигателя к другому примерно также, как t . Для этого удобно

использовать ТS – диаграмму, т.к. здесь наглядно, в определенном масштабе, теплоты

q1 , q2 и их разность представляются в виде площадей.

Сравнение по условию idem q1 idem

На TS – диаграмме изображены выше рассмотренные циклы поршневых

будет большим по сравнению с другими двигателями.

121

циклов (пл. а14в соответствует отведѐнным теплотам во всех случаях), убеждаемся, что

при pmax idem и Tmax idem , имеем

t p tcm t

Т.е. в рассматриваемых условиях работа двигателя с высокой степенью сжатия эффективнее.

Линия 2" - 5 - 3 отображает процесс подвода тепла. Из графика следует, что tcm цикла со смешанным подводом тепла будет опять иметь промежуточное значение.

КОМПРЕССОРЫ

Это машины для сжатия газов и перемещения их к потребителям по трубопроводным системам.

По способу действия их можно разделить на три основные группы: объемные (компрессоры статического сжатия), лопастные (компрессоры динамического сжатия) и струйные (эжекторы).

По конструктивному признаку объемные компрессоры подразделяют на поршневые и роторные, а лопастные – на центробежные и осевые.

Если давление сжатия свыше 0,4 МПа, то устройство называют компрессором, при давлении от 0,11 МПа до 0,4 МПа – воздуходувкой и при давлении ниже 0,11 МПа – вентилятором.

Несмотря на различие в принципе сжатия газа в объемных (в результате принудительного уменьшения его объема) и лопастных (от действия

122

инерционных сил, возникающих при вращении колеса) компрессора термодинамика процессов сжатия в и:: одинакова.

Термодинамический анализ работы компрессоров обычно выполняют на примере работы поршневых компрессоров, процессы в которых могут быть рассмотрены наиболее наглядно.

Основными элементами их являются цилиндр б и совершающий возвратно-поступателъные движения поршень а, связанный своим штоком в с ползунком г, движущимся в неподвижных направляющих д. Ползун шарнирно соединен с шатуном е и через него с кривошипом или коленчатым валом (на рис, нет), который вращается приводным двигателем (электродвигателем или поршневым ДВС).

Анализ процесса сжатия в поршневом компрессоре удобно проводить с помощью так называемой индикаторной диаграммы компрессора,

которая показывает зависимость величины давления в цилиндре компрессора от величины переменного объема газа в цилиндре или, что то же самое, от хода поршня. Записывается эта диаграмма специальным прибором - динамометрическим индикатором, присоединенным к компрессору. Отличие индикаторной диаграммы от pv -диаграммы в том, что она изображает процессы в цилиндре, количество газа в котором переменно. При ходе поршня из левого крайнего положения в правое крайнее в цилиндр компрессора засасывается газ, который затем при обратном ходе поршня сначала сжимается, а потом выталкивается в газосборник. В крышке цилиндра предусмотрены два клапана: впускной и выпускной. При засасывании газа впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. В процессе сжатия газа, продолжающегося на части обратного хода поршня, оба клапана закрыты. По окончании процесса сжатия выпускной клапан открывается, и поршень на оставшейся части пути до крайнего левого положения выталкивает сжатый газ в сборник.

Идеализированные процессы всасывания, сжатия и выталкивания газа отображаются на графике соответственно линиями 4-1, 1-2 и 2-3. Газ в компрессоре можно сжимать в зависимости от степени охлаждения цилиндра по закону адиабаты (1- 2’’), изотермы (1-2) или политропы (1-2’).

В первом случае отсутствует теплообмен с внешней средой (цилиндр идеально

изолирован) и сообщаемая газу от первичного двигателя работа расходуется на

увеличение внутренней энергии ТРТ, в результате чего его температура возрастает.

Во второе случае количество тепла, эквивалентное работе, передаваемой пару от первичного двигателя, в результате водяного охлаждения цилиндра отводится от ТРТ и его температура остается неизменной.

В третьем случае, т.е. когда 1 n k , часть работы, передаваемая от первичного двигателя газу, расходуется на увеличение его внутренней энергии, вследствие чего его температура возрастает, а остальная, часть работы двигателя не используется, т.к. в результате охлаждения от ТРТ отводится тепло, эквивалентное части этой работы.

Полная (суммарная) работа компрессора, т.е. работа, затрачиваемая на привод компрессора (всасывание, сжатие и выталкивание), будет выражаться суммой площадей, из которых две расположены под линиями сжатия и выталкивания (берутся с

123

положительным знаком), а одна - под линией всасывания (с отрицательным знаком). Следовательно, если для удобства считать эту работу положительной, то ее можно выразить уравнением

выражается алгебраической суммой площадей lиз = пл. 1-2-II-1’ + пл. 2-3-0-II + пл. 4-1-1’-0

=пл. 1-2-3-4.

Площади 1-2-II-1’ соответствует работа

Для M кг или V1 м3 рабочего тела это выражение таково:

Для 1 м3 рабочего тела работа выражается следующим образом:

Полная (суммарная) работа компрессора при адиабатном сжатии для 1 кг ТРТ выражается алгебраической суммой площадей:

lад = пл. 1-2”-II”-1’ + пл. 2”-3-0-II” – пл. 4-1-1’-0 = пл. 1-2”-3-4

Заменяя площади величинами соответствующих работ, получим

Поступая также, как и в случае изотермического сжатия, можно получить выражения для M,V и 1 м3 рабочего тела.

Из сопоставления площадей, соответствующих полной (суммарной) работе компрессора при изотермическом, политропном и адиабатном сжатии ТРТ, видно, что наиболее экономичным является компрессор, в котором ТРТ сжимается изотермически.

125

Увеличение энтальпии газа i2 i1 определяется его изобарной теплоемкостью и изменением температуры T2 T1 , т.е.

i2 i1 c p T2 T1

Действительный цикл поршневого компрессора отличается от идеального, во первых, тем, что в цилиндре имеется так называемое «вредное пространство», равное объему между крышкой цилиндра и поршнем в его крайнем положении (здесь размещается клапанное устройство). Обычно вредное пространство Vc составляет 3 10%

от объема цилиндра V1 .

По окончании выталкивания газа в Vc

остается сжатый газ. При обратном движении поршня, оставшийся газ расширяется и всасывание новой порции начинается лишь тогда, когда давление газа, оставшегося в цилиндре, понизится от давления нагнетания p2 до давления

всасывания p1 . Так что в цилиндр всасывается лишь объем V V1 V4 . Наличие Vc уменьшает

количество газа, всасываемого в цилиндр, и тем самым снижает производительность поршневого

компрессора. Уменьшение производительности характеризуется объемным к.п.д.

V 0,7 0,9

Vh

где Vh - объем, описываемый поршнем.

Наполнение цилиндра ухудшается кроме того, за счет подогрева всасываемого газа о стенки цилиндра и в результате смешения его с остальным газом (подогрев от T1 до T1 ). Количество газа, всасываемого без учета подогрева и с учетом соответственно равно

G p1V и G p1V , RT1 RT1

а их отношение G T1 .

G T1

Общее уменьшение производительности из-за вредного пространства и нагрева характеризуется коэффициентом наполнения

всасываемого газа будет уменьшаться, и в предельном случае нагнетания газа не будет происходить (клапан выпуска не откроется при перемещении поршня до самой верхней течки). При этом линия расширения газа, оставшегося в Vc ,

совпадает с линией сжатия и производительность компрессора становится равной нулю, поршень периодически сжимает едко и то же количество

газа без нагнетания. Предельное давление p пр , можно рассчитать по формуле:

127

Применяют для получении сжатых газов высокого давления, конструктивно представляют собой систему последовательно соединенных одноступенчатых компрессоров, между которыми устанавливаются холодильники.

Теплообменник с развитыми поверхностями охлаждения обеспечивает несравненно более эффективный отвод тепла, чем водяная рубашка цилиндра компрессора.

Газ последовательно проходит через ступени компрессора и в каждой из них повышает давление на определенную величину. После каждого сжатия газ поступает в промежуточные холодильники и при постоянном давлении охлаждается до начальной температуры, при которой газ всасывался в первую ступень. Такой способ получения сжатого газа замедляет возрастание давления в каждом цилиндре, и влияние вредного пространства на производительность компрессора

уменьшается.

Индикаторная диаграмма многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением включает в себя следующие процессы:

а-1 - линия всасывания; 1-2 - сжатие в цилиндре по политропе; 2-b - нагнетание в холодильник; b-3 - всасывание охлажденного газа во второй цилиндр; 2-3 – охлаждение газа в первом холодильнике; 3-4 – политропное сжатие во втором цилиндре; 4-с - нагнетание во второй холодильник; с-5 - всасывание охлажденного ваза в третий цилиндр; 4- 5 - линия охлаждения во втором

холодильнике; 5-6 -политропное сжатие в третьем цилиндре; 6-d - нагнетание в резервуар (или сеть).

Из рисунка видно, что работа многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением газа тем меньше, чем ближе ломаная 1-2-3-4-5-6, отображающая процессы сжатия и охлаждения газа, расположится к изотерме 1-3-5-7. Чем больше количество ступеней у компрессора, тем теоретически экономичнее его работа. Однако при этом усложняется его конструкция и эксплуатация; поэтому часто ограничиваются двумя-тремя ступенями сжатия - вступают в силу технико-экономические соображения.

Рассмотрим работу многоступенчатого компрессора, у которого температура в конце сжатия во всех цилиндрах одинакова и газ охлаждается в холодильниках до одинаковой температуры равной температуре окружающей среды:

T1 T3 T5 TI

T2 T4 T6 TII

p2 p3 ; p4 p5

p1 - давление на входе p2 - давление в сети

Из уравнения политропы имеем:

128

Для m -ступенчатого компрессора степень повышения давления

x m pкон - так подсчитывают рациональное число ступеней сжатия и вычисляют степень повышения давления в одной ступени. ( pкон p2 p1 ) задается.

При этой величине отношения давлений на ступени выполняется условие минимальности суммарной технической работы цикла всего компрессора.

Работа на привод многоступенчатого компрессора складывается из работ на привод отдельных ступеней: