6.1.5. Эксергетический кпд

Более полно термодинамическую эффективность оценивает эксергетический КПД компрессорной установки:

, (6.4)

где E₁– эксергия потока сжатого воздуха на выходе из компрессорной установки, кВт;E_вэр– эксергия теплоты охлаждающей компрессор воды, если она полезно использована на производстве, кВт;E_вх– эксергия подведенной к компрессору энергии (для привода), кВт;– эксергия затрат энергии во вспомогательных элементах КУ (система осушки сжатого воздуха, градирни, циркуляционные насосы и пр.), кВт

Значение полной эксергии сжатого воздуха E₁, кВт, вычисляется по соотношению

, (6.5)

где G_в– массовая производительность компрессорной установки, кг/с. Удельная эксергия сжатого воздухаe, кДж/кг, определяется из выражения:

, (6.6)

где i, s– энтальпия и энтропия сжатого воздуха, которые определяются по термодинамическим таблицам или диаграммам при параметрах воздуха на выходе из КУ, кДж/(кгК);i_о.с,s_о.с.– энтальпия и энтропия воздуха (окружающей среды), котрые определяются при давлении и температуре на входе в компрессор, кДж/(кгК).

6.1.6. Мощность компрессора

При известных термодинамических КПД _из и _ад легко вычисляется внутренняя работа компрессораl_i, кДж/кг по известным соотношениям:

или, (6.7)

где значения l_изиl_ад, кДж/кг, определяются по соотношениям (6.1) и (6.3).

Но кроме внутренних потерь в компрессоре есть еще механические потери, которые оцениваются механическим КПД. Для обычных серийных конструкций можно принимать _м=0,96-0,98, тогда эффективная работа компрессораl_е, кДж/ кг, находится из соотношений:

или. (6.8)

При известной массовой подаче компрессора G_в, кг/с, потребляемая мощностьN_e, кВт, составит:

или. (6.9)

Знание этой мощности позволит определить требуемую мощность привода.

6.2. Ступенчатое сжатие и его расчет

6.2.1. Ступенчатое сжатие в поршневых компрессорах (пк)

Давление, создаваемое компрессорами в производственных системах воздухоснабжения, обычно составляет 0,6-1,0 МПа (т.е. ). Получение такого давления в одной ступени затруднительно. Причиной этого в объемных машинах является чрезмерное повышение температуры в конце сжатия. Поэтому следует, во-первых, применять возможно более интенсивное охлаждение газа в процессе его сжатия и, во-вторых, производить сжатие в последовательно соединенных ступенях, осуществляя понижение температуры газа в промежуточных воздухоохладителях.

Применение ступенчатого сжатия с охлаждением газа в охладителях между ступенями дает большую экономию в энергии, расходуемой на привод компрессора.

Самым выгодным компрессорным процессом, обеспечивающим наименьший расход энергии на привод, является изотермический процесс. Такой процесс, из-за затрудненных условий теплообмена между сжимаемым газом и охлаждающей водой, практически неосуществим. Приближение к изотермическому процессу возможно путем увеличения количества ступеней компрессора при выносном промежуточном охлаждении воздуха. При этом уменьшается мощность привода, но усложняется конструкция КУ и увеличивается ее стоимость.

В компрессоростроении выработаны нормативы по определению необходимого числа ступеней ПК zв зависимости от степени повышения давления_к:

к	z
До 6	1
6-30	2
30-100	4
100-150	5
Выше 150	6 и более

При одинаковых условиях охлаждения воздуха по ступеням минимум затрат энергии в многоступенчатом сжатии имеет место при равенстве степеней повышения давления во всех ступенях, т.е.

₁=₂=₃=. . .=_i. (6.10)

Это положение, как правило, использовано конструкторами компрессорных машин, поэтому в тепловом расчете при определении степеней повышения давления в ступенях следует пользоваться соотношением

, (6.11)

где и – давления нагнетания и всасывания в компрессоре соответственно;P_ку– давление за компрессорной установкой;– коэффициент, учитывающий потери давления в ПО и ВОК (обычно).

Потребляемая мощность многоступенчатого компрессора должна определяться как сумма мощностей отдельных ступеней. Например, для двухступенчатого водоохлаждаемого ПК она вычисляется по соотношению:

, (6.12)

где удельные работы сжатия находятся в соответствии с (6.1) как

и. (6.13)

Здесь значения температуры воздуха на входе в соответствующие ступени определяются условиями всасывания компрессора и эффективностью промежуточного воздухоохладителя.

Значения температур воздуха в конце процессов сжатия в ступенях могут быть вычислены по уравнению адиабаты с учетом поправок на реальные условия работы:

и, (6.14)

где =0,93-0,96 – коэффициент, учитывающий подогрев воздуха при всасывании;– показатель политропы процесса (k=1,4).