2. Компрессорные машины

В химической промышленности широко распространены процессы, которые осуществляются в газовой фазе при давлениях, значительно отличающихся от атмосферного. Интервал этих давлений лежит в пределах от 10^-3 до 10¹⁰ Па. В этих условиях при сжатии и транспортировании газов следует учитывать их сжимаемость, т.е. изменение плотности  или удельного объема , что приводит к изменению внутренней энергии газа и его температуры.

Машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называются компрессорными машинами.

1. Классификация компрессорных машин и их основные характеристики

Основными характеристиками компрессорных машин являются: производительность (объемный расход всасываемого газа), степень сжатия, мощность на валу компрессора N_в.

Степенью сжатия  называется отношение конечного давления p₂, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению p₁, при котором происходит всасывание газа .

В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин:

1) компрессоры ( > 3,0) – для создания высоких давлений;

2) газодувки (1,1 <  < 3,0) – для перемещения газов при относительно высоком сопротивлении газопроводящей сети;

3) вентиляторы ( < 1,1) – для перемещения газов при низком гидравлическом сопротивлении сети.

Поскольку в вентиляторах степень сжатия  мала, изменением плотности газа можно пренебречь. В зависимости от величины абсолютного давления компрессорные машины делятся на вакуумные (начальное давление ниже атмосферного), их еще называют вакуумными насосами; низкого давления (конечное давление газа менее 1.0 МПа), высокого ( конечное давление 1.0 - 100 МПа) и сверхвысокого (конечное давление свыше 100 МПа).

По способу сжатия газа компрессорные машины подразделяются на две группы: объемные и динамические.

В объемных компрессорах процесс сжатия газа происходит при периодическом изменении объема, занимаемого газом. В конструктивном отношении их подразделяют на поршневые и роторные.

В динамических компрессорах процесс сжатия происходит под действием непрерывного создания ускорений в движущемся потоке газа. Конструктивно их делят на центробежные и осевые.

Процессы сжатия газов. (Термодинамические основы). Конечное давление газа при сжатии зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой. Теоретически возможны два предельных случая сжатия:

1) все выделяющееся при сжатии тепло полностью отводится и температура газа при сжатии остается неизменной – изотермический процесс;

2) теплообмен газа с окружающей средой полностью отсутствует и все выделяющееся при сжатии тепло затрачивается на повышение внутренней энергии газа, повышая его температуру – адиабатный процесс.

В действительности сжатие газа лишь в большей или меньшей степени приближается к одному из этих теоретических процессов. При сжатии газа наряду с изменением его объема и давления происходит изменение температуры и одновременно часть выделяющегося тепла отводится в окружающую среду. Такой процесс сжатия называется политропным.

Для идеальных газов, подчиняющихся уравнению состояния Менделеева - Клапейрона,

. (8.42)

Вышеперечисленные процессы описываются следующими уравнении-ями:

- изотермический: ; (8.43)

- адиабатный: ; (8.44)

- политропный: , (8.45)

где  – удельный объем ,- показатель адиабаты, m – показатель политропы,- мольная масса,R – универсальная газовая постоянная.

Найдем удельную работу сжатия газа в изотермическом процессе, отнесенную к единице массы. При изотермическом процессе температура системы, а следовательно, и ее внутренняя энергия остаются неизменными. Тогда из первого закона термодинамики для покоящейся среды будем иметь

,  , (8.46)

т.е. вся энергия, подводимая к системе в форме работы сжатия, должна отводиться от нее в форме тепла. Полагая работу сжатия положительной, определим её как

. (8.47)

Выразив р из уравнения Менделеева-Клапейрона и проинтегриро-вав (8.47) определим работу сжатия в изотермическом процессе:

(8.48)

или, использовав (8.42) и (8.43), получим

. (8.49)

При адиабатном процессе, как это следует из первого закона термодинамики, вся работа сжатия идет на увеличение внутренней энергии системы

, . (8.50)

Проинтегрировав при постоянной изохорной теплоемкости С_v = const, получим

. (8.51)

Выразив Т₂ и Т₁ из уравнения (8.42), а также воспользовавшись (8.44), получим

(8.52)

или, учитывая, что для идеального газа ,

. (8.53)

Выражение для работы сжатия газа при политропном процессе будет иметь аналогичный вид:

. (8.54)

Проанализировав соотношения (8.49), (8.53) и (8.54) с учетом того, что показатель адиабаты для газов имеет величину около k = 1,3, а показатель политропы 1< m <k, можно сделать вывод, что наибольшая работа сжатия наблюдается в изотермическом процессе, а наимень- шая – в адиабатном.

При давлениях на выходе из компрессора более 10 МПа следует пользоваться уравнением состояния реального газа

, (8.42а)

где z – коэффициент сжимаемости.

Теоретическая мощность Nт (Вт), затрачиваемая на сжатие газа компрессором, определяется по уравнению

, (8.55)

где G= – массовая производительность компрессора, кг/с; A_K – теоретическая работа, затрачиваемая компрессором на сжатие 1 кг газа, Дж/кг.