4.7 Сжатие газов
Для перемещения газов и проведения технологических процессов в газовой фазе при высоком давлении применяется сжатие (компрессия) газов. С этой целью используются гидравлические машины: вентиляторы, газодувки и компрессоры.
Основная задача гидравлических машин - увеличение энергии газа (потенциальной энергии).
Отношение конечного
давления, создаваемого гидравлической
машиной (
),
к начальному (
),
при котором происходит всасывание газа,
называется степенью сжатия (С),
.
(4.105)
По степени сжатия все гидравлические машины можно разделить на три группы
- вентиляторы (
),
предназначенные для перемещения больших
количеств газа на небольшие расстояния;
- газодувки (
),
применяющиеся для транспортировки
больших количеств газа на большие
расстояния, при существенных гидравлических
сопротивлениях системы, в которой
перемещается газ;
- компрессоры (
),
позволяющие получить газ высокого
давления.
По принципу действия все компрессоры можно разделить на объемные и динамические.
В объемных компрессорах сжатие происходит в результате периодического уменьшения объема, занимаемого газом. К ним относятся поршневые, мембранные и роторные компрессоры.
В динамических компрессорах сжатие происходит за счет действия на вращающийся газ центробежной силы инерции.
По величине создаваемого рабочего давления все компрессоры можно разделить на:
- вакуумные (
,
забор газа производится из зоны с
давлением меньше атмосферного);
- низкого давления (конечное давление до 1 МПа);
- высокого давления (конечное давление до 100 МПа);
- сверхвысокого (конечное давление больше 100 МПа).
4.7.1 Термодинамика компрессорного процесса
При работе компрессорных машин происходит сжатие газа с изменением его объема, давления и температуры. Для идеального газа в соответствии с уравнением Менделеева - Клайперона можно записать
,
(4.106),
где - абсолютное давление газа, Па;
- удельный объем
(объем, занимаемый единицей массы газа),
м
/кг;
- универсальная
газовая постоянная,
;
- абсолютная
температура, К.
Процессы сжатия
газа в компрессорах удобно изображать
на диаграмме давление – удельный объем
(
).
Исходный газ
(состояние 1) давлением
с удельным объемом
подвергается сжатию до состояния 2 –
до давления
;
при этом удельный объем газа уменьшается
до
.
Одновременно изменяется температура
от
до
.
Ход кривой 1-2 зависит от условий сжатия.
Рисунок 4.26 - Кривые
сжатия газа
1) Изотермическое
сжатие. Процесс сжатия сопровождается
разогревом газа. Чтобы температура была
постоянной (
),
необходимо интенсивно отводить тепло.
В случае изотермического сжатия (
)
процесс изображается линией
.
Согласно уравнению (4.106)
.
(4.107)
2) Для адиабатического
сжатия (полная тепловая изоляция, нет
подвода и отвода тепла, энтропия остается
постоянной) процесс идет по кривой
;
при этом
,
(4.108)
где
- показатель адиабаты (для двухатомных
газов К=1,4;
для одноатомных К=1,67;
для трехатомных К=1,3).
3) Для политропного
процесса (когда
,
)
процесс идет по линии
.
При этом
.
(4.109)
Выражения (4.107) и (4.108) – частные случаи уравнения (4.109). При m=1 это уравнение (4.107); при m=k – уравнение (4.108).
В реальных условиях всю теплоту (выделенную) отвести не удается из-за ограниченной поверхности теплосъема. Поэтому реальный процесс сжатия идет по линии 1-2'', т.е. с показателем политропы m>k.
При эксплуатации компрессоров нужно знать температуру газа после компрессора. Запишем уравнение Менделеева – Клайперона для исходного газа и сжатого газа
и
и найдем соотношение температур
.
(4.110)
Для политропного процесса
.
(4.111)
Подставив соотношение (4.111) в уравнение (4.110), получим
.
(4.112)
Тогда
.
(4.113)
Температура сжатого газа не должна превышать 470К. Ограничением по температуре являются вязкостные свойства смазки, применяемой в компрессорах. При повышении температуры вязкость смазки снижается, она плохо удерживается на трущихся поверхностях (стекает). Поэтому расход смазки возрастает. Рабочий предел температур современных смазок ограночен значениями 189…200ºС.
4.7.2 Устройство и работа поршневого компрессора
Рабочий цикл включает три стадии: всасывание, сжатие, нагнетание.
1-корпус;
2-поршень; 3-шток;
4 - всасывающие
клапаны; 5-нагнетательные
клапаны; 6-напрвляющие; 7-ползун; 8-шатун;
9-кривошип; 10-маховое колесо; 11-охлаждающая
рубашка; 12-уплотнение; I-газ;
II-охлаждающая
вода
Рисунок
4.27 - Схема поршневых компрессоров
простого (а) и двойного (б) действия
4.7.3 Теоретическая и реальная индикаторная диаграмма
Теоретическая индикаторная диаграмма предполагает, что поршень подходит к крышке вплотную, начальный объем газа равен нулю (т.а)
Рабочий цикл складывается из следующих стадий:
a-b
- всасывание газа при
;
объем газа увеличивается от нулю до
;
b-c - сжатие газа от до ; объем уменьшается от до ;
c-d
- выталкивание газа при
;
объем уменьшается от
до нуля;
d-a – перемена направления движения поршня; при этом объем уменьшается до нуля, давление мгновенно падает до значения .
В идеале - давление у источника газа, - давление у потребителя газа.
В
реальных условиях поршень не подходит
вплотную к крышке цилиндра и всегда
остается некоторый зазор, заполненный
газом (рисунок 4.27). Этот зазор образует
свободный объем или так называемое
вредное (“мертвое”) пространство. На
начальной стадии всасывания газ,
заполняющий вредное пространство,
расширяется, и всасывающий клапан не
открывается, т.е. производительность
снижается.
Рисунок 4.28.
Теоретическая индикаторная диаграмма
)
простого действия можно определить по
уравнению
,
(4.114)
где
- площадь поперечного сечения и ход
поршня;
- число оборотов маховика в секунду;
- коэффициент
подачи, отражающий запаздывание клапанов
(
находится в пределах 0,85 для малых ПК до
0,95…0,98 для крупных);
- объемный коэффициент
полезного действия;
<1.
В
еличина
зависит от свойств газа и конструкции
компрессора. С увеличением степени
сжатия объемный коэффициент уменьшается
и может принять значение, равное нулю.
При этом компрессор перестает подавать
газ потребителю (
=0),
работая “на себя”. Степень сжатия, при
которой
=0,
называется пределом сжатия.
Рисунок 4.29 -
Реальная индикаторная диаграмма