4. Рабочий процесс поршневого компрессора

Теоретический рабочий процесс одноступенчатого поршневого компрессора рассматривают при следующих допущениях:

– процессы всасывания (заполнения цилиндра) и нагнетания сжатого газа происходят при постоянных давлениях;

– вредное пространство отсутствует, что означает полное вытеснение сжатого газа из цилиндра;

– в ходе процессов в компрессоре отсутствует трение.

В этих условиях удельная работа привода компрессора, кДж/кг, из расчета на сжатие 1 кг газа составляет:

– при изотермическом сжатии

, (4.1)

где – начальная температура газа (перед сжатием);и– давления газа вначале и после сжатия;

– при адиабатном сжатии

; (4.2)

; (4.2а)

– при политропном сжатии

; (4.3)

. (4.3а)

Параметры сжатого воздуха рассчитывают по уравнениям, приведенным в разделе 3.

Теоретическая мощность привода компрессора, кВт,

, (4.4)

где – массовый расход газа, кг/с.

Количество отводимой в процессах сжатия теплоты вычисляют, используя зависимости в разделах 2 и 3.

Удельную энтропию идеального газа, кДж/(кг^.К), отсчитывают от состояния при нормальных условиях (= 101,3 кПа,= 0⁰С)

, (4.5)

где – изобарная удельная теплоемкость, кДж/(кг К);– удельная газовая постоянная, кДж/(кг^.К).

Многоступенчатое сжатие используют для достижения заданного давления сжатого газа. При этом принимают одинаковыми степени повышения давления в каждой из ступеней. После каждой ступени предусматривают охлаждение сжатого газа в изобарном процессе.

Задачи

4.1. Подача компрессора составляет 280 м³/ч, будучи определенной при температуре = 30⁰С и давлении = 0,1 МПа.

Определить теоретическую мощность привода компрессора при адиабатном сжатии азота до конечного давления = 0,8 МПа.

4.2. Определить подачу поршневого компрессора при изотермическом сжатии, если теоретическая мощность привода компрессора равна 40 кВт. Начальные параметры воздуха: = 0,1 МПа,= 20⁰С; конечное давление = 0,6 МПа.

4.3. Подача воздушного поршневого компрессора, равная 240 м³/ч, определена при начальных параметрах воздуха = 100 кПа,= 30⁰С. Конечное давление сжатого газа = 700 кПа. Показатель политропы процесса сжатияn = 1,1.

Определить:

– удельный объем и удельную энтропию перед сжатием;

– удельные объемы, температуры и удельные энтропии сжатого воздуха при изотермическом, политропном и адиабатном сжатии;

– теоретическую мощность привода компрессора при политропном сжатии, а также тепловой поток при охлаждении сжимаемого газа и расход охлаждающей воды.

Повышение температуры воды = 10⁰С.

Изобразить процессы сжатия в диаграммах и.

Решение

Выписываем из приложений Б и В справочные данные для воздуха:

28,96; = 0,287 кДж/(кг^.К); = 1,4;= 29,1 Дж/(моль^.К).

Определяем для воздуха:

– молярную массу по формуле (1.4а)

кг/моль;

– удельную изобарную теплоемкость по уравнению (1.12)

Дж/(кг^.К)=1,005 кДж/(кг^.К);

– удельную изохорную теплоемкость по зависимости (1.14)

кДж/(кг^.К).

Рассчитываем по формулам (1.1) и (4.5):

– удельный объем перед сжатием:

м³/кг;

– удельную энтропию

кДж/(кг^.К).

Вычисляем параметры сжатого воздуха по уравнениям (1.1), (3.4) и (4.5):

– при изотермическом сжатии

К;

м³/кг;

кДж/(кг^.К);

– при политропном сжатии

К;

м³/кг;

кДж/(кг^.К);

– при адиабатном сжатии

К;

м³/кг;

кДж/(кг^.К).

Удельная работа привода компрессора по уравнению (4.3а)

кДж/кг.

Массовый расход газа

кг/с.

Теоретическая мощность привода по формуле (4.4)

кВт.

Удельная теплоемкость газа при политропном сжатии по зависимости (3.2)

кДж/(кг^.К).

Удельная теплота, отводимая от воздуха в процессе сжатия,

кДж/кг.

Тепловой поток

кВт.

Расход охлаждающей воды

кг/ч,

где = 4,2 кДж/(кг^.К) – удельная теплоемкость воды.

Графики процессов представлены на рис. 4.1.

4.4. Подача воздушного компрессора 1 500 м³/ч, будучи определенной при нормальных условиях. Параметры воздуха во всасывающем патрубке компрессора: давление = 95 кПа и температура= 15⁰С. Давление воздуха увеличивается в 10 раз.

Определить для политропного процесса сжатия (n = 1,25):

– температуру сжатого воздуха;

– объемный расход сжатого воздуха на выходе компрессора;

– теоретическую мощность привода компрессора;

– расход охлаждающей воды при = 15⁰С.

4.5. Рассчитать изотермический процесс сжатия по исходным данным задачи 4.4.

Определить требуемые по условиям задачи 4.4. величины.

4.6. Поршневой компрессор сжимает 600 м³/ч воздуха от давления = 0,1 МПа до давления= 0,6 МПа.

Определить теоретическую мощность привода компрессора при изотермическом, адиабатном и политропном (n = 1,3) сжатии. Подача компрессора определена при нормальных условиях, начальная температура газа = 20⁰С.

4.7. В результате уменьшения расхода охлаждающей воды ухудшились условия охлаждения газа в компрессоре и температура сжатого азота увеличилась от 100 до 180 ⁰С. Как при этом изменилась теоретическая мощность привода компрессора? Степень повышения давления осталась прежней, равной пяти. Массовый расход азота не изменился. Начальная температура азота = 17⁰С.

Рис.4.1. Рабочий процесс поршневого компрессора

в диаграммах и

4.8. Определить относительное изменение теоретической мощности привода компрессора при переходе от одноступенчатого сжатия к двухступенчатому с охлаждением сжатого газа после первой ступени до первоначальной температуры. Повышение давления в 9 раз, при двухступенчатом сжатии – в каждой ступени в 3 раза. Сжатие политропное при n = 1,25.

4.9. Компрессор всасывает каждую минуту 100 м³ газа при температуре 20 ⁰С и давлении 0,1 МПа. Давление сжатого газа = 0,8 МПа.

Определить теоретическую мощность компрессора при адиабатном сжатии.

4.10. Доля объема вредного пространства по отношению к геометрическому объему цилиндра составляет 7 %.

Определить при какой степени повышения давления подача компрессора станет равной нулю. Процесс расширения оставшегося сжатого газа принять политропным при n = 1,3.