ттд Техническая термодинамика

1.ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

1.Привести сведения о назначении компрессоров и их основных типах.

2.Выполнить теоретический анализ процессов изотермического,

адиабатного, политропного процессов сжатия газа в компрессорах.

3.Выполнить теоретический анализ работы многоступенчатого компрессора.

4.Рассчитать охлаждаемый, неохлаждаемый и многоступенчатый компрессоры.

5.Сравнить эффективность процессов сжатия в этих типах компрессоров.

Задание по варианту № 9:

сp =20,79 , кДж/(кмоль·К) (для одноатомного газа Ar);

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ КОМПРЕССОРА

2.1. Назначение и типы компрессоров

Компрессорами называются устройства, предназначенные для повышения давления газов и паров. Повышение давления может

осуществляться за счет уменьшения объема (объемные компрессоры) или

торможения предварительно ускоренного потока (лопаточные

компрессоры).В свою очередь объёмные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные, а лопаточные – на центробежные и осевые.

Схема поршневого компрессора приведена на рис.1, а процессы – на диаграмме состояния p – v (рис.2). При движении поршня вправо

поступающего в цилиндр, из-за аэродинамического сопротивления всасывающего трубопровода и клапана несколько меньше давления среды,

из которой происходит всасывание. Вследствие наличия в реальном

компрессоре вредного пространства процесс всасывания начинается в точке

4. Перемещение поршня из крайнего правого положения – процесс сжатия 1– 2 – в общем случае сопровождается теплообменом между рабочим телом и стенками цилиндра и увеличением температуры. Из-за сопротивления нагнетательного клапана 5 он откроется при давлении выше давления p2

среды, куда происходит нагнетание. Процесс нагнетания изобразится линией

2–3. Процесс 3–4 соответствует расширению рабочего тела, оставшегося во вредном пространстве.

В ротационных компрессорах газ сжимается в

отдельных камерах переменного объёма, образуемых пластинами 1 (рис.3),

скользящими в пазах ротора 2 и прижимающимися под действием центробежной силы к стенкам корпуса 3. Ротор и корпус расположены эксцентрично, поэтому при перемещении камер их объем попеременно возрастает и уменьшается. Газ поступает через всасывающий патрубок 4,

сжимается при уменьшении объема и нагнетается в нагнетательный трубопровод 5.

В лопаточных компрессорах (центробежных и осевых) скорость газа увеличивается при помощи лопаток, вращающихся вместе с ротором компрессора. Кинетическая энергия потока газа превращается в потенциальную в расширяющихся каналах, образованных неподвижными лопатками, укрепленными на корпусе компрессора.

2. 2. Термодинамический анализ работы компрессора

Термодинамический анализа компрессоров разных типов одинаков,

так как в любом компрессоре осуществляется процесс политропного сжатия рабочего тела.

В общем случае процесс сжатия газа в компрессоре является политропным. Значения показателя

политропы лежат в интервале от n = 1 (изотермическое сжатие, охлаждаемый компрессор) до n = k (адиабатное сжатие,

неохлаждаемый компрессор). Работа,

затрачиваемая на сжатие, в этих процессах будет различной.

Охлаждаемый компрессор, изотермическое сжатие.

Процессы в охлаждаемом компрессоре изображены на диаграмме состояни p – v последовательностью процессов 0-1 2-3 (рис.4). Работа,

затрачиваемая на привод компрессора – это внешняя полезная работа L . Для изотермического сжатия удельное количество этой работы равно

и графически изображается площадью 1-2-3-0-1.

Тогда мощность N, затрачиваемая на сжатие G кг/с газа, равна

Вся энергия, подводимая в форме работы, в этом случае отводится в виде теплоты:

Неохлаждаемый компрессор, адиабатное сжатие.

Процессы в неохлаждаемом компрессоре изображены на диаграмме состояния p – v последовательностью процессов 1-2 -3-0-1 (рис.4).

Удельное количество работы равно

и графически изображается площадью 1-2 -3-0-1.

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора

применяемые для этих целей, при температурах 150…180оС начинают разлагаться, выделяя летучие компоненты, способные образовывать со сжимаемым газом взрывчатую смесь. Поэтому для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых сжатие осуществляется в нескольких последовательно соединённых цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждой ступени сжатия.

Схема такого трёхступенчатого компрессора изображена на рис.5.

В каждой ступени газ

сжимается от давления pi

до давления pi (i = 1,2,3 –

теплообменный аппарат, где охлаждается до температуры T1 при постоянном давлении.

Процессы в трехступенчатом компрессоре изображены на диаграммах состояния p – v (рис.6) и T – s (рис.7):

0–1 – процесс всасывания газа в первую ступень; 1–2, 3–4, 5–6 –

политропные процессы сжатия газа в ступенях компрессора; 2–3, 4–5 –

изобарные процессы охлаждения газа в теплообменных аппаратах.

Отводимая теплота эквивалентна заштрихованным площадям на рис.7. Точки лежат на изотерме T1. Работа сжатия газа в трёхступенчатом компрессоре равна сумме работ отдельных ступеней и изображается площадью

123456701. Она меньше площади фигуры 1а701, соответствующей работе политропного сжатия газа в одноступенчатом компрессоре на величину заштрихованной площади. Увеличение числа ступеней приближает процессы сжатия газа 123456 к изотерме, проходящей через точки 1,3,5, уменьшая работу сжатия (рис.6).

Минимальная работа на привод многоступенчатого компрессора затрачивается при равенстве степеней повышения давления во всех ступенях:

Для любого числа ступеней m степень повышения давления в каждой ступени равна

Аэродинамическое сопротивление трубопроводов, теплообменных аппаратов приводит к потерям давления, которые могут составлять 5…15% от давления нагнетания предыдущей ступени и учитываются коэффициентом потерь давления между ступенями . Тогда

где = 1.05 … 1.15,

а число ступеней многоступенчатого компрессора m можно определить по формуле

Мощность, затрачиваемая на привод многоступенчатого компрессора

N m N1 (13)

где N1 – мощность одной ступени, рассчитываемая по формулам (6) или (7)

для адиабатного и политропного сжатия соответственно.

Количество теплоты, отводимой водой в теплообменных аппаратах в единицу времени

C другой стороны, это количество теплоты выделяется в процессе изобарного охлаждения газа:

Температура в конце сжатия в каждой ступени определяется по формуле (9):

3. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ В КОМПРЕССОРАХ

Предварительно рассчитываем газовую постоянную для Ar по формуле (1):

pv RT, R 8314,4, Дж .

µ(СО)=40 г/моль

R=8314,4/40=207,9 Дж/(кг*К)

Определяем по классической теории теплоемкости массовую изобарную теплоемкость газа и показатель адиабаты k (приложение 2):

сp =20,79 , кДж/(кмоль·К) (для одноатомного газа Ar);

k=1,67;

отсюда выразим cp – массовую изобарная теплоемкость:

cp =20,79/µ=20,79/1,67=0,52 кДж/(кг*К)

И перейдем от объемного расхода газа к массовому:

где p0 = 760 мм рт.ст. = 1,013*105 Па, T0 = 273 К

G 1460*1,013*105 2856,24кг/ч 0,79кг/с 207,9*273

Теплоемкость охлаждающей воды равна cpв = 4,19 кДж/(кг K).

3.1 Расчет одноступенчатых компрессоров

Охлаждаемый компрессор, изотермическое сжатие

1. Рассчитываем удельное количество работы по формуле (2):

Т1= 15+273=298 К

Р1=0,95 бар= 0,95*105 Па

Р2= 100 бар= 100*105 Па