11. Термодинаміка процесу стиснення в компресорах

Значна частина енергії¹, що споживається при очистці нафти і хімічній переробці, витрачається на приведення в дію компресорів, що забезпечують стислими газами реактори і забезпечують охолоджування або транспортування газоподібних продуктів. Оскільки на стиснення газів зазвичай витрачається механічна енергія, її економія має особливе значення. Єдиними компресорами, не споживаючими механічної енергії, є ежектори, що створюють розрідження або забезпечують невисоке стиснення пари. Вони, використовуються як компресори і працюють за рахунок енергії пари.

Термодинамічні принципи стиснення однакові для компресорів всіх типів, у тому числі і пароструминних ежекторів².

турбокомпресори, знаходять широке застосування для стиснення великих об'ємів газів. Системи регулювання повинні спеціально розроблятися для кожної установки з метою зведення до мінімуму споживання енергії, а також захисту компресора і його приводу від несприятливих робочих умов. Ці системи можуть виявитися досить складними при великому числі компресорів або при великому числі потоків від одного багатоступінчатого компресора.

З метою визначення параметрів процесу і оцінки коефіцієнтів корисної дії спочатку розглядається стиснення ідеального газу . Отримані співвідношення застосовуються потім до реальних газів і газових сумішей.

4.1.1. Адіабатичне стиснення ідеального газу

У разі ізотермічного стиснення ідеального газу добуток тиску на об'єм однаковий в початковому і кінцевому станах

де р - абсолютний тиск, Q - об'ємна витрата, G - масова витрата, R - універсальна газова стала, Т - абсолютна температура, М - молекулярна маса газу. Проте в більшості компресорів ізотермічні умови⁵ не можна підтримувати через відсутність достатньої поверхні теплообміну: вірогідніше наближення до адіабатичних умов. Якщо процес стиснення є оборотним (політропним), то показник ступеня в рівнянні, що зв'язує об'єм і тиск зростає від одиниці (у ізотермічних умовах) до величини, рівної відношенню питомих теплоємностей газу:

- відношення питомої теплоємності при постійному тиску до питомої

теплоємності⁶ при постійному об'ємі. Відношення абсолютних температур газів, що нагнітаються, і всмоктуваного пов'язане зі ступенем стиснення співвідношенням:

При адіабатичному⁷ стисненні майже вся енергія, що підводиться,

витрачається на збільшення ентальпії рідини навіть в необоротному процесі. Нехай W - потужність, що підводиться до потоку, a G - масова витрата рідини. Тоді:

де С - питома теплоємність рідини і Т - її температура. Потужність, що підводиться, можна також представити як відношення добутку масової витрати і «адіабатичного тиску» на - параметр, зазвичай використовуваного виготовлювачами

компресорів:

де адіабатичний ККД , показуєна те, що не вся потужність⁹ перетвориться в тиск.

Якщо витрата виражається в кг/с і натиск в кДж/кг, то потужність матиме розмірність кВт.

Адіабатичний тиск можна розрахувати за підвищенням температури:

Ентальпія ідеального газу не залежить від тиску, і, отже, питома теплоємність в рівняннях (4.4) і (4.6) представляє питому теплоємність при постійному тиску С_р.

При підвищеннях температури, які зазвичай мають місце в процесі стиснення, С_р

можна вважати постійною величиною, і в цьому випадку рівняння (4.6) приймає вигляд:

Використовуючи співвідношення

і замінюючи відношення температур відношенням тиску, згідно з рівнянням (4.3), адіабатичний тиск можна виразити через степінь стиснення р₂ /р₁ при ККД, рівному 100%

У табл. 4.1 (для звичайних газів) наведені значення молекулярної маси і функцій у і φ. Для парафінового ряду та їх сумішей існує достатньо характерна залежність між цими функціями і молекулярною масою.