14.3. Определение количества теплоты, отведенной от газа при различных процессах сжатия

Изобразим процессы сжатия в – диаграмме, рис. 46.

Рисунок 46 – Процессы сжатия газа в компрессоре.

Количество отнимаемой от газа теплоты при изотермическом сжатии ( ) эквивалентно площади а2’1с. Отводимая теплота в политропном процессе ( ) эквивалентна площади b21с. Из сопоставления, следует, что в изотермическом процессе отводится больше теплоты. При адиабатном сжатии теплота не отводится.

В случае изотермического сжатия

или

С учетом массовой производительности , отводимая теплота составит

Поскольку , имеем

где – объемный расход газа, .

В случае политропного сжатия

Учитывая, что в политропном процессе

После подстановки в последнее уравнение и некоторых преобразований получаем

С учетом производительности

или

Осуществить изотермическое сжатие в реальном компрессоре нельзя из-за ограниченных возможностей теплопередачи от сжимаемого в цилиндре газа к охладителю. Наиболее эффективно водяное охлаждение, когда вода пропускается через водяную рубашку цилиндра компрессора. Но и при водяном охлаждении показатель политропы сжатия воздуха .

Применяется также воздушное охлаждение. Воздухом обдувается наружная поверхность цилиндра, площадь которой увеличивается оребрением. При воздушном охлаждении сжатие идет по политропе с показателем близким к показателю адиабаты . Воздушным охлаждением отводится в основном теплота, выделяемая вследствие трения подвижных частей компресссора.

При неизотермическом сжатии температура газа возрастает, что приводит к нагреванию поршня и цилиндра. Разогрев трущихся деталей ограничен максимально допустимой температурой работы системы смазки.

Как отмечалось ранее, наличие в реальных компрессорах «мертвого» пространства влияет на производительность тем больше, чем выше степень повышения давления. Таким образом, степень повышения давления газа в одноступенчатом компрессоре ограничена по условиям теплового режима работы и необходимостью уменьшения уровня влияния «мертвого» пространства.

Для сжатия газов до необходимого на практике высокого давления применяются многоступенчатые компрессоры.

14.4. Мощность привода и коэффициент полезного действия компрессора

В энергетике под КПД понимают отношение полезно использованной энергии ко всей затраченной. И чем выше процент полезно использованной энергии из всего ее затраченного количества, тем выше КПД. В случае компрессорных машин такое определение КПД оказывается неприемлемым.

Поэтому для оценки степени совершенства реальных компрессорных машин их сравнивают с идеальными. При этом для охлаждаемых компрессоров вводится термический КПД

где , – соответствующие мощности приводов двигателей,

, ;

– работа на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии;

– работа на привод реального охлаждаемого компрессора.

При расходе газа , затраченная работа определяется по формуле (работа сжатия принимается положительной)

отсюда мощность приводного двигателя

Для неохлаждаемых машин вводится адиабатический КПД

где – работа на привод идеального компрессора при адиабатическом сжатии.

Значения и для различных типов компрессоров определяется из заводских испытаний и приводятся в справочниках.

Мощность двигателя привода компрессора при изотермическом сжатии

Адиабатный и изотермический процессы сжатия могут рассматриваться лишь как теоретические. В реальном компрессоре сжатие происходит по политропе. Формула для определения эффективной мощности в политропном процессе с учетом потерь на трение, влияния «мертвого» пространства, а также уменьшения подачи из-за нагрева имеет вид

где – работа на привод компрессора при политропном сжатии, ;

– КПД компрессора при политропном сжатии;

– механический КПД, учитывающий потери на трение;

– КПД компрессора, учитывающий влияние «мертвого» пространства и подогрева газа.

Работа определяется по формуле , где показатель политропы , находится как правило, по параметрам газа в начале и в конце процесса.