Многоступенчатое сжатие газа

При одноступенчатом сжатии газа, осуществляемом в одном цилиндре, невозможно достичь высоких степеней сжатия по указанным ранее причинам. Поэтому в одной ступени ограничивают величину степени сжатия  При необходимости получения степени сжатия  поршневой компрессор выполняют многоступенчатым. Схема многоступенчатого компрессора приведена на рис. 48.

Принцип работы многоступенчатого компрессора состоит в следующем. Через клапан 5 первой ступени происходит всасывание газа. После сжатия газ через холодильник 9 направляется на вторую ступень компрессора. Причем всасывание газа во второй ступени происходит при давлении сжатия первой ступени. Всасывание газа в третьей ступени выполняется через холодильник 20 при давлении сжатия второй ступени. Через нагнетательный клапан третьей ступени осуществляется нагнетание газа через холодильник к потребителю. Диаграмма процессов сжатия в трехступенчатом компрессоре в -координатах представлена на рис. 49.

Рис. 48. Схема многоступенчатого поршневого компрессора:

2 , 13 , 24 – цилиндры компрессоров с охлаждающей рубашкой; 3 , 14 , 25 – поршни;

9 , 20 , 30 – холодильники; 5 , 16 , 27 – всасывающие клапаны; 6 , 17 , 28 – нагнетательные клапаны; 1, 12 , 23 , 10 , 21 , 31 – вход холодной воды; 8 , 11 , 19 , 22 , 32 , 34 – выход

охлаждающей воды; 4 , 15 , 26 – вход рабочего тела – газа; 7, 18 , 29 – выход сжатого газа;

33 – выход охлажденного газа

 

Рис. 49. Индикаторная диаграмма идеального трехступенчатого компрессора

Рассмотрим процессы: 0–1 – линия всасывания газа в первую ступень компрессора; 1–2 – политропный процесс сжатия газа в первой ступени; 2–а – линия нагнетания газа в холодильник 9; а–3 – линия всасывания во вторую ступень компрессора; 3–4 – политропный процесс сжатия во второй ступени; 4–b – линия нагнетания в холодильнике 20; b–5 – линия всасывания в третью ступень компрессора;

5–6 – политропный процесс сжатия в третьей ступени;

6–с – линия нагнетания газа к потребителю.

Отрезки 2–3 и 4–5 изображают уменьшения объема газа в процессе при постоянном давлении в холодильниках 9 и 20. Охлаждение производится до одной температуры, равной температуре всасывания газа в первой ступени Т₁. Поэтому температуры в рабочих точках 1, 3 и 5 будут одинаковыми, и через них можно провести изотерму 1–7.

Отношение давлений для каждой ступени обычно принимается одинаковыми, равным степени сжатия  

В случае равенства начальных температур и показателей политропы конечные температуры также будут равны, т. е. Т₂ = Т₄ = Т₆. Отсюда следует, что p₂ = p₃. Так как p₂ = p₃ и p₄ = p₅, то .

При z-ступенях компрессора:  где – начальное и конечное давление сжимаемого газа соответственно.

Ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением приближает рабочий процесс компрессора к наиболее экономичному изотермическому сжатию, и чем больше ступеней сжатия, тем больше процесс сжатия будет приближаться к изотермическому. При равенстве температур газа на входе в каждую ступень и равенстве отношений давлений затрата работы на сжатие во всех ступенях будут одинаковыми, т. е. l₁ = l₂ = l₃,

      

 отсюда  или при z-ступенях l_к = z l₁.

Работа на привод трехступенчатого компрессора при политропном сжатии во всех ступенях в p, V-диаграмме может быть определена площадью фигуры 0123456с0. Если процесс политропного сжатия до давления  производится в одноступенчатом компрессоре, то затраченная работа будет равна площади фигуры 018с0. Отсюда экономия работы будет численно равна площади 2345682.

В реальном многоступенчатом компрессоре с целью уменьшения объема «мертвого» пространства диаметры цилиндров изменяются в сторону уменьшения в геометрической прогрессии.

 

Рис. 50. T, S-диаграмма политропного сжатия газа в трехступенчатом компрессоре

В T, S-диаграмме процессы политропного сжатия изображены на рис. 50 кривыми 1–2, 3–4 и 5–6, а процессы охлаждения в охладителях – линиями 2–3, 4–5 и 6–7. Площади а12b, с34d и е56f равны между собой вследствие равенства температур. Это показывает, что во всех цилиндрах от газа при его сжатии отводится одно и то же количество теплоты. Площади b23c, d45e и f67i также равны между собой, а из этого следует, что в охладителях при изобарном процессе охлаждения отводится одно и то же количество теплоты.

 

Контрольные вопросы

1. Какая существует классификация компрессорных машин?

2. Что такое идеальный поршневой компрессор, какова его индикаторная диаграмма и как рассчитывается его работа?

3. Как выглядит действительная индикаторная диаграмма компрессора при наличии «мертвого» пространства?

4. Как выглядит индикаторная диаграмма компрессора при наличии сопротивления клапанов?

5. Как определяется производительность реального компрессора с учетом коэффициента подачи?

6. Что такое предел сжатия и для чего он служит?

7. Как изображается индикаторная диаграмма реального компрессора с учетом всех потерь?

8. Как вычисляется количество отводимой теплоты при различных процессах сжатия?

9. Какими выражениями определяется мощность на привод одноступенчатого компрессора?

10. Каковы основные причины необходимости применения многоступенчатого сжатия?

11. Как выглядит принципиальная схема и индикаторная диаграмма многоступенчатого компрессора в p, V-диаграмме?

12. С помощью каких выражений вычисляется работа на привод при многоступенчатом сжатии?

Задачи

Задача 1. Компрессор всасывает  воздуха при давлении  и температуре t₁ = 27 ºС. Конечное давление воздуха составляет  Найти теоретическую мощность двигателя для привода компрессора и расход охлаждающей воды, если температура ее повышается на 13 °С. Расчет произвести для изотермического, адиабатного и политропного сжатия. Показатель политропы принять равным , а удельная теплоемкость воды .

Решение

Изотермическое сжатие

Работа компрессора:  кВт·ч.

Теоретическая мощность двигателя: .

Теплоту, отводимую с охлаждающей водой, находим из уравнения теплового баланса: кВт·ч. Следовательно, расход охлаждающей воды

.

 

Адиабатное сжатие

Работа компрессора:

 кВт·ч.

Теоретическая мощность двигателя: .

Расход охлаждающей воды не определяется, так как теплота не отводится Q = 0 (из названия процесса).

 

Политропное сжатие

Работа компрессора:

 кВт·ч.

Теоретическая мощность двигателя:

Теплоту, отводимую с охлаждающей водой, находим из уравнения теплового баланса:  где G – массовый расход воздуха в компрессоре,  R – удельная газовая постоянная воздуха, ; ;

Расход охлаждающей воды: .

 

Задача 2. Одноступенчатый компрессор, имеющий коэффициент «мертвого» пространства , сжимает  воздуха при нормальных условиях от давления p₁ = 0,1 МПа и температуры t₁ = 20 °С до давления p₂ = 0,7 МПа. Сжатие и расширение воздуха совершается по политропе с показателем n = 1,3. Определить потребную мощность двигателя для привода компрессора и его объемный КПД (коэффициент всасывания). Эффективный КПД компрессора при политропном сжатии h_п = 0,7.

Решение

Рис. 51. К задаче 2

V

Работа компрессора определяется площадью индикаторной диаграммы 1234, рис. 51. Эта площадь может быть определена как разность площадей 1265 и 4365, т. е. как разность работ двух идеальных компрессоров. Следовательно,

Для 1 м³ всасываемого воздуха  и, следовательно,

Полученное выражение совпадает с формулой, определяющей работу компрессора при отсутствии «мертвого» пространства. Объясняется это тем, что сжатый газ, остающийся в «мертвом» пространстве, расширяется до начального давления, компенсируя ту работу, которая была затрачена на его сжатие. Тогда теоретическая работа компрессора: .

Потребная мощность двигателя: .

Объемный КПД компрессора: .

Определим значение величин, входящих в это выражение:

; .

 

Следовательно, ; ; .

Тогда общий КПД компрессора: .

Объемный КПД компрессора можно также вычислить по формуле:

 (в допустимых пределах ошибки).

Задача 3. Воздух при давлении p₁ = 0,1 МПа и температуре t₁ = 20 °С должен быть сжат по адиабате до давления p₂ = 0,7 МПа. Определить температуру в конце сжатия, теоретическую работу компрессора и величину объемного КПД: а) для одноступенчатого компрессора; б) для двухступенчатого компрессора с промежуточным холодильником, в котором воздух охлаждается до начальной температуры. Относительная величина «мертвого» пространства e = 5 %.

Решение

а) Одноступенчатое сжатие

Температура в конце сжатия: .

Теоретическая работа компрессора:

.

Объемный КПД компрессора:

.

 

б) Двухступенчатое сжатие

Степень сжатия в каждой ступени:

Температура в конце сжатия:

 

Теоретическая работа двух ступеней компрессора:

.

Объемный КПД компрессора: .

Полученные результаты приведены в таблице ниже.

 

Наименование величины	Одноступенчатое сжатие	Двухступенчатое сжатие
Температура в конце сжатия, °С	257	123
Теоретическая затрата работы,	238410	204534
Объемный КПД	0,73	0,912

 

 

Задача 4. Для двигателя с воспламенением от сжатия необходим трехступенчатый компрессор, подающий  воздуха при давлении 8 МПа. Определить теоретическую мощность компрессора. Сжатие считать адиабатным. В начале сжатия p₁ = 0,095 МПа и t₁ = 17 ºС.

Решение

Отношение давлений в каждой ступени: .

Таким образом,  и  и, следовательно,

, .

Затрата работы на каждую ступень компрессора:

Затрата работы на трехступенчатый компрессор:

Мощность компрессора: .

 

 

15. ЦИКЛЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
С ГАЗООБРАЗНЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ

В реальных тепловых машинах превращение теплоты в работу связано с целым комплексом сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, учет которых делает изучение циклов достаточно сложным, основанным в большей мере на результатах экспериментов. Такие циклы тепловых двигателей называются действительными. Однако стремление выявить основные закономерности, влияющие на экономичность работы теплоэнергетической установки, оценить совершенство действительных процессов, происходящих в этих установках, вынуждает на первой стадии изучения отбросить все второстепенное с тем, чтобы по возможности полнее отождествить процессы с обратимыми термодинамическими процессами. Для того чтобы получить возможность вместо действительных циклов рассматривать циклы термодинамические, состоящие из обратимых термодинамических процессов, необходимо работу тепловых машин в определенной степени идеализировать. Эта идеализация сводится к тому, что в идеальных термодинамических циклах:

- считается, что процессы протекают во всех своих стадиях с постоянным количеством рабочего тела;

- отбрасывается возможность сгорания топлива, в связи с чем химический состав рабочего тела принимается постоянным при всех стадиях термодинамического цикла. Процесс сгорания при этом заменяется подводом теплоты к рабочему телу от некоторого фиктивного горячего источника теплоты;

- процессы сжатия и расширения рабочего тела принимаются адиабатными;

- удаление отработавшего рабочего тела не учитывается и заменяется отводом теплоты от рабочего тела через стенки цилиндра к так называемому холодному источнику теплоты (холодильнику);

- теплоемкости рабочих тел принимаются не зависящими от температуры;

- рабочим телом является идеальный газ.

Анализ термодинамических циклов различных тепловых двигателей показывает, что все они могут рассматриваться как частные случаи некоторого условного цикла, показанного в p, V- и T, S-диаграммах.

15.1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Французский физик и инженер, один из основоположников термодинамики Сади Карно указал на возможность создания двигателей внутреннего сгорания. Идеи, высказанные им в работе «Размышления о движущей силе огня», в дальнейшем были полностью реализованы. Немецкий инженер Николаус Август Отто осуществил идеи Карно в созданном им в 1877 г. бензиновом двигателе. В 1897 г. немецким инженером Рудольфом Дизелем был разработан двигатель высокого сжатия, который работал на керосине. Распыление керосина осуществлялось воздухом высокого давления, получаемого от компрессора. В 1904 г. русский инженер Густав Васильевич Тринклер построил компрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива – сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель получил в настоящее время широкое распространение.

Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы.

1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме  (цикл Отто).

2.  Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении  (цикл Дизеля).

3. Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при , так и при  (цикл Тринклера).

При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) к числу определяемых величин относятся: количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла, термический КПД цикла.

Основные характеристики любого ДВС:

1) степень сжатия – отношение начального удельного объема рабочего тела к его удельному объему в конце сжатия,

2) степень повышения давления – отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты,

3) степень предварительного (изобарного) расширения – отношение объемов в конце и в начале изобарного процесса подвода теплоты,

ДВС обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых машин. Во-первых, благодаря тому, что у ДВС горячий источник тепла находится как бы внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод тепла от горячего источника к рабочему телу. Во-вторых, в тех тепловых двигателях, в которых подвод тепла к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника, верхний предел температуры рабочего тела в цикле ограничивается значением температуры, допустимым для конструкционных материалов.

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться: