Материал: Теоретические основы теплотехники 1
116
са. Это связано с тем, что необратимые потери работы переходят в теплоту
** |
** |
0 |
и энтропия при этом возрастает. |
внутреннего теплообмена w |
q |
||
Отношение потенциальных работ |
w1,2a и w1,2 в процессах сжатия 1–2а |
||
и 1–2 характеризует внутренние необратимые потери и определяет относи-
тельный внутренний КПД компрессора
|
|
w |
|
1,2a |
|||
|
|
||
ic |
|
w |
|
|
|
||
|
|
1,2 |
1
.
(302)
На диаграмме рис. 30 видно, что переход от адиабатного процесса сжа-
тия (1–2а) к изотермическому (1–2u) приводит к уменьшению работы сжатия и наоборот.
Рис. 29. Процесс сжатия |
Рис. 30. Процесс сжатия |
в компрессоре в диаграмме h-s |
в компрессоре при различных |
|
показателях процесса |
Для изотермического процесса удельная работа обратимого сжатия идеального газа может быть определена по уравнению
117
|
|
|
p |
|
p |
|
||
w1,2 |
p1v1 |
ln |
|
1 |
RT1 ln |
|
1 |
. |
p |
|
p |
|
|||||
|
|
|
2 |
|
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
(303)
Реализация изотермического процесса в компрессорах, при проведении которого необходимо постоянно отводить теплоту, чтобы температура газа в процессе оставалась неизменной, практически трудно осуществима. Изотер-
мический процесс сжатия является как бы эталонным, к которому стремятся приблизить реальный процесс сжатия газа в компрессорах.
Термодинамический процесс многоступенчатого компрессора
При высоких степенях сжатия газа в одноступенчатом компрессоре в конце процесса температура газа достигает весьма высокого значения, что нежелательно, в частности, из-за опасности воспламенения масла в системе смазки. Поэтому для получения газа высокого давления используют много-
ступенчатые компрессоры, представляющие собой несколько последователь-
но соединенных одноступенчатых компрессоров.
Между отдельными ступенями устанавливают теплообменники, обес-
печивающие охлаждение газа, сжатого в предыдущей ступени (рис. 31).
Рис. 31. Схема двухступенчатого компрессора:
1 – первая ступень сжатия (компрессор низкого давления); 2 – промежуточный холодильник; 3 – вторая ступень сжатия (компрессор высокого давления)
118
Газ при давлении р1 через впускной клапан поступает в компрессор низкого давления (1), где сжимается политропно по линии 1–2 с некоторым отводом теплоты через стенки компрессора (рис. 32а). Сжатый газ поступает в холодильник (2), где, проходя по змеевику, он охлаждается проточной во-
дой до первоначальной температуры Т1 (2–2') и входит в компрессор высоко-
го давления (3). Здесь газ вновь сжимается с некоторым отводом теплоты
(2'–3) и подается в нагнетательную линию.
а |
б |
Рис. 32. Диаграмма сжатия газа в двухступенчатом компрессоре в координатах p-v (а) и T-s (б)
Промежуточное охлаждение газа в холодильнике дает существенный
выигрыш в |
работе, |
измеряемой площадью |
2-2'-3-3' в |
координа- |
тах р–v (рис. 32а). |
|
|
|
|
Теплота, |
отданная |
газом в холодильнике, |
определяется |
площадью |
2-2'-с-b в координатах Т–s. |
|
|
||
Для получения наименьшей работы сжатия при проектировании много-
ступенчатых компрессоров стремятся, во-первых, обеспечить равенство тем-
ператур газа на входе во все ступени компрессора и, во-вторых, обеспечить равенство работ сжатия по всем ступеням компрессора. Последнее условие
119
можно выполнить, если степень повышения давления каждой ступени ком-
прессора одинакова.
Под степенью повышения давления понимается отношение давления газа на выходе из ступени к давлению на входе в ступень, т. е.
C1 p2 p1 . |
(304) |
Если в компрессоре не две, а т ступеней, то распределение давлений между ступенями идеального компрессора должно отвечать условию
C |
C |
1 |
2 |
... Cm
|
m |
C |
|
|
.
(305)
Таким образом, зная начальное рн, и конечное рк давления газа в ком-
прессоре, можно определить общее соотношение давлений сжатия (C = рк/рн)
и подсчитать давления сжатия по ступеням. Затем по уравнению подсчитать работу сжатия в каждой ступени и, просуммировав работы сжатия по ступе-
ням, определить общую работу сжатия по компрессору в целом.
Чем больше ступеней сжатия в многоступенчатом компрессоре с про-
межуточным охлаждением рабочего тела, тем ближе процесс приближается к изотермическому и тем сложнее и дороже компрессор.
12. Циклы паросиловых установок и холодильных машин
Паросиловая установка. Цикл Ренкина
В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются па-
ры различных жидкостей (вода, ртуть и т. п.), но чаще всего водяной пар.
В паровом котле паросиловой установки (1) за счет подвода теплоты
Q1, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при посто-
янном давлении р1 (рис. 33). В пароперегревателе (2) он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (3) (например, в паровую турбину), где
120
полностью или частично расширяется до давления р1 с получением полезной работы L1. Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор (4),
где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р2.
Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработав-
шим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-
конденсатор (4).
Рис. 33. Схема простейшей паросиловой установки
После холодильника сконденсированный пар поступает на вход насоса
(5), в котором давление жидкости повышается с величины р2 до первона-
чального значения р1 после чего жидкость поступает в паровой котел (1).
Цикл установки замыкается. Если в холодильнике (4) происходит частичная конденсация отработавшего пара, то в паросиловой установке вместо насоса
(5) используется компрессор, где давление пароводяной смеси также повы-
шается с р2 до р1. Однако для того, чтобы уменьшить работу на сжатие, целе-
сообразно полностью сконденсировать пар в конденсаторе и затем сжимать не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду. Описанный цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина (рис. 34).