Стискування газів у компресорах

Стискування робочого тіла у компресорах і розширення його у турбінах відносять до процесів перетворення енергії у відкритій системі (в умовах потоку). Перетворення енергії в таких системах здійснюється через внутрішню енергію U й потенціальну енергію тиску Рυ.

Робота процесу стискування у відкритій системі визначається за залежністю

, кДж/кг.

Для адіабатного процесу при dq=0 робота, яка здійснюється в турбіні або витрачається у компресорі, дорівнює різниці ентальпій робочого тіла на вході в компресор і на виході з нього

l₀ = і₁– і₂, кДж/кг.

При стискуванні в компресорі і₁ < і₂ й l₀ < 0, при розширенні в турбіні і₁ > і₂ і l₀ > 0.

Робота, що витрачається на адіабатне стискування газу в компресорі (на привід компресора), в цілому більша за роботу самого процесу стискування на величину роботи, витраченої на процеси заповнення компресора робочим тілом (усмоктування) і виштовхування (нагнітання) робочого тіла. Аналіз цих процесів показує, що робота, витрачена на компресор, у „k” разів більша за роботу самого процесу стискування

l_к = h·k· l_1-2 = h·k·[(і₁ – Р₁ ·υ ₁) – (і₂ – Р₂ ·υ ₂)], кДж/кг,

де l_к – робота що витрачається на привід компресора при dq = 0;

Р₁, Р₂ – тиск газу відповідно до і після першого ступеня (циліндра) компресора, кПа;

k – показник адіабати для стискуваного газу;

і₁, і₂ – ентальпія РТ до і після першого ступеня компресора, кДж/кг;

h – кількість ступенів (циліндрів) стискування.

За відсутності величин ентальпії РТ роботу, що витрачається на привід компресора, при адіабатному стискуванні можна визначити за залежністю

, кДж/кг.

Стискування, близьке до адіабатного, здійснюється в турбокомпресорах.

Для політропного процесу стискування при n ≠ k робота на привід компресора виражається залежністю

, кДж/кг.

При ізотермічному стискуванні робота на привід компресора набуває таких значень:

l_к = h · R · T· ln(Р₂/Р₁), кДж/кг,

де R – газова стала в кДж/кг·гр.

Стискування газу, близьке до ізотермічного, здійснюється в поршневих компресорах з охолоджуваним водою корпусом.

Витрати на роботу в таких компресорах менші за витрати при адіабатному і політропному стискуванні.

Відношення Р₂/Р₁ = y називають показником стискування в одному ступені компресора. Ця величина показує, у скільки разів збільшується тиск в одному циліндрі компресора. За умови протікання в усіх циліндрах (ступенях) однакових термодинамічних процесів величина показника стискування „y” для кожного циліндра буде однаковою і визначається за залежністю

,

де Р_п, Р_к – тиск газу на вході і на виході з компресора відповідно. Для одноступеневого компресора h = 1, Р_п = Р₁, а Р_к = Р₂.

Показник стискування в одному ступені реального компресора обмежений температурою спалахування масла системи змащування і становить y ≤ 12 ÷ 14. Температура газу у кінці процесу стиснення не повинна бути більшою за 200⁰С.

На рис.7 показані теоретичні процеси ідеального компресора при стискуванні за ізотермою 1–2, адіабатою 1–4, політропою 1 < n < k (1–3) і політропою n > k (1–5). Площа під лініями процесів стиснення у координатах p-υ еквівалентна роботі на привід компресора. Із рис. 8 видно, що найменша робота компресора витрачається при ізотермічному стискуванні, тому ізотермічний процес вважають найвигіднішим. Крім того, як видно із Т– S - діаграми при ізотермічному стискуванні, температура на виході з компресора не змінюється, що не приводить до теплового розширення газу і необхідності збільшувати діаметр трубопроводу після компресора, υ ₂ < υ ₃ < υ ₄ < υ ₅.

Для зменшення роботи, що споживається компресором, процес стиску-вання намагаються наблизити до ізотермічного, охолоджуючи РТ. Це призво-дить до ускладнення конструкції компресора. Але для одержання високого тиску використовують багатоступеневе стискування. При переході з одного ступеня (циліндра) в інший газ охолоджують в проміжних теплообмінниках, що встановлюються між ступенями компресора.За рахунок охолодження загальний процес стискування можна наблизити до ізотермічного. Витрати роботи на багатоступеневий компресор зменшуються порівняно з одноступеневим.

Рис.7. Діаграма роботи ідеального компресора: 1–2, 1–3, 1– 4, 1–5 – процеси стиснення газу; 2–d – нагнітання стиснутого газу; с–1 – заповнення компресора газом

Розширення робочих тіл для одержання роботи або охолодження газів у холодильних машинах здійснюється в детандерах (поршневих чи відцентрових) згідно з термодинамічними процесами, направленими обернено до процесів стиснення. Детандери – це машини, в яких переміщення поршня або обертання диска турбіни відбувається внаслідок розширення робочого тіла при зменшенні його тиску.

Процес розширення РТ у детандерах залежно від умов теплообміну між РТ і навколишнім середовищем може здійснюватись ізотермічно (за ізотермою 2-1) рис.7, адіабатою (процес 4-1) чи політропою (процеси 5-1 і 3-1). Величина отриманої роботи у кожному процесі буде різною. Для збільшення роботи процес необхідно наближати до ізотермічного. В реальних детандерах унаслідок складностей здійснення ізотермічного процесу розширення проходить за політропою з показником n, близьким до показника адіабати k (n ≈ k), тобто адіабатно.