Графическое изображение термодинамических процессов в координатах Pv- и Ts- приведено на рисунках 2.3 и 2.4 .

Здесь приняты следующие обозначения:

 - изохорный процесс;

- изобарный процесс;

- изотермический процесс;

- адиабатный процесс.

Рис. 2.3.

Рис. 2.4.

ЛЕКЦИЯ 5

СЖАТИЕ ГАЗОВ В КОМПРЕССОРАХ

Сжатый воздух находит широкое применение в различных отраслях техники.

Машины, применяемые для сжатия газа, называются компрессорами.

По способу сжатия газа компрессоры разделяются на две группы.

К первой группе относятся компрессоры статического действия или объемные компрессоры (поршневые, шестеренчатые, ротационные). Повышение давления в них достигается путем уменьшения объема газа, поступившего в рабочее пространство компрессора.

Ко второй группе относятся компрессоры динамического действия. К ним относятся центробежные, осевые и диагональные компрессоры. В этой группе компрессоров сжатие осуществляется в два этапа. В начале газ приобретает некоторый запас кинетической энергии, затем происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную (энергию давления).

Несмотря на конструктивные различия указанных типов компрессоров, процессы сжатия газа в них с точки зрения термодинамики одинаковы.

Дальнейший анализ проводится применительно к поршневому компрессору.

На рис.1 в координатах P-V (V - объем газа в цилиндре при различных положениях поршня) представлена индикаторная диаграмма процесса сжатия газа в одноступенчатом компрессоре и под ней схема компрессора.

Рис. 1.

Принцип работы компрессора заключается в следующем. При ходе поршня из верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) в цилиндр засасывается газ (процесс 4-1), который при обратном ходе поршня сначала сжимается (процесс 1-2), а потом выталкивается в газосборник (процесс 2-3). В крышке цилиндра компрессора располагаются впускной и выпускной клапаны, работающие под действием перепада давлений.

При засасывании газа (воздуха) впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. В процессе сжатия воздуха, продолжающегося на части обратного хода поршня, оба клапана закрыты. По окончании процесса сжатия выпускной клапан открывается (точка 2), а поршень на оставшейся части пути до верхней мертвой точки выталкивает сжатый газ в газосборник.

Так как процессы 4-1 и 2-3 не являются термодинамическими то есть идут с неизменными термодинамическими параметрами (меняется лишь масса газа в цилиндре), то совокупность процессов, изображенных на рис.1, строго говоря, не является замкнутым термодинамическим циклом. Однако для удобства анализа эту диаграмму рассматривают как цикл идеального компрессора. Линия сжатия, в зависимости от количества отводимого от газа тепла (интенсивности охлаждения цилиндра охлаждающей жидкостью или воздухом), может быть изотермой , адиабатой , или политропой 1-2. В диаграмме T-S эти процессы изображены на рис.2.

Рис. 2.

Работа компрессора.

Работа, затрачиваемая на получение 1кг сжатого газа в одноступенчатом компрессоре, графически изображается площадью 4-1-2-3 (рис.1), которая является алгебраической суммой площадей:

F₄₁₂₃ = F₂₃₅₆ + F₁₂₆₇ - F₄₁₇₅ ,

где F₂₃₅₆ = l₁ = P₂V₂ - работа нагнетания;

    F₁₂₆₇ = l₂ =  - работа сжатия;

    F₄₁₇₅ = l₃ = P₁V₁ - работа наполнения (отрицательная, потому что при   всасывании газ сам совершает работу над поршнем).

В соответствии с таким обозначением суммарная работа будет равна:

                             (1)

В этом выражении  зависит от характера процесса сжатия.

1. При изотермическом сжатии:

                                      (1а)

2. В случае политропного сжатия:

                             (1б)

n – показатель политропы.

3. При адиабатном сжатии:

                             (1в)

k - показатель адиабаты.

Вычисленная таким образом величина работы используется при определении энергетических затрат, необходимых для получения определенного количества газа при заданных параметрах начала и конца сжатия.

Как следует из рис.1 и сопоставления формул (1а), (1б) и (1в), наименьшая суммарная работа затрачивается при изотермическом сжатии газа. Кроме того, вследствие постоянства температуры в этом процессе создаются благоприятные условия для смазки.

В действительных компрессорах получить изотермическое сжатие практически невозможно, однако, стремятся максимально приблизиться к нему (вести процесс сжатия с показателем политропы ). Поэтому при определении эффективности охлаждаемых поршневых компрессоров величина действительной работы сравнивается с изотермической. Отношение их дает изотермический КПД ( ).