Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Горение твердого топлива

Твердое топливо является термически нестойким органическим веществом, процесс горения которого протекает через ряд стадий. Основной стадией, определяющей интенсивность всего процесса в целом, является стадия горения так называемого коксового остатка — углерода, оставшегося в частице топлива после завершения деструкции вещества исходного топлива и выхода летучих веществ. В основе процесса горения частиц углерода лежат гетерогенные химические реакции взаимодействия углерода с окружающими горящую частицу газами: 02, Н20, С02 и др. Наиболее глубокие исследования горения углерода проведены в СССР А. С. Предводителевым, Л. Н. Хитриным, Г. Ф. Кнорре, Б. В. Канторовичем и др.

В основе процесса горения частицы углерода, движущейся в потоке воздуха, лежит модель, предложенная Л. Н. Хитриным, согласно которой угольные частицы малых размеров приобретают скорость, близкую к скоростям движения потока воздуха. При таком условии вынужденный конвективный перенос массы отсутствует и частица выгорает равномерно. При этом возможны четыре режима взаимодействия углерода с кислородом воздуха в зависимости от температуры среды (рис. 2.14). Основными реакциями в модели считаются реакции углерода с кислородом, поступающим к поверхности частицы за счет диффузии из основного потока с образованием оксида и диоксида углерода. Продукты сгорания диффундируют от поверхности частицы в окружающее ее пространство. При невысоких температурах (973 К) (реакция 1) реакции окисления углерода протекают с образованием СО и СОг. При более высоких температурах (1070—1470 К) возможна вторичная реакция догорания образовавшегося СО вблизи поверхности частицы так, что в окружающую среду будет отводиться только или преимущественно диоксид углерода (СОг) (реакция 1). При этом часть образовавшегося СОг может при Т = = 1473—1573 К вновь продиффундировать к поверхности углерода и вступить с ним в эндотермическую реакцию с образованием оксида углерода (реакция 2), который затем догорит в результате взаимодействия с кислородом в зоне пламени вокруг частицы.

 

При высоких температурах (выше 1470—1570 К), как правило, кислород не достигает поверхности частицы и процесс горения протекает по гетерогенной реакции С+ +С02 = 2С0 С последующим догоранием СО на некотором расстоянии от поверхности в зоне пламени (реакция 2). В случае омывания частицы потоком окислителя с большой скоростью (Re>100) с лобовой стороны частицы будут протекать только гетерогенные реакции (реакции 1 и 2, рис. 2.14,6); догорание же оксида углерода будет наблюдаться в кормовой части потока на границе циркуляционной зоны (реакция 3, рис. 2.14,6), а вторичные реакции C-f-C02 будут иметь место главным образом в тыльной части углеродной частицы (схема 2, рис. 2.14,6), где кислород отсутствует, но имеются хорошие тепловые условия для обеспечения эндотермических реакций.

Важной отличительной особенностью горения коксового (углеродного) остатка частицы твердого топлива является его высокая пористость, что обеспечивает диффузию внутрь углеродной частицы активных по отношению к углероду газов (С02, 02, Н20). Л. Н. Хитрин оценивает величину удельной внутренней поверхности частицы, приходящейся на единицу ее объема, для древесного угля от 57 до 114 см2/см3, для электродного угля от 70 до 500 и для антрацита около 1000 см2/см3. В ходе реагирования внутренняя поверхность частицы увеличивается за счет испарения влаги, выхода летучих веществ, изменения температуры и других факторов.

Чем больше проницаемость материала, интенсивнее диффузия газов внутрь его и чем медленнее протекает реакция, тем глубже проникание кислорода и других газов внутрь частицы и тем большая масса участвует в реакции. Процесс внутренней диффузии можно рассматривать как самостоятельный, не зависящий от характера диффузионных процессов в зоне горения: В этом случае суммарную скорость гетерогенной реакции через потребление кислорода можно записать (согласно Л. Н. Хит- рину):

 

Эффективный коэффициент внутренней диффузии Д зависит от пористости материала, величины и свойств поверхности пор. Величина внутридиффузионного потока зависит от проницаемости материала и интенсивности реагирования на поверхности его пор. Она определяется значениями кинетических констант и размером внутренней реакционной поверхности в единице объема частицы. Чем выше активность и воспламеняемость твердого топлива и чем при меньших температурах оно воспламеняется, тем в меньшей степени увеличивается его внутренняя поверхность во время его термической деструкции на начальных стадиях горения и тем меньшее значение в процессе имеет внутреннее реагирование. И, наоборот, чем менее реакционное топливо, чем труднее оно воспламеняется, тем процессы, приводящие к раскрытию пор угольного вещества, протекают полнее и тем выше значение внутреннего реагирования.

 

Особенно значительна роль внутреннего реагирования при горении композиционных топлив — топливных гранул, капель топливных суспензий и др. С повышением температуры горения значение внутреннего реагирования ослабевает. При сжигании высокозольных твердых топлив даже при высоких температурах значение внутреннего реагирования существенно возрастает, так как зольная оболочка, образующаяся при выгорании такой частицы, становится дополнительным сопротивлением для диффузии газов к поверхности реагирования. Однако влияние этой оболочки на процесс сказывается только при горении крупных частиц топлива; при пылевидном сжигании даже при зольности топлива 30—35 % это влияние несущественно.

При горении частицы натурального твердого топлива стадии горения коксового (углеродного) остатка предшествует ряд факторов, существенно влияющих на процесс в целом, а именно: подогрев и подсушка частицы топлива; деструкция вещества топлива с выделением летучих; горение летучих и др. Важной особенностью горения этих частиц является четко выраженная стадийность с резким изменением характера закономерностей развития каждой стадии во времени. Экспериментальные исследования динамики выгорания частицы твердого топлива (рис. 2.15), выполненные практически на всех марках угля в широком диапазоне температур среды (от 573 до 1273 К), позволили создать модель горения частицы натурального топлива — угля, включающую 10, а для высоковлажных углей и водоугольных суспензий — 11 стадий процесса.

При вводе частицы в высокотемпературную окислительную среду она вначале проходит стадию прогрева I при определяющем влиянии внешнего теплообмена и массопереноса на изменение массы и температуры частицы. При выгорании частицы высоковлажного топлива или капли водоугольной суспензии вслед за стадией прогрева наблюдается стадия поверхностного испарения влаги (на схеме не показана), протекающая при постоянной температуре частицы. Собственно процесс горения частицы начинается со стадии II— стадии дальнейшего прогрева частицы и начала низкотемпературных экзотермических реакций внутри объема частицы, что приводит к достаточно резкому увеличению ее температуры при непрерывной скорости изменения температуры и потери массы.

Стадия III характерна уменьшением скорости роста температур в связи с началом эндотермических реакций деструкции угольного вещества с выходом летучих продуктов этой деструкции. Стадия завершается воспламенением летучих вокруг частицы, что приводит к интенсификации процессов деструкции внутри частицы. Эти процессы продолжаются во время IV стадии — стадии горения летучих; V—стадия параллельного протекания процессов горения летучих вокруг объема частицы и начала поверхностного гетерогенного горения углерода, о чем свидетельствует резкое возрастание температуры поверхности частицы; VI — стадия активного поверхностного горения с догоранием вокруг поверхности еще выделяющихся летучих. Во время этой стадии достигается максимальная температура поверхности частицы.

Во время I—V стадий происходит изменение структуры реагирующей частицы с резким увеличением ее пористости и активации открывающейся поверхности. На стадии VII наблюдается активное горение коксового (углеродного) остатка частицы с догоранием еще выделяющихся летучих на ее поверхности. Эта стадия характеризуется резким падением температуры на поверхности частицы. VIII стадия — это горение коксового остатка, как правило, самая продолжительная стадия, протекающая при плавном снижении температуры поверхности и развитии реакций внутри объема частицы. Процесс горения заканчивается стадией догорания коксового остатка (стадия IX), в основе которой лежит внутреннее реагирование углерода частицы с диффундирующими внутрь ее газами, и стадией X — стадией охлаждения зольного остатка частицы до температуры среды. Важно, что практически все стадии протекают при разных режимах горения от чисто диффузионных (стадии I, II. IV, VII, VIII, IX) до кинетических (стадии III, VI).

В целом же весь процесс выгорания частицы натурального твердого топлива суммарно можно рассматривать как протекающий в промежуточном режиме ближе к диффузионному, а для инженерных расчетов — в чисто диффузионном режиме. При термической деструкции угольного вещества (стадии II, III, IV, V) происходит выделение продуктов деструкции в виде газа, кислоты, воды и смолы. Относительная доля выделяющихся газа и жидкости зависит от скорости нагрева частицы: чем выше скорость нагрева, тем выход этих веществ больше. По мере движения к поверхности частицы вода и кислоты испаряются, а смола и газообразные углеводороды подвергаются вторичному разложению. Водяной пар, проходя через раскаленную углеродную поверхность, на стадиях IV и V может вступать в реакцию с углеродом и интенсифицировать процесс.

В конце III стадии процесса происходит воспламенение частицы топлива, которое практически во всех случаях начинается с воспламенения выделившихся из нее горючих летучих, имеющих более низкую температуру воспламенения, чем коксовый (углеродный) ее остаток. В связи с этим роль летучих в процессе воспламенения во многом является решающей. Выход летучих является следствием деструкции угольного вещества; чем выше интенсивность их выхода, тем больше глубина деструкции, прямым следствием которой является активация образующейся новой реакционной поверхности твердого остатка за счет повышения пористости частицы. Образование летучих в объеме частицы приводит к повышению ее внутреннего давления и к разработке поверхности твердого остатка, что способствует существенной интенсификации процесса горения в целом, особенно на заключительной его стадии.

В то же время выделяющиеся летучие обволакивают частицу и при определенных условиях на стадии IV и V (частично) препятствуют диффузии кислорода к поверхности частицы и тем самым в известной степени несколько тормозят основные гетерогенные реакции горения. Однако, как показали исследования, это наблюдается только у относительно крупной частицы размером 1,0 мм и более. Чем выше размер частицы, тем относительно меньшая доля летучих выделяется до момента их воспламенения и тем большая их часть выгорает параллельно с гетерогенным реагированием на поверхности частицы.

При сжигании частиц топлива в потоке большое значение в процессе воспламенения играет время индукции Тинд, т. е. время, затрачиваемое на самопроизвольное повышение температуры в процессе химического реагирования горючего с окислителем, приводящего к воспламенению. Величина тИнД определяется как промежуток времени, в течение которого температура частицы повышается от начальной до температуры воспламенения. Чем выше температура среды, в которую введена частица топлива, тем меньше время индукции. Для оценки процесса воспламенения твердых топлив иногда пользуются параметром условная температура воспламенения— минимальная температура среды, при которой происходит воспламенение частицы при длительном ее пребывании в ней (т. е. при ТцНд 0). Эта температура воспламенения зависит не только от вида топлива, но и от тепловых условий взаимодействия частицы со средой. Так, для одиночной мелкой частицы эта температура меняется от 1170—1270 К для антрацита до 800—850 К для бурого угля. Для частиц тех же топлив, находящихся в контакте с другими такими же частицами (например, в слое), эта температура снижается почти в 2 раза, что свидетельствует о более благоприятных условиях воспламенения топлива при слоевом его сжигании.

При инженерных расчетах времени горения частицы твердого топлива стадии горения условно объединяют в четыре укрупненные расчетные стадии (см. рис. 2.15):

1) от момента ввода частицы в зону горения до момента воспламенения летучих (стадии /, II и III); время этой стадии рассчитывают как время выхода летучих твл

2) от момента воспламенения летучих до конца их видимого горения (стадии IV, V); время этой стадии рассчитывают как время видимого горения летучих тгл; 3) от момента прекращения видимого горения летучих до начала активного горения коксового остатка (стадия VI); время стадии рассчитывают как время прогрева коксового остатка до его воспламенения твл; 4) от момента начала активного горения коксового остатка до завершения процесса (стадии VII, VIII, IX); время стадии рассчитывают как время горения коксового остатка тГк).

Эти условные времена расчетных стадий горения частицы рассчитывают на основании экспериментальных данных, полученных при изучении изменения цветовой температуры частицы в процессе горения, а также визуального наблюдения за процессом с применением киносъемки. Расчетные зависимости позволяют определить влияние начального размера частицы d, мм; температуры среды Гг, К; концентрации кислорода 02, %; плотности частицы рчт, кг/м3, на время протекания расчетных стадий процесса. При этом принято, что

 

В. И. Бабий и И. П. Иванова получили следующие эмпирические зависимости для времен расчетных стадий процесса:

 

Коэффициенты k в формулах суммарно характеризуют физико-химические свойства исходных топлив и получены экспериментально. Для углей (бурых, каменных и антрацитов) значения k меняются в пределах: &Вл — от 0.82 до 1,06; 6ГЛ — от 1,00 до 1,42; kBK — от 0,8 до 1,59;. гк — от 0,45 до 1,02. Анализ формул показывает, что расчетная стадия выхода летучих, определяемая твл,- пропорциональна интенсивности теплового излучения на поверхность капли (твлГ4) н время ее протекания практически линейно зависит от диаметра частицы (тВл~08), что свидетельствует об участии всей массы частицы в этом процессе.

Время расчетной стадии горения летучих (2—3) определяется только величиной поверхности частицы топлива (тлг~2), поскольку горение летучих протекает вокруг частицы и не зависит ни от температуры среды, ни от других параметров. Время протекания расчетной стадии горения коксового остатка тГк линейно зависит от концентрации кислорода (что свидетельствует о первом порядке реакции), пропорционально поверхности частицы d2 (это означает, что относительно малая роль внутреннего реагирования) и слабо зависит от температуры среды ТгкГ-09 (что является следствием преимущественно диффузионного режима горения). Приведенные формулы позволяют получить сравнительные данные о поведении частиц углей различных марок при их выгорании.

 

Горение жидкого топлива

Жидкое топливо в топочных устройствах, как правило, сжигается в распыленном состоянии, в виде капель в потоке воздуха. Горение жидких топлив всегда происходит в паровой фазе, поэтому процессу горения капли всегда предшествует процесс испарения. В общем случае в высокотемпературной среде капля жидкого топлива окружена некоторой зоной, насыщенной его парами, на внешней поверхности которой вокруг капли устанавливается сферическая зона горения. Скорость химической реакции смеси паров жидкого топлива с окислителем достаточно велика, так что толщина зоны горения по отношению к диаметру зоны горения незначительна. Толщина паровой зоны вокруг капли топлива зависит от температуры в зоне горения и от параметров испарения топлива: чем выше температура горения и чем ниже температура кипения топлива и теплота его испарения, тем выше толщина паровой зоны.

В стационарном процессе скорость горения жидкого топлива в случае, если все оно выгорает в зоне вокруг капли, зависит от скорости его испарения. В пространстве между зоной горения и каплей находятся пары топлива и некоторая часть продиффундировавших туда продуктов сгорания, а вне зоны горения — окислитель и продукты сгорания (рис. 2.16). В зону горения из объема капли диффундируют пары топлива, а с внешней стороны — окислитель (кислород воздуха). В результате реакции с выделением теплоты образуются продукты сгорания, которые в основном отводятся в окружающее каплю пространство.

 

Теплота, необходимая для испарения топлива, передается поверхности капли из зоны горения в основном излучением и в результате частичной диффузии внутрь паровой оболочки продуктов сгорания. При таких предпосылках время горения капли жидкого топлива в диффузионном режиме может быть рассчитано на основании теплового баланса ее испарения

 

Любое жидкое топливо, в том числе дизельное топливо и мазут, полученное из нефти путем ее разделения по температурам кипения отдельных фракций, содержит ряд индивидуальных углеводородов со своей температурой кипения. Поэтому процесс горения капель такого топлива протекает сложнее и в инженерных расчетах время выгорания капли топлива рассчитывают, используя соотношение, вытекающее из линейной зависимости квадрата диаметра капли топлива от времени т его испарения (закон Срезневского):

 

При горении в воздухе с температурой 1070—1170 К и скоростях обтекания капли до 1 м/с для мазута и солярового масла величина /С=1-у1,2 мм2/с. При очень Малых размерах капель и высоких скоростях обтекания возможны режимы, при которых пары топлива выносятся в потоке газов и сгорают там по законам газовых смесей. Для обеспечения необходимой интенсивности испарения жидких топлив и их перемешивания с окислителем при вводе в зону горения они распыляются в потоке воздуха с образованием полидисперсного потока мелких капель размерами от 0 до 0,15—0,2 мм. Этим достигается большая удельная поверхность испарения, а затем и горения. Мелкие капли топлива быстро испаряются н создают газовоздушную смесь, которая, воспламеняясь, образует горящий факел. Область распространения факела можно условно разделить на следующие зоны: распыления топлива, его испарения и образования газовоздушной смеси, воспламенения и горения этой смеси. Как по сечению топливно-воздушной струи, так и по ее длине в процессе горения непрерывно изменяются температура и концентрация топлива и окислителя. При этом возможно образование локальных зон, в которых концентрация топлива будет выше теоретически необходимой. Не допустить образования таких зон — значит обеспечить высокую полноту выгорания жидкого топлива.

Для производства тепловой энергии из нефтяных топлив применяют лишь мазут и печное бытовое топливо. При сжигании мазута для испарения его наиболее тяжелых фракций с температурой кипения 700 К и выше требуется прогрев капель до таких температур, при которых происходит деструкция топлива с образованием как газообразной, так и твердой фазы. Таким образом, при нагреве капель мазута до высокой температуры образуется твердая углеродная фаза — сажа и кокс, которые выгорают так же, как частицы твердого топлива, но имеют значительно меньшую активность по отношению к кислороду воздуха. Раскаленные частицы сажи и кокса в пламени обусловливают светимость факела. Газообразные и твердые продукты разложения мазута, выделяющиеся в зоне, в которой концентрация кислорода уже невелика, образуют зону догорания топлива, существенно увеличивающую общую длину факела.

                    31. Горение газа

Горение газов осуществляется в объеме и относится к гомогенному горению; оно может происходить в кинетиче­ской и диффузионных областях.

Кинетическое горение

После того как произошло воспламенение, наступает процесс распространения пламени, связанный с постоянной передачей тепла от сгоревших к новым порциям топлива. Подобная передача тепла определяется законами теплопроводности и диффузии и зависит от характера пламени. Ес­ли пламя распространяется в неподвижной смеси или в смеси, движущейся ламинарно, то основной формой пере­дачи тепла является молекулярная теплопроводность.Подобный чисто теплопроводный процесс получил наз­вание нормального горения. При турбулентном движении газоокислительной смеси большую роль приобретает турбулентная диффузия. При некоторых условиях распространение пламени происходит с огромной скоростью и имеет характер взрывной волны. По­добное распространение пла­мени получило название дето­национного горения или прос­то детонации.

Нормальное горение. После воспламенения горючей смеси возникает определенный фронт горения. Распространение пла­мени предполагает перемеще­ние этого горения в направ­лении несгоревших порций га­за. Позади фронта горения на­ходятся продукты сгорания, впереди — невоспламенившая­ся горючая смесь

Возникшая при этом разность температур между про­дуктами сгорания и горючей смесью приводит к переда­че тепла теплопроводностью, которая, опережая фронт го­рения, способствует подогреву новых порций смеси до тем­пературы воспламенения и вызывает перемещение фронта. В большинстве случаев при горении газов фронт пламенч является очень тонким —около 4×10–2 —6×10–2 см, поэто­му с некоторым приближением его можно рассматривать как поверхность.При нормальном горении фронт пламени в покоящей­ся горючей смеси перемещается с определенной скоростью un = Dn/Dt, где Dn — расстояние, на которое перемещается фронт пламени за время Dt.Скорость нормального горения определяется исключи­тельно процессом теплопроводности и потому является фи­зико-химической константой горючей смеси.По современным представлениям горение газовой сме­си может быть изображено графически (рис. 43). Самовос­пламенение происходит в точке Tв, но до идет химическая реакция, свойственная индукционному периоду. Быст­рая реакция происходит в коротком интервале температур от в до Тг, который соответствует химической толщине фронта пламени dр.Тепловая толщина фронта бп пред­ставляет собой зону тепловой подготовки прогрева горю­чей смеси до , после которой развивается интенсивная химическая реакция.

Для всех горючих газов существует оптимальное соот­ношение газа и воздуха, при котором скорость нормально­го горения достигает максимальной величины.

Увеличение температуры подогрева газа или газовой: смеси приводит к существенному увеличению скорости го­рения.

Горение однородной смеси в турбулентном потоке. Го­рение при турбулентном режиме — гораздо более распро­страненный случай в металлургической практике по срав­нению с горением в спокойной или ламинарно движущейся среде.

В настоящее время турбулентное горение рассматрива­ется как процесс, протекающий в отдельных перемешиваю­щихся объемах (объемное горение).

На скорость турбулентного горения и на состояние фрон­та горения большое влияние оказывает общий уровень тур­булентности потока. Измерения скорости турбулентного перемещения пламени показали, что отношение скорости турбулентного распространения пламени к нормальной ско­рости uт/uн быстро возрастает с увеличением числа Rе.

Это увеличение происходит в результате изменения uт, так как uн — const.

 

Диффузионное горение

В настоящее время широко распространен диффузион­ный метод сжигания газообразного топлива, при котором смешение и горение происходит в одном объеме. Поэтому процессы смешения при диффузионном горении играют первостепенную роль.

Процессы смешения между струями топлива и воздуха могут протекать при ламинарном и турбулентном течени­ях этих струй. В первом случае смешение определяется мо­лекулярной диффузией, во втором — турбулентной диффу­зией.На рис. 44 представлена упрощенная схема распределе­ния концентраций в ламинарном пламени. Как видно, кис­лород полностью отсутствует внутри объема, ограниченного фронтом пламени, так же как топливо отсутствует за пределами этого объема.Расчеты и опыты показали, что высота пламени пропор­циональна скорости подачи газа и обратно пропорциональ­на коэффициенту диффузии.Если рассматривать факел, образующийся при вытека­нии горючего газа в неограниченную спокойную среду, то при определенной (критичес­кой) скорости ламинарный факел начнет переходить в турбулентный.

Критическое значение кри­терия Rекр, при достижении которого начинается переход ламинарного пламени в турбу­лентное, зависит от вида топ­лива, динамических характе­ристик потока и влияния на них процесса горения.

32

Циклы компрессоров

5.6.1. Способы получения высоких давлений газов

Сжатые газы широко используются в сельскохозяйственном производстве как в качестве энергоносителей, так и рабочего тела в различных технологических процессах. Машины для создания давления и подачи газа потребителю называют в е н т и л я т о р а м и, в о з д у х о д у в к а м и, к о- м п р е с с о р а м и. Компрессоры создают избыточное давление от 0,15 МПа

.и более; нагнетатели и насосы – от 0.02 до 0.2 МПа; вентиляторы повышают давление газов до 0,02 МПа.

По принципу действия компрессоры делятся на две группы: объемные и динамические.

В объемных компрессорах повышение давления достигается сжатием газа путем сближения ограничивающих его стенок. Объемные компрессоры подразделяются на поршневые, ротационные, винтовые и мембранные.

В динамических компрессорах газу первоначально сообщается некоторая кинетическая энергия, которая затем в специальных каналах (диффузорах) преобразуется в потенциальную энергию давления. Динамические компрессоры

компрессоры подразделяются на лопаточные и струйные.

Н а рис. 5.15 представлена схема поршневого одноступенчатого охлаждаемого компрессора. В цилиндре 1 поршень 2 перемещается кривошипно- шатунным механизмом При движении поршня слева направо открывается впускной клапан 3 и цилиндр заполняется газом. При обратном движении поршня впускной клапан закрывается, объем газа в ци- линдре уменьшается, а давление увеличивается. Давление на выходе из компрессора устанав- ливается регулировкой выпускного клапана 4.При открытии последнего газ выталкивается поршнем из цилиндра и подается потребителю с давлением нагнетания. С целью снижения энер-

Рис. 5.15 гии, затрачиваемой на сжатие газа, цилиндр охлаждается теплоносителем 5.

Схема ротационного компрессора показана на рис.5.16. В корпусе 1

эксцентрично расположен ротор 3, в пазах которого свободно скользят пластины 2. При вращении ротора под действием центробежных сил пластины плотно прижимаются к корпусу, препятствуя перетеканию газа из одной полости в другую. Попавшая между пластинами порция газа по ходу вращения ротора уменьшается в объеме, за счет чего и повышается давление.

Н а рис. 5.17 представлена схема винтового компрессора. В корпусе 3 на подшипниках 1 и 4 установлены два ротора:

Рис. 5.16ведущий 7 и ведомый 6. Для предотвра

Рис. 5.17

щения утечки газов по валам роторов установлены специальные уплотнения 2. Синхронное вращение роторов обеспечивается шестернями связи 5. В корпусе имеются патрубки для всасывания и нагнетания газа с окнами против торцов роторов. По мере того как роторы делают один оборот, всасывающее окно перекрывается зубьями, а поступившая порция газа, перемещаясь вдоль роторов. Зубья ведущего ротора входят в соответствующие углубления в ведомом роторе, в результате чего объем газа уменьшается, а давление увеличивается. К противоположному торцу роторов газ поступает в сжатом состоянии и выталкивается в нагнетательное окно.

Схемы лопаточных компрессоров приведены на рис 5.18 и рис. 5.19

В корпусе 1 центробежного компрессора (см. рис.5.18) вращается диск 2,

выполненный с рабочими лопатками в виде каналов 3. Газ, поступивший в

1.

Назначение и

2.

3.

4.

Рис. 5.18 Рис. 5.19

межлопаточные каналы, отбрасывается центробежными силами к периферии и попадает в диффузоры 4, лопатки которых укреплены в корпусе. В диффузорах происходит преобразование кинетической энергии газа в потенциальную энергию давления. Через нагнетательный патрубок сжатый газ поступает потребителю.

В осевом компрессоре (см. рис.5.19) направление движения газа

совпадает с осью ротора. Рабочие лопатки компрессора 1 закреплены в кольцевых проточках ротора 6, образуя форму дисков. Осевое расстояние между дисками обеспечивает размещение в корпусе 5 лопаток 2 спрямляющего аппарата, выполняющего роль диффузора. Канал, образованный лопатками одного диска и последующего за ним спрямляющего аппарата, называют с т у-п е н ь ю компрессора. Спрямляющие лопатки первого ряда 3 и конффузор 4 обеспечивают осевое направление входящего в компрессор воздуха. При вращении ротора кинетическая энергия газа в каналах между рабочими лопатками становится существенной. Газовый поток, проходя далее диффу-

зор 7, преобразует. кинетическую энергию в энергию сил давления. Давление на выходе из компрессора в основном определяется количеством ступеней.

К показателям компрессорных машин относят:

- тип компрессора;

- число ступеней, z;

- степень повышения давления в компрессора, ;

- подачу компрессора, м³/с .

Под объемной подачей понимают количество кубических метров газа, выходящего из компрессора в единицу времени и приведенного к давлению и температуре на входе в компрессор.

На рис. 5.20 показаны поля применимости компрессоров

Рис. 5.20

5.6.2. Поршневой компрессор и его показатели

В одноступенчатом поршневом компрессоре (ОПК) зависимость давления газа внутри цилиндра от занимаемого им объема определяют опытным путем с помощью прибора, именуемого и н д и к а т о р о м. Подобную зависимость, например, изображенную на рис. 5.21, называют и н д и к а т о р- н о й д и а г р а м м о й или действительным циклом ОПК.

Рассмотрим процессы этого цикла.

4-1 – процесс наполнения цилиндра «свежей» порцией газа. Этот процесс не является термодинамическим, так как он осуществляется с нарастанием массы газа, практически с неизменной температурой и переменным давлением;

1-2 – процесс повышения давления. В этом процессе на начальном этапе к газу от стенок цилиндра подводится тепло, а в конце сжатия, наоборот, газ нагревает стенки. Данный процесс необратим;

2-3 – процесс нагнетания. Он протекает с изменением массы газа,

с забросом давления для открытия выпускного клапана и неизменной температурой. Этот процесс тоже далек от термодинамического;

3-4 – процесс расширения газа, оставшегося в цилиндре после закрытия. Этому процессу присущи как подвод, так и отвод тепла.

В реальном поршневом компрессоре при нагнетании не весь газ покидает цилиндр. Часть его остается в объеме так называемого в р е д н о г о пространства V₀ (объем между крышкой цилиндра и крайним левым положением поршня). При движении поршня слева направо оставшийся в цилиндре газ расширяется, Рис. 5.21

занимая объем V₄ . Объем новой всасываемой порции газа будет равен только разности: V_вс = V₁– V₄.

К показателям поршневого компрессора, кроме степени повышения давления и объемной подачи , относят:

– величину рабочего объема цилиндра V_p, м³;

– относительную величину вредного объема ;

– коэффициент объемной подачи .

С увеличением и объемная подача поршневого компрессора

уменьшается, что наглядно демонстрируется рисунками 5.22 и 5.23.

Рис.5.22 Рис. 5.23

Величина вредного пространства ограничивает и давление нагнетания ОПК. Так при λ = 0 значение определяется по выражению:

.

Степень повышения давления у реальных компрессоров лимитируется не только относительной величиной вредного пространства, но и температурой газа в конце сжатия T₂, которая не должна превышать температур самовоспламенения смазки. В одноступенчатом компрессоре с учетом реальных значений , иT₂ можно получить 3,75… 4,25. В современных поршневых компрессорах = 0,025…0,045 и = 0,75…090.

Для оценки совершенства реального компрессора проводят анализ его идеального цикла.

5.6.3. Идеальный цикл одноступенчатого поршневого компрессора

Заменим реальный цикл компрессора идеальным, для чего примем допущения:

– вредное пространство в компрессоре отсутствует;

– процессы всасывания и нагнетания, протекающие с изменением

массы газа, считаем термодинамическими;

– тепловые и механические потери отсутствуют.

. На рис. 5.24 идеальный цикл ОПК изображен в pV-координатах , а на рис.5.25, – в Ts – координатах.

Рис. 5.24 Рис. 5.25

В принципе, процесс сжатия может быть изотермическим (1-2), адиабатным (1-2¢¢) или политропным с n< к (1-2¢) и n > к (1-2```). Процесс нагнетания сжатого газа (2-3) осуществляется изобарно. Процесс (3-4) – условный, соответствует падению давления в цилиндре без вредного пространства при изменении направления движения поршня. Всасывание изображено процессом 4-1.

Из рис. 5.24 следует, что минимальная работа, затраченная на сжатие газа за один цикл будет при изотермическом процессе (наименьшая площадь цикла 4-1-2-3-4). Однако, изотермическое сжатие газа в поршневых комрессорах нереально. Если в процессе сжатия от газа отводить теплоту, допустим через стенки цилиндра, то работа сжатия будет несколько больше, чем при изотермическом процессе, но меньше, чем при адиабатном. Отсюда в реальных компрессора показатель политропы сжатия находится в пределах 1< n < к.

Значение работы цикла получим интегрирование функции V=f(p) для политропного процесса, т.е.

. (5.9)

Анализ выражения (5.9) показывает, что при неизменных p₁ и V₁ пот-

ребляемая работа будет тем больше, чем больше значения p₂ и n .

5.6.4. Идеальный цикл многоступенчатого компрессора

Как было сказано выше, существует предел степени повышения давления в одной ступени поршневого компрессора. Для получения газа высокого давления применяются многоступенчатые компрессоры, в которых сжатие осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах (ступенях) с охлаждением сжимаемого газа после каждой ступени.

Принципиальная схема двухступенчатого компрессора приведена на рис.5.26, а его идеальный цикл в pV – координатах – на рис.5.27.

Рис. 5.26 Рис. 5.27

Здесь процессы сжатия газа по ступеням изображены политропами

1-2 и 3-4. Изобара 2-3 характеризует уменьшение объема газа в процессах его охлаждения между ступенями компрессора. Ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением приближает рабочий процесс компрессора к наиболее экономичному изотермическому процессу.

Вся работа, затраченная на привод двухступенчатого компрессора при политропном сжатии газа в каждой ступени, определяется площадью цикла 1-2-3-4-6-0-1. Если процесс сжатия осуществить по политропному процессу в одной ступени до давления p₄, то затраченная работа будет больше, чем у двухступенчатого компрессора на величину, эквивалентную площади

2-3-4-4′-2.

Таким образом, многоступенчатое сжатие уменьшает расход энергии на привод компрессора, повышает коэффициент объемной подачи и позволяет получить высокие степени повышения давления.

На примере анализа двухступенчатого компрессора определим, при каком распределении величины между ступенями работа цикла будет минимальной. Запишем выражение (5.9) для двухступенчатого компрессора:

.

Обозначим давление p₂ = p₃ = p_x и, полагая, что в результате охлаждения газа между ступенями имеет T₃ = T₁ , получим:

Чтобы определить, при каком р_x работа на сжатие будет минимальна, необходимо приравнять к нулю первую производную L по p_x , т.е. :

.

В результате получим p_x² = p₁· p₄, откуда

.

Следовательно, для двухступенчатого компрессора наименьшая затрата работы будет в случае, когда степень повышения давления в каждой ступени одинакова. Это утверждение для многоступенчатого компрессора записывается выражением:

Так как степень повышения давления в компрессоре равна произведению , то

, (5.10)

где z – число ступеней компрессора.

При заданном значении число ступеней определяют по выражению:

(5.11)

С учетом соотношения (5.9) работа для многоступенчатого компрессора при сжатии газа массой m кг может быть вычислена по формуле:

. (5.12)

Многоступенчатое сжатие

При необходимости достижения высокого давления сжатия компрессоры выполняют многоступенчатыми, причем после каждой ступени рабочее тело поступает в охладитель О, где при постоянном давлении охлаждается до температуры всасывания (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Схема двухступенчатого компрессора с промежуточным

Охлаждением рабочего тела

Две причины определяют необходимость многоступенчатого сжатия. Первая из них связана с ограничениями по температуре рабочего тела, т.к. при сжатии до высоких давлений имеет место недопустимое из-за коксования или даже выгорания смазки повышение температуры в конце сжатия выше 200 ^оС.

Вторая причина выявляется при анализе процессов многоступенчатого (двухступенчатого) сжатия, изображенных на рис. 10.8. Процесс сжатия изображен ломаной линией 12¢1¢2.

а	б
Рис. 10.8. Процесс сжатия в двухступенчатом поршневом компрессоре: а- в vP – диаграмме; б - в sT – диаграмме.

Воздух всасывается в первый цилиндр при давлении и сжимается в нем по политропе 12¢ до давления , с которым поступает в холодильник, где по изобаре охлаждается до температуры точки 1¢ и уменьшает свой объем. Этот процесс охлаждения изображается отрезком горизонтали 2¢1¢, точка 1¢ лежит так же, как и точка 1 на изотерме 11¢. Из холодильника воздух в состоянии 1¢ всасывается во второй цилиндр и сжимается там по политропе до требуемого давления .

Вследствие охлаждения рабочего тела в промежуточном охладителе, работа, затрачиваемая на привод многоступенчатого компрессора (пл. а12¢1¢2 b), меньше, чем такая же работа при одноступенчатом сжатии (пл. а12¢¢b) на значение, эквивалентное заштрихованной на vP-диаграмме площади. Вместе с этим выигрыш в работе на привод многоступенчатого компрессора по сравнению с одноступенчатым в какой-то мере декомпенсируется дополнительными затратами энергии на прокачку охлаждающей воды по соответствующим каналам охладителя. Теплота q_в, передаваемая охлаждающей воде, в некотором масштабе изображается на sT-диаграмме площадью под кривой процесса охлаждения 2¢1¢ (заштрихованная площадь).

Чем больше число ступеней сжатия и холодильников, промежуточных охладителей, тем ближе будет процесс к изотермическому.

Отношение давлений в ступенях задается при проектировании компрессора. В двухступенчатом компрессоре: ; и

33

Циклы двс

Здравствуйте! Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легковоспламеняемым топливом, а на втором этапе — продукты сгорания.В поршневых двигателях внутреннего сгорания подвод теплоты происходит непосредственно в цилиндре в процессе сгорания топлива. Эти двигатели имеют сравнительно высокую экономичность, малые габариты и вес, приходящийся на единицу мощности, и поэтому в основном применяются в качестве транспортных двигателей: в авиации, автомобильном, водном и железнодорожном транспорте. Кроме того, они используются в стационарных энергетических установках малой мощности.

Недостатком поршневых двигателей является необходимость применения кривошипного механизма, предназначенного для преобразования поступательного движения поршня во вращательное. Наличие несбалансированных масс в кривошипном механизме при увеличении числа оборотов приводит к возникновению больших механических нагрузок. Поэтому мощные двигатели внутреннего сгорания выполняются тихоходными, что увеличивает их габариты и вес.

Различные требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания в зависимости от их назначения, привели к созданию самых разнообразных типов этих двигателей. Однако с термодинамической точки зрения их можно классифицировать по характеру процессов. Циклы, которые применяются в двигателях, можно подразделить на следующие три вида:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме;

2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении;

3) смешанный цикл, в котором теплота подводится при постоянном объеме и при постоянном давлении.