ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

         «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 

         ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАТИКИ

          КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ

                                                 РЕФЕРАТ

 

Термодинамические основы процесса сжатия газов. Поршневые, винтовые, ротационные компрессоры, вакуум-насосы 
 
 
 
 
 

                                                                                 Выполнили: ст. гр. БТПзс – 09

                                                                                                     Коломытцев Е. О.

                                                                                        Солодков Г. П.                   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ТЮМЕНЬ  – 2011

ВВЕДЕНИЕ 

         В производственных процессах подвергаются переработке значительные количества газов и их смесей при давлении, отличном от атмосферного; кроме того, газы используются также для вспомогательных целей (для передавливания, перемешивания и распыления различных веществ). Все эти процессы проводят при сжатии или разрежении газов. Сжатие или разрежение газа (изменение объема) сопровождается изменением его давления и температуры.

         Адиабатическое, изотермическое и политропическое сжатие и разрежение. Как известно из термодинамики, изменение состояния газа при изменяющихся объеме и давлении может протекать тремя путями: изотермически, адиабатически и политропически. Изменение давления газа при сжатии в значительной степени зависит от того, происходит ли во время сжатия теплообмен между сжимаемым газом и окружающей внешней средой. Практически такой теплообмен неизбежен, а во многих случаях даже и необходим, для чего используют искусственное охлаждение сжимаемого газа.

         Теоретически можно представить себе два предельных случая сжатия газов, причем все реальные процессы сжатия газов будут являться промежуточными между ними.

           В первом случае вся теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью отводится наружу, и процесс изменения состояния газа, т. е. изменение его объема и давления, протекает при одной постоянной температуре; такой процесс называется изотермическим. Во втором случае, наоборот, вся теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью остается внутри газа, повышая его температуру, при этом потери тепла в окружающую среду отсутствуют; такой процесс называется адиабатическим.

           В действительности сжатие газов протекает не изотермически и не адиабатически, а в каждом частном случае лишь приближается к одному из этих процессов. Такой реальный процесс сжатия газа, при котором одновременно с изменением объема и давления происходит также изменение температуры и отвод тепла наружу, называется политропическим. 

1. Термодинамические основы сжатия газов  в компрессорах

 

     Анализ  процессов сжатия должен выявить  самые эффективные, с точки зрения энергетических показателей, изменения  давления, объема, температуры и  удельной работы компрессора по времени  цикла сжатия. 

      , , , . (1) 

     Принимая, что роторы вращаются с постоянной угловой скоростью, данная зависимость  может быть записана и от угла поворота роторов. 

      , , , . (2) 

     В данном случае необходимо рассчитать такую функцию изменения объема, которая максимально сгладит  или устранит резкие перепады давлений и температур, сделает процесс  подвода к газу механической энергии  более равномерным. Зная функцию  изменения объема от угла поворота ведущего ротора , мы сможем впоследствии определить форму профилей рабочих органов винтов.

     Рассмотрим  процесс сжатия, происходящий в компрессоре. Сделаем некоторые допущения. Не будем рассматривать процессы всасывания и нагнетания. Не будем учитывать  переменность массы газа, утечки, перетечки  и трение. Не принимаем в расчет свойства перемены парности или частичного переноса газа со стороны всасывания на сторону нагнетания, имеющие место  в винтовых компрессорах. Будем считать  показатель политропы неизменным в  процессе сжатия. В качестве сжимаемой  среды выбираем воздух, который собираемся сжимать от начального давления до конечного давления , зная его объем и температуру на всасывании .

     Найдем  удельную работу изменения давления в политропном процессе¹. 

      . (3) 

     Определим параметры газа в конце процесса сжатия из политропных зависимостей: 

      , (4)

      . (5) 

     Теперь  разобьем процесс сжатия на участков и попытаемся на каждом из них по формулам (3)-(5) через одинаковые промежутки времени проанализировать различные случаи изменения давления, объема и работы сжатия в отдельных полостях.

     В качестве первого варианта расчета  проанализируем случай, когда удельная работа сжатия за каждый период времени  постоянна:

 

      . (6) 

     Вычислим  приращение удельной работы компрессора  на каждом участке, зная удельную работу изменения давления газа из формулы (3): 

      . (7) 

     Определим температуру, давление и объем газа по участкам: 

      , (8)

      , (9)

      . (10) 

     Аналогично  можно произвести расчеты изменения  давления и работы сжатия для случая, когда 

      . (11) 

     Изменение объема рабочей полости идет по линейному  закону и пропорционально увеличению угла поворота ведущего ротора. Этому  случаю соответствует сжатие в существующих винтовых компрессорах, где после  входа зубьев в зацепление объем  равномерно уменьшается, благодаря  поступательному перемещению линии  наибольшего сближения поверхностей сопряженных зубьев по направлению  к нагнетательному окну [1].

     В качестве третьего варианта расчета  следует рассмотреть случай работы компрессора при постоянном приращении давления по времени процесса сжатия, т.е. когда 

      . (12) 

     Результаты  сравнения таких трех вариантов  сжатия воздуха при стандартных  начальных условиях, степенью повышения  давления и с показателем политропы равном показателю адиабаты отображены на рисунках 1-3. 

     

     Рисунок 1 - Пример сжатия с постоянной удельной работой компрессора: 

     а) распределение изменения давления газа, вытесненного объема и удельной работы компрессора по времени процесса сжатия;

     б) индикаторная диаграмма идеального компрессора с распределением на ней удельных работ сжатия за одинаковые промежутки времени 

     Следует заметить, что форма приведенных  кривых зависит только от показателя политропы и степени сжатия и  не зависит от объема воздуха на всасывании и температуры, ввиду  того, что результаты расчетов приведены  в процентах от общего изменения  параметров.

     Кроме того, на рисунках не показана зависимость  изменения температуры при сжатии, т.к. данная кривая в случае адиабатного  процесса совпадает с кривой удельной работы сжатия.

     Приведенные расчеты показывают, что самым  эффективным, с точки зрения энергетических показателей, является первый вариант  сжатия с постоянной мощностью, описываемый  формулами (6)-(10), и приведенный на рис.1. Графически это выразится равенством площадей, описываемых за одинаковое время на соответствующих индикаторных диаграммах.

     Из  этого следует, что давление и  объем изменяются тоже более равномерно, чем при сжатии с постоянным изменением объема, имеющем место в случае традиционного сжатия в винтовых компрессорах. Так, например, в 10% промежуток времени давление увеличивается  на 5,5% в начале процесса сжатия и  всего лишь на 15,4% - в конце при  выполнении прежней работы величиной  в 10% от всей работы сжатия. А изменение  температуры вообще имеет линейную зависимость.

     Реализация  этого варианта сжатия приводит к  меньшим пульсациям давления в полостях сжатия, меньшим вибрациям, меньшим  динамическим нагрузкам на подшипники. Это положительно скажется на долговечности  компрессора, облегчит процесс запуска  и можно даже предположить, что  это будет способствовать выбору двигателя привода с меньшим  запасом по мощности. Равномерность  выделения тепла на протяжении сжатия позволит лучше организовать охлаждение. В дополнение ко всему данная конструкция  будет иметь чуть меньший уровень  шума.

     В то же время может немного усилиться  влияние утечек газа в начале процесса сжатия на производительность. Кроме  того, изготовить компрессор для такого сжатия будет более сложно с технологической  точки зрения.

     Вариант сжатия винтового компрессора, соответствующий  уравнению (11), отображен на рис. 2. Такой процесс не является самым оптимальным, т.к. работа к газу подводится в основном в конце процесса сжатия, а его начало оказывается малоэффективным. Как показали расчеты, за первые 10% времени процесса сжатия выполняется 4,9% работы и за последние 10% времени – 20,4%. Повышение давления составляет соответственно 2,6% в начале сжатия и 29,9% - в его конце. Неравномерность работы хорошо видна на соответствующей индикаторной диаграмме (рис 2, б), где через одинаковые промежутки времени описываются площади разной величины. А если учесть, что равномерное изменение объема в винтовом компрессоре начинается только с того момента, когда внедряющие зубья вытеснят всю площадь винтовых впадин, то эта неравномерность в работе сжатия и связанные с этим диссипации энергии существенно увеличатся при реальном процессе сжатия. 

     

     Рисунок 2 - Пример сжатия с равномерным изменением объема: 

     а) распределение изменения давления газа, вытесненного объема и удельной работы компрессора по времени процесса сжатия;

     б) индикаторная диаграмма идеального компрессора с распределением на ней удельных работ сжатия за одинаковые промежутки времени 

     Кроме того, влияние перетечек в конце  процесса сжатия может дополнительно  повысить показатель политропы. Сжатие может происходить с показателем  политропы большим, чем показатель адиабаты, так как теплоотдача  от газа к корпусу не успевает произойти  за очень короткий период, а основное повышение температуры приходится тоже на конец сжатия.

     Вариант сжатия, когда приращение давления за каждый период времени постоянно, соответствующий уравнению (12), приведен на рис. 3. Он тоже является энергетически не самым оптимальным, т.к. работа к газу подводится в основном в начале процесса сжатия, а влияние утечек и перетечек увеличится. Тем не менее, данный вариант сжатия может быть успешно реализован в компрессорах малой производительности или там, где важно более быстрое регулирование производительности и возможность лучше организовать отвод теплоты в процессе сжатия. 

     

     Рисунок 3 - Пример сжатия с равномерным увеличением  давления газа: 

     а) распределение изменения давления газа, вытесненного объема и удельной работы компрессора по времени процесса сжатия;