Термодинамические основы теории нагнетателей.

6.2. Термодинамические основы процессов сжатия.

Первый закон термодинамики утверждает возможность превращения тепла в механическую работу, а работу – в теплоту, а также строгую эквивалентность этого превращения.

Согласно этому закону, количество тепла , полностью превращенное в механическую работу, всегда и везде дает вполне определенное эквивалентное количество работы .

Строго рассуждая, нельзя говорить о превращении одного «вида энергии» в другой. Энергия не «превращается», а превращаются одни формы движения материи в другие, а энергия как мера движения остается постоянной. Когда в технике говорят о превращении одного вида энергии в другой, то под этим понимают превращение одной формы движения материи в другую.

Сущность второго закона термодинамики заключается в утверждении, что невозможна такая машина, которая производи­ла бы работу только за счет охлаждения нагревателя без каких-либо других изменений в окружающих телах (без нагревания охладителя, т.е. без отдачи ему части тепла, которое в двигателе не может быть превращено в работу).

Таким образом установлено, что для работы тепловой ма­шины необходим отвод тепла в цикле. А так как отвод тепла возможен только при наличии разности температур между двумя телами, то, следовательно, для работы теплового двигателя надо иметь два тела: одно горячее с температурой Т₁, а дру­гое холодное е температурой Т₂, к которому тепло отводилось бы в конце процесса расширения.

На основании этих рассуждений можно сделать выводы:

- необходимо наличие двух источников тепла: нагреватель
с высокой температурой, служащий для сообщения тепла газу и охладитель (холодильник) с низкой температурой, служащий для поглощения тепла ;

- часть тепла должна быть отведена наружу при более
низкой температуре;

- все тепло, заключающееся в газе, не может быть превращено в работу;

- тепловой двигатель не может иметь КПД, равный 1. Коэффи­циент полезного действия действительных двигателей всегда меньше, чем термический КПД.

6.2. Изображение процессов сжатия в диаграммах состояния.

Рассмотрим процесс сжатия рабочего тела компрессором. По способу сжатия газа компрессоры подразделяются на две группы. К первой группе относятся объемные компрессоры (поршневые, ротационные и др.), а ко второй - центробежные (турбинные). Несмотря на конструктивные различия термодинамика процессов, протекающих в обеих группах компрессоров, одинакова. Поэтому для анализа процессов, протекающих в машинах для сжатия газов, ниже будет рассмотрена работа поршневого компрессора, как наиболее простого по конструкции.

Компрессор состоит (рис. 2.1) из цилиндра 1, поршня 2, всасывающего клапана 3 и нагнетательного клапана 4. Рабочий процесс совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. При движении поршня вправо через открытый всасывающий клапан газ поступает в цилиндр. При обратном движении поршня (влево) всасывающий клапан закрывается и происходит

сжатие газа до определенного давления, при котором открывается нагнетательный клапан и производится нагнетание газа в резервуар.

Компрессор называется идеальным, если сжатый в цилиндре газ полностью, без остатка, выталкивается поршнем; отсутствуют потери энергии в клапанах; отсутствуют утечки и перетечки газа через неплотности; отсутствуют силы трения поршня о цилиндр.

Теоретическая индикаторная диаграмма идеального поршневого компрессора показана на рис. 2.1. На диаграмме линия 4 - 1 - называется линией всасывания; 1 - 2 - процесс сжатия по изотерме; 2 - 3 - линия нагнетания; 3 -4 -Условная линия, замыкающая цикл. Следует отметить, что линии всасывания 4 - 1 и нагнетания 2 - 3 не изображают термодинамические процессы, т.к. состояние рабочего тела здесь не меняется, а меняется лишь его количество.

Термодинамический расчет компрессора выполняется с целью определения работы, затрачиваемой на сжатие, что в свою очередь дает возможность определить мощность приводного двигателя.

Термодинамический расчет компрессора выполняется с целью определения работы, затрачиваемой на сжатие, что в свою очередь дает возможность определить мощность приводного двигателя.

При всасывании газа (процесс 4 – 1) производится работа:

Работа, затраченная сжатие газа в процессе 1 – 2, определяется:

.

Работа, совершаемая над сжатым газом в процессе выталкивания этого газа из цилиндра (процесс 2 – 3) определяется:

.

Так как в процессе 3 – 4 изменение объема не происходит,

.

Удельная работа , затрачиваемая на получение сжатого газа при условии обратимости всех процессов и отсутствии приращения кинетической энергии газа, определяется по следующей формуле:

, 2.1

где - работа всасывания (затрачивается внешней средой при заполнении цилиндра);

- работа нагнетателя (затрачивается на вытеснение газа из цилиндра);

- работа, затраченная на сжатие газа.

Применяя для величины преобразование:

,

интеграл правой части уравнения 2.1 можно записать следующим образом:

.

Подставляя в уравнение 2.1, получим

. 2.2

Ввиду того, что работа на получение сжатого газа затрачивается, она имеет отрицательный знак. Эта работа называется технической работой компрессора. Работа компрессора на диаграмме в pv - координатах изображается площадью 12341 (работа изотермического сжатия).

Для обеспечения изотермического сжатия необходимо постоянно отводить тепло от компрессора. С этой целью в стенках цилиндра компрессора делаются полости, через которые прокачивается охлаждающая жидкость.

Действительная индикаторная диаграмма одноступенчатого компрессора представлена на рис. 2.1. На этой диаграмме процесс всасывания изображается линией 4-1, сжатие - 1-2, нагнетание - 2-3. Линия 3-4 характеризует процесс расширения газа, оставшегося во вредном пространстве.

6.3. Влияние вредного объема насоса.

Вредным объемом называется некоторый свободный объем между поршнем и крышкой цилиндра в момент нахождения поршня в крайнем верхнем положении. Его объем составляет 4-10 % от рабочего объема цилиндра. После нагнетания газ, оставшийся во вредном пространстве, имеет давление нагнетания . При обратном движении поршня происходит расширение газа, оставшегося во вредном пространстве. Всасывание новой порции газа начинается лишь тогда, когда давление расширяющегося в цилиндре газа станет меньше давления всасывания (окружающей среды). При этом всасывание начинается только в точке 4 и в цилиндр поступит новая порция газа V = V_h - V₀, объем которой меньше рабочего объема .

Таким образом, отличие действительной индикаторной диаграммы одноступенчатого компрессора от теоретической (рис. 2.1) заключается в наличии вредного объема в реальном компрессоре, а также наличием потерь на дросселирование во всасывающем и нагнетательном клапанах. Вследствие этого всасывание новой порции газа в цилиндр происходит при давлении, меньшем , а нагнетание - при давлении, большем давления в нагнетательном трубопроводе.

Вредное пространство уменьшает количество всасываемого газа и, следовательно, уменьшает производительность компрессора. Степень использова­ния рабочего объема цилиндра оценивается объемным КПД компрессора:

.