Дросселирование паров и газов

Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается местное сужение проходного сечения, то вследствие сопротивлений, возникающих при таком сужении, давление р ₂ за местом сужения всегда меньше давления p_Y перед ним (рис. 8.10). Это явление, при котором пар или газ переходит с высокого давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты, называется адиабатным дросселированием, или м я т и е м (также редуцированием, или торможением).

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирование газа или пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирование специально вводится в цикл работы той или иной машины: например, путем дросселирования пара перед входом в паровые турбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, где мощность регулируется изменением положения дроссельной заслонки карбюратора.

Дросселирование газов и паров используют для понижения их давления в специальных редукционных клапанах, широко применяемых в системах тепло- и парогазоснабжения различных предприятий, а также и в холодильной технике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократного дросселирования (см. § 10.1).

Физическое представление о падении давления за местным сопротивлением обусловлено диссипацией (рассеянием) энергии потока, расходуемой на преодоление этого местного сопротивления.

При дросселировании потеря давления р ₁ — р ₂ тем больше, чем меньше относительная площадь сужения. При отсутствии теплообмена в соответствии с уравнением (8.3) будем иметь

где i _l, i ₂ — энтальпия газа в сечениях I — I и II — II (см. рис. 8.10).

Если изменением скорости движения газа пренебречь, т. е. считать w ₁» w ₂, то i ₁ = i ₂. Таким образом, в результате мятия энтальпия газа до суженного сечения и после него имеет одно и то же значение.

Исследование процесса дросселирования показывает также, что при проходе через сужение скорость потока в этом месте возрастает, а давление падает до р ¢ в самом узком месте потока, находящемся на небольшом расстоянии за сужением канала. Конечно, полученное приращение кинетической энергии струи можно было бы при наличии диффузора перевести обратно в потенциальную энергию и этим поднять давление до первоначального р ₁. Однако отсутствие диффузора исключает такой обратный процесс, а большая часть приращения кинетической энергии из-за наличия вихревых движений за суженным сечением переходит в теплоту, которая воспринимается газом (или паром). Последнее же, как известно, связано с увеличением энтропии, и рабочее тело не возвращается в первоначальное состояние, несмотря на равенство скоростей и энтальпий. Все это приводит к тому, что процесс дросселирования, будучи по существу адиабатным, является типичным необратимым процессом.

Из равенства i ₁ = i ₂. следует, что для идеальных газов при условии постоянства теплоемкостей в процессе дросселирования температура остается неизменной. Но если t ₁ — t ₂, то p ₂ v ₂ = p ₁ v _l, а так как р ₂ < p _l, то, следовательно, v ₂ > v ₁ (рис. 8.11).

В Ts -диаграмме явление мятия идеального газа может быть представлено точками 1 и 2, которые лежат на одной горизонтали, так как Т ₁ = Т ₂. Считать, что отрезок изотермы 1 — 2 соответствует процессу дросселирования газа, нельзя, ибо только крайние точки 1 и 2 характеризуют состояние газа как равновесное, а все промежуточные точки не соответствуют действительному процессу, совершающемуся с газом. Поэтому линия 1—2 проведена на рис. 8.11 пунктиром. Действительно, при адиабатном процессе в месте сужения проходного сечения скорость потока возрастает в соответствии с уравнением (8.3) за счет энтальпии, а, значит, температура уменьшается. После этого по мере перехода внешней кинетической энергии в теплоту температура газа повышается, и на некотором удалении от места сужения, где течение потока становится стационарным, температура достигает своего первоначального значения. Таким образом, действительный процесс между  точками 1 и 2 протекает при переменных значениях i и t поэтому неправильно определять процесс дросселирования как процесс при i = const и называть его изоэнтальпийным.

Для водяного пара процесс дросселирования удобно исследовать в is -диаграмме (рис. 8.12). Перегретый пар в зависимости от начальных параметров в результате дросселирования может остаться перегретым (процесс 1—2) или сделаться сухим, потом влажным, снова сухим и перегретым (процесс 3—4). Это определяется степенью дросселирования. Влажный пар в зависимости от начального и конечного давления и начальной степени сухости может в результате остаться влажным или сделаться сухим и даже перегретым (процесс 5—6 на рис. 8.12).

 

Изменение температуры жидкостей и реальных газов при адиабатном дросселировании впервые было установлено опытами ученых Джоуля и Томсона в 1852 г. и называется эффектом Джоуля—Томсона. При этом различают интегральный температурный эффект при дросселировании, когда давление газа изменяется значительно, и дифференциальный эффект, когда уменьшение давления, а следовательно, и изменения температуры бесконечно малы.

 

 

Циклы тепловых установок

 

Лекция №8

Компрессоры

Общие положения

Сжатый газ, чаще всего воздух, получаемый с помощью компрессоров, широко применяется в различных отраслях народного хозяйства, например в металлургической промышленности (доменные печи),. В нефтяной промышленности (нефтеперегонные заводы), в газотурбинных установках и реактивных двигателях. Сжатый воздух используют также в различных пневматических инструментах, в поршневых двигателях внутреннего сгорания для распыления топлива, запуска, продувки и т. д. В промышленности строительных материалов сжатый воздух используют в эжекторных установках для перекачки горячих газов, для распыления мазута в форсунках, устанавливаемых на обжиговых и других печах.

Компрессоры низкого давления (до 0,11 МПа), называемые вентиляторами, широко применяют для перемещения и подачи воздуха в калориферы сушильных установок, воздухоподогреватели, топки, а также для преодоления сопротивления движению газов, чтобы обеспечить тягодутьевой режим в различных установках. По принципу устройства и работы компрессоры делятся на две группы — объемные и лопаточные. Объемные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные, а лопаточные—на центробежные и осевые (или аксиальные). Несмотря на конструктивные различия компрессоров указанных типов, термодинамические принципы их работы аналогичны.

 

Объемный компрессор

Объемный компрессор — это компрессор статического сжатия, которое происходите в нем вследствие уменьшения объема, где заключен газ. На рис. 9.1, а показана принципиальная схема одноступенчатого поршневого компрессора. Коленчатый вал компрессора приводится во вращение от электродвигателя или от поршневого двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндр с охлаждаемой рубашкой через автоматически открывающийся клапан А из окружающей среды всасывается газ. Нагнетательный клапан В закрыт под действием давления газов в резервуаре, которое больше атмосферного. При обратном движении поршня от НМТ к ВМТ газ начинает сжиматься, давление его увеличивается, и всасывающий клапан закрывается. Процесс сжатия продолжается до тех пор, пока давление в цилиндре не станет равным (практически несколько больше) давлению в резервуаре. Тогда клапан В открывается, и начинается процесс нагнетания сжатого газа в резервуар до тех пор, пока поршень не придет в ВМТ.

Рассмотрим рабочий процесс в pv -координатах для идеального одноступенчатого компрессора (идеального в том смысле, что в нем не учитываются потери на трение, а утечки газа и объем вредного пространства* принимаются равными нулю, т. е. на рис. 9.1, б положение ВМТ будет совпадать с осью ординат). Обозначим: V _h — рабочий (полезный) объем цилиндра; p ₁ — давление окружающей среды; р ₂ — давление газа в резервуаре. Процессы: D — 1 — всасывание; 1—2 – сжатие; 2— С — нагнетание.

С началом нового хода поршня снова открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает от р ₂ до р ₁ теоретически мгновенно, т. е. по вертикали С— D, и рабочий процесс повторяется, завершаясь. таким образом, за два последовательных хода поршня. Следовательно, компрессор представляет собой двухтактную машину. Площадь теоретической индикаторной диаграммы** D —1—2—С, которая графически изображает круговой процесс, измеряет работу, расходуемую за один оборот его вала.

* Объемом вредного пространства (V ₀) называется объем между крышкой цилиндра и днищем поршня при положении его в ВМТ.

** Диаграмма называется индикаторной, так как она записывается специальным прибором — индикатором, присоединенным к цилиндру компрессора.

Нужно иметь в виду условность названия кругового процесса (цикла) компрессора, так как всасывание и нагнетание не являются термодинамическими процессами, поскольку они происходят при переменном количестве газа. В этом состоит отличие индикаторной диаграммы от pv -диаграммы, которая строится для постоянного количества рабочего тела. В индикаторной диаграмме D —1—2—С сжатие газа 1—2 — термодинамический процесс, ибо в нем участвует постоянное количество газа. Очевидно, что при одном и том же конечном давлении р ₂, конечный объем v ₂ будет различен в зависимости от характера кривой процесса сжатия 1—2, а значит, будет различна и работа, затрачиваемая на привод компрессора.

Как следует из рис. 9.1, б, наиболее выгодным процессом сжатия по затрате работ извне для привода компрессора является изотермический процесс 1—2'. В этом случае соблюдаются также идеальные условия для сохранения качества смазочных масел (вязкость, температура вспышки и др.). Однако изотермическое сжатие газа в компрессоре практически неосуществимо, и кривая сжатия обычно располагается между изотермой и адиабатой и может быть принята за политропу с показателем n = 1,2—1,25. Чем интенсивнее будет охлаждение газа при сжатии (чаще всего водой, проходящей через рубашку компрессора), тем больше будет политропа сжатия 1—2 отклоняться от адиабаты 1 — 2" в сторону изотермы 1—2'. С уменьшением теплообмена показатель п увеличивается. Очевидно также, что с увеличением n

при одном и том же отношении p ₂/ p ₁ конечная температура сжатого газа Т ₂ будет возрастать по закону

Например, при p ₁ =  0,1 МПа, t ₁ = 16 °С и конечной температуре t ₂ = 160 °С при адиабатном сжатии давление воздуха можно увеличить в 4 раза, а при политропном (n = 1,2) — в 10 раз. Зависимость конечной температуры сжатия Т ₂ , от характера процесса сжатия наглядно иллюстрируется Ts-диаграммой для одноступенчатого компрессора на рис. 9.1, в. Из диаграммы следует, что самым невыгодным процессом сжатия с точки зрения высоких значений Т ₂, является адиабатный процесс 1—2". Абсолютное значение работы, затрачиваемой на сжатие 1 кг газа в одноступенчатом идеальном компрессоре (А ₀), графически изображается площадью D —1—2—С (см. рис. 9.1, б) и может быть подсчитано так:

А ₀= пл. 1—2— E — F + пл. 2—Е —О —С — пл. D —1 — F —0,

или

А ₀ = А _сж + А _нагн — А _всас =  + p ₂ v ₂— p ₁ v ₁,.

По смыслу работы A ₀, A _сж, A _нагн являются отрицательными, а работа процесса всасывания A _всас — положительной, так как на ее совершение энергия не затрачивается (трение отсутствует), и сопротивление воздуха, находящегося справа под поршнем при ходе всасывания, не учитывается, ибо не принимается также во внимание положительная работа этого воздуха при сжатии и нагнетании.

В зависимости от характера процесса сжатия в соответствии с формулами (3.8), (3.15), (3.22) имеет значения:

для изотермического процесса

Чтобы не иметь дело с отрицательными величинами при подсчете работы сжатия, их умножают на —1. Это дает

Тогда теоретическая работа компрессора А₀, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, при изотермическом процессе сжатия выразится равенством

Из сравнения с равенством (3.22) следует, что теоретическая работа (при политропном сжатии), затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, в n раз больше работы сжатия в политропном процессе (при 1 < n  < k). ( n больше или равно k )

Для адиабатного процесса сжатия будем иметь аналогичную формулу для теоретической работы компрессора на сжатие 1 кг газа:

 

 

Наличие вредного пространства вводит в диаграмму добавочный процесс С — D — процесс расширения сжатого газа, заполняющего в конце нагнетания объем вредного пространства V ₀ (рис. 9.2). Всасывание газа в компрессор начинается в точке D, когда давление сжатого газа, заполнившего объем вредного пространства, уменьшится при расширении до давления окружающей среды р ₁. В действительности процесс всасывания будет происходить при давлении ниже р ₁ на величину D р _вс, обусловленную разрежением в цилиндре из-за насосного действия хода поршня. При нагнетании давление газа увеличивается на D р _вс, за счет гидравлических сопротивлений нагнетательного клапана и трубопроводов. На рис. 9.2 заштрихованные площадки отражают разницу между действительной индикаторной диаграммой и теоретической.

Из этого же рисунка видно, что наличие вредного пространства уменьшает количество газа, засасываемого в цилиндры компрессора, и, следовательно, уменьшает его производительность. Отношение объема, соответствующего процессу всасывания, V _вс к рабочему объему цилиндра V_h называется объемным КПД компрессора h_об. Очевидно, что для идеального компрессора объемный КПД равен 100%, так как V _BC = V _h. Поскольку объемный КПД не учитывает температурных изменений газа в процессе всасывания (нагрев от стенок) и утечек через неплотности, то для характеристики действительной производительности компрессора пользуются коэффициентом подачи или наполнения h _v равным отношению действительного засасываемого объема газа к рабочему объему цилиндра.

Значения h _v колеблются в пределах 0,65—0,85, а h_об = 0,75—0,9.

С увеличением давления сжатого газа от р ₂ до , ,  (см. рис. 9.2) производительность компрессора снижается, так как уменьшается объем, соответствующий процессу всасывания ( <  < ,), и в пределе, когда линия сжатия пересечет линию, проходящую через ВМТ (р ₂ = ), всасывание газа в цилиндр компрессора прекращается (точка совпадает с точкой 1). В этом случае считают, что компрессор начинает работать сам на себя (линия сжатия 1 — 2 совпадает с линией расширения С — D, и участок процесса нагнетания 2 — С обращается в точку). Предельное значение отношения p ₂/ p ₁, при котором из-за наличия вредного пространства прекращается всасывание воздуха, определяют из равенства

 

Из таблицы видно, что увеличение объема вредного пространства значительно влияет на работу компрессора. На практике величина а достигает 10%.

При уменьшении производительности компрессора с увеличением давления сжатого воздуха и ухудшении при этом условий смазки из-за повышения температуры Т ₂, одноступенчатый компрессор становится непригодным для получения сжатого газа высокого давления. Обычно одноступенчатые компрессоры применяют для получения сжатого газа давлением не выше 0,8—1 МПа. При необходимости иметь сжатый газ более высокого давления используют многоступенчатые компрессоры.

Лекция №9

2. Многоступенчатый поршневой компрессор. В многоступенчатых компрессорах сжатие газов осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах (до семи) с промежуточным охлаждением после каждого цилиндра в специальных холодильниках. При таком принципе работы сжатие газа в каждом цилиндре возможно при допустимом температурном режиме, обеспечивающем благоприятные условия смазки. В промежуточных холодильниках после каждого цилиндра газ охлаждают при постоянном давлении, равном давлению конечного сжатия в соответствующей ступени.

Рассмотрим в качестве примера работу трехступенчатого поршневого компрессора, схема которого приведена на рис. 9.3, а рабочий процесс в pv - и Ts -координатах (для идеального компрессора) — на рис. 9.4.

Газ всасывается в цилиндр низкого давления (процесс D — 1 на рис. 9.4), сжимается по политропе 1 — 2 до давления р ₂ и нагнетается в промежуточный холодильник x ₁ где при постоянном давлении р ₂ охлаждается вследствие отдачи теплоты воде, омывающей змеевик. Из промежуточного холодильника сжатый газ при том же давлении р ₂ всасывается во вторую ступень. Конечный объем всасывания V ₃ < •< V ₂ так как р ₂ = const, а Т ₃ < Т ₂. Во второй ступени газ сжимается по политропе до давления р ₄ (процесс 3 — 4) нагнетается при этом давлении во второй промежуточный холодильник х ₂ и оттуда поступает  в третью ступень, где и сжимается до конечного заданного давления р ₆ (процесс 5 — 6) и нагнетается в резервуар.

Работу многоступенчатого компрессора стремятся организовать так, чтобы обеспечивались:

1) полное охлаждение газа во всех холодильниках, т. е. температуру газа доводят до начальной температуры Т ₁, которую он имел при входе в первую ступень (Т ₁ = Т ₃ = Т ₅);

2) одинаковая конечная температура сжатия газа во всех ступенях, обеспечивающая во всех цилиндрах надежные условия смазки (Т ₂ = Т ₄ = Т ₆);

3) одинаковые показатели политроп сжатия во всех цилиндрах, т. е. n ^I = n ^II = n ^III = п.

При выполнении этих условий перепады давлений (отношение конечного давления к начальному) во всех ступенях будут одинаковы,

т. е. р ₂ / p ₁ = p ₄/ p ₃ = p ₆ / p ₅.

  Из равенства  = const имеем:

                        для I ступени р ₂ / p ₁ =  ;

                        для II ступени p ₄/ p ₃ =  ;

                        для II ступени p ₄/ p ₃ =  .

Правые части указанных равенств одинаковы. Следовательно, должны быть одинаковы и левые части этих равенств, т. е. действительно. р ₂ / p ₁ = p ₄/ p ₃ = p ₆ / p ₅.  Обозначая это отношение буквой z, можно написать  = z ³, а т.к. р ₂ = р ₃ и р ₄ = р ₅, то z ³ = р ₆ / р ₁ = р _нач / р _кон, откуда

Рис. 9.4. Теоретическая индикаторная диаграмма трехступенчатого компрессора
(а) н процесс сжатия в Ts -диаграмме (б)

z =

при числе ступеней компрессора m получим

z =                                       (9.7)

Например, при m = 3, p _нач = 0,1 МПа или р _кон = 12,5 МПа имеем z =  = 5, т. е. р ₂ = 0,5, а р ₄ = 2,5 МПа, или р ₂ = р ₁ z; р ₄ = р ₃ z = р ₂ z = р ₁ z ³

и т. д., т. е. давление сжатого газа по ступеням увеличивается по закону геометрической прогрессии со знаменателем z.

Для нахождения объемов V ₃ и V ₅ определяющих размеры цилиндров отдельных ступеней, рассуждаем так: если точки 1, 3, 5 расположены на одной изотерме, поскольку T ₁ = T ₃ = T ₅, то p _l V _l = р ₃ V ₃ = р₅ V ₅, но тогда:

 

 

 

 

Лекция №10