§ 12.2. ТЕРМОДИНАМИКА КОМПРЕССОРНОГО ПРОЦЕССА

Простейшая теория компрессорных машин, обладающая практически приемлемой точностью, основывается на термодинамике идеального газа, подчиненного уравнению

I)

При конечном давлении воздушного компрессорного процесса более 10 МПа следует пользоваться уравнением состояния реального газа

где z - коэффициент сжимаемости.

Основные уравнения. Совместное использование первого закона термодинамики и уравнения состояния идеального газа приводит к следующим уравнениям процессов сжатия и расширения, происходящих в компрессорах:

Политропный процесс является общим видом термодинамического процесса и протекает в компрессорах в зависимости от внешних и внутренних условий с показателем n = 1,15 - 1,80.

Адиабатным называют процесс без теплообмена с внешней средой; в таком процессе возможно внутреннее образование теплоты за счет работы газового трения и вихреобразования. Строго адиабатный процесс в компрессорах получить нельзя вследствие невозможности полной тепловой изоляции газового потока от окружающей среды.

Кроме процессов (12.3) - (12.5) в теории компрессоров рассматривают процесс изоэнтропный, характеризующийся постоянством энтропии в результате отсутствия теплообмена с окружающей средой и внутреннего тепловыделения, обусловленного газовым трением в потоке. В реальных компрессорах, очевидно, изоэнтропный процесс невозможен.

Диаграммы ST и pv.

координатах S, T(рис. 12.5.).

Рис. 12.5. S, T- диаграммы компрессорных процессов,

описываемых формулами (12.3) - (12.5).

Здесь представлены основные виды компрессорных процессов: политропный n к, типичный для лопастных (центробежных и осевых) компрессоров (рис. 12.5, б);

изоэнтропный с S = const (рис.12.5, в);

изотермический с T = const (рис. 12.5, г).

Процессы на рис. 12.5, в и г в компрессорах неосуществимы, первый - потому что образование теплоты за счет внутреннего газового трения проявляется весьма существенно, второй - по причине невозможности выполнить конструкцию охлаждающей системы компрессора так, чтобы она обеспечивала сжатие газа при постоянной температуре. Как будет показано ниже, эти два процесса используются для оценки энергетической эффективности компрессоров.

Отметим свойства термодинамических диаграмм компрессорных процессов, показанных на рис. 12.5.

Процесс сжатия во всех случаях представляется линиями 1-2. В случаях на рис. 12.5,и б сжатие (повышение давления) сопровождается изменением энтропии и повышением температуры газа. При этом увеличивается энтальпия газа.

В политропном компрессорном процессе при nк (рис. 12.5), что характерно для компрессоров с воздушным или неинтенсивным водяным охлаждением, площадь 1-2-6-5 под политропой 1-2 процесса сжатия представляет собой количество теплоты, образующейся в потоке вследствие газового трения и вихреобразования.

Энергия, подводимая к компрессору, расходуется на проведение компрессорного процесса (сжатие и проталкивание) и работу газового трения в проточной полости. Работа компрессорного процесса представляется площадью 1-2-3-4-5. Следовательно, полная энергия, расходуемая компрессором (без энергии, идущей на покрытие механических и объемных потерь), выражается площадью 2-3-4-6.

Если бы процесс в компрессоре протекал по изоэнтропе 1-2',то полная затрата энергии была бы равна площади 1-2'-3-4-5,т.

дополнительно на сжатие и проталкивание объема, появляющегося в результате нагрева газа в процессе трения и вихреобразования.

Изложенные соображения применимы и к рассмотрению S, T - диаграмм изоэнтропного и изотермического процессов (рис. 12.5, в и г).

Наименьшее количество энергии затрачивается в компрессорном процессе с изотермическим сжатием (рис. 12.5, г). Эта энергия представляется площадью 1-2-4-5.

Рис. 12.6. p,u - диаграммы компрессорных процессов,

описываемых формулами (12.3) - (12.5)

В некоторых случаях удобно изображать компрессорные процессы на р, и - диаграмме (рис. 12.6). Здесь сплошной линией 1-2показан процесс при политропном сжатии с n