Дата: 4.04.2020 дисциплина: Теплотехника
Группа: 19-11 АТ.
Теоретическое занятие
Тема: Эжектирование газов. Компрессоры.
Цель: Подробно изучить процесс эжектирования газов. Изучить основные типы компрессоров.
Задачи:
1. Изучить теоретический материал
2. Ответить письменно нам контрольные вопросы, в рабочей тетради письменно, либо в приложенном электронном файле под названием «Рабочая тетрадь».
Контрольные вопросы:
Опишите процесс эжектирования газов-?
Отличается ли принцип действия эжекторов и инжекторов. Ответ обосновать.
Состав эжекторов-?
Компрессор-? Основные составляющие компрессора-?
Какими параметрами принято характеризовать компрессоры-?
Доп. Источники Учебник Теплотехника.
I. Процесс эжектирования газа
Эжектированием называется процесс приведения в движение газа под
действием разрежения, создаваемого другим газом, движущимся с большой скоростью. Высокоскоростной газ, создающий разрежение, называется эжектирующим (активным), а приводимый в движение - эжектируемым (пассивным). В процессе эжектирования в результате турбулентного смешения происходит передача энергии от активного к пассивному газу. При этом происходит выравнивание их скоростей и термодинамических параметров.
Эжектирование лежит в основе работы эжекторов (струйных вентиляторов) и инжекторов (струйных компрессоров и насосов).
В эжекторе количество эжектирующего газа меньше чем эжектируемого, а статическое давление их смеси на выходе равно давлению окружающей среды. Эжекторы находят применение для вентиляции помещений, для удаления из различных установок отработавших газов, в эжекционных системах охлаждения двигателей для просасывания атмосферного воздуха через радиатор и др.
Рис.1. Схема эжектора, профиля скоростей и изменение давлений эжектирующего и эжектируемого газов
В инжекторе количество эжектирующего газа обычно больше, чем эжектируемого. Инжектор предназначен для повышения давления газов и паров или для нагнетания жидкости в резервуары и различные устройства. В
струйном насосе для эжектирования жидкости могут использоваться газы и пары.
По устройству и принципу действия эжекторы и инжекторы одинаковы. Подробнее процессы, протекающие в них, рассмотрим на примере эжектора.
Эжектор (рис. 1) имеет следующие конструктивные элементы: сопло
1 высоконапорного эжектирующего газа, сопло 2 низконапорного эжектируемого газа, камеру смешения 3 и, обычно, диффузор 4. Камера смешения может быть цилиндрической (рис.3.5) с диаметром d 3 или плоской прямоугольной (рис.3.6) с эквивалентным гидравлическим диаметром d 3,эк
d 3,эк = 4 f 3/П3 = 2 b 3 h 3 /(b 3 + h 3),
где f 3 - площадь проходного сечения; П3 - периметр; b 3- ширина; h 3 _
высота камеры.
Для сокращения длины камеры смешения один или оба потока могут быть разделены на несколько струй, для чего увеличивается количество сопл (рис. 3.6).
При этом взаимное расположение, число и форма сопл не оказывают существенного влияния на конечные параметры смеси газов.
Важно лишь соотношение суммарных площадей сопл эжектирующего и эжектируемого газов. Иногда применяют камеры смешения переменного сечения. Длина камеры смешения выбирается такой, чтобы в ней практически заканчивался процесс смешения потоков, однако по возможности, короткой, чтобы уменьшить гидравлические потери и общие габариты эжектора. Достаточно однородная смесь обеспечивается при длине камеры
l 3= (8- 12) d 3,эк, на практике принимают и меньшую длину в эжекционных системах охлаждения двигателей, например l 3= (1,5 - 2,5) d 3,эк.
В диффузоре скорость смеси газов уменьшается, а статическое давление возрастает, в результате чего уменьшаются потери энергии с уходящим газом. Однако эжектор может работать и без диффузора и даже вместо него может устанавливаться реактивное сопло, когда требуется ускорение потока газовой смеси, например, в реактивном двигателе.
Взаимосвязь параметров потоков до и после их смешения устанавливается с помощью законов сохранения массы и энергии.
При эжектировании 1 кг массы эжектируемого газа расходуется m кг
эжектирующего газа. Найдем значение m с учетом теплового баланса эжектора. В эжектор входит m кг рабочего газа с параметрами р 1, h 1 и 1 кг
эжектируемого газа с параметрами р 2, h 2, а выходит из эжектора (1+ m) кг
смеси с параметрами р 3, h 3, откуда получим уравнение эжекции в виде:
mh 1 + h 2 = (1 +m) h3, откуда m = (h3-h2)/(h1-h3)
На практике из-за потерь на необратимость работы эжектора действительный расход эжектирующего газа m д будет больше.
КПД работы эжектора определяют отношением: ηэж = m / m д.
II. Компрессоры
Компрессором называется машина, предназначенная для сжатия газов и транспортировки их потребителю. Компрессоры получили в современной технике широкое применение. Их используют в химической промышленности, машиностроении, металлургии, в авиации, в пищевой промышленности и т. п.
Классификация компрессоров:
1.По назначению:
А) воздушные (служат для выработки сжатого воздуха)
Б) газовые (служат для перекачивания природного газа, сжатия кислорода, фреонов и др. газов)
2.По принципу действия:
А) поршневые (объемные)
Б) турбокомпрессоры.
3.По направлению потока:
А) центробежные
Б) осевые
4.По величине создаваемого давления:
А) вентиляторы (степень повышения давления меньше 1,5)
Б) нагнетатели (степень повышения
В) компрессоры (степень повышения давления больше 1,15)
2 Устройство и принцип действия поршневого компрессора
В поршневом компрессоре сжатие осуществляется поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение. Приводятся в действие электродвигателем или ДВС.
Классификация:
1.по кратности действия:
А) простые
Б) двойные
2.по количеству цилиндров:
А) одноцилиндровые
Б) многоцилиндровые
3.по расположению цилиндров:
А) горизонтальные
Б) вертикальные
В) V-образные
Г) звездообразные
4.по числу ступеней сжатия:
А) одноступенчатые
Б) многоступенчатые
По принципу сжатия рабочего тела в компрессоре эти машины классифицируются на две основные группы: первая поршневые, винтовые и ротационные, вторая турбинные (центробежные). В первой группе машин сжатие рабочего тела осуществляется путем уменьшения его объема, во второй путем движения потока по каналам переменного сечения.
Несмотря на различие принципов сжатия газа в компрессорах и их конструктивные отличия, термодинамика процессов в них одинакова для любых типов машин. Задачей термодинамического анализа компрессора является определение работы, затрачиваемой на сжатие рабочего тела при заданных начальных и конечных параметрах. Так как термодинамические процессы, протекающие в компрессорах, идентичны, то ограничимся рассмотрением работы поршневого компрессора.
Схема поршневого компрессора приведена на рис. 3.7.
На рисунке 3.7 приведены схемы а) одноступенчатого поршневого компрессора, б) трехступенчатый компрессор.
В компрессоре происходит сжатие газов от р 1 до р 2 в результате затра-
ты механической энергии.
Работа компрессора (рис. 3.7, а) заключается в следующем.
Исходно поршень (2), связанный кривошипно-шатунным механизмом с электродвигателем или другим источником механической работы, занимает верхнее положение, далее он перемещается вниз, при этом впускной клапан (3) открывается и происходит засасывание газа в цилиндр (1). При обратном движении поршня происходит сжатие газа до давления, превышающего давление в ресивере (5). При этом открывается нагнетальный (выпускной) клапан (4) и сжатый газ подается в ресивер и далее потребителю. Для повышения давления более 6 − 8 атм. используют многоступенчатые компрессоры (рис. 3.7, б). В этом случае применяют охлаждение газа в холодильниках (1, 2), помещенных между ступенями компрессора.
Рабочий процесс компрессора представлен графически на диаграмме P – V (рис. 3.8) и включает в себя ряд ступенчатых процессов. В исходном состоянии при давлении р 1 происходит изобарный процесс всасывания газа в цилиндр компрессора. При этом совершается работа l 1, которая определяется на рис. 3.8 прямоугольником р 1 – 1 –V 1 – 0.
Рисунок 3.8 – Рабочий процесс компрессора при сжатии газа на диаграмме P – V.
Рассмотрим процесс сжатия атмосферного воздуха в одноступенчатом поршневом компрессоре
При движении поршня 3 вправо в цилиндре 4 происходит разрежение, под действием которого открывается всасывающий клапан 1, и цилиндр заполняется воздухом.
При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, воздух в цилиндре сжимается (процесс 1 ─ 2),
Когда давление в цилиндре станет выше давления в резервуаре, равного pн, откроется нагнетательный клапан 2. Воздух выталкивается поршнем из цилиндра (процесс 2 ─ 3).
Так как между днищем поршня и крышкой цилиндра всегда остаётся некоторый объём, называемый вредным объёмом Vв, то весь воздух из цилиндра не может быть вытеснен резервуар. При следующем движении поршня вправо нагнетательный клапан закрывается под действием давления на него газа из резервуара. Оставшийся в объёме Vв воздух расширяется (процессе 3 ─ 4). Когда давление в цилиндре станет ниже атмосферного, начнётся всасывание (процесс 4 ─ 1).
Преимущества поршневых компрессоров:
-Производительность компрессора не зависит от создаваемого давления;
-Максимально развиваемое компрессором давление теоретически неограниченно, и зависит только от мощности привода и прочности узлов и деталей конструкции компрессора.
Недостатки:
- Большое число подвижных деталей;
- Невозможность регулировки подачи простыми способами;
- Неравномерность движения деталей – необходимость надежного фундамента.
Основные характеристики работы поршневого компрессора
Отношение давлений в степени сжатия β = p2/p1 определяется по давлениям перед всасывающим клапаном 1 и за нагнетательным клапаном 2 компрессора. Отношение вредного объёма цилиндра к рабочему называется относительной величиной вредного влияния или коэффициентом вредного объёма
Α=V0/Vh.
У поршневых компрессоров σ = 0,03-01
Отношение объёма всасывания V к рабочему объёму цилиндра называется объемным коэффициентом компрессора
λ0=Vвс/Vh.
Объёмный коэффициент зависит от относительной величины вредного объёма и отношения давлений в ступени сжатия β = p2/p1. Как следует из рис.1 (пунктирная линия), повышение давления нагнетания приводит к уменьшению объёма всасывания, а следовательно, к снижению объёмного коэффициента. Аналитически λ0=1 ─ σ(β1/n ─ 1),
где nр ─ показатель политропны расширения остающегося во вредном объёме газа.
У поршневых компрессоров λ = 0,8 ─ 0,95. Действительная производительность компрессора оценивается коэффициентом подачи λ, представляющим отношение объёма поданного компрессором газа V, отнесённого к физическим условиям окружающей среды, теоретической производительности компрессора VТ, м3/с
λ=V/ VТ (12.6)
где VТ = (πD2/4)Sn. Размеры диаметра цилиндра D и хода поршня S принимаются в метрах: n ─ частота вращения вала.
Коэффициент подачи λ всегда меньше λ0, так как он учитывает утечки воздуха через поршневые кольца и всасывающий клапан при сжатии и нагнетании, потерю давления от сопротивления всасывающего тракта и нагревание воздуха от стенок цилиндра в процессе всасывания, что уменьшает производительность компрессора. Обычно λ = (0,9─0,98)λ0.
Мощность, подводимая к валу компрессора, называемая эффективной мощностью, больше индикаторной на величину потерь трения в самом компрессоре
N= Nί /ηм, (12.8)
где ηм ─ механический КПД компрессора.
Для поршневых компрессоров ηм = 0,8-0,95. Затрата работы на сжатие воздуха в компрессоре может быть определена по теоретической диаграмме рабочего процесса компрессора (без вредного пространства и сопротивления клапанов), изображённой рυ координатах (рис.3). Характер процесса сжатия зависит от степени охлаждения воздуха в цилиндре при сжатии. При идеальном охлаждении теоретически можно получить изотермическое сжатие с минимальной затратой работы (1─2’). При сжатии без теплообмена со стенками получим адиабатный процесс 1─2”. Фактически процесс сжатия идёт по политропе 1─2 с показателем n, n = 1.25-1.35. Работа сжатия газа в компрессоре равна располагаемой работе. Располагаемая работа сжатия в компрессоре определяется на абсолютной величине. При изотермическом сжатии работа сжатия L равна в масштабе площади
L = mRT lnβ=p1V1lnβ,
где V1=mυ1 ─ полный объём всасываемого воздуха в м3/с.
При адиабатном сжатии Lад соответствует площади Работа сжатия
Lад = [k/(k-1)] mRT1(β(k-1)/k-1)=[k/(k-1) p1V1(β(k-1)/k-1).
Теоретическая мощность, потребляемая компрессором,
Nk=L,
где L─ работа сжатия.
Действительная эффективная мощность сжатия воздуха больше теоретической
N = Nиз/ηизηм= Nад/ηадηм. где ηиз и ηад ─ соответственно изотермический и адиабатный КПД компрессора; ηм ─ механический КПД компрессора.
Для поршневых компрессоров ηиз=0,6-0,85; ηад=0,7-0,93.