Глава III

Сжатие и разрежение газов

Поршень плотно прилегает к тщательно обработанной внутренней поверхности цилиндра и делит герметически его полость на ле­вую и правую части. Движение поршня осуществляется посред­ством шатунно-кривошипного механизма, передающего энергию от двигателя. При перемещении поршня слева направо газ при давлении р_х всасывается через клапан 3; при движении в обратную

Сжатие и разрежение газов применяют в химических произ­водствах для обеспечения протекания химических и физических процессов в требуемом направлении, а также для перемещения газов на различные расстояния. Объем сжимаемых и перемещае­мых газов в современной химической промышленности достигает многих тысяч и даже десятков тысяч кубометров в час, давление — 150 МПа, разрежение — 99,99% и выше.

Машины для сжатия газов от нормального (и выше) до более высоких давлений называются компрессорами, а ма­шины, всасывающие газы из разреженной среды и сжимающие их до нормального давления или несколько выше, — вакуум-насосами. Во всех случаях газу, как и капельной жидкости в насосах, сообщается определенное количество потенциальной (давление) и кинетической энергии. В одних машинах газу сооб­щается преимущественно потенциальная энергия (давление) пу­тем сжатия его поршнем с возвратно-поступательным движением (поршневые компрессоры) или вращательным (рота­ционные компрессоры), в других — преимущественно кине­тическая энергия, преобразующаяся затем в энергию давления (центробежные, осевые и струйные компрес­соры). Отличаясь принципом действия и конструкцией, каждый из указанных типов машин имеет свой диапазон рабочих условий и определенную область наивыгоднейшего применения.

А. ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

1. Принцип действия и теоретические рабочие диаграммы поршневых компрессоров

Устройство одноступенчатого поршневого компрес­сора аналогично устройству поршневого насоса (рис. Ш-1, а). Поршень 2 движется возвратно-поступательно в цилиндре /, снабженном всасывающим 3 и нагнетательным 4 клапанами.

сторону газ сначала сжимается до требуемого давления р₂ и затем выталкивается через клапан 4 в нагнетательный газопровод. Так как при сжатии газа неизбежно повышение его температуры, сопряженное с опасностью пригорания смазочного масла и, как

н

Рис. 111-2. Теоретические рабочие диаграммы поршневого компрессорах а — р —р-диаграмма; б ~ j—S-диаграмма.

будет показано ниже, также с увеличением удельного расхода энергии, то стенки цилиндра обычно охлаждаются непрерывным потоком воды (5 — вход воды, 6 — выход).

На рис. Ш-2, а изображена теоретическая ра­бочая диаграмма компрессора в системе координат р—v (давление—удельный объем газа). На протяжении хода поршня АВ газ, имея удельный объем v_x и давление р_ъ всасывается в цилиндр, на участке ВС обратного хода он сжимается до требуемого давле­ния р₂ и удельного объема v₂, а на пути CD до конца хода он вы­талкивается в нагнетательный газопровод.

В описанной схеме компрессора сжатие газа производится одной стороной поршня один раз за Два его хода, т. е. за один оборот вала. Производительность этого одноцилиндрового ком­прессора, называемого компрессором простого дей­ствия, можно почти удвоить, снабдив цилиндр второй крышкой с сальником для прохода штока и еще одной парой клапанов (рис. III-1, б). В таком компрессоре, называемом компрессором двойного действия, всасывание и сжатие газа будут происходить при каждом ходе поршня, т. е. два раза за один оборот вала.

Поршневой компрессор подобно поршневому насосу имеет пульсирующую подачу газа, которую можно в значительной мере выравнять установкой специальной емкости (ресивера) в начале нагнетательного газопровода. Объем ресивера обычно равен 25—40 объемам цилиндра компрессора простого действия и 15—20 объемам цилиндра компрессора двойного действия.

2. Работа сжатия газа в поршневых компрессорах

Диаграмма работы компрессора, представленная на рис. Ш-2,а, является теоретической, так как она предполагает, что весь сжатый газ полностью выталкивается из цилиндра в конце обратного хода поршня (точка D), отсутствуют потери энергии в клапанах и на трение поршня при абсолютной плотности его прилегания к внутренней поверхности цилиндра. При этих условиях теорети­ческий расход работы L на всасывание, сжатие и выталкивание 1 кг газа, как известно из технической термодинамики, выра­жается замкнутой площадью ABCD.

Величину L можно выразить следующей алгебраической

суммой: L = p₂v₂ + j р dV — p_xvi. Из этого выражения видно,

что величина L зависит при прочих равных условиях от законо­мерности процесса изменения состояния газа при сжатии. В слу­чае идеального газа (pv — RT, где R — газовая постоянная, Т — температура) кривая сжатия ВС подчиняется общему урав­нению pv^к

^m = const. Следовательно, расход работы L (площадь ABCD) будет минимальный при изотермическом сжатии, когда pivx = p₂v₂ = pv= RT и m — 1; он выразится так:

^{t„ = ] Pdv = pv]= рлm-g- = №щД = RTmЛ. (in.i)}

В, ».

В данном случае пл. ABCD = пл. GHBC.

^■ад ~

При адиабатическом сжатии, когда m = к > 1 (кривая ВС_Х), расход работы (пл. ABCyD) больше, чем при изотермическом, и составляет:

^{= P.p-i — Pivi +^pdv = p2v2 — рЛ + ppl Jijji =}

(III.2)

к — 1

где к — c_plc_v — показатель адиабаты.

Аналогично для случая политропического сжатия получим:

(II1.3)

Г т-1

l -■ ^ш *-пол —

где m — показатель политропы.

Если путем охлаждения цилиндра отводится лишь тепло, вы­деляющееся вследствие трения в цилиндре, то процесс сжатия газа близок к адиабатическому. При отводе большего количества тепла показатель политропы имеет промежуточное значение между показателями изотермы и адиабаты: 1 < m < к (кривая ВС₂ на рис. II1-2, а). В случае недостаточного отвода тепла про­цесс сжатия газа будет протекать с показателем политропы пг > к (кривая ВС₃ на рис. II1-2, а). В реальных условиях процесс сжа­тия газа никогда не протекает с постоянным показателем поли­тропы т. В начале сжатия газ холоднее стенок цилиндра и не­сколько нагревается. Далее, вследствие небольшой разности температур газа и охлаждающей воды политропа сжатия прибли­жается к адиабате и становится даже круче ее. В конце сжатия разность температур газа и охлаждающей воды возрастает и кри­вая сжатия приближается к изотерме (т -*- 1). С некоторым при­ближением можно принять для практических расчетов m = = 1,30—1,35. (Напомним, что R = 8300/М Дж/(кг-К), где М — молекулярная масса).

Приведенные выражения для L_H3, L_aA и L_no„, как подчеркнуто ранее, справедливы лишь для идеальных газов, в частности, для двухатомных газов в ограниченных диапазонах давления и тем­пературы. За пределами последних в области высоких давлений, высоких и очень низких температур, даже для двухатомных газов, а для многоатомных газов и паров при всех условиях pv Ф RT, и выражения (III.1), (III.2) и (III.3) неприменимы. Во всех слу­чаях, однако, точный расчет работы сжатия газов возможен при помощи известных диаграмм i—S (энтальпия — энтро­пия). Так, работа, затрачиваемая на адиабатическое сжатие в компрессоре 1 кг идеального газа, будет:

Так как к = c_plc_v и R = с_р — c_v, то для идеального газа получим: Ь_ад = с_р (Т₂ — 7\) ⁼ '2 —

Для реальных газов pv -/■■• RT, а удельные теплоемкости с_р и с„ являются функциями давления и температуры. Действитель­ные значения энтальпии, соответствующие каждому состоянию газа, могут быть заимствованы из диаграммы i—S, построенной по истинным значениям i. Искомый расход работы выразится так (в Дж/кг):

£а_Д = <■-<! (П1.2а)

На рис. 111-2, б представлена!—5-диаграмма работы компрес­сора, сжимающего газ от начального состояния (точка А) до конечного давления р₂. При адиабатическом сжатии 5 = const и величина i₂—i'i выразится вертикальным отрезком А В. В слу­чаях хорошего охлаждения цилиндра компрессора процесс при политропическом сжатии пойдет по линии АВ₂, причем ^пол = И — i < ^ад. а при отсутствии или плохом охлажде­нии — по линии АВ_Ъ причем L_n0J, > L._AA.