Термодинаміка процесу стиснення

Розділ 4 Системи регулювання процесів в компресорах

Значна частина енергії¹, що споживається при очистці нафти і хімічній переробці, витрачається на приведення в дію компресорів, що забезпечують стислими газами реактори і забезпечують охолоджування або транспортування газоподібних продуктів. Оскільки на стиснення газів зазвичай витрачається механічна енергія, її економія має особливе значення. Єдиними компресорами, не споживаючими механічної енергії, є ежектори, що створюють розрідження або забезпечують невисоке стиснення пари. Вони, природно, також розглядаються в даному розділі, оскільки використовуються як компресори і працюють за рахунок енергії пари.

Термодинамічні принципи стиснення однакові для компресорів всіх типів, у тому числі і пароструминних ежекторів². Тому в цьому розділі для аналізу характеристик компресорів окремих типів розглядається термодинаміка процесу стиснення. Потім розглядаються потреби технологічних процесів, в яких використовуються компресори, і обговорюється застосування систем регулювання витрати і тиску в компресорах.

Особлива увага приділена турбокомпресорам, оскільки вони знаходять широке застосування для стиснення великих об'ємів газів. Системи регулювання повинні спеціально розроблятися для кожної установки з метою зведення до мінімуму споживання енергії, а також захисту компресора і його приводу від несприятливих робочих умов. Ці системи можуть виявитися досить складними при великому числі компресорів або при великому числі потоків від одного багатоступінчатого компресора.

Термодинаміка процесу стиснення

Хоча політропне³ стиснення обговорювалося в розділі 1, розглянуті вище закони термодинаміки необхідно досліджувати детальніше, щоб оцінити вплив регулюючих дій на роботу компресора і процес стиснення. З метою визначення параметрів процесу і оцінки коефіцієнтів корисної дії спочатку розглядається стиснення ідеального газу. Отримані співвідношення застосовуються потім до реальних газів і газових сумішей.

¹ Енергія (від грец. evspyoc - діяльний) — загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає,
вона може тільки переходити з одного вигляду в ініший (закон_збереження_енергії). Поняття енергії зв'язує всі явища природи в одне ціле, є
загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів.

Федорченко A.M.. Теоретична механіка (1975), Київ: Вища школа., 516 с.

Федорченко A.M.. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2. (1993), Київ: Вища школа., 415 с.

² Ежектор (англ. ejector, нім. Ejektor) — струминний насос для відсмоктування (при значному розрідженні) рідин, газів, пари або сипких мас за
рахунок передачі кінетичноі_енергії від робочого середовища (що рухається) до відсмоктувального. Дія ежектора грунтується на розрідженні, що
створюється у ньому струминою іншої рідини (пари, газу), котра швидко рухається.

Мала_гірнича_енциклопедія: В 3-х т. / За ред. B.C. Білецького. — Донецьк: «Донбас», 2004.

³ Політропний процес — термодинамічний процес, під час якого питома теплоємність газу залишається незмінною.

⁴ Ідеальний газ (рос. ідеальний газ; англ. ideal gas, нім. ideales Gas n) — це газ, в якому молекули можна вважати матеріальними_точками, а силами
притягання й відштовхування між молекулами можна знехтувати. У природі такого газу не існує, але близькимиза властивостями до ідеального
газу є реальні розріджені гази, тиск в яких не перевищує 200 атмосфер і які перебувають при не дуже низькій температурі, оскільки за таких умов
відстань між молекулами набагато перевищує їх розміри.

Федорченко A.M.. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2. (1993), Київ: Вища школа., 415 с. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М.. Теоретическая физика. т. V. Статистическая физика. Часть 1. (1976), Москва: Наука..

_

4.1.1. Адіабатичне стиснення ідеального газу

У разі ізотермічного стиснення ідеального газу добуток тиску на об'єм однаковий в початковому і кінцевому станах

де р - абсолютний тиск, Q - об'ємна витрата, G - масова витрата, R - універсальна газова стала, Т - абсолютна температура, М - молекулярна маса газу. Проте в більшості компресорів ізотермічні умови⁵ не можна підтримувати через відсутність достатньої поверхні теплообміну: вірогідніше наближення до адіабатичних умов. Якщо процес стиснення є оборотним (політропним), то показник ступеня в рівнянні, що зв'язує об'єм і тиск зростає від одиниці (у ізотермічних умовах) до величини, рівної відношенню питомих теплоємностей газу:

- відношення питомої теплоємності при постійному тиску до питомої

теплоємності⁶ при постійному об'ємі. Відношення абсолютних температур газів, що нагнітаються, і всмоктуваного пов'язане зі ступенем стиснення співвідношенням:

При адіабатичному⁷ стисненні майже вся енергія, що підводиться,

Q

витрачається на збільшення ентальпії рідини навіть в необоротному процесі. Нехай W - потужність, що підводиться до потоку, a G - масова витрата рідини. Тоді:

де С - питома теплоємність рідини і Т - її температура. Потужність, що підводиться, можна також представити як відношення добутку масової витрати і «адіабатичного тиску» на - параметр, зазвичай використовуваного виготовлювачами

компресорів:

де адіабатичний ККД , показує на те, що не вся потужність⁹ перетвориться в тиск.

Якщо витрата виражається в кг/с і натиск в кДж/кг, то потужність матиме розмірність кВт.

⁵ Ізотермічні умови-умови за яких температура залишається сталою.

⁶ Питома теплоємність (позначення - с) - характеристика речовини, яка вказує скільки теплоти необхідно щоб нагріти (або виділяється при
охолодженні) 1 кг речовини на 1°С

⁷ Адіабатний процес (грец abiaficcwc; — неперехідний) — в термодинаміці зміна стану тіла без обміну теплом з навколиіінім середовищем. Його
можна здійснити, проводячи стискання чи розширення тіла (наприклад, газу) дуже швидко.

⁸ Ентальпія (або теплова функція, від грец. enthalpo — «нагріваю») — термодинамічний_потенціал, що характеризує стан термодинамічної
системи.

Ландау Л.Д., Лившиц Е.М.. Теоретическая физика. т. Ш. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. (1974), Москва: Наука..

⁹ Потужність - робота, виконана за одиницю часу, або енергія, передана за одиницю часу.

Адіабатичний тиск можна розрахувати за підвищенням температури:

Ентальпія ідеального газу не залежить від тиску, і, отже, питома теплоємність в рівняннях (4.4) і (4.6) представляє питому теплоємність при постійному тиску С_р.

При підвищеннях температури, які зазвичай мають місце в процесі стиснення, С_р

можна вважати постійною величиною, і в цьому випадку рівняння (4.6) приймає вигляд:

Використовуючи співвідношення

і замінюючи відношення температур відношенням тиску, згідно з рівнянням (4.3), адіабатичний тиск можна виразити через степінь стиснення р₂ /р₁ при ККД, рівному 100%

У табл. 4.1 (для звичайних газів) наведені значення молекулярної маси і функцій у і φ. Для парафінового ряду та їх сумішей існує достатньо характерна залежність між цими функціями і молекулярною масою. Криві, що ілюструють цю залежність, наведені на рис. 4.1.

Таблиця 4.1 Молекулярні маси і функції відношення питомих теплоємностей для звичайних газів

Рис. 4.1. Графік залежності функцій від молекулярної маси М

1 — лінія точок залежності функції

2 - лінія точок залежності функції

Дата добавления: 2015-12-07