Работа расширения и сжатия рабочего тела

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйство Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Якусткая государственная сельскохозяйственная академия»

Инженерный факультет

Кафедра «Энергообеспечение в агропромышленном комплексе»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Выполнил: Игнатьев С.Н.

4 курс, АИ - 13

130106

Якутск, 2017

РАБОТА РАСШИРЕНИЯ И СЖАТИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Рассмотрим процесс изменения параметров рабочего тела в цилиндре со свободно перемещающимся поршнем:

Представим, что в цилиндре находится 1 кг газа с начальными параметрами р1, v1, Т1 (параметр Т на рисунке не показан). Это состояние газа на р--v-диаграмме изобразим точкой 1. Давление газа на поршень в начальном состоянии уравновешивается внешней силой РВн, приложенной к штоку поршня, и давлением атмосферы. При уменьшении внешней силы поршень под действием давления га­зов начнет перемещаться в цилиндре вправо, увеличивая объем газа до v2 и уменьшая давление и температуру до р2 и Т2. Состояние газа в конце процесса расширения изобразим точкой 2. Соединив все точки промежуточных состояний между точками 1 и 2, получим кривую 1--2 процесса расширения газа.

Чтобы определить работу расширения или сжатия газа, разобьем процесс расширения на бесконечно малые участки, в пределах которых давление принимают постоянным. Тогда величина элементарной работы dw при бесконечно малом перемещении поршня dx равна произведению силы на путь:

dw = рАп dx

где р -- давление газа на площадь днища поршня, Па; Ап -- площадь днища поршня, м2.

Так как Aп dx = dv, то dw = pdv, где dv -- приращение объема в элементарном процессе.

Интегрируя это уравнение в пределах от v1 до v2, получим зЗначение полной работы расширения или сжатия 1 кг газа

Для произвольного количества газа массой m (кг) работа расширения или сжатия будет составлять

W=mw

В p-v -диаграмме полная работа расширения или сжатия характеризуется площадью, расположенной под кривой процесса И ограниченной двумя линиями, параллельными оси ординат, И осью абсцисс. Работа расширения газа считается положительной, а работа сжатия -- отрицательной.

КОМПРЕССОР

поршень компрессор центробежный параметр

Компрессор (от лат. compressio -- сжатие) -- энергетическая машина или устройство для повышения давления (сжатия) и перемещения газообразных веществ. устройство для сжатия и подачи воздуха или другого газа поддавлением. Степень повышения давления в К. более 3. Для подачи воздуха с повышением его давленияменее чем в 2- 3 раза применяют воздуходувки, а при напорах до 10 кн/м2 (1000 мм вод. cm.) -- Вентиляторы. К. впервые стали применяться в середине 19 в., в России строятся с начала 20 в.

Основы теории центробежных машин были заложены Л. Эйлером, теория осевых К. и вентиляторовсоздавалась благодаря трудам Н. Е. Жуковского (См. Жуковский), С. А. Чаплыгина и других учёных.

По принципу действия и основным конструктивным особенностям различают К. поршневые, ротационные, центробежные, осевые и струйные. К. также подразделяют по роду сжимаемого газа(воздушные, кислородные и др.), по создаваемому давлению рн (низкого давления -- от 0,3 до 1 Мн/м2, среднего -- до 10 Мн/м 2 и высокого -- выше 10 Мн/м2), по производительности, то есть объёму всасываемогоVвс (или сжатого) газа в единицу времени (обычно в м3/мин) и другим признакам. К. также характеризуютсячастотой оборотов n и потребляемой мощностью N.

Поршневой К. в основном состоит из рабочего цилиндра и поршня; имеет всасывающий инагнетательный клапаны, расположенные обычно в крышке цилиндра. Для сообщения поршню возвратно-поступательного движения в большинстве поршневых К. имеется кривошипно-шатунный механизм сколенчатым валом. Поршневые К. бывают одно- и многоцилиндровые, с вертикальным, горизонтальным, V- или W-oбразным и другим расположением цилиндров, одинарного и двойного действия (когда поршеньработает обеими сторонами), а также одноступенчатого или многоступенчатого сжатия. Действиеодноступенчатого воздушного поршневого К. заключается в следующем. При вращении коленчатого вала 1соединённый с ним шатун 2 сообщает поршню 3 возвратные движения. При этом в рабочем цилиндре 4 из-за, увеличения объёма, заключённого между днищем поршня и крышкой цилиндра 5, возникает разрежениеи атмосферный воздух, преодолев своим давлением сопротивление пружины, удерживающей всасывающийклапан 9, открывает его и через воздухозаборник (с фильтром) 8 поступает в рабочий цилиндр. При обратномходе поршня воздух будет сжиматься, а затем, когда его давление станет больше давления в нагнетательномпатрубке на величину, способную преодолеть сопротивление пружины, прижимающей к седлунагнетательный клапан 7, воздух открывает последний и поступает в трубопровод 6. При сжатии газа в К. еготемпература значительно повышается. Для предотвращения самовозгорания смазки К. оборудуются водяным(труба 10 для подвода воды) или воздушным охлаждением. При этом процесс сжатия воздуха будетприближаться к изотермическому (с постоянной температурой), который является теоретическинаивыгоднейшим .Одноступенчатый К., исходя из условий безопасности иэкономичности его работы, целесообразно применять со степенью повышения давления при сжатии до в = 7--8. При больших сжатиях применяются многоступенчатые К., в которых, чередуя сжатие с промежуточнымохлаждением, можно получать газ очень высоких давлений -- выше 10 Мн/м2. В поршневых К. обычно предусматривается автоматическое регулирование производительности в зависимости от расхода сжатогогаза для обеспечения постоянного давления в нагнетательном трубопроводе. Существует несколькоспособов регулирования. Простейший из них -- регулирование изменением частоты вращения вала.

Ротационные К. имеют один или несколько роторов, которые бывают различных конструкций. Значительное распространение получили ротационные пластинчатые К., имеющие ротор 2 с пазами, вкоторые свободно входят пластины 3. Ротор расположен в цилиндре корпуса 4 эксцентрично. При еговращении по часовой стрелке пространства, ограниченные пластинами, а также поверхностями ротора ицилиндра корпуса, в левой части К. будут возрастать, что обеспечит всасывание газа через отверстие 1. Вправой части К. объёмы этих пространств уменьшаются, находящийся в них газ сжимается и затем подаётсяиз К. в холодильник 5 или непосредственно в нагнетательный трубопровод. Корпус ротационного К. охлаждается водой, для подвода и отвода которой предусмотрены трубы 6 и 7. Степень повышения давленияв одной ступени пластинчатого ротационного К. обычно бывает от 3 до 6. Двухступенчатые пластинчатыеротационного К. с промежуточным охлаждением газа обеспечивают давление до 1,5 Мн/м2.

Принципы действия ротационного и поршневого К. в основном аналогичны и отличаются лишь тем, чтов поршневом все процессы происходят в одном и том же месте (рабочем цилиндре), но в разное время (из-за чего и потребовалось предусмотреть клапаны), а в ротационном К. всасывание и нагнетаниеосуществляются одновременно, но в различных местах, разделенных пластинами ротора. Известны другиеконструкции ротационного К., в том числе винтовые, с двумя роторами в виде винтов. Для удаления воздуха сцелью создания разрежения в каком-либо пространстве применяют роторные водокольцевые вакуум- насосы. Регулирование производительности ротационного К. осуществляется обычно изменением частоты вращенияих ротора.

Центробежный К. в основном состоит из корпуса и ротора, имеющего вал 1 с симметричнорасположенными рабочими колёсами. Центробежный 6-ступенчатый К. разделён на три секции и оборудовандвумя промежуточными холодильниками, из которых газ поступает в каналы 12 и 13. Во время работыцентробежного К. частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщаетсявращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газперемещается от оси К. к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость. Сжатиепродолжается в кольцевом диффузоре из-за снижения скорости газа, то есть преобразования кинетическойэнергии в потенциальную. После этого газ по обратному направляющему каналу поступает в другую ступеньК. и т.д.

Получение больших степеней повышения давления газа в одной ступени (более 25--30, а упромышленных К. -- 8--12) ограничено главным образом пределом прочности рабочих колёс, допускающихокружные скорости до 280 500 м/сек. Важной особенностью центробежных К. (а также осевых) являетсязависимость давления сжатого газа, потребляемой мощности, а также кпд от его производительности. Характер этой зависимости для каждой марки К. отражается на графиках, называемых рабочимихарактеристиками.

Регулирование работы центробежных К. осуществляется различными способами, в том числеизменением частоты вращения ротора, дросселированием газа на стороне всасывания и др.

Осевой К. имеет ротор 4, состоящий обычно из нескольких рядов рабочих лопаток 6. На внутреннейстенке корпуса 2 располагаются ряды направляющих лопаток 5. Всасывание газа происходит через канал 3,а нагнетание через канал 1. Одну ступень осевого К. составляет ряд рабочих и ряд направляющих лопаток. При работе осевого К. вращающиеся рабочие лопатки оказывают на находящиеся между ними частицы газасиловое воздействие, заставляя их сжиматься, а также перемещаться параллельно оси К. (откуда егоназвание) и вращаться. Решётка из неподвижных направляющих лопаток обеспечивает главным образомизменение направления скорости частиц газа, необходимое для эффективного действия следующейступени. В некоторых конструкциях осевых К. между направляющими лопатками происходит идополнительное повышение давления за счёт уменьшения скорости газа. Степень повышения давления дляодной ступени осевого К. обычно равна 1,2--1,3, т. е. значительно ниже, чем у центробежных К., но кпд у нихдостигнут самый высокий из всех разновидностей К.

Зависимость давления, потребляемой мощности и кпд от производительности для несколькихпостоянных частот вращения ротора при одинаковой температуре всасываемого газа представляют в видерабочих характеристик. Регулирование осевых К. осуществляется так же, как и центробежных. Осевые К. применяют в составе газотурбинных установок.

Техническое совершенство осевых, а также ротационных, центробежных и поршневых К. оценивают поих механическому кпд и некоторым относительным параметрам, показывающим, в какой мередействительный процесс сжатия газа приближается к теоретически наивыгоднейшему в данных условиях.

Струйные К. по устройству и принципу действия аналогичны струйным Насосам. К ним относятструйные аппараты для отсасывания или нагнетания газа или парогазовой смеси. Струйные К. обеспечиваютболее высокую степень сжатия, чем струйные насосы. В качестве рабочей среды часто используют водянойпар.

Основные типы К., их параметры и области применения показаны в табл.

Типы компрессоров и их характеристика

Рис. 1. Поршневой компрессор: 1 -- коленчатый вал; 2 -- шатун; 3 -- поршень; 4 -- рабочий цилиндр; 5-- крышка цилиндра; 6 -- нагнетательный трубопровод; 7 -- нагнетательный клапан; 9 -- воздухозаборник; 9-- всасывающий клапан; 10 -- труба для подвода охлаждающей воды.

Рис. 2. Ротационный пластинчатый компрессор: 1 -- отверстие для всасывания воздуха; 2 -- ротор; 3 -- пластина; 4 -- корпус; 5 -- холодильник; 6 и 7 -- трубы для отвода и подвода охлаждающей воды.

Рис. 3. Центробежный компрессор: 1 -- вал; 2, 6, 8, 9, 10 и 11 -- рабочие колёса; 3 и 7 -- кольцевыедиффузоры; 4 -- обратный направляющий канал; 5 -- направляющий аппарат; 12 и 13 -- каналы дляподвода газа из холодильников;14 -- канал для всасывания газа.

Рис. 4. Осевой компрессор: 1 -- канал для подачи сжатого газа; 2 -- корпус; 3 -- канал для всасываниягаза; 4 -- ротор; 5 -- направляющие лопатки; 6 -- рабочие лопатки.

дросселирование пара и газа

Если в трубопроводе на пути движения газа или пара в канале встречается препятствие (местное сопротивление), частично загромождает поперечное сечение потока, то давление Р2 за препятствием всегда оказывается меньше, чем перед ней Ри (рис. 1.37). Этот процесс уменьшения давления, в результате которого нет ни увеличение кинетической энергии, ни осуществление технической работы, называется дросселированием или мьятием, а также Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и другие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирования газа или пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирования специальное 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. Дросселирования газов и паров используют для снижения их давления в специальных редукционных клапанах, широко применяется в системах тепло-и пароснабжения различных предприятий, а также в холодильной технике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократного дросселирования.

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

Рассмотрим течение рабочего тела по каналу диаметром D, который имеет местное сужение диаметром d (см. рис. 1.37). Приняв, что дросселирования происходит без теплообмена с окружающей средой, рассмотрим изменение состояния рабочего тела при переходе из сечения и к сечению II. При дросселировании потеря давления Pj-P2 тем больше, чем меньше относительная площадь сужения.

Если пренебречь изменением скорости, то есть считать, что Mj ^ (02, то hj = h2. Таким образом, в результате дросселирования энтальпия газа в сечения сужается, и после него имеет одно и тоже значение, т.е. остается постоянной. Энтропия и объект Объем при этом увеличиваются, а давление падает. Не следует делать вывод, что дросселирования газа протекает при неизменной энтальпии. Надо понимать так, что только при завершении процесса дросселирования и стабилизации состояния газа (т.е. выравнивания потока) его энтальпия оказывается такой же, что и в начала процесса.

Для идеальных газов исходя из равенства энтальпий соответствии (1.72) температура также остается неизменной. Но если Т = Т2, то

P2V2 = P1V1,

а так как P2 <P1, то соответственно V2> V1.

При дросселировании реальных газов температура газа меняется. В реальных газах из-за наличия сил притяжения между молекулами на расширение газа по сужением должна расходоваться некоторая энергия. К месту дросселирования извне не подводится ни теплота, ни работа, поэтому расширение происходит за счет внутренней энергии газа. Это приводит к уменьшению температуры потока. Изменение температуры при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона. Для идеальных газов эффект Джоуля-Томсона равен нулю, для реальных газов он может быть положительным или отрицательным. Этот эффект широко используется для получения низких температур, например, в бытовом холодильнике.

Дросселирования является типичным необратимым процессом, в результате которого энтропия рабочего тела растет без подвода теплоты. Как и всякий необратимый процесс, дросселирования приводит к потере работы. Это легко показать на примере водяного пара на hs-диаграмме (см. рис. 1.38). Точка 1 характеризует перегретый пар. Направим эту пару на лопатки паровой турбины, где она будет расширяться до давления Р2. Процесс расширения адиабатно, поэтому на hs-диаграмме он изображается вертикальной прямой 12. При этом пара выполняет работу lj2 = bh = hj-h2.

Если сначала провести процесс дросселирования до давления Pj> (процесс изображается горизонтальной прямой JJ ', а потом пару направить на лопатки турбины (линия 1 2'), то работа, которую пара при этом выполнит, будет уже равняться lj'2 '= hj- h2 ". На диаграмме четко видно, что во втором случае, то есть после дросселирования, мы получаем меньшее количество работы. Таким образом, при дросселировании газов и паров мы теряем часть полезной энергии.

Дросселирования используют для регулирования (уменьшения) мощности тепловых двигателей. Такое регулирование, конечно, не экономический, так как часть работы безвозвратно уходит, но вследствие своей простоты оно применяется достаточно широко.

КОМПРЕССОР

Компрессор (от лат. compressio -- сжатие) -- энергетическая машина или устройство для повышения давления (сжатия) и перемещения газообразных веществ.

Классификация

Общепринятая классификация механических компрессоров по принципу действия, под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора. По принципу действия все компрессоры можно разделить на две большие группы: динамические и объёмные.

Объёмные компрессоры

В машинах объёмного принципа действия рабочий процесс осуществляется в результате изменения объёма рабочей камеры. Номенклатура машин данного типа разнообразна и насчитывает более десятка, основные из них: поршневые, винтовые, роторно-шестерёнчатые, мембранные, жидкостно-кольцевые, воздуходувки Рутса, спиральные, компрессор с катящимся ротором.

Поршневые компрессоры могут быть одностороннего или двухстороннего действия, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки (сухого трения или сухого сжатия), при высоких давлениях сжатия применяются также плунжерные.

Роторные компрессоры -- машины с вращающим сжимающим элементом, конструктивно подразделяются на винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые, встречаются и другие конструкции.

Винтовые компрессоры

Конструкция винтового блока состоит из двух массивных винтов и корпуса. При этом винты во время работы находятся на некотором расстоянии друг от друга, и этот зазор уплотняется масляной пленкой. Трущихся элементов нет.

Таким образом, ресурс винтового блока практически неограничен и достигает более чем 200--300 тыс. часов. Регламентной замене подлежат лишь подшипники винтового блока.

Пластинчато-роторные компрессоры

Конструкция пластинчато-роторного блока состоит из одного ротора, статора и минимум восьми пластин, масса которых, а, соответственно, и толщина, ограничены. На пластину в процессе работы действуют силы: центробежная и трения/упругости масляной пленки.

Так как масляная пленка нормализуется и становится равномерной и достаточной лишь после нескольких минут работы компрессора, то во время стартов и остановов идет трение пластин о статор и соответственно повышенный их износ и выработка.

Чем большее давление должен нагнетать такой блок, тем большая разницы давлений в соседних камерах сжатия, и тем большая должна быть центробежная сила для недопускания перетоков сжимаемого воздуха из камеры с большим давлением в камеру с меньшим. В свою очередь, чем больше центробежная сила, тем больше и сила трения в момент пуска/останова и тем тоньше масляная пленка во время работы -- это является основной причиной почему данная технология получила широкое распространение в области вакуума (то есть давление до 1 бара) и в области нагнетания давления до 3-4 бар.

Так как масляная пленка между пластинами и статором всего несколько микрон, то любая пыль, тем более твердые частички крупнее размеров, выступают как абразив, который царапает статор и делает выработку по пластинам. Это приводит к тому, что возникают перепуски сжимаемого воздуха из одной камеры сжатия в другую и производительность заметно падает.

В отличие от небольших вакуумных насосов, где широко применяется пластинчато-роторная технология, в компрессорах большой производительности и давлением выше 5 бар со временем необходимо будет менять весь блок в сборе, так как замена отдельно пластин эффективна лишь в случае восстановления геометрии статора, а такие большие статоры восстановлению (шлифовке) не подлежат.

Производители обычно не дают никаких данных по ресурсу пластинчато-роторного блока, так как он очень сильно зависит от качества воздуха и режима работы компрессора. В случае газовых компрессоров, где он качает газ практически не останавливаясь круглый год, ресурс может действительно достигать и более 100 тыс. часов потому что масляная пленка равномерная и достаточная все время работы без остановок.

В случае же промышленного использования, где разбор воздуха крайне неравномерен и компрессор запускается и останавливается несколько десятков раз в день, большую часть времени нормальной для работы масляной пленки внутри блока нет, что является причиной агрессивного износа пластин. В таком случае ресурс блока не более 25 тыс. часов.

Динамические компрессоры

В компрессорах динамического принципа действия газ сжимается в результате подвода механической энергии от вала, и дальнейшего взаимодействия рабочего вещества с лопатками ротора. В зависимости от направления движения потока и типа рабочего колеса такие машины подразделяют на центробежные и осевые.

Турбокомпрессоры -- динамические машины, в которых сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решётками лопастей.

Прочие классификации

По назначению компрессоры классифицируются по отрасли производства, для которых они предназначены (химические, холодильные, энергетические, общего назначения и т. д.). По роду сжимаемого газа (воздушный, кислородный, хлорный, азотный, гелиевый, фреоновый, углекислотный и т. д.). По способу отвода теплоты -- с жидкостным или воздушным охлаждением.

По типу приводного двигателя -- с приводом от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины. Дизельные газовые компрессоры широко используются в отдаленных районах с проблемами подачи электроэнергии. Они шумные и требуют вентиляции для выхлопных газов. С электрическим приводом компрессоры широко используются в производстве, мастерских и гаражах с постоянным доступом к электричеству. Такие изделия требуют наличия электрического тока напряжением 110-120 Вольт (или 230-240 Вольт). В зависимости от размера и назначения компрессоры могут быть стационарными или портативными. По устройству компрессоры могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми.

По конечному давлению различают:

· вакуум-компрессоры, газодувки -- машины, которые отсасывают газ из пространства с давлением ниже или выше атмосферного. Воздуходувки и газодувки подобно вентиляторам создают поток газа, однако, обеспечивая возможность достижения избыточного давления от 10 до 100 кПа (0,1…1 атм), в некоторых специальных исполнениях -- до 200 кПа (2 атм). В режиме всасывания воздуходувки могут создавать разрежение, как правило, 10..50 кПа, в отдельных случаях до 90 кПа и работать как вакуумный насос низкого вакуума[1];

· компрессоры низкого давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа;

· компрессоры среднего давления -- от 1,2 до 10 МПа;

· компрессоры высокого давления -- от 10 до 100 МПа.

· компрессоры сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше 100 МПа.

Производительность

Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объёма газа сжатого в единицу времени (мі/мин, мі/час). Производительность обычно считают по показателям приведённым к нормальным условиям. При этом различают производительность по входу и по выходу, эти величины практически равны при маленькой разнице давлений между входом и выходом, но при большой разнице, например, у поршневых компрессоров, выходная производительность может при тех же оборотах падать более чем в два раза по сравнению с входной производительностью, измеренной при нулевом перепаде давления между входом и выходом. Компрессоры называются дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное.

Агрегатирование компрессоров

Агрегатирование представляет собой процесс установки компрессора и двигателя на раму. В связи с тем, что компрессоры поршневого типа характеризуются неравномерной тряской, результатом которой при отсутствии соответствующего основания или опоры становится чрезмерная вибрация, агрегатирование должно выполняться с учетом качественно спроектированного фундамента.

Вибрацию компрессоров усиливают следующие факторы:

1. большой размер компрессора (более мощные компрессора характеризуются более мощной вибрацией);

2. скорость работы (увеличение скорости компрессора влечет за собой усиление вибрации);

3. очень маленький размер маховика (большие нагрузки и работа на низких скоростях требуют наличия маховика большего размера);

4. высота компрессора (компрессоры с тройным уплотнением выше и сильнее подвержены вибрации).

Размещено на Allbest.ru