// //
Дом arrow Научная литература arrow Компрессоры arrow Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости
Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости

Лекция №2

Газы и основные термодинамические зависимости.

Основные свойства газов.

При расчёте и проектировании компрессорных машин необходимо знать основные свойства сжимаемых газов. Принято свойства газов указывать при нормальных условиях, за которые в СССР приняты : давление 760 мм.рт.ст. (0,1013МПа) и температура 0°C (273 К). (Атмосферное давление воздуха на уровне моря при температуре 0°C и ясной погоде имеет в среднем величину , равную 760 мм.рт.ст. (0,1013 МПа). Состояние такого воздуха называется нормальным) . Иногда в расчётах в качестве нормальных условий удобнее принимать давление в 1ата (0,098МПа) и температуру 15°С (T=15+273=288).

Свойства воздуха.

 Большое распространение получили компрессоры, сжимающие воздух. Воздух – механическая смесь газов, образующих земную атмосферу. Кроме того, воздух содержит в себе влагу и пыль.

Примерный состав воздуха в процентах:

                 

по массе                           

 по объёму

Азот (N2) –

75,55                  

78,1

Кислород (O2) –

23,1                           

20,93

Аргон (Ar) –

1,1            

0,94

Углекислый газ (CO2) ­   

0,05

0,03

В очень небольших количествах в воздухе содержится водород, неон, гелий, криптон, ксенон.

Обычно в воздухе содержится пыль (в чистом воздухе содержится от 0,2 до 25 мг. пыли на 1м3). В запылённом воздухе содержание пыли превышает 200мг/м3.

В атмосферном воздухе всегда имеются пары воды, количество которой зависит от температуры воздуха и относительной влажности. От паров воды приходится освобождаться. Обычно пары воды в компрессорных машинах выпадают в масловодоотделителях, т. к. при сжатии паров их парциальное давление повышается и они конденсируют. Пары воды – неприятный компонент воздуха. Если воздухопровод подвержен в зимнее время сильному охлаждению, то это может повлечь за собой даже закупоривание воздухопровода в результате конденсации и замерзания паров воды.

Пыль – тоже вредный компонент воздуха. Попадая в цилиндр, пыль смешивается с маслом и способствует истиранию цилиндра и поршневых колец. В центробежных компрессорах пыль тоже способствует истиранию лопаток и проточной части. Поэтому на линии всасывания газа ставятся фильтры, которые освобождают газ от пыли. Но часть мощности идёт на преодоление сопротивления фильтров.

Надо отметить, что воздух во многих случаях является незаменимым энергоносителем. С одной стороны он способствует вентиляции, а с другой стороны безопасен в отношении горения. Воздух используется как сырьё для получения кислорода, азота, аргона, при дутье печей (носитель кислорода). Состав воздуха мало меняется в зависимости от высоты над уровнем моря до 10 км. На высоте 20км. объёмное содержание азота N2 возрастает до 81%, а содержание кислорода O2 снижается до 18%. На высоте 50км. содержится приблизительно 86,8 N2, 10% O2 и 2,8% H2. Барометрическое давление зависит от высоты над уровнем моря:

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости,

где:     H – высота над уровнем моря в м ;

tcp – средняя температура столба воздуха °C.

Po – давление на уровне моря;

P – давление на высоте в метрах.

При tcp=0°Ñ ,барометрическое давление изменяется по высоте как показано в таблице.

Н, м

-2000

-1000

-500

0

+100

+500

+1000

+2000

Р,кг/см2

1,33

1,17

1,1

1,033

1,02

0,97

0,91

0,81

       

Свойства кислорода (О2).

Используется:

а) Как сырье для ряда производств (химических).

б) Как окислитель (горение и т. д.).

в) В автогенной сварке.

г) В медицине.

Получение кислорода из воздуха связано с машинами глубокого охлаждения, работающими при давлении порядка 200 ата (20 МПа).

Кислород с парами масла дает взрыв, поэтому вместо масла используют водоглицериновую смесь, когда уплотнение поршня выполняется из фибровых колец или же выполняют компрессоры без смазки цилиндров и сальников, применяют в поршневом уплотнении и  в сальнике кольца из материала, работающего без смазки (графитофторопласт). Поскольку кислород способствует коррозии металла, то детали цилиндро-поршневой группы выполняют из специальных сталей и чугунов.

Свойства водорода (Н2).

Используется:

а) Для получения аммиака.

б) Для получения жидкого топлива из твердого.

Получают водород из воды.

Особенности:

а) Водород дифундирует в металл лучше всех газов. Малейшая пористость приводит к проникновению водорода.

б) Высокая теплоемкость водорода. Из всех газов водород имеет наибольшую теплоемкость, поэтому водород можно использовать в качестве охладителя(генераторы с водородным охлаждением).

в) С воздухом водород дает гремучие смеси.

Свойства углекислого газа (СО2).

Получают СО2 при обжигании известняков, из углекислоты спиртового брожения и т. д.

Применяется:

а) Для производства сухого льда.

б) Для газификации минеральных вод, пива и т. д.

в) Как сырье в химическом производстве.

г) Как хиарагент в холодильных машинах.

Особенности:

а) С металлами   СО2  практически инертен.

б) Не горит и не поддерживает горение.

Свойства этилена (С2Н4).

Применяется главным образом как сырье для химических производств (производство полиэтилена и т. д.). При этом он сжимается до 2500 ата (250 МПа). Этилен горит температура воспламенения - 530°С. Воспламеняется (взрывается) при содержании в воздухе в пределах (2,8 ÷ 28,6)%

Свойства ацетилена (С2Н2).

Применяется в автогенной сварке, горюч, образует взрывчатые смеси. Воспламеняется при содержании в воздухе в пределах (2,5 ÷ 81)%.

Естественные газы.

До 85% в газовой смеси содержатся метана. Естественный газ горюч и с воздухом образует взрывоопасные смеси. Используется как сырьё для промышленности, как топливо.

Искусственный газ.

Получается при газификации углей.

 Генераторный газ.

Представляет сложную смесь, доминирующим является CO (угарный газ). Применяется как топливо, как сырьё для получения углеводородов. Генераторный газ благодаря CO является сильно ядовитым, поэтому компрессор должен быть герметичным. Генераторный газ получается в генераторах при неполном сгорании топлива.

Коксовый газ и доменный газ.

 Коксовый газ получают при производстве кокса, а доменный газ – при производстве чугуна. Коксовый газ содержит много углеводородов и используется для получения углеводородов и водорода. Доменный газ содержит много пыли. Оба газа являются ядовитыми и взрывоопасными.

В компрессорах сжимаются также такие газы, как пропилен, пирогаз и.т.д.

Природный газ.

Природные газы чисто газовых месторождений по сравнению с газами,  сопутствующими нефти, содержат, как правило, меньше тяжёлых углеводородов. Основными компонентами природного газа являются метан (42 ÷ 98% по объему), этан, пропан, бубан, а также примеси более тяжёлых углеводородов иарафинового газа. Воспламеняется при содержании в воздухе в пределах (4,5 ÷ 17)%,  t воспламенения = 610°С.

Коксовый газ.

Водород Н2

50% по объему

Метан CH4

25%

Окись углерода СО

 7,0%

Азот N2

 10%

Доменный газ.

Углекислота СО2

8% по объему.

Окись углерода СО

 28%

Водород Н2 ­­

4%

Азот N2

 60%

 

Основы термодинамики сжатия.

1.                Уравнение состояния.

Физические величины, определяющие в совокупности состояние газа, называются координатами или

Параметры идеального газа связаны уравнением состояния:

 Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости      (1).

Где: R (Dж/кг. К) – газовая постоянная. (R =848/ М, где М – молекулярный вес газа).    

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости    -  удельный объём газа; [м3 / кг].

P (МПа) – давление.

Т – абсолютная температура, К.

Умножив обе части уравнения (1) на m получим:

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости (2).

С точки зрения молекулярно – кинетической теории идеальный газ представляет собой совокупность молекул, совершающих хаотическое движение. Силы взаимного притяжения между молекулами отсутствуют, а объём самих молекул мал в сравнении с объёмом, занимаемым газом.

В природе идеальных газов нет, а все реальные газы дают отклонения от уравнения состояния идеального газа. Однако большинство газов (азот, водород, кислород и т. д.) при давлениях не выше 100 ата и положительных температурах дают незначительные отклонения от уравнения состояния и     

для технических расчетов можно этим уравнением пользоваться.

2.                Уравнение процесса.

В процессе изменения состояния газа изменяются его параметры. Закон изменения параметров выражается уравнением процесса, которое для идеальных газов будет 

PVn = const, (3)

где P,V – давление и объем данного количества массы газа.

N – показатель политропы, величина которого характеризует процесс   

   изменения состояния газа. Это уравнение так же для идеального газа, но им можно пользоваться  в тех же пределах для реального, что и для уравнения состояния.

Если n = 1 – изотермический процесс.

к>n>1 – политропический  с частичным отводом тепла.

n = к – адиабатический процесс.

n>к – политропический процесс с подводом тепла.

Процессы в диаграмме PV.

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости

Приращение энергии газа в компрессоре.

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости

Компрессор всасасывает газ  из полости низкого давления Р1, сжимает его и нагнетает в полость высокого давления Р2.

Определим энергию, которую нужно подвести к 1кг газа в компрессоре для сжатия и перемещения его  из области давления Р1 в область давления Р2. Воспользуемся уравнением энергии одномерного движения, отнесённого к 1кг газа.

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости- кинетическая энергия (ее приращение) при движении газа от. сег. 1-1 до  сег. 2-2. В поршневом компрессоре приращение кинетической энергии невелико и им можно пренебречь.

dz – изменение энергии положения. Поскольку разность вертикальных отметок входного и выходного патрубков невелика, то приращением энергии положения можно пренебречь.

 h2 – удельные затраты энергии на преодоление трений и местных сопротивлений потоком газа.

 dh2 – изменение удельных затрат энергии. В теоретическом процессе они отсутствуют.

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости  - приращение потенциальной энергии. Это слагаемое выражает основную работу, затрачиваемую на сжатие и перемещение газа в компрессоре.

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости;       Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости;       Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости;

 Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости;      Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости                                

Изображение процессов сжатия  и перемещения газов в координатах P – V и T – S.

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости

1 – 2 – изотерма

1 – 2' – политропа с показателем 1<n<к.

1 – 2''– адиабата.

1 – 2''' – политропа с показателем n>k.

В поршневых компрессорах имеет место процесс по линии 1 – 2' (с охлаждением цилиндров).  Для цилиндровых компрессоров идеальным случаем будет изотермический  процесс. В центробежных и осевых машинах будет происходить по линии 1 – 2'''. Пусть 1 – 2 – 3 – 4 – 1 – представляет в масштабе диаграммы работу изотермического сжатия и перемещение газа.

Изображение процессов в координатах P – V удобно для поршневых компрессоров. В этих машинах процессы всасывания, сжатия и нагнетания разделены по времени и на диаграмме изображаются отдельными линиями.

Графическое построение процессов с отображением внешнего теплообмена газа удобно производить в координатах T – S.

Энтропия газа S является функцией параметров состояния газа P, U, и T и сама может быть принята за его параметр.

Диаграмма T – S обладает ценным свойством представлять в виде площади под кривой процесса количество тепла q, подведённого к газу или отведённого в процессе изменения его состояния. Подвод тепла сопровождается увеличением энитропии S, отвод же – её уменьшением.

     Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости;     Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости.   

Лекция №2 Газы и основные термодинамические зависимости 

 Пл. 1' – 1 – 2'' – 3 – количество теплоты, отведённой от 1кг. газа при политропическом процессе n<k.

  Пл. 1' – 1 – 2 – 4 – 1 ' – количество теплоты, отведённой от 1кг. газа при изотермическом процессе. N = 1.

Для осуществления изотермического процесса всю затрачиваемую на сжатие работу необходимо полностью отвести от газа в процессе сжатия. 

     Пл. 1' – 1 - 2''' – 5 – количество теплоты, подведённой к 1кг газа при политропическом процессе N>K.

В поршневом компрессоре такой процесс может происходить вследствие трения колец о цилиндр.

При n = 1

Lизот = F1' – 1 – 2 – 4 – работа на сжатие и перемещение газа в изотермическом процессе.

При N<K

 L полит. = F1' – 1 - 2'' – 2 – 4

При  N = K

 Lиз = F1' – 2 -2 ' – 4

При N > K

L пол. = F1' – 1 - 2''' – 2 – 4

L пол – Lизот. = F1 – 2''' – 2.

Количество подведенного тепла F1' – 1 - 2''' – 5 .

Двигатель компрессора должен эстрагивать работу как на сжатие и перемещение газа F1' – 1 – 2''' – 2  - 4 тех  и на преодоление трений F1' – 1  - 2''' – 2 – 5. Следовательно, работа двигателя будет: Lдв = F1' – 1 - 2''' – 2 – 4 + F1' – 1 – 2''' – 5 = F4 – 2 - 2''' – 5 . Если организовать хорошее охлаждение цилиндра того же компрессора так, чтобы конечная температура при сжатии газа снизилась с Т г''' до Т г'', то линия процесса сместится влево и пойдёт по 1 – 2''. В этом случае работа для сжатия и перемещения 1кт газа будет L = 1' – 1 - 2'' – 2 – 4.

  Если при этом работа, затрачиваемая на преодоление трений, не изменится, то необходимая работа двигателя будет: Lдв = F1' – 1 - 2''' – 2 – 4 + F1' – 1 – 2''' – 5 = F4 – 2 - 2'' –1- 2''' – 5. уменьшение работы

Идеальный поршневой компрессор.

Индикаторная диаграмма. Производительность компрессора. Работа идеального компрессора.

В рабочей полости (цилиндре) реальной машины осуществление рабочего процесса сопровождается рядом побочных явлений, усложняющих и искажающих его.  Для того чтобы проследить особенности и закономерности процесса, рассмотрим идеальный компрессор, в котором происходит только теоретический процесс.

Для идеального поршневого компрессора справедливы следующие допущения:

1.Отсутствуют сопротивления движению газа, т е газ, проходя через трубопроводы и клапаны не теряет давление; другими словами при всасывании газ в цилиндре будет давление такое же как и во всасывающем патрубке.

2.Отсутствует подогрев газа. При всасывании воздух или газ не подогреваются о горячие детали компрессора, т. е. температура газа в цилиндре равна температуре газа во всасывающем патрубке.  При нагнетании также нет теплообмена между газом и стенками цилиндра.

3.Процесс сжатия политонический с постоянным показателем политропы n= const.

4.Весь газ, заполняющий рабочую камеру компрессора, полностью вытесняется в полость нагнетания., т.е. нет мёртвого пространства.  Нет, таким образом, обратного расширения, нет потери производительности.

5. Рабочая полость абсолютно герметична, т.е. в процессе сжатия имеем постоянное количество газа.

6. На всём протяжении процессов всасывания  и нагнетания параметры газа в цилиндре (температура и давление) остаются постоянными .

7. Всасывающий клапан открывается в ВМТ и закрывается в НМТ.

8. Нагнетательный клапан открывается в момент достижения давления в цилиндре, равном давлению в нагнетательном патрубке, закрывается клапан в ВМТ.

9.Отсуцтвуют потери на преодоление трения в механизме компрессора.

Компрессоры среднего давления – сжимают газ от 1,0 до 10 МПа. Применяется главным образом в химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности и на магистральных станциях дальнего газоснабжения.

Компрессоры высокого давления – сжимают газ от 10 до 100 МПа и выше. Применяются преимущественно в азотнопусковом и др. производствах с синтезом газов под давлением, в установках для разделения воздуха методом глубокого охлаждения и для наполнения газом баллонов.

 Машины для сжатия газа до давлений выше (100МПа) называют также компрессорами сверх высокого давления.

Компрессоры высокого давления часто сжимают газ, поступающий при давлении намного выше атмосферного.  Также компрессоры называются дожимающими.  В компрессорных установках большой производительности и высокого давления часто осуществляют сжатие в компрессорах различного                                                 типа – первоначально в центробежном и окончательно в поршневым дожимающем.

Отраслевой стандарт.

1. Компрессоры, термины и определения.

ОСТ 26 – 12 – 2032 – 82

1. Компрессор низкого давления. Компрессор с конечным давлением до 1МПа (до10 кгс/см2)  

2.Компрессор среднего давления. Компрессор с конечным давлением свыше          1 до 10МПа (свыше 10 до 100 кгс/см2).

3.Компрессор высокого давления. Компрессор с конечным давлением свыше 10 до 100 МПа (свыше 100 до 1000 кгс/см2).

4.Компрессор сверхвысокого давления. Компрессор с конечным давлением свыше 100 МПа (свыше 1000 кгс/см2).

1.Давление

   килограмм – сила на  квадратный метр (кгс/м2) = 9,80665 Па

2.Работа и энергия.

    Килограмм – сила – метр  кгс * м = 9,80665 ДЖ.

3.Мощность.

Килограмм – сила – метр в секунду  кгс * м/с = 9,80665 Вт.

4.Сила.

   Килограмм – сила кгс = 9,80665 Н.

5. Газовая постоянная.

   1кгс * м (скг. град) = 9,80665 Дж (кг.  Град).

6.Удельный вес – Н/м3 (Ньютон на кубический метр) 1кгс/м3 = 9,80665Н/м.

7.Плотность – кг/м3

8.Сила – Н.

9.Вес – Н.           

     

 

 

                                                                                                                             

 

 

 

              

 

 

 

Контакты

115419, г. Москва, ул. Шаболовка, д. 34, стр. 3.



Просьба заранее предупредить о приезде, т.к. специалисты распределены по объектам




info@masterbetonov.ru




ООО «Стройсервис» работает на рынке строительного производства c 1992 года.
Основной ценностью для нашей компании являются клиенты, поскольку единственный реальный актив компании — это люди, удовлетворенные нашей работой, которые еще раз захотят воспользоваться нашими услугами. Мы стремимся сделать своих клиентов своими партнерами.