Общие вопросы прикладной гидромеханики

Перемещение, сжатие и разрежение газов

В технологических процессах различных отраслей промышленности осуществляется перемещение газа между соответствующими стадиями. В этом случае, так же как для жидкостей, требуется создание перепада давлений, который могут создать компрессорные машины.

Классификация компрессорных машин основывается на степени сжатия (отношении конечного давления р₂, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению р₁, при котором происходит всасывание газа).
В зависимости от этого показателя различают следующие компрессорные машины:
• вентиляторы ( > 1,1), предназначенные для перемещения больших объемов газа при относительно низких давлениях;
• газодувки (1,1 < < 3,0), предназначенные для перемещения газов по трубопроводам с высоким гидравлическим сопротивлением;
• компрессоры ( > 3,0), предназначенные для перемещения газов под высокими давлениями;
• вакуум-насосы, предназначенные для отсасывания газов при давлениях ниже атмосферного.
Основными конструкциями компрессорных машин являются поршневые, центробежные (вентиляторы, турбогазодувки, турбокомпрессоры), осевые и струйные.
В качестве вакуум-насосов могут применяться компрессорные машины, в которых всасывание производится при давлениях ниже атмосферного, а нагнетание — выше.
Поскольку газы являются сжимаемыми средами, при их перемещении изменяется не только объем, но и давление, и температура. Изменение состояния газов может происходить тремя способами.
1. Изотермическое сжатие, при котором температура обрабатываемой среды не меняется ( ), а удельная работа ( , Дж/кг) по осуществлению этого процесса может быть определена по зависимости

где — удельный объем газа при начальных условиях.
2. Адиабатический процесс, при котором теплота, образующаяся при сжатии, расходуется на увеличение внутренней энергии ( ).
Удельная работа адиабатического процесса сжатия ( , Дж/кг) и конечная температура среды Т₂ могут быть рассчитаны по уравнениям

где — показатель адиабаты; с_р, c_v — теплоемкости газа при постоянном давлении и при постоянном объеме.
3. Политропический (действительный) процесс, при котором происходит изменение температуры и увеличение внутренней энергии, может рассчитываться по зависимостям

где — удельная работа политропического процесса, Дж/кг; т — показатель политропы.

Теоретическая мощность ( ), затрачиваемая на работу компрессорных машин, определяется произведением производительности компрессора G на удельную работу сжатия (2.2) —(2.4)

где V — объемная производительность компрессора; — плотность газа.
Мощность на валу компрессионной машины равна отношению мощности, затрачиваемой на сжатие газа, к механическому КПД , характеризующему потери мощности на механические потери в компрессоре

Поршневые компрессоры. По числу всасываний и нагнетаний бывают простого (одинарного) и двойного действия, по числу ступеней, в которых происходит сжатие газа, - одноступенчатыми и многоступенчатыми. По расположению поршня - горизонтальными, вертикальными, угловыми.
Поршневой компрессор (рис. 2.14) устроен аналогично поршневому насосу. Поршень 1 двигается в охлаждаемом цилиндре 2, куда газ поступает с давлением , через всасывающий клапан 3 и выходит сжатый до давления через нагнетательный клапан 4. Таким образом, цикл работы поршневого компрессора включает в себя стадии: расширение, всасывание, сжатие и выталкивание.
П роцесс работы поршневого компрессора характеризуется индикаторной диаграммой (р — V), представленной на рис. 2.15. Линия АВ соответствует всасыванию газа, линия ВС — сжатию газа, которое может осуществляться по адиабате ВС’, изотерме ВС” или политропе ВС; CD - линия нагнетания. Поршневые машины используют также и в качестве вакуум-насосов. При этом устройства, откачивающие только газы, называются сухими, а откачивающие одновременно газ и жидкость — мокрыми. Сухие поршневые вакуум-насосы могут обеспечивать разрежение до 99,9% от абсолютного, мокрые — 80...97%.
Поршневые компрессоры могут создавать высокие давления, имеют высокий КПД (0,85...0,90), однако обладают низкой производительностью, подача газа неравномерна, неприменимы при наличии в перекачиваемых средах абразивных включений.