Термодинамические основы процесса сжатия

Конечное давление газа при сжатии зависит от условий теплообмена с окружающей средой. Теоретически возможны два предельных случая процесса сжатия:

Рис. 2 - Процессы сжатия в Т - S диаграмме.

1) вся выделяющаяся при сжатии теплота полностью отводится и температура рабочего вещества остается постоянной - изотермический процесс;

2) теплообмен газа с окружающей средой полностью отсутствует и вся выделяющаяся теплота затрачивается на увеличение внутренней энергии газа, вызывая повышение его температуры - адиабатический процесс.

В действительности сжатие паров хладагента в компрессоре лишь в большей или меньшей степени приближается к одному из этих теоретических процессов. При сжатии одновременно с изменением объема и давления паров хладагента происходит повышение температуры и одновременно часть выделяющегося тепла отводится в окружающую среду. Такой процесс сжатия называется политропическим.

На рисунке 2 показаны процессы сжатия в Т - S диаграмме.

Процесс изотермического сжатия газа от давления Р₁ до давления Р₂ изображается на Т - S диаграмме прямой аb, проведенной между изобарами Р₁ и Р₂ по линии Т_А = const. Количество теплоты, которое необходимо отводить при изотермическом сжатии 1 кг газа от давления Р₁ до давления Р₂, численно равно удельной работе изотермического сжатия l_из. Величина q_из может быть определена непосредственно из диаграммы:

,

(5)

Процесс адиабатического сжатия газа характеризуется полным отсутствием теплообмена с окружающей средой. При адиабатическом сжатии dQ = 0, следовательно, и dS = dQ/Т = 0. Адиабатический процесс изображается на диаграмме T - S прямой аd, проведенной по линии S_А = const. Количество теплоты, выделяемой при адиабатическом сжатии 1 кг газа от давления Р₁ до давления Р₂, численно равно удельной работе адиабатического сжатия l_ад:

,

(6)

Процесс политропического сжатия газа от давления Р₁ до давления Р₂ изображается на диаграмме Т - S наклонной прямой ас. Количество теплоты, выделяемой при политропическом сжатии 1 кг газа, численно равно удельной работе политропического сжатия l_пол, и приблизительно равно:

,

(7)

При известной величине конечного давления Р₂ можно определить удельную работу сжатия аналитически.

Для изотермического сжатия:

,	(8)
где	v1	-	удельный объем газа при всасывании.

Для адиабатического сжатия:

,	(9)
где	k = ср/сv	-	показатель адиабаты.

Для политропического сжатия:

,	(10)
где	n	-	показатель политропы сжатия.

Величина показателя политропы зависит от физических свойств газа или пара и условий теплообмена с окружающей средой.

Наименьшая работа затрачивается при изотермическом сжатии, поэтому действительный процесс сжатия стремятся проводить с отводом выделяющейся при сжатии теплоты путем охлаждения паров хладагента.

Температура рабочего вещества после сжатия:

для изотермического процесса:

,

(11)

для адиабатического процесса:

,

(12)

для политропического процесса:

.

(13)

Теоретическая мощность N_т, затрачиваемая на сжатие паров хладагента компрессором, определяется следующим образом:

,	(14)
где	r	-	плотность паров хладагента.

С учетом уравнений (8 - 10):

,	(15)
,	(16)
.	(17)

Приведенные выше термодинамические соотношения получены на основе уравнения состояния идеального газа. В первом приближении аналогичные закономерности, а, следовательно, и выводы из них, будут с определенными отклонениями допустимыми для оценки работы действительного компрессора. Данные уравнения с достаточной степенью точности описывают процессы сжатия при давлениях до 10⁶ Па.