что такое сжимаемость газа
Коэффициент сжимаемости не следует путать со сжимаемостью (также известной как коэффициент сжимаемости или изотермической сжимаемости ) материала, которая является мерой относительного изменения объема жидкости или твердого тела в ответ на изменение давления.
СОДЕРЖАНИЕ
Определение и физическое значение
Коэффициент сжимаемости часто определяется в термодинамике и технике как:
Летучесть
Коэффициент сжимаемости связан с летучестью соотношением
Обобщенные графики коэффициента сжимаемости для чистых газов
Что касается сжимаемости газов, принцип соответствующих состояний указывает, что любой чистый газ при одинаковой пониженной температуре и пониженном давлении должен иметь одинаковый коэффициент сжимаемости. Т р <\ displaystyle T_ 
п р <\ displaystyle P_
Пониженные температура и давление определяются как
Вот и известны как критическая температура и критическое давление газа. Это характеристики каждого конкретного газа с температурой, выше которой невозможно сжижать данный газ, и минимальным давлением, необходимым для сжижения данного газа при его критической температуре. Вместе они определяют критическую точку жидкости, выше которой отдельные жидкая и газовая фазы данной жидкости не существуют. Т c <\ displaystyle T_ п c <\ displaystyle P_ Т c <\ displaystyle T_ п c <\ displaystyle P_
Данные «давление-объем-температура» (PVT) для реальных газов варьируются от одного чистого газа к другому. Однако, когда коэффициенты сжимаемости различных однокомпонентных газов отображаются в зависимости от давления вместе с изотермами температуры, многие из графиков демонстрируют аналогичные формы изотерм.
Чтобы получить обобщенный график, который можно использовать для многих различных газов, значения пониженного давления и температуры, а также используются для нормализации данных коэффициента сжимаемости. Рисунок 2 представляет собой пример обобщенного графика коэффициента сжимаемости, полученного из сотен экспериментальных точек данных PVT для 10 чистых газов, а именно метана, этана, этилена, пропана, н-бутана, изопентана, н-гексана, азота, диоксида углерода и Стим. п р <\ displaystyle P_ Т р <\ displaystyle T_
Квантовые газы водород, гелий и неон не соответствуют поведению в соответствующих состояниях, и приведенные давление и температура для этих трех газов следует переопределить следующим образом, чтобы повысить точность прогнозирования их коэффициентов сжимаемости при использовании обобщенных графиков:
Как читать обобщенную диаграмму сжимаемости
Чтобы прочитать диаграмму сжимаемости, необходимо знать пониженное давление и температуру. Если пониженное давление или температура неизвестны, необходимо найти уменьшенный удельный объем. В отличие от пониженных давления и температуры, уменьшенный удельный объем не определяется с помощью критического объема. Приведенный удельный объем определяется как
Наблюдения, сделанные с помощью обобщенной диаграммы сжимаемости
Глядя на обобщенную диаграмму сжимаемости, можно сделать три наблюдения. Вот эти наблюдения:
Теоретические модели
Вириальное уравнение особенно полезно для описания причин неидеальности на молекулярном уровне (очень немногие газы являются одноатомными), поскольку оно выводится непосредственно из статистической механики:
Где коэффициенты в числителе известны как вириальные коэффициенты и являются функциями температуры.
Когда предполагается такое усечение, коэффициент сжимаемости связан с потенциалом межмолекулярных сил φ следующим образом:
В статье о реальном газе представлены более теоретические методы расчета коэффициентов сжимаемости.
Физическая причина зависимости температуры и давления
На рисунке справа показан обзор, охватывающий широкий диапазон температур. При низкой температуре (100 K) кривая имеет характерную форму галочки, восходящая часть кривой почти прямо пропорциональна давлению. При промежуточной температуре (160 К) наблюдается плавная кривая с широким минимумом; хотя часть высокого давления снова почти линейна, она больше не прямо пропорциональна давлению. Наконец, при высокой температуре (400 К) Z больше единицы при всех давлениях. Для всех кривых Z приближается к единице для идеального газа при низком давлении и превышает это значение при очень высоком давлении.
Чтобы лучше понять эти кривые, на втором рисунке более подробно показано поведение при низкой температуре и давлении. Все кривые начинаются с Z, равного единице при нулевом давлении, а Z сначала уменьшается по мере увеличения давления. В этих условиях N 2 представляет собой газ, поэтому расстояние между молекулами велико, но становится меньше с увеличением давления. Это увеличивает притягивающее взаимодействие между молекулами, сближая молекулы и делая объем меньше, чем у идеального газа при той же температуре и давлении. Более высокая температура снижает эффект притягивающих взаимодействий, и газ ведет себя почти идеальным образом.
На последних рисунках показано поведение при температурах, значительно превышающих критические. На отталкивающие взаимодействия по существу не влияет температура, но на взаимодействие притяжения оказывает все меньшее и меньшее влияние. Таким образом, при достаточно высокой температуре отталкивающие взаимодействия доминируют при всех давлениях.
Это можно увидеть на графике, показывающем поведение при высоких температурах. По мере увеличения температуры начальный наклон становится менее отрицательным, давление, при котором Z является минимальным, становится меньше, а давление, при котором начинают преобладать отталкивающие взаимодействия, т. Е. Когда Z изменяется от меньше единицы до больше единицы, становится меньше. При температуре Бойля (327 К для N 2 ) эффекты притяжения и отталкивания нейтрализуют друг друга при низком давлении. Тогда Z остается на уровне идеального газа, равном единице, до давлений в несколько десятков бар. Выше температуры Бойля коэффициент сжимаемости всегда больше единицы и медленно, но неуклонно увеличивается с увеличением давления.
Экспериментальные значения
Сжимаемость воздуха
Сжатие и транспортировка газов. Компрессоры и вентиляторы
Изготовление, сборка, тестирование и испытание компрессоров и вентиляторов
производится на заводах в Швейцарии, Германии, Франции, Турции, США, Японии и Кореи
Общее описание транспортировки и сжатия газа. Использование сжатого газа
Процесс транспортировки газа протекает в герметичных трубопроводах и основывается на перепаде уровня давлений. Как правило, газ подается с избыточным уровнем давления, что и позволяет перемещать газ по трубам. В случаях, когда разность давлений ниже давления напора, подача газа обеспечивается методом всасывания.
В процессе сжатия газа при помощи компрессора, температура газа сильно повышается. Как результат, компрессор необходимо охлаждать. Когда в компрессоре уровень давления достигает определенного уровня, а температура падает, может произойти сжижение газа. Данное явление неблагоприятно для транспортировки газа из-за вероятности гидроударов. Минимальный уровень температуры, при котором возможно сжижение газа, называется критической температурой θ (тэта). В случаях, когда при критической температуре уровень давления превышает критическое давление П (пи), происходит сжижение газа. Различные газы имеют свои показатели критического давления и температуры. Например:
Сжатие газов до высокого давления используется в целях транспортировки газа. Кроме того, активация пневматических сервоприводов и питание пневматических приборов происходит за счет энергии, которая аккумулирована в сжатом воздухе. На химическом производстве сжатые до максимальных давлений газы применяются как исходные вещества в реакциях высокого давления (например, при получении аммиака из азота и водорода).
Термодинамика компрессорного процесса. Уравнение состояния газа
Физическое состояние порции газа, имеющей определенную массу (m) зависит от таких параметров как объем (V), давление (p) и температура (T). Если изменяется один из перечисленных параметров, изменениям подвергаются и все прочие параметры состояния. Например, при усилении сжатия (т.е. росте уровня давления), объем порции газа сокращается, а уровень температуры растет. Повышение температуры газа в процессе его сжатия происходит в результате того, что часть работы сжатия преобразуется в тепловую энергию. Законы изменения состояния газов описываются уравнением состояния газов:
В данном уравнении:
Газы, поведение которых соответствует данному уравнению, называются идеальными газами. Данная формула, также достаточно точно описывает поведение одно- и двухатомных газов (He, Ar, H2, N2, O2), при уровне давления около 20 бар. В данном случае, погрешность результата не превышает 1%.
Многоатомные газы (CO2, CH4, NH3) и одно- и двухатомные газы, при уровне давления более 20 бар, отклоняются от данного уравнения и называются реальными газами. Для того, чтобы уравнять отклонения, в уравнение состояние газов вводится коэффициент k:
Идеальные и реальные газы. Изохорный, изобарный, изотермический, политропный, адиабатический процессы
Для отслеживания изменения того или иного состояния, можно установить в качестве постоянной величины один из параметров. Таким образом, будет возможно определить взаимозависимость других величин состояния. Заданный постоянный параметр определяет вид процесса:
Теория компрессорного процесса основана на термодинамике идеального газа, так как при работе компрессорных аппаратов осуществляется сжатие газа с изменением показателей его объема, температуры и давления:
Если давлением на выходе из компрессорной машины превышает уровень 10 МПа, необходимо использовать уравнение состояния реального газа:
здесь z – коэффициент сжимаемости газа, значения которого содержатся в справочной литературе.
Типы оборудования для транспортировки газа (компрессоры, вентиляторы, газодувки). Степень сжатия
Сжатие и транспортировка большого объема газа при давлении, которое отличается от показателя атмосферного, широко применяется в химической отрасли и смежных с нею областях. Машины, которые осуществляют сжатие газа, называются компрессорами. Степенью сжатия газа называют отношение конечного давления, которое нагнетает компрессор, к начальному давлению на всасывании:
В зависимости от показателя степени сжатия, компрессионные агрегаты делятся на следующие типы:
Для создания вакуума могут применяться любые типы компрессоров, но чаще всего используются поршневые и ротационные вакуум-насосы, которые по принципу действия схожи с компрессорами.
Классификация основных типов компрессоров
Компрессоры это агрегаты, в которых в процессе сжатия газа рабочая среда охлаждается. Степень сжатия в компрессорах превышает 3,5. Компрессоры используются для интенсификации различных процессов, а также в качестве отдельного оборудования в ряде отраслей.
В зависимости от нагнетаемого рабочего давления все компрессоры разделяются на следующие типы:
Уровень конечного давления может нагнетаться компрессором, оснащенным одной ступенью (одноступенчатый агрегат), либо компрессор может иметь несколько последовательно работающих ступеней (многоступенчатый компрессор).
По принципу сжатия газа компрессоры бывают объемного и динамического типа. Объемные компрессоры сжимают газ за счет периодического уменьшения его объема. Данный тип компрессоров подразделяется на следующие группы:
Динамические компрессоры сжимают газ посредством создания непрерывного ускорения в потоке газа. Согласно принципу действия такие компрессоры подразделяют на два типа:
Совершенствование компрессоров в области экономических показателей имеет большое значение в настоящее время. Основными параметры, характеризующими работу компрессоров являются производительность Q, начальное давление p1, конечное давление p2, степень сжатия c, а также мощность на валу компрессора Ne.
Общее описание объемных компрессоров, процесс сжатия газа
Объемные компрессоры сжимают газ за счет того, что периодически уменьшают его объем. Данный тип компрессоров подразделяется на три основные группы: поршневые, мембранные и роторные машины. Наиболее распространенными в данной группе являются поршневые и роторные агрегаты. Функционирование таких машин заключается во всасывании и вытеснении газа твердыми подвижными элементами механизма: поршнями, зубцами или пластинами, которые двигаются внутри цилиндров и корпусах специальных форм.
Общее описание поршневых компрессоров. Одноступенчатые и двухступенчатые. Вредное пространство
В соответствии с характером действия, поршневые компрессоры могут быть одинарного (или простого) действия и двойного действия. В агрегатах простого действия, за один ход поршня осуществляется одно всасывание или нагнетание. В компрессорах двойного действия, за один ход поршня осуществляется два всасывания или нагнетания.
По количеству ступеней сжатия поршневые компрессоры делятся на три типа: одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Ступенью сжатия принято называть часть компрессора, в которой газ сжимается до промежуточного или конечного давления.
Конструктивно, одноступенчатые компрессоры могут быть вертикальными или горизонтальными. Как правило, компрессоры с горизонтальной конструкцией являются машинами двойного действия, а компрессоры с вертикальной конструкцией относятся к агрегатам простого действия.
В одноступенчатом компрессоре простого действия с горизонтальным типом конструкции, поршень перемещается внутри цилиндра. Цилиндр оснащен крышкой, которая имеет всасывающий и нагнетательный клапаны. Поршень компрессора соединяется с шатуном и кривошипом. На валу кривошипа располагается маховик. В процессе хода поршня слева направо, в зоне между поршнем и цилиндром возникает разрежение. Разность давления в линии всасывания и цилиндре заставляет открываться клапан, в результате чего газ поступает в цилиндр. Когда поршень совершает обратное движение справа налево, всасывающий клапан закрывается, и газ в цилиндре сжимается до уровня давления p2. Далее, через клапан газ вытесняется в линию нагнетания. Цикл завершается и повторяется снова.
Одноступенчатый компрессор двойного действия оснащен четырьмя клапанами (двумя всасывающими и двумя нагнетательными). Такие машины устроены сложнее, но уровень производительности у них в два раза выше. В целях охлаждения цилиндр и крышки могут оснащаться водяными рубашками. Чтобы увеличить показатель производительности данные машины могут изготавливаться многоцилиндровыми конструкциями. Одноступенчатые компрессоры с вертикальным типом конструкции являются более производительными и быстроходными, чем горизонтальные. Кроме того, они занимают меньшую производственную площадь и более долговечны.
Двухступенчатые компрессоры с горизонтальным типом конструкции, как правило, оснащены одним цилиндром и ступенчатым или дифференциальным типом поршня. Газ подвергается сжатию в цилиндре левой стороной поршня, после чего проходит сквозь холодильник и подается в цилиндр с другой стороны, где сжимается до уровня p2.
Многоступенчатые конструкции оснащены цилиндрами, которые располагаются последовательно (система тандем) или параллельно (система компаунд). Существуют также оппозитные конструкции компрессоров, где поршни двигаются взаимно противоположно. Цилиндры в конструкциях данного типа располагаются по обе стороны вала.
Следует отметить, что реальный процесс сжатия газа в компрессоре отличается от теории. Так, между поршнем, когда он находится в крайнем положении и крышкой цилиндра есть некий свободный объем. Данный зазор носит название вредного пространства. В данном зазоре, по завершению нагнетания, сжатый газ расширяется при обратном ходе поршня. По этой причине всасывающий клапан открывается только после снижения уровня давления до уровня давлении на всасывании. Таким образом, поршень совершает холостое движение, что снижает производительность компрессора.
Общее описание и применение поршневой компрессорной установки
Поршневой компрессор извергает пульсирующий поток конденсата, который представляет собой газ, загрязненный остатками смазочного масла. Компрессорная установка оснащается рядом дополнительных устройств, которые способны сделать данный поток газа пригодным для употребления.
Технологическая схема двухступенчатой компрессорной установки.
Подсасываемый воздух проходит очистку в фильтре, после чего последовательно подается в ступени сжатия. Сжатый газ подвергается охлаждению, а конденсат, который выделяется из напорного трубопровода, осаждается. После этого, сжатый газ подается в котел с наддувом, который выступает как ресивер для пульсирующего потока газа. Обратный клапан не дает сжатому газу вернуться, в случае остановки компрессора.
Поршневые компрессорные установки широко используются во многих отраслях промышленности. Их функция состоит в подаче сжатого воздуха как источника энергии в технологических процессах. Так, сжатый воздух применяется для транспортировки сыпучих веществ, активации пневматических систем, в области производства стекла и пластиковой тары и т.п.
Общее описание и применение роторных компрессоров
В процессе вращения массивного ротора, газ захватывается в пространства между лопастями и перемещается от всасывающего патрубка к нагнетательному патрубку. После чего газ вытесняется в трубопровод. Вал роторного компрессора может соединяться с валом приводного двигателя через редуктор или без него. Благодаря этому установка отличается компактностью и небольшой массой.
В корпусе такого агрегата располагается ротор, оснащенный двумя лопатками. Перед запуском агрегата, его наполовину заполняют водой. По мере того, как ротор совершает вращательные движения, вода отбрасывается к периферии и образуется ровное водяное кольцо. В пространстве между лопатками ротора и водяным кольцом возникают ячейки, объем которых увеличивается во время первого оборота ротора и уменьшается во время второй половины. Патрубок засасывает газ, который затем сжимается компрессором. Поршень играет роль водяного кольца, при помощи которого меняется объем рабочих камер компрессора. Данный компрессор не способен нагнетать высокий уровень давления, поэтому данный тип машин часто применяют как вакуумный насос или газодувку.
Роторные компрессоры получили широкое применение в химической промышленности, а также в процессах дутья в некоторых металлургических печах.
Общее описание динамических компрессоров и их применение. Турбогазодувки, турбокомпрессоры, осевые компрессоры
К динамическим компрессорам принято относить такие агрегаты как центробежные, струйные и осевые машины.
Принцип действия центробежных компрессоров аналогичен центробежным насосным установкам. К данному типу относятся турбогазодувки, турбокомпрессоры и осевые компрессоры.
Турбогазодувки одноступенчатого типа относятся к разновидностям вентиляторов высокого давления и способны сжимать газ до 3·10 4 Па. Колесо, оснащенное лопатками, совершает вращательные движения внутри направляющего аппарата. Направляющий аппарат размещен внутри корпуса, выполненного в виде спирали. Кинетическая энергия газа преобразуется в потенциальную энергию давления, газ сжимается и выходит через патрубок.
Газодувки многоступенчатого типа оснащаются 3 или 4 колесами с лопатками, газ между ступенями охлаждению не подвергается. Благодаря тому, что диаметры колес одинаковы, а ширина снижается к каждому последующему колесу, газ сжимается без изменения числа оборотов вала и формы лопаток. Показатель степени сжатия газа варьируется в рамках 3-3,5.
Турбокомпрессоры (или центробежные компрессоры) имеют устройство схожее с турбогазодувками, но они способны создавать более высокую степень сжатия. Данный тип машин работает по динамическому принципу, т.е. они создают статическое давление посредством преобразования кинетической энергии в статическую энергию. Турбокомпрессоры оснащены большим числом колес, диаметр и ширина колеса уменьшается к каждому последующему. Довольно часто колеса располагаются в разных корпусах. В пределах одного корпуса, диаметр колес одинаковый, но ширина колес отличается. Промежуточные холодильники между корпусами охлаждают газ. Центробежные турбокомпрессоры способны нагнетать давление от 2,5 до 3,0 МПа. В зависимости от формы рабочего колеса, выделяют радиальные или осевые компрессоры.
Корпус осевого компрессора выполнен в форме цилиндрического патрубка. Внутри корпуса вращается рабочее колесо, которое оснащено лопатками. Воздух перемещается вдоль оси вала, что обеспечивает высокий КПД. Осевые компрессоры являются компактными конструкциями. Давление, которое они создают, не превышает 0,5-0,6 МПа.
Динамические компрессоры работают в составе двигателей самолетов и вертолетов, в составе систем нагнетающих воздух, системах вентиляции и перекачивания газа.
Общее описание и применение винтовых компрессоров
Винтовые компрессоры широко применяются для сжатия воздуха и газов под давлением не более 2 МП. К преимуществам винтовых компрессоров принято относить надежность, небольшую массу и габариты. Данные машины часто применяют на передвижных компрессорных станциях взамен поршневых. Показатель производительности таких станций не превышает 0,1 м 3 /с, давление в пределах 0,8 МПа. Винтовые компрессоры целесообразно применять для сжатия легких газов (гелий, водород и т.п.) вместо центробежных машин.
Общее описание и применения вакуумных насосов
Вакуумные насосы представляют собой машины для генерации вакуума, т.е. создания давления уровня ниже атмосферного. Принцип действия таких агрегатов основывается на том, что газ в резервуаре должен быть вытеснен.
Для генерации низкого вакуума от 101 300 Па до 133,3 Па, в качестве вакуумных насосов могут использоваться обычные компрессоры и воздуходувки. Данные агрегаты соединяются с откачиваемым резервуаром при помощи всасывающего патрубка. Чтобы откачать газ из больших емкостей, применяют:
Чтобы откачать газ из небольших емкостей, применяют малые ротационно-щелевые вакуумные насосы.
Для генерации среднего вакуума (в области давления от 133,3 до 0,1333 Па) используются:
Вакуумные насосы широко используются в таких отраслях промышленности как производство алюминия, керамики, кирпича. В химической, электронной промышленности, микробиологии и других областях исследования.
Общее описание и применение вентиляторов
Вентиляторы используются для проветривания рабочих помещений или производственных зданий, т.е. в целях транспортировки воздуха между помещениями. Уровень давления подачи, которое генерируют вентиляторы, не превышает 10 000 Па. Вентиляторы оснащаются рабочим колесом, которое совершает вращательные движения. Различают осевые и радиальные (центробежные) вентиляторы в зависимости от направления потока воздуха.
Конструкция радиального вентилятора аналогична конструкции радиальной турбогазодувки.
Вентиляторы данного типа оснащаются рабочим колесом с лопастями, которые расположены по ходу движения или против него. Во всасывающем патрубке подсасывается воздух и ускоряется в радиальном направлении, после чего задерживается в спиральном коллекторе и вытесняется в вытяжной канал. Данный тип вентиляторов используется в случаях, когда необходимо прогонять большие объемы воздуха через несколько аппаратов (удаление дымовых газов в двигателях внутреннего сгорания, при подаче дутьевого воздуха в доменные печи).
Устройство осевого вентилятора.
Осевые (пропеллерные) вентиляторы при наличии небольшого напора могут перемещать большие объемы воздуха. Они имеют рабочее колесо, которое состоит из ступицы и сидящих на ней пропеллерных вентиляторов. В процессе вращения, они сообщают воздуху импульс в направлении рабочего колеса. Малогабаритные вентиляторы работают в составе производственных систем, настенные вентилируют здания.