Компримированный природный газ (КПГ). Сжатие газа

Химический состав газа. Применение

Основную часть природного газа составляет метан (CH4) – до 98%. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды – гомологи метана:

этан (C 2 H 6),

пропан (C 3 H 8),

бутан (C 4 H 10),

а также другие неуглеводородные вещества:

водород (H 2),

сероводород (H 2 S),

диоксид углерода (СО 2),

гелий (Не).

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.

Углеводородные фракции – ценное сырьё для химической и нефтехимической промышленности. Они широко используются для получения ацетилена. Пиролизом этана получают этилен – важный продукт для органического синтеза. При окислении пропан-бутановой фракции образуются ацетальдегид, формальдегид, уксусная кислота, ацетон и др. продукты. Изобутан служит для производства высокооктановых компонентов моторных топлив, а также изобутилена – сырья для изготовления синтетического каучука. Дегидрированием изопентана получают изопрен – важный продукт при производстве синтетических каучуков.

Компримированный природный газ – сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива вместо бензина, дизельного топлива и пропана.

Природный газ, как и любой другой, может быть сжат при помощи компрессора. При этом занимаемый им объем значительно уменьшается. Природный газ традиционно сжимается до давления 200–250 бар, что приводит к сокращению объема в 200-250 раз. Газ компримируют (сжимают) для транспортировки по магистральным газопроводам, для поддержания правильного давления внутри пласта (пластового давления) во время закачки под землю, а еще получение компримированного природного газа является промежуточной ступенью при производстве сжиженного природного газа. Компримированный природный газ дешевле традиционного топлива, а вызываемый продуктами его сгорания парниковый эффект меньше по сравнению с обычными видами топлива, поэтому он безопаснее для окружающей среды. Хранение и транспортировка компримированного природного газа происходит в специальных накопителях газа. Также используется добавление к компримированному природному газу биогаза, что позволяет снизить выбросы углерода в атмосферу.

Сжатый природный газ как топливо имеет целый ряд преимуществ:

· Метан (основной компонент природного газа) легче воздуха и в случае аварийного разлива он быстро испаряется, в отличие от более тяжёлого пропана, накапливающегося в естественных и искусственных углублениях и создающего опасность взрыва.

· Не токсичен в малых концентрациях;

· Не вызывает коррозии металлов.

· Компримированный природный газ дешевле, чем любое нефтяное топливо, в том числе и дизельное, но по калорийности их превосходит.

· Низкая температура кипения гарантирует полное испарение природного газа при самых низких температурах окружающего воздуха.

· Природный газ сгорает практически полностью и не оставляет копоти, ухудшающей экологию и снижающей КПД. Отводимые дымовые газы не имеют примесей серы и не разрушают металл дымовой трубы.

· Эксплуатационные затраты на обслуживание газовых котельных также ниже, чем традиционных.

Еще одной особенностью сжатого природного газа является то, что котлы, работающие на природном газе, имеют больший КПД – до 94 %, не требуют расхода топлива на предварительный его подогрев зимой (как мазутные и пропан-бутановые).

Природный газ, охлажденный после очистки от примесей до температуры конденсации (–161,5 0 С), превращается в жидкость, называемую сжиженным природным газом . Сжиженный газ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, плотность которой в два раза меньше плотности воды. На 75-99% состоит из метана. Температура кипения –158…–163 0 C. В жидком состоянии не горюч, не токсичен, не агрессивен. Для использования подвергается испарению до исходного состояния. При сгорании паров образуется диоксид углерода и водяной пар. Объем газа при сжижении уменьшается в 600 раз, что является одним из основных преимуществ этой технологии. Процесс сжижения идет ступенями, на каждой из которых газ сжимается в 5-12 раз, затем охлаждается и передается на следующую ступень. Собственно сжижение происходит при охлаждении после последней стадии сжатия. Процесс сжижения, таким образом, требует значительного расхода энергии – до 25% от её количества, содержащегося в сжиженном газе. Сжиженный газ производится на так называемых ожижительных установках (заводах), после чего может быть перевезен в специальных криогенных емкостях – морских танкерах или цистернах для сухопутного транспорта. Это позволяет доставлять газ в те районы, которые находятся далеко от магистральных газопроводов, традиционно используемых для транспортировки обычного природного газа. Природный газ в сжиженном виде долго хранится, что позволяет создавать запасы. Перед поставкой непосредственно потребителю Сжиженный газ возвращают в первоначальное газообразное состояние на регазификационных терминалах. Первые попытки сжижать природный газ в промышленных целях относятся к началу XX века. В 1917 г. в США был получен первый сжиженный газ, но развитие трубопроводных систем доставки надолго отложило совершенствование этой технологии. В 1941 г. была совершена следующая попытка произвести СПГ, но промышленных масштабов производство достигло только с середины 1960-х гг. В России строительство первого завода сжиженного природного газа началось в 2006 г. в рамках проекта «Сахалин-2». Торжественное открытие завода состоялось зимой 2009 г.

Сланцевый газ – природный газ, добываемый из сланца, состоящий преимущественно из метана. Первая коммерческая газовая скважина в сланцевых пластах была пробурена в США в 1821 г. Масштабное промышленное производство сланцевого газа было начато компанией Devon Energy в США в начале 2000-х на месторождении Barnett Shale, которая на этом месторождении в 2002 г. пробурила впервые горизонтальную скважину. Благодаря резкому росту его добычи, названному «газовой революцией», в 2009 г. США стали мировым лидером добычи газа (745,3 млрд м 3), причём более 40% приходилось на нетрадиционные источники (метан из угольных пластов и сланцевый газ).

Ресурсы сланцевого газа в мире составляют 200 трлн м 3 . В январе 2011 г. экономист А.Д. Хайтун писал о возможности того, что сланцевый газ «повторит судьбу угольного метана со значительным падением прироста добычи при длительной эксплуатации месторождений или судьбу биотоплива, подавляющая часть мирового производства которого приходится на Америку, а сейчас сокращается».

Запасы и ресурсы газа

Мировые геологические запасы горючих газов на континентах, в зоне шельфов и мелководных морей, по прогнозной оценке, достигают 10 15 м 3 , что эквивалентно 10 12 т нефти.

Наиболее крупными месторождениями в СССР были: Уренгойское (4 трлн м 3) и Заполярное (1,5 трлн м 3), Вуктыльское (452 млрд м 3), Оренбургское (650 млрд м 3), Ставропольское (220 млрд м 3), Газли (445 млрд м 3) в Средней Азии; Шебслинское (390 млрд м 3) на Украине.

На полуострове Ямал и в прилегающих акваториях открыто 11 газовых и 15 нефтегазоконденсатных месторождений, разведанные и предварительно оцененные (АВС 1 +С 2) запасы газа которых составляют порядка 16 трлн м 3 , перспективные и прогнозные (С 3 -Д 3) ресурсы газа – около 22 трлн м 3 . Наиболее значительным по запасам газа месторождением Ямала является Бованенковское – 4,9 трлн м 3 (АВС 1 +С 2), которое в 2012 г. начнет разрабатываться, а газ поступит в новый магистральный газопровод Бованенково-Ухта. Начальные запасы Харасавэйского, Крузенштернского и Южно-Тамбейского месторождений составляют около 3,3 трлн м 3 газа.

Восточная Сибирь и Дальний Восток составляют порядка 60% территории Российской Федерации. Начальные суммарные ресурсы газа суши Востока России – 52,4 трлн м 3 , шельфа – 14,9 трлн м 3 .

В РФ добыча газа только ОАО «Газпром» в 2011 г. составила 513,2 млрд м 3 . При этом прирост запасов категории С 1 достиг рекордного уровня – 686,4 млрд м 3 , конденсата – 38,6 млн т. В 2012 г. планируется добыть 528,6 млрд м 3 газа и 12,8 млн т газового конденсата.

Конденсат

Конденсат – жидкий продукт сепарации природных газов. Представлен, в основном, жидкими в нормальных условиях УВ – пентаном и более тяжелыми УВ алканового, цикланового и аренового состава. Плотность обычно не превышает 0,785 г/см 3 , хотя известны разности с плотностью до 0,82 г/см 3 . Конец кипения от 200 до 350 0 С.

Различают сырой конденсат, полученный при сепарации, и стабильный , полученный путем глубокой дегазации сырого конденсата. Количество конденсата в пластовых газах выражается либо отношением его объема к объему сепарированного газа (см 3 /м 3) и называется конденсатным фактором . Количество конденсата, отнесенное к 1 м 3 сепарированного (свободного) газа, достигает 700 см 3 . В зависимости от величины конденсатного фактора газы бывают «сухие» (менее 10 см 3 /м 3), «тощие» (10-30 см 3 /м 3) и «жирные» (30-90 см 3 /м 3). Газы, характеризующиеся величиной газового фактора более 90 см 3 /м 3 называют газоконденсатом. На Вуктыльском нефтегазоконденсатном месторождении конденсатный фактор составляет 488-538 см 3 /м 3 , природные газы месторождений Западной Сибири, как правило, «сухие».

Инструкция

На вид сжиженный природный газ (СПГ) - это бесцветная жидкость без и запаха, на 75-90% состоящая и обладающая очень важными свойствами: в жидком состоянии он не горюч, не и не агрессивен, что крайне важно при транспортировке. Процесс сжижения СПГ имеет характер, где каждая новая ступень означает сжатие в 5-12 раз, после чего следует охлаждение и переход на следующую ступень. СПГ становится жидким по завершению последней стадии сжатия.

Если же газ необходимо транспортировать на очень большие расстояния, то гораздо выгоднее использовать специальные суда – танкеры-газовозы. От места газа до ближайшего подходящего места на морском побережье протягивают трубопровод, а на берегу строят терминал. Там газ сильно сжимают и охлаждают, переводя в жидкое состояние, и закачивают в изотермические емкости танкеров (при температурах порядка -150оС).

Этот способ транспортировки имеет ряд преимуществ перед трубопроводным. Во-первых, один подобный за один рейс может перевезти громадное количество газа, ведь плотность вещества, находящегося в жидком состоянии, гораздо выше. Во-вторых, основные расходы приходятся не на транспортировку, а на погрузку-разгрузку продукта. В-третьих, хранение и перевозка сжиженного газа гораздо безопаснее, чем сжатого. Можно не сомневаться, что доля природного газа, транспортируемого в сжиженном виде, будет неуклонно возрастать по сравнению с газопроводными поставками.

Сжиженный природный газ востребован в различных областях деятельности человека - в промышленности, в автомобильном транспорте, в медицине, в сельском хозяйстве, в науке и пр. Немалую популярность сжиженные газ ы завоевали за счет удобства их использования и транспортировки, а также экологической чистоты и невысокой стоимости.

Инструкция

Перед сжижением углеводородного газ а его необходимо предварительно очистить и удалить водяной пар. Углекислый газ удаляют, используя систему трехступенчатых молекулярных фильтров. Очищенный таким образом газ в небольших количествах используется в качестве регенерационного. Восстанавливаемый газ либо сжигается, либо применяется для получения в генераторах мощности.

Просушивание происходит с помощью 3-х молекулярных фильтров. Один фильтр поглощает водяной пар. Другой сушит газ , который далее и проходит через третий фильтр. Для понижения температуры газ пропускается через водяной охладитель.

Азотный способ подразумевает производство сжиженного углеводородного газ а из любых газ овых источников. К преимуществам этого метода можно отнести простоту технологии, уровень безопасности, гибкость , легкость и малозатратность эксплуатации. Ограничения этого метода - необходимость источника электроэнергии и высоких капитальных затрат.

При смешанном способе производства сжиженного газ а в качестве хладагента используют смесь азота и . Получают газ также из любых источников. Этот метод отличается гибкостью производственного цикла и небольшими переменными затратами на производство. Если сравнивать с азотным способом сжижения, здесь капитальные затраты более существенны. Также необходим источник электроэнергии.

Источники:

• Что такое сжижение газов?
• Сжиженный газ: получение, хранение и транспортировка
• что такое сжиженный газ

Природный газ добывается из недр Земли. Это полезное ископаемое состоит из смеси газообразных углеводородов, которая образуется в результате разложения органических веществ в осадочных породах земной коры.

Какие вещества входят в состав природного газа

На 80-98% природный газ состоит (CH4). Именно физико-химические свойства метана определяют характеристики природного газа. Наряду с метаном в составе природного газа присутствуют соединения такого же структурного типа – этан (C2H6), пропан (C3H8) и бутан (C4H10). В некоторых случаях в небольших количествах, от 0,5 до 1%, в природном газе обнаруживаются: (С5Н12), (С6Н14), гептан (С7Н16), (С8Н18) и нонан (С9Н20).

Также природный газ включает в себя соединения сероводорода (H2S), углекислого газа (CO2), азот (N2), гелий (He), водяные пары. Состав природного газа зависит от характеристик месторождений, где он добывается. Природный газ, добываемый в чисто газовых месторождениях, состоит в основном из метана.

Характеристики составляющих природного газа

Все химические соединения, входящие в состав природного газа, обладают рядом свойств, полезных в различных сферах промышленности и в быту.

Метан – горючий газ без цвета и запаха, он легче воздуха. Используется в промышленности и быту в качестве горючего. Этан – горючий газ без цвета и запаха, он немного тяжелее воздуха. В основном, из получают этилен. Пропан – ядовитый газ без цвета и запаха. Ему по свойствам близок бутан. Пропан используется, например, при сварочных работах, при переработке металлолома. Сжиженным и бутаном заправляют зажигалки и газовые баллоны. Бутан используют в холодильных установках.

Пентан, гексан, гептан, октан и нонан – . Пентан в небольших количествах входят в состав моторных топлив. Гексан также используется при экстрагировании растительных масел. Гептан, гексан, октан и нонан являются хорошими органическими растворителями.

Сероводород – ядовитый бесцветный тяжелый газ, тухлых яиц. Этот газ даже в маленькой концентрации вызывает паралич обонятельного нерва. Но в силу того, что сероводород обладает хорошими антисептическими свойствами, его в малых дозах применяют в медицине для сероводородных ванн.

Углекислый газ – негорючий бесцветный газ без запаха с кислым вкусом. Углекислый газ используют в пищевой промышленности: в производстве газированных напитков для насыщения их углекислотой, для заморозки продуктов, для охлаждения грузов при транспортировке и т.п.

Азот – безвредный бесцветный газ, без вкуса и запаха. Применяют его в производстве минеральных удобрений, используют в медицине и т.п.

Гелий – один из самых легких газов. Он не имеет цвета и запаха, не горит, не токсичен. Гелий используют в различных областях промышленности – , для охлаждения атомных реакторов, наполнения стратостатов.

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 p 2 . 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 p 2 .

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.

СЖИЖЕННЫЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ ГАЗ

Сжиженный углеводородный газ при атмосферном давлении и температуре выше нуля находится в газообразном состоянии. При сравнительно небольшом повышении давления - не более 1,6 МПа - он превращается в легкоиспаряющуюся жидкость. Сжиженный газ состоит в основном из смеси двух газов: пропана (около 80%) и бутана (примерно 20%). Кроме того, в нем в небольшом количестве содержатся такие газы, как этан, пентан, пропилен, бутилен и этилен. Теплота сгорания единицы массы сжиженного газа высокая - 46 МДж/кг. При плотности около 0,524 г/см (при 20°С) объемная теплота сгорания сжиженного газа превышает 24 000 МДж/м. Уступая по значению этого показателя бензину, сжиженный газ как топливо является полноценным его заменителем. Относительно небольшая масса тонкостенных стальных баллонов, рассчитанных на рабочее давление до 1,6 МПа, позволяет хранить на автомобиле достаточное количество газа, не уменьшая его полезной нагрузки. Поэтому автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и бензиновые. Газообразное топливо лучше смешивается с воздухом и благодаря этому полнее сгорает в цилиндрах. По этой причине отработавшие газы у автомобилей, работающих на газообразных топливах, менее токсичны, чем у автомобилей, работающих на бензине. Высокая детонационная стойкость сжиженного газа (октановое число по исследовательскому методу более 110) позволяет повысить степень сжатия бензиновых двигателей, переоборудованных для работы на сжиженном газе.

Основными показателями, характеризующими качество сжиженного газа как топлива для автомобилей, являются компонентный состав, давление насыщенных паров, отсутствие жидкого (неиспаряющегося) остатка, содержание вредных примесей.

Компонентный состав газа -- показатель сжиженного газа, всесезонно отпускаемого газонаполнительными станциями для газобаллонных автомобилей, должен изменяться в ограниченных пределах. Сжиженный газ содержит (по массе) не менее 80±5% пропана, не более 20±5% бутана и не более 6% других газов (пропилена, бутилена, этилена). Нарушение соотношения между пропаном и бутаном изменяет теплоту сгорания газа и состав горючей смеси. В результате ухудшается процесс сгорания смеси в цилиндрах двигателя и увеличивается токсичность отработавших газов.

Давление насыщенных паров оказывает влияние на надежность подачи газа в цилиндры двигателя в холодное время года. При температуре минус 30°С оно не должно быть ниже 0,7 МПа. При дальнейшем уменьшении давления нарушится бесперебойная подача газа из баллона. Давление паров не должно также превышать 1,6 МПа при 45°С, так как именно на такое предельное рабочее давление рассчитаны баллоны, применяемые на газобаллонных автомобилях.

Содержание серы, щелочей и свободной воды . При повышенном содержании серы она оседает в топливной аппаратуре, сужая проходные сечения трубопроводов и разрушающе действуя на резино-технические детали. Сгорая в цилиндрах двигателя, сера повышает токсичность отработавших газов. Ее содержание не должно превышать 0,015% по массе. Щелочи и свободная вода должны отсутствовать.

Жидкий остаток . Данного остатка при температуре 40°С не должно быть.

СЖАТЫЙ ГАЗ

Сжатый газ, в отличие от сжиженного, сохраняет свое газообразное состояние при нормальной температуре и любом повышении давления. Он превращается в жидкость только после глубокого охлаждения (ниже минус 162°С). В качестве топлива для автомобилей используют сжатый до 20 МПа природный газ, добываемый из скважин газовых месторождений. Его основной компонент - метан. Сжатый газ имеет очень высокую теплоту сгорания единицы массы -- 49,8 МДж/кг, но из-за чрезвычайно малой плотности (0,0007 г/см при 0°С и атмосферном давлении) объемная теплота сгорания сжатого даже до 20 МПа природного газа не превышает 7000 МДж/кг, т. е. более чем 3 раза меньше, чем у сжиженного. Невысокое значение объемной топлоты сгорания не позволяет обеспечить хранение на автомобиле достаточного количества газа даже при высоком давлении. Вследствие этого запас хода газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, вдвое меньше, чем у бензиновых или у автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе. Октановое число метана по исследовательскому методу около 110. Применение вместо бензина сжатого природного газа благодаря его огромным запасам и небольшой стоимости целесообразно, особенно на внутригородских и пригородных перевозках

Показатели сжатого газа : компонентный состав сжатого газа и содержание веществ, вредно влияющих на работу газобаллонной аппаратуры и ускоряющих износ двигателей.

Компонентный состав газа . Сжатый газ, предназначенный для всесезонного применения на автомобилях, должен содержать (по объему) метана не менее 90%, этана - не более 4%, небольшое количество (до 2,5%) других горючих углеводородных газов, окиси углерода - до 1%, кислорода - до 1%, азота - не более 5%.

В производственных процессах, связанных с использованием газов (диспергирование, перемешивание, пневмотранспорт, сушка, абсорбция и т. д.), перемещение и сжатие последних происходит за счет энергии, сообщаемой им машинами, которые носят общее название компрессионных . При этом производительность компрессионных установок может достигать десятков тысяч кубометров в час, а давление изменяется в пределах 10 –8 –10 3 атм., что обусловливаетбольшое разнообразие типов и конструкций машин, применяемых для перемещения, сжатия и разрежения газов. Машины, предназначенные для создания повышенныхдавлений, получили название компрессоров, а машины, работающие на создание разрежения –вакуум-насосов .

Классифицируют компрессионные машины в основном по двум признакам: принципу действия и степени сжатия. Степень сжатия – это отношение конечного давления газа на выходе из машиныр 2 к начальному давлению на входеp 1 (т. е.p 2 /p 1).

По принципу действия компрессионные машины подразделяют на поршневые, лопастные (центробежные и осевые), ротационные и струйные.

По степени сжатия различают:

– компрессоры, используемые для создания высоких давлений, со степенью сжатия р 2 /р 1 > 3;

– газодувки, служащие для перемещения газов при большом сопротивлении газопроводной сети, при этом 3 > p 2 /p 1 >1,15;

– вентиляторы, применяемые для перемещения больших количеств газа при p 2 /p 1 < 1,15;

– вакуум-насосы, отсасывающие газ из пространства с пониженным давлением (ниже атмосферного) и нагнетающие его в пространство с повышенным (выше атмосферного) или атмосферным давлением.

В качестве вакуум-насосов могут быть использованы любые компрессионные машины; более глубокий вакуум создают поршневые и ротационные машины.

В отличие от капельных жидкостей, физические свойства газов функционально зависят от температуры и давления; процессы перемещения и сжатия газов связаны с внутренними термодинамическими процессами. При малых перепадах давлений и температур изменения физических свойств газов в процессе их движения с малыми скоростями и давлениями, близкими к атмосферному, незначительны. Это дает возможность использования всех основных положений и законов гидравлики для их описания. Однако при отклонении от нормальных условий, в особенности при высоких степенях сжатия газа, многие положения гидравлики претерпевают изменение.

1. Термодинамические основы процесса сжатия газов

Влияние температуры на изменение объема газа при постоянном давлении, как известно, определяется законом Гей – Люссака, т. е. при p = const объем газа прямо пропорционален его температуре:

где V 1 иV 2 – объемы газа соответственно при температурахТ 1 иТ 2 , выраженные по шкале Кельвина.

Связь между объемами газа при разных температурах может быть представлена зависимостью

, (4.1)

где V иV 0 – конечный и начальный объемы газа, м 3 ;t иt 0 – конечная и начальная температура газа, °С;β t – относительный коэффициент объемного расширения, град. –1 .

Изменение давления газа в зависимости от температуры:

, (4.2)

где р ир 0 – конечное и начальное давление газа, Па;β р – относительный температурный коэффициент давления, град. –1 .

Масса газа М при изменении его объема остается постоянной. Если ρ 1 иρ 2 плотности двух температурных состояний газа, то
и
либо
, т.е. плотность газа при постоянном давлении обратно пропорциональна его абсолютной температуре.

По закону Бойля-Мариотта, при одной и той же температуре произведение удельного объема газа v на значение его давленияр есть величина постояннаяp v = const. Следовательно, при постоянной температуре
, а
, т. е. плотность газа прямо пропорциональна давлению, так как
.

Учитывая уравнение Гей-Люссака, можно получить соотношение, связывающее три параметра газа: давление, удельный объем и его абсолютную температуру:

. (4.3)

Последнее уравнение носит название уравнения Клайперона . В общем виде:

либо
, (4.4)

где R – газовая постоянная, которая представляет собой работу, совершаемую единицей массы идеального газа в изобарном (p = const) процессе; при изменении температуры на 1° газовая постояннаяR имеет размерность Дж/(кгград):

, (4.5)

где l р – удельная работа изменения объема, совершаемого 1 кг идеального газа при постоянном давлении, Дж/кг.

Таким образом, уравнение (4.4) характеризует состояние идеального газа. При давлении газа свыше 10 атм использование этого выражения вносит погрешность в расчеты (p v ≠RT ), поэтому рекомендуется пользоваться формулами, которые более точно описывают зависимость между давлением, объемом и температурой реального газа. Например, уравнением Ван-дер-Ваальса:

, (4.6)

где R = 8314/M – газовая постоянная, Дж/(кг·К);М – молекулярная масса газа, кг/кмоль;а ив – величины, постоянные для данного газа.

Величины а ив могут быть рассчитаны по критическим параметрам газа (Т кр ир кр):

;
. (4.7)

При высоких давлениях величина а/v 2 (дополнительного давления в уравнении Ван-дер-Ваальса) мала по сравнению с давлениемp и ею можно пренебречь, тогда уравнение (4.6) превращается в уравнение состояния реального газа Дюпре:

, (4.8)

где величина в зависит только от рода газа и не зависит от температуры и давления.

На практике для определения параметров газа при различных его состояниях чаще пользуются термодинамическими диаграммами: Т –S (температура–энтропия),p–i (зависимость давления от энтальпии),p –V (зависимость давления от объема).

Рисунок 4.1 – Т–S диаграмма

На диаграммеТ –S (рис. 4.1) линияАKВ представляет собой пограничную кривую, которая делит диаграмму на отдельные области, соответствующие определенным фазовым состояниям вещества. Область, расположенная слева от пограничной кривой, представляет собой жидкую фазу, справа – область сухого пара (газа). В области, ограниченной кривойАВK и осью абсцисс, одновременно сосуществуют две фазы – жидкость и пар. ЛинияАK соответствует полной конденсации пара, здесь степень сухостиx = 0. ЛинияKВ соответствует полному испарению,x = 1. Максимум кривой соответствует критической точкеK , в которой возможны все три состояния вещества. Помимо пограничной кривой на диаграмму нанесены линии постоянных температур (изотермы,Т = const) и энтропии (S = const), направленные параллельно осям координат, изобары (p = const), линии постоянных энтальпий (i = const). Изобары в области влажного пара направлены так же, как и изотермы; в области перегретого пара они меняют направление круто вверх. В области жидкой фазы изобары почти сливаются с пограничной кривой, так как жидкости практически несжимаемы.

Все параметры газа на диаграмме Т–S отнесены к 1 кг газа.

Так как в соответствии с термодинамическим определением
, то теплота изменения состояния газа
. Следовательно, площадь под кривой, описывающей изменение состояния газа, численно равна энергии (теплоте) изменения состояния.

Процесс изменения параметров газа называют процессом изменения его состояния. Каждое состояние газа характеризуется параметрами p ,v иТ . В процессе изменения состояния газа могут меняться все параметры или один из них оставаться постоянным. Так, протекающий при постоянном объеме процесс называетсяизохорическим , при постоянном давлении –изобарическим , а при постоянной температуре –изотермическим . Когда при отсутствии теплообмена между газом и внешней средой (теплота не отводится и не подводится) изменяются все три параметра газа (p, v ,Т ) в процессе его расширения либо сжатия, процесс называется адиабатическим , а когда изменение параметров газа происходит при непрерывном подводе или отводе теплоты– политропическим .

При изменяющихся давлении и объеме, в зависимости от характера теплообмена с окружающей средой, изменение состояния газа в компрессионных машинах может происходить изотермически, адиабатически и политропически.

При изотермическом процессе изменение состояния газа следует закону Бойля–Мариотта:

pv = const.

На диаграмме p–v этот процесс изображается гиперболой (рис. 4.2). Работа 1 кг газаl графически представляется заштрихованной площадью, которая равна
, т. е.

либо
. (4.9)

Количество тепла, которое выделяется при изотермическом сжатии 1 кг газа и которое необходимо отводить путем охлаждения, чтобы температура газа оставалась постоянной:

, (4.10)

где c v иc р – удельные теплоемкости газа при постоянном объеме и давлении, соответственно.

На диаграмме Т–S процесс изотермического сжатия газа от давленияр 1 до давленияр 2 изображается прямой линиейаб , проведенной между изобарамир 1 ир 2 (рис. 4.3).

Рисунок 4.2 – Процесс изотермического сжатия газа на диаграмме	Рисунок 4.3 – Процесс изотермического сжатия газа на диаграмме Т–S

Тепло, эквивалентное работе сжатия, изображается площадью, ограниченной крайними ординатами и прямой аб , т. е.

. (4.11)

Рисунок 4.4 – Процессы сжатия газа на диаграмме
:

А – адиабатический процесс;

Б – изотермический процесс

Поскольку в выражение для определения работы, затрачиваемой в изотермическом процессе сжатия, входят только объем и давление, то в пределах приложимости уравнения (4.4) безразлично, какой газ будет сжиматься. Иначе говоря, на изотермическое сжатие 1 м 3 любого газа при одних и тех же начальных и конечных давлениях расходуется одно и то же количество механической энергии.

При адиабатическом процессе сжатия газа изменение его состояния происходит за счет изменения его внутренней энергии, а следовательно, и температуры.

В общей форме уравнение адиабатического процесса описывается выражением:

, (4.12)

где
– показатель адиабаты.

Графически (рис. 4.4) этот процесс на диаграмме p–v изобразится гиперболой более крутой, чем на рис. 4.2., так какk > 1.

Если принять

, то
. (4.13)

Поскольку
иR = const, полученное уравнение можно выразить иначе:

или
. (4.14)

Путем соответствующих преобразований можно получить зависимости для других параметров газа:

;
. (4.15)

Таким образом, температура газа в конце его адиабатического сжатия

. (4.16)

Работа, совершаемая 1 кг газа в условиях адиабатического процесса:

. (4.17)

Тепло, выделяющееся при адиабатическом сжатии газа, эквивалентно затрачиваемой работе:

С учетом соотношений (4.15) работа на сжатие газа при адиабатическом процессе

. (4.19)

Процесс адиабатического сжатия характеризуется полным отсутствием теплообмена между газом и окружающей средой, т.е. dQ = 0, аdS = dQ/T , поэтомуdS = 0.

Таким образом, процесс адиабатического сжатия газа протекает при постоянной энтропии (S = const). На диаграммеТ–S этот процесс изобразится прямой линиейАВ (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 – Изображение процессов сжатия газа на диаграмме Т–S

Если в процессе сжатия выделяющееся тепло отнимается в меньшем количестве, чем это необходимо для изотермического процесса (что происходит во всех реальных процессах сжатия), то фактически затрачиваемая работа будет большей, чем при изотермическом сжатии, и меньшей, чем при адиабатическом:

, (4.20)

где m – показатель политропы,k >m >1 (для воздухаm
).

Значение показателя политропы m зависит от природы газа и условий теплообмена с окружающей средой. В компрессионных машинах без охлаждения показатель политропы может быть больше показателя адиабаты (m >k ), т. е. процесс в этом случае протекает по сверхадиабате.

Работу, затрачиваемую на разрежение газов, рассчитывают по тем же уравнениям, что и работу на сжатие газов. Отличие лишь в том, что р 1 будет меньше атмосферного давления.

Процесс политропического сжатия газа от давленияр 1 до давления р 2 на рис. 4.5 изобразится прямойАС . Количество тепла, выделяемое при политропическом сжатии 1 кг газа, численно равно удельной работе сжатия:

Конечная температура сжатия газа

. (4.22)

Мощность, затрачиваемая компрессионными машинами на сжатие и разрежение газов, зависит от их производительности, конструктивных особенностей, теплообмена с окружающей средой.

Теоретическая мощность, затрачиваемая на сжатие газа
, определяется производительностью и удельной работой сжатия:

, (4.23)

где G иV – массовая и объемная производительность машины соответственно;
– плотность газа.

Следовательно, для различных процессов сжатия теоретически затрачиваемая мощность:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

где – объемная производительность компрессионной машины, приведенная к условиям всасывания.

Фактически затрачиваемая мощность в силу ряда причин больше, т.е. потребляемая машиной энергия выше, чем та, которую она передает газу.

Для оценки эффективности компрессионных машин используют сравнение данной машины с наиболее экономичной машиной того же класса.

Машины с охлаждением сравнивают с машинами, которые сжимали бы газ при данных условиях изотермически. В этом случае к. п. д. носит название изотермического,  из:

, (4.27)

где N – фактически затрачиваемая мощность данной машиной.

Если машины работают без охлаждения, то сжатие газа в них происходит по политропе, показатель которой выше показателя адиабаты (m k ). Поэтому затрачиваемую мощность в таких машинах сравнивают с мощностью, которую затрачивала бы машина при адиабатическом сжатии газа. Отношение этих мощностей представляет собой адиабатический к.п.д.:

. (4.28)

С учетом мощности, теряемой на механическое трение в машине и учитываемой механическим к.п.д. –  мех, мощность на валу компрессионной машины:

либо
. (4.29)

Мощность двигателя рассчитывается с учетом к.п.д. самого двигателя и к.п.д. передачи:

. (4.30)

Установочная мощность двигателя принимается с запасом (
):

. (4.31)

Значение  ад колеблется в пределах 0,930,97; из в зависимости от степени сжатия имеет значение 0,640,78; механический к. п. д. меняется в пределах 0,850,95.