Принцип действия и классификация компрессорных машин
Компрессоры, различные по давлению, производительности, сжимаемой среде, условиям окружающей среды, имеют большое разнообразие конструкций и типов. Компрессоры классифицируются по ряду характерных признаков.
По принципу действия компрессоры подразделяются на объемные и лопастные. Под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора (рис. 1.1).
Объемный компрессор— это машина, в которой процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объем периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. Объемные машины по геометрической форме рабочих органов и способу изменения объема рабочих камер можно разделить на поршневые и роторные компрессоры.
Поршневые компрессоры могут быть одностороннего или двухстороннего действия, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки (сухого трения). На рис. 1.2 показаны различные конструктивные схемы поршневых компрессоров.
В поршневом компрессоре сжатие газа осуществляется перемещением поршня, совершающего возвратно-поступательное движение. Возвратно-поступательное движение рабочих органов имеют также свободно-поршневые и мембранные компрессоры. На рис. 1.3 дана схема мембранного компрессора.
В свободно-поршневом компрессоре передача движения от двигателя к сжимаемому элементу осуществляется без механизма передачи движения. В мембранном компрессоре уменьшение объема газа осуществляется перемещением сжимающего элемента — ротора, совершающего вращательное или кача-тельное движение.
К объемным машинам с вращающим сжимающим элементом (роторным машинам) относятся: винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые и другие конструкции компрессорных машин (рис. 1.4).
Лопастной компрессор — машина динамического действия, в которой сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решетками лопастей. Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления. К лопастным компрессорам относятся радиальные (центробежные), радиальноосевые (диагональные), осевые (рис. 1.5).
В центробежном компрессоре поток движется в основном от центра к периферии. В осевом компрессоре поток газа движется вдоль оси ротора.
По назначению компрессоры классифицируются по отрасли производства, для которых они предназначены (химические, энергетические, общего назначения и т. д.), по роду сжимаемого газа (воздушный, кислородный, хлорный, азотный, гелиевый и т. д.), по непосредственному назначению (пускового воздуха, тормозные и т. д.).
По конечному давлению различают:
- вакуум-компрессоры — машины, которые отсасывают газ из пространства с давлением ниже атмосферного или выше;
- компрессоры низкого давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа, среднего — от 1,2 до 10 МПа, высокого — от 10 до 100 МПа и сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше 100 МПа.
Компрессоры называются дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное. Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объема газа, приведенного к нормальным условиям.
По способу отвода теплоты — с водяным и воздушным охлаждением.
По типу приводного двигателя — с приводом от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины.
Для удобства монтажа и уменьшения габаритов компрессорной установки применяются электродвигатели, ротор которых является валом компрессора (моноблочный принцип).
Расчет, конструирование и эксплуатация компрессора ведутся с учетом свойств газа, для сжатия которого предназначен данный компрессор.
Свойства сжимаемого газа определяют размеры и конструкцию главных узлов и деталей компрессора; например, при сжатии пожароопасных газов (кислород, водород, углеводородные газы и др.) необходимо обеспечение повышенной герметичности компрессора и взрывобезопасности двигателя, систем защиты и управления. При сжатии газов> отличающихся токсичностью (оксид углерода, хлор и др.) и повышенной текучестью (гелий), главное требование — герметичность компрессора. При сжатии газов с коррозионными свойствами (сероводород, хлор и др.) необходимо применение специальных материалов для деталей газового такта компрессора.
Некоторые газы активно вступают в химическую реакцию с минеральным маслом (например, кислород), растворяют минеральное масло, или смывают его с трущихся поверхностей узлов компрессора (например, углеводородные газы и их смеси), поэтому необходимо применение специальной смазки или выполнение конструкции компрессора, не требующей смазки.
Свойства часто встречающихся газов приведены в приложении.
Наибольшее распространение в криогенной технике получили воздушные, кислородные, азотоводородные, водородные, гелиевые компрессоры. Поэтому укажем состав воздуха, содержащий основные газы, используемые в криотехнике (табл. 1.1).
| Газ | Массовая доля, % | Объемная доля, % |
| Азот | 75,55 | 78,1 |
| Кислород | 23,1 | 20,93 |
| Аргон | 1,1 | 0,94 |
| Углекислый газ | 0,05 | 0,03 |
| Водород, неон, гелий, криптон, ксенон | Остальное | Остальное |
Воздух считается чистым, если содержание пыли в нем менее 25 мг/м³. Воздух содержит пары воды, количество которых определяется его температурой и относительной влажностью. Давление атмосферного воздуха зависит от высоты над уровнем моря и колебаний барометрического давления, достигающих 2,5%. На высоте 1000 м, например, атмосферное давление ниже давления на уровне моря приблизительно на 13,5 %.
Машины для сжатия и перемещения газов
Сжатие газов в химической промышленности используется для проведения химических процессов под давлением, перемещения газов, а также для создания разрежения. Машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называют компрессорными.
Отношение конечного давления р%, создаваемого компрессором, к начальному давлению р\, при котором происходит всасывание, газа, называют степенью сжатия. В зависимости от величины степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин:
компрессоры, у которых 3 !
57
всасывание происходит при давлениях значительно ниже атмосфер-» ного, а нагнетание — при давлениях, несколько превышающих атмосферное.
Поршневой компрессор простого действия (рис. 31) состоит из цилиндра 3, поршня 4, совершающего возвратно-поступательное, движение, и кривошипно-шатунного механизма 5. В крышке цилиндра расположены всасывающий 1 и нагнетательный 2 клапаны.
При движении слева направо, в цилиндре возникает разрежение и под действием давления окружающей среды открывается всасывающий клапан 1. При движении поршня справа налево дав-
3 2
и
В реальном компрессоре поршень не может вплотную подойти к крышке цилиндра. Между крышкой цилиндра и крайним левым положением поршня всегда имеется некоторое вредное пространство. Сжатый газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется при ходе поршня вправо, вследствие чего засасывание новой порции газа начинается только с точки 4′ (рис. 33). Таким
образом, объем засасываемого воздуха V будет меньше объема V \, описываемого поршнем.
Отношение объема газа V , засасываемого компрессором, к объему V \, описываемому поршнем, называется объемным коэффициентом полезного действия компрессора. Эта величина зависит от величины вредного объема и степени сжатия р%\р\ в компрессоре.
Значительное повышение степени сжатия может привести к тому, что сжатый газ, находящийся во вредном пространстве, при крайнем левом положении поршня и его ходе вправо достигнет давления всасывания pi только к концу хода поршня, т. е. всасывания происходить не будет (пунктирная линия на рис. 33).
Рис. 33. Диаграмма сжатия газа в реальн >м компрессоре:
Va — объем цилиндра, Vi — объем, описываемый поршнем, р\ — давление всасывания, pi — давление нагнетания
При, сжатии газа часть механической энергии превращается ‘в тепловую, вследствие чего газ в цилиндре разогревается. Чтобы уменьшить потребляемую компрессором мощность, его цилиндр интенсивно охлаждают водой. Кроме того, понижение температуры сжимаемого газа необходимо для предотвращения ‘ самовоспламенения- распыленного и смешанного с воздухом смазочного масла. При высоких давлениях сжатия и достигаемых высоких температурах мелкие частицы масла образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Это является^также одной из причин, по которой в одноступенчатом компрессоре конечное давление сжатого воздуха не может превышать 0,6—0,7 МПа или, другими словами, степень сжатия p 2 lpi не должна быть более 6—7.
В тех случаях, когда необходимо получить газ более высокого давления, применяют многоступенчатое сжатие. На рис. 34 представлена схема двухступенчатого компрессора. Газ засасывается в цилиндр первой ступени 4, сжимается до давления примерно 0,7 МПа и поступает в холодильник 7. Затем охлажденный газ подается во второй цилиндр 1 меньшего объема, где сжимается еще в семь раз. Давление газа на выходе из второй ступени достигает уже примерно 4,9 МПа. При необходимости создания еще более высоких давлений применяют три, четыре, пять ступеней, также с промежуточным охлаждением газа. Так, в производстве полиэтилена высокого давления, применяя многоступенчатое сжатие, давление доводят до 150 МПа.
Ротационный компрессор (рис. 35) состоит из корпуса 2, внутри которого эксцентрично расположен ротор 3 с выдвижными лопастями. При вращении ротора лопасти выходят из прорезей и скользят по внутренней поверхности корпуса, образуя между роторами и корпусом замкнутые камеры. В правой части корпуса в камерах создается разрежение, в результате которого через патрубок 5 в
них поступает газ. Благодаря эксцентричному расположению ротора при вращении его влево объем камер уменьшается, а давление газа в них увеличивается. Сжатый газ нагнетается в газопровод из левой части корпуса через патрубок /.
По сравнению с поршневыми компрессорами ротационные имеют меньшие размеры, присоединяются к двигателю без кривошип-но-шатунного механизма, но характеризуются быстрым износом пластин, сильным шумом при работе и более низким КПД.
Рнс. ’34. Двухступенчатый ^компрессор:
/ — цилиндр высокого давления, 2, 5 — всасывающие клапаиы, 3, 6 — нагнетательные клапаны, 4— цилиндр низкого давления, 7 — холодильник
Рис. 35. Ротационный компрессор:
/•—нагнетательный патрубок, 2 — корпус, 3—ротор, 4—пластины ротора, 5 — всасывающий патрубок
Центробежные компрессоры представляют собой многоступенчатые машины, в которых газ последовательно проходит через рабочие колеса, сообщающие ему кинетическую энергию, преобразуемую в давление в каналах корпуса., Такие • машины рассчитаны на большие производительности и большие давления. Они представляют собой сложные* автоматизированные агрегаты, требующие специального обслуживания. Подобные машины используют в производстве аммиака.
Вентиляторы. В зависимости от величины создаваемого напора вентиляторы подразделяют на три группы: низкого давления с напором до 100 мм вод. ст.; среднего давления с напором 100— 300 мм вод. ст.; высокого давления с напором 300—1200 мм вод. ст.
По принципу действия вентиляторы делятся на центробежные и осевые. Центробежные вентиляторы (рис. 36, а) относятся ко второй и третьей группам, т. е. их применяют для подачи газа при относительно больших напорах. В первой группе используются осевые вентиляторы, которые обеспечивают большие производительности при малых напорах.
Работа центробежного вентилятора аналогична работе центробежного насоса. Газ, поступающий в центральную часть рабочего колеса 3, отбрасывается к периферии, поступает в -спиралевидный канал корпуса и затем в нагнетательный трубопровод. Через вса-
сывающий патрубок 4 поступают новые количества газа, и вентилятор, таким образом, работает непрерывно.
Осевой вентилятор (рис. 36, б) представляет собой корпус 2, внутри которого помещено колесо 3 с наклонно расположенными к оси вращения лопастями (пропеллером). Газ, поступающий во входное отверстие, под воздействием лопаток вращающегося колеса перемещается в осевом направлении и выбрасывается через наг гнетательный патрубок 1.
Вентиляторы всех, типов находят широкое применение не только для перемещения газов в технологических процессах, «о и в са-нитарн.б-технических устройствах для вентилирования помещения, подачи чистого наружного воздуха, отсоса воздуха из производственных помещений и др.
Вакуум-насосы предназначены для создания разрежения. По конструкции различают поршневые, ротационные и струйные вакуумные насосы. В зависимости от величиныразрежения, которое необходимо создать, вакуумные насосы выполняют из одной или нескольких ступеней. Принципиально вакуум-насосы не отличаются от компрессорных машин соответствующих конструкций. Однако при малом значении абсолютного давления (сильного разрежения) объем вредного пространства в вакуум-насосах должен быть значительно меньше; чем в компрессорах.
Дата добавления: 2019-07-17 ; просмотров: 213 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Машины для перемещения и сжатия газов. Типы, конструкция, области применения
Для перемещения и сжатия газов используют вентиляторы, газодувки и компрессоры, которые классифицируют по принципу действия (поршневые, ротационные, струйные и т. д.), а также по принципу сжатия, т. е. в зависимости от отношения
где Р2 – давление на выходе; Р1 – давление на входе.
При ε = 3–1000 – компрессоры (при степени сжатия более 4 – турбокомпрессоры); при ε = 1,06–4,0 – газодувки; при ε =1–1,1 – вентиляторы. Для создания разрежения используются вакуум-насосы.
Вентиляторы
Вентиляторы применяют для перемещения газов при малом сопротивлении сети, например, для подачи воздуха в топки, сушилки, фильтры, циклоны и т. д., а также для подачи чистого воздуха в рабочие помещения и удаления запыленного и загрязненного воздуха. Основными техническими характеристиками вентиляторов являются:
– производительность Q, м 3 /ч;
– полный напор Н, Н/м 2 (давление нагнетания);
– частота вращения вала;
Вентиляторы стандартизированы и выпускаются сериями. Каждый вентилятор серии имеет номер (№ 4, № 12), который соответствует наружному диаметру рабочего колеса, выраженному в дециметрах. Так, вентилятор № 2 любой серии имеет диаметр, равный 200 мм.
По конструкции вентиляторы делятся на центробежные (радиальные), используемые для подачи газа при большом напоре (системы пневмотранспорта, в качестве ____. устройств), и осевые, когда объем газа большой, а напор мал (для проветривания помещений).
В центробежных вентиляторах движение газа перпендикулярно оси вращения рабочего колеса. По создаваемому давлению центробежные вентиляторы делятся на вентиляторы низкого (Р ≤ 3 кПа), среднего (Р = 3–15 кПа) и высокого (Р > 3 кПа) давления. Центробежные вентиляторы высокого давления называют одноступенчатыми газодувками.
Осевые вентиляторы обеспечивают продольное перемещение газа вдоль оси вращения. По сравнению с центробежными вентиляторами они имеют более высокий КПД вследствие обтекаемой формы лопаток. Осевые вентиляторы реверсивны, быстроходны и более компактны, чем центробежные.
Компрессоры – устройства для сжатия газа и воздуха до избыточного давления более 0,2 МПа. По принципу вытеснения газа компрессоры делятся на поршневые, центробежные и ротационные. Основными группами компрессоров, используемых в химической промышленности, являются поршневые и центробежные.
Поршневой компрессор – устройство, в котором сжатие газа происходит при уменьшении замкнутого объема. Они классифицируются:
– по числу ступеней сжатия: одно-, двух- и многоступенчатые;
– по способу охлаждения: с воздушным и водяным охлаждением;
– по расположению цилиндров: с горизонтальным, вертикальным, U-образным и др.;
– по составу сжимаемого газа: азотные, кислородные, аммиачные и др.;
– по величине конечного давления: низкого (до 1 МПа), среднего (1–8 МПа), высокого (8–100 МПа), сверхвысокого (свыше 100 МПа).
В горизонтальных компрессорах цилиндры могут располагаться по одну сторону вала привода (односторонние) или по обе стороны вала (оппозитные, т. е. поршни движутся в противоположных направлениях). Оппозитные компрессоры являются более прогрессивными, так как выше их быстроходность, ниже масса, они более компактны. Их конструкция подробно описана у Альперта.
Чтобы ответить на вопрос, для чего необходимо охлаждение, рассмотрим следующий пример.
При адиабатическом сжатии до 1 МПа газа, имеющего комнатную температуру, его температура возрастает до 300°С, что приводит к разложению компрессорного масла. Поэтому одноступенчатые компрессоры рассчитаны на давление, не превышающее 0,8 МПа, а для больших давлений используют многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением между ступенями. Степень сжатия ε в отдельной ступени составляет обычно 3–4.
Важной характеристикой поршневых компрессоров является объемный КПД: 
,
где V2 – объем цилиндра; V1 – объем газа, всасываемого поршнем.
Для увеличения объемного КПД стремятся уменьшить объем «мертвой» зоны.
Величина Q (м 3 /с) для одноцилиндровых компрессоров рассчитывается по формуле Q = η F s n,
где F – площадь сечения поршня, м 2 ; s – ход поршня, м; n – частота вращения,
для компрессора двойного действия – Q = η (2F – f) s n,
где F – площадь сечения поршня первой ступени, м 2 ; f – площадь штока, м 2 ,
для многоцилиндрового компрессора – Q = η F s n i,
где i – число цилиндров.
Мощность N (Вт), потребляемая электродвигателем, определяется по формуле N = βм N / η,
где βм – коэффициент запаса мощности, равный 1–1,2.
Центробежные компрессоры за последние десятилетия в связи с ростом единичных мощностей приобрели широкое распространение. Это объясняется целым рядом преимуществ по сравнению с поршневыми компрессорами, такими как:
– меньшие масса и габариты;
– меньшие эксплуатационные затраты.
Поэтому в химической промышленности центробежные компрессоры (особенно, унифицированные) вытесняют компрессоры поршневые.
Основным узлом центробежного компрессора являются вращающиеся лопатки. Обычно их используют для подачи больших объемов газа под давлением от 0,11 до 31,4 МПа.
Центробежные компрессоры, сжимающие газы до 0,3 МПа, называют турбовоздуходувками. Число ступеней в них составляет обычно 3–4.
Для создания более высоких давлений применяют турбокомпрессоры с числом ступеней до 16. В турбокомпрессорах при степени сжатия более 4 применяется промежуточное охлаждение газа. В многоступенчатых турбокомпрессорах колеса разделены на несколько секций, причем диаметр и ширина каждой последующей секции меньше, чем предыдущей.
