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 = β_м N / η,

где β_м – 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.

IV. Перемещение и сжатие газов

(компрессорные машины)2

1. Общие сведения

2. Поршневые компрессоры

3. Ротационные компрессоры и газодувки

4. Центробежные машины

5. Осевые вентиляторы и компрессоры

6. Винтовые компрессоры

8. Сравнение и области применения компрессорных машин

IV. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ И СЖАТИЕ ГАЗОВ

(КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ)

Общие сведения

На предприятиях химической промышленности подвергаются пере­работке значительные количества газов и их смесей. Проведение многих химических процессов в газовой фазе при давлении, отличном от атмо­сферного, часто приводит к увеличению их скорости и уменьшению необ­ходимого объема реакционной аппаратуры. Сжатие газов используют для перемещения их по трубопроводам и аппаратам, создания вакуума. Сжатые газы применяют для перемешивания, распыления жидкостей и т.п. Интервал давлений, применяемых в химических производствах, колеблется в широких пределах — от 10 -3 до 10 8 н/м 2 (10 -8 —10 3 am).

Машины, предназначенные для перемещения и сжатия газов, назы­вают компрессорными машинами.

Отношение конечного давления р₂, создаваемого компрессорной ма­шиной, к начальному давлению p₁, при котором происходит всасывание газа, называется степенью сжатия.

В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрес­сорных машин:

1) вентиляторы ( 3.0) — для создания высоких давлений;

4) вакуум-насосы — для отсасывания газов при давлении ниже атмосферного.

По принципу действия компрессорные машины делятся на поршневые, ротационные, центробежные и осевые.

В поршневых машинах сжатие газа происходит в результате уменьшения объема, в котором заключен газ, при возвратно-поступатель­ном движении поршня.

Сжатие газа в ротационных машинах обусловлено умень­шением объема, в котором заключен газ, при вращении эксцентрично расположенного ротора.

В центробежных машинах энергия передается потоку газа силовым воздействием лопаток рабочего колеса, в результате чего про­исходит сжатие и повышение кинетической энергии риза. Эта энергия преобразуется в давление в неподвижных элементах машины.

В осевых машинах газ сжимается при движении его вдоль оси рабочего колеса и направляющего аппарата.

В качестве вакуум-насосов могут быть использованы любые компрес­сорные машины. Основное отличие вакуум-насосов от компрессорных машин других типов состоит в том, что всасывание в них производится при давлении значительно ниже атмосферного, а нагнетание — при давлении, несколько превышающее атмосферное.

В химической промышленности применяют также струйные ком­прессоры и вакуум-насосы, по устройству подобные струйным насосам для перемещения жидкостей. В струйных компрессорах и вакуум-насосах отсасывание и сжатие газов осуществляется за счет кинетической энергии струи вспомогательной жидкости или пара.

Вентиляторы и газодувки большой производительности, создающие разрежение, называются эксгаустерами. Для получения более глубокого вакуума применяют поршневые и ротационные вакуум-насосы, не отличающиеся по принципу действия от компрессоров.

Дата добавления: 2016-02-16 ; просмотров: 3804 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И СЖАТИЯ ГАЗОВ

Большинство химических процессов связано с переработкой больших объемов газов, при которой возникает необходимость продувки газов через аппараты, создания давления или разряжения газа в аппаратах. Эти задачи выполняются специальными машинами, которые в зависимости от величины создаваемого давления подразделяют на:

1) в е н т и л я т о р ы, предназначенные для отсасывания или нагнетания газов под давлением, не превышающим 0,11 МН/ м 2 ;

2) в о з д у о д у в к и и г а з о д у в к и, служащие для нагнетания воздуха и газов под давлением от 0,11 до 0,45 МН/ м 2 ;

3) к о м п р е с с о р ы, предназначенные для сжатия газов и воздуха до давления выше 0,4 МН/ м 2 ;

4) в а к у у м — н а с о с ы, служащие для отсасывания газов, находящихся под вакуумом, и сжатия их до атмосферного давления.

Вентиляторыиспользуют для вентиляции зданий, создания тяги и дутья в печах, топках, сушилках, циклонах, фильтрах и в системах пневмотранспорта. Они создают малые напоры, поэтому могут быть использованы только для преодоления сопротивления трубопроводов, газовых топок, печей и сушилок.

Основная часть вентилятора — рабочее колесо с лопатками, крепится на вращающемся валу. Рабочее колесо вентилятора имеет тот же принцип действия, что и крыльчатка центробежного насоса: вращающиеся лопатки рабочего колеса сообщают газу ускорение в радиальном или осевом направлении и создают на выходе из колес избыточное давление. Если газ движется в рабочем колесе в радиальном направлении, то вентилятор называется радиальным или центробежным (рис. 10.1), а если в осевом, то осевым (рис. 10.2). В радиальном вентиляторе газ поступает по оси рабочего колеса через всасывающий патрубок, захватывается лопатками и выбрасывается из корпуса через нагнетательный патрубок, ось которого перпендикулярна оси рабочего колеса. Радиальные вентиляторы в зависимости от величины создаваемого ими полного давления могут быть: а) низкого давления (до 981 Н/м 2 ); б) среднего давления (свыше 981 до 2940 Н/м 2 ); в) высокого давления (свыше 2940 до 11770 Н/м 2 ). Вентиляторы выпускаются комплектно с электродвигателями. Схемы конструктивных исполнений вентиляторов приведены на рис. 10.3.

Рис.10.1. Центробежный вентилятор

Рис.10.2. Осевой вентилятор ЦАГИ

Рис.10.3. Схемы конструктивных исполнений вентиляторов

Восевом вентиляторе(рис.10.2)рабочее колесо выполнено по типу воздушного пропеллера. Корпус осевого вентилятора выполнен в виде короткого цилиндра, внутри которого вращается пропеллер (лопастное колесо). Пропеллер состоит из полых лопаток и ступицы, насаживаемый на вал. Лопатки крепятся на ступице стяжными стержнями, вокруг которых лопатки могут поворачиваться на угол 10 — 30 о . Изменяя угол наклона лопастей, можно увеличивать или уменьшать производительность осевого вентилятора. Производительность вентиляторов промышленных типов составляет от 1 000 до 1 000 000 м 3 /ч.

Вентиляторы стандартизованы и разбиты на геометрически подобные группы в серии. Чем выше номер вентилятора в данной серии, тем больше диаметр его рабочего колеса и производительность.

Назначение, принцип действия и классификация компрессорных машин

Лекция 10

ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ ГАЗОВ

Классификация машин для транспорта газа.

Термодинамические основы процесса сжатия газа.

Теоретические процессы сжатия газов. Изотермический, адиабатический, политропический процесс.

КПД компрессоров.

Охлаждение газов в процессе сжатия.

Классификация машин для транспорта газа

Назначение, принцип действия и классификация компрессорных машин

Гидравлические машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называются компрессорными машинами.

Большое число технологических процессов химических, газо- и нефтеперерабатывающих производств осуществляется с участием всевозможных газов, сжатых до значительных давлений. В качестве примеров можно назвать абсорбционные и адсорбционные процессы переработки природного газа, процессы органического синтеза в производстве синтетического спирта, аммиака, каучука, полимеров.

Применение компрессоров в промышленности идет в различных направлениях:

· Сжатый газ является аккумулятором энергии, которая может расходоваться для привода в движение различных машин и механизмов (в пневматических молотах, для привода пневматического инструмента и исполнительных механизмов, (пневматические тормоза, приборы и др.). В этих случаях компрессор обеспечивает получение энергоносителя (рабочего тела).

· Компрессорные машины используются для перемещения газа по трубопроводам.

· В технологических производствах, связанных с процессами, протекающими в газовых средах, компрессоры должны создавать необходимое давление в системах и развивать подачу определенного количества газа, являющегося сырьем.

· Компрессоры, служащие для отсасывания и нагнетания паров хладагентов — холодильные компрессоры.

Помимо использования сжатого газа как агента технологических процессов он может являться аккумулятором энергии, которая может расходоваться для привода в движение различных машин и механизмов. Так, во взрывоопасных цехах химических и нефтехимических производств, сжатый воздух используется для привода в движение грузоподъемных средств (кранов, тельферов) и пневмоинструмента (пневмозубило, пневмошлифовальная машина и т.п.), а также для работы приборов системы контроля и автоматизации производственных процессов.

Компрессорные машины классифицируют следующим образом:

1. По принципу действия:

В лопастных компрессорных машинах механическая энергия двигателя преобразуется в механическую энергию газа путем непрерывного силового воздействия лопастей рабочего колеса на газ в проточной камере, имеющей постоянное сообщение с входным и выходным патрубками. В эту группу компрессорных машин входят центробежные и осевые компрессоры и вентиляторы.

В объемных компрессорных машинах преобразование механической энергии двигателя в механическую энергию газа происходит путем периодического сжатия газа в камере, попеременно сообщающейся с входным и выходным патрубками. В эту группу компрессорных машин входят поршневые и ротационные компрессоры.

2. В зависимости от давления нагнетания:

· низкого давленияизбыточное давление до 0,1ат.(вентиляторы)

· среднего давления избыточное давление от 0,1 до 0,3 ат (газодувки)

· высокого давления избыточное давление от 3 ат. и выше

3. По способу установки компрессоры:

4. По характеристике сжимаемого газа:

· воздушные компрессорные (воздушные вентиляторы, воздуходувки, воздушные компрессоры)

· компрессорные машины (газовые вентиляторы, газодувки, газовые компрессора которые предназначены для сжатия всех остальных газов, кроме кислорода)

Компрессоры, предназначенные для сжатия кислорода, а также сжатия воздуха с целью получения кислорода называются кислородными.

Кислородные компрессора выделяют в отдельную группу не, потому что процессы компримирования воздуха и кислорода имеют различия. Это вызвано необходимостью применять специальные материалы для некоторых узлов и специальную смазку рабочих органов.

Особую группу представляют компрессорные машины, предназначенные для всасывания газов из систем с целью создания разрежения. Подобные компрессора называются вакуум-насосами.

5. По расположению рабочих органов (штоков, поршней, валов рабочих колес и др.):

В настоящее время применяются угловые поршневые компрессоры, которые имеют вертикальные и горизонтальные цилиндры, а также компрессоры со встречным движением поршней (оппозитные).

Компрессорные машины различаются по составу перекачиваемого газа, поскольку агрессивные и взрывоопасные газы требуют специальных материалов для изготовления некоторых узлов и специальных смазочных материалов.

6. По принципу действия:

Поршневые компрессоры, принцип действия которых основан на сжатии в замкнутом пространстве при уменьшении его объема. Изменение объема происходит вследствие возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре.

Рис. 10.1. Схема поршневого компрессора

Центробежные компрессоры, в которых давление газа создается за счет центробежных сил, возникающих во вращающемся газовом потоке, особенностью центробежных компрессоров являются осевые компрес-машины, принцип действия которых основан на сообщении частицам скорости, т. е. на повышении кинетической энергии потока.

Рис. 10.2 Схема центробежного компрессора

Ротационные компрессоры, являющиеся разновидностью поршневых компрессоров. В ротационных компрессорах сжатие газа происходит в отсеках, образующемся зазоре между корпусом (статором) компрессора и вращающимся который расположен эксцентрично по отношению к статору.

Рис. 10.3. Схема ротационного компрессора

2. Термодинамические основы процесса сжатия газа

Как известно из термодинамики, внутренняя энергия идеального газа U и его энтальпия i являются функцией лишь температуры:

, [кал/кг]

, [кал/кг]

Следовательно, внутренняя энергии газа и его энтальпия при одной и той же температуре, но различных давлениях одинаковы. Работоспособность газа при большем давлении выше, чем при меньшем. Но если газ расширяясь от большего давления к меньшему, произведет работу, температура его снизится и энтальпия упадет точно на величину отданной работы. Наоборот если произвести изотермическое сжатие газа – вся израсходованная энергия будет отведена в виде тепла охлаждающей воды, теплоотдачи наружу.

Т.о. работа Н_е расходуемая компрессором для сжатия V м 3 газа от начального давления р₁ до конечного р₂ равна

(10.1)

т.к. откуда , следовательно , подставляя это выражение в уравнение первого начала термодинамики (приращение внутренней энергии газа равно сумме сообщенного газу тепла и механической работе сжатия) после интегрирования с учетом работы сжатия получим уравнение (10.1).

Т.о. уравнение первого начала термодинамики можно представить в виде:

Для движущегося газа сообщенное тепло q_c равно сумме внешнего тепла (-q) и тепла всех гидравлических потерь ΔН:

Учитывая этот факт, окончательно получаем:

(10.2)

Уравнение 10.2 в явном виде не содержит членов, учитывающих кинетическую энергию, но оно справедливо при любом соотношении скоростей в начале и конце сжатия.

Уравнение первого начала термодинамики в форме 10.2 удобно при анализе процесса сжатия в Т-S диаграмме, где S – энтропия газа (из термодинамики – энтропия представляет собой некоторую функцию состояния тела, которая увеличивается при подводе к нему тепла, причем это увеличение тем меньше, чем выше температура тела.)

Приращение энтропии при подводе тепла составляет при обратимом процессе

, [дж/кг град] (10.3)

На Т-S диаграмме нанесены линии, соответствующие постоянной температуре (изотермы) изображаются горизонтальными кривыми, и линии, соответствующие постоянному давлению (изобары).

Линия АКВ является пограничной кривой. Область, лежащая ниже этой кривой, соответствует влажному пару, ветвь АК — жидкости при температуре насыщения, ветвь КВ— сухому насыщенному пару. Точка К является критической точкой. Слева от ветви АК находится область жидкости, справа от ветви КВ — область перегретого пара. Так как испарение и конденсация жидкости протекают при постоянных температурах и давлениях, то в области влажного пара изобары совпадают с изотермами. Конденсация смеси влажных паров протекает при переменной температуре, поэтому в таких случаях изобары в области влажного пара не совпадают с изотермами.

Кроме того, на T-S-диаграмме (рис. 10.4) нанесены линии постоянной энтальпии (i = const). Энтальпия идеальных газов зависит только от температуры, и для таких газов линии i = сonst совпадают с изотермами. Энтальпия реальных газов зависит также от давления и для них линии i = сonst не совпадают с изотермами.

Рис. 10.4 Диаграмма Т-S процесса сжатия газа.

Процессы сжатия газа в компрессоре изображаются на диаграмме Т—S следующим образом.

При адиабатическом сжатии q = 0, следовательно по формуле (10.3) ΔS = 0, т. е. процесс идет без изменения энтропии (S = соnst). Поэтому процесс изображается вертикальной линией 1—2, причем точка 1 характеризует состояние газа до сжатия и лежит на пересечении изобары p₁ и изотермы Т₁; точка 2 отвечает состоянию газа после сжатия и лежит на изобаре, соответствующей давлению р₂.

При изотермическом сжатии процесс протекает при Т = const и изображается горизонтальной линией 1—2′, причем точка 2′, характеризующая состояние газа после сжатия, лежит на изобаре р₂.Количество отводимого тепла q, согласно формуле (10.3), составляет TΔS и на рис. 10.4 выражается площадью заштрихованного прямоугольника а—1—2′—b, высота которого равна Т₁, а основание — изменению энтропии ΔS. В данном процессе энтропия уменьшается, т.е. величина ΔS отрицательна. Поэтому количество тепла будет также отрицательным, т.е. процесс сопровождается, как указывалось выше, отводом тепла. Та же площадь а—1—2′—b выражает работу изотермического сжатия в тепловых единицах, а площадь а—2—2’—b на рис. 10.4 равна работе адиабатического сжатия.