Список тематических статей

Компрессорные машины (компрессоры)

Применяют главным образом для перемещения и сжатия газов, а также их сжижения, охлаждения и другого. Перемещение газа осуществляется под действием разности давлений на двух участках потока в замкнутых каналах (трубопроводах, газоходах и так далее) или без них. В последнем случае перемещение газов называется вентиляцией.

Необходимая разность давлений определяется требуемой скоростью газового потока и допускаемым гидравлическим сопротивлением системы, возникающим при движении газа по трубопроводу. Перепад давлений, обеспечивающий перемещение газов, достигается с помощью их сжатия, или компримирования. Конечное давление при сжатии зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой.

Согласно теории, газ может сжиматься изотермически или адиабатически. При изотермическом сжатии вся расходуемая энергия превращается в теплоту, которая полностью отводится в окружающую среду. При адиабатическом сжатии теплообмен с ней отсутствует и вся выделяющаяся теплота затрачивается на возрастание внутренней энергии газа и повышение его температуры.

Действительный процесс сжатия – политропический и рассматривается как совокупность последовательных изменений равновесных состояний газа. При этом изменяется его температура и часть теплоты отводится в окружающую среду.

Реальный процесс компримирования приближенно описывается уравнением политропы:

pVn=const,

где р, V – соответственно давление газа и его удельный объем, n – параметр (показатель политропы), определяемый свойствами, количеством газа и его теплообменом с окружающей средой, а также работой сил трения.

Показатель n обычно переменен, поэтому такой процесс принято заменять условным, который эквивалентен действительному с n=const.

Работа L, затрачиваемая на повышение давления газа массой 1 кг в компрессорах любого типа, равна сумме работ сжатия (L_cж) и перемещения газа:

L=L_cж+L_выт+L_вх,

где L_выт и L_вх – работы, совершаемые соответственно после сжатия при вытеснении газа из рабочих полостей машины и при входе газа в них. 

Теоретически наиболее выгодно изотермическое сжатие, поскольку при этом затраты энергии компрессора на уменьшение удельного объема и перемещение газа минимальны. Однако полное изотермическое сжатие практически неосуществимо и для приближения к нему сжимаемый газ в ряде случаев охлаждают, понижая температуру стенок рабочих полостей машины. В зависимости от величины повышения давления (отношение р₂/р₁, устаревшее – степень сжатия) компрессионные машины подразделяют на вентиляторы, газодувки и компрессоры.

Вентиляторы (p₂/p₁<1,1) применяют в системах промышленной вентиляции, тягодутьевых, пневмотранспортных и других установках.

В соответствии с величиной р₂ различают машины низкого (до 1 кПа), среднего (1-3 кПа) и высокого (до 15 кПа) давления. Вентиляторы могут быть одно- и многоступенчатые, одно- и двустороннего всасывания, горизонтальные и вертикальные (по положению оси рабочего органа – колеса в виде барабана либо пропеллера с профилирующими лопатками).

По направлению потока газа в колесе вентиляторы бывают радиальные, осевые, диаметральные и диагональные. В радиальных, или центробежных, машинах газ через направляющий аппарат всасывается вдоль оси вращения колеса в каналы между его лопатками. При вращении колеса под действием центробежной силы газ перемещается по спиральному корпусу и удаляется по направлению радиуса в выпускное отверстие, создавая на выходе избыточное давление. В осевых вентиляторах газ проходит вдоль оси, не изменяя направления; в диаметральных машинах газ пересекает колесо по диаметру; в диагональных (прямоточных) вентиляторах газ с лопаток поступает по диагонали в кольцевой кожух, из которого выходит в осевом направлении.

Наиболее распространены радиальные и осевые вентиляторы. Последние проще в изготовлении, менее металлоемки, чем центробежные машины, однако развивают меньшее давление. Их целесообразно применять в коротких газопроводящих системах для подачи больших объемов газа при малом напоре. В разветвленных сетях (например, промышленной вентиляции) обычно используют центробежные машины. Основные показатели (давление, производительность, мощность, кпд) работы вентиляторов, как и других компрессоров, находят путем расчета вентиляционных либо иных систем и по специальным графикам.

Нормальная эксплуатация вентиляторов определяется условиями их работы. Например, при значительных колебаниях расхода и давления воздуха затруднительно обеспечить устойчивое функционирование вентиляционной сети с помощью одной машины, поэтому соединяют параллельно либо последовательно несколько вентиляторов. В случае необходимости существенно увеличить при постоянном давлении производительность машин применяют их параллельное соединение, для значительного повышения давления при той же производительности – последовательное.

Газодувки, или нагнетатели (1,1<р₂/р₁< 3,5), создают давление от 0,015 до 0,115 МПа и используются для пневмотранспорта, при рециркуляции горячих газов в сушилках и топочных газов в печах, для предварит, сжатия воздуха или его смеси с топливом (так называемый наддув) перед подачей в двигатели внутреннего сгорания и другие. К газодувкам относятся также вакуум-насосы и эксгаустеры. Последние характеризуются большой производительностью и применяются для отсасывания газов, например пыльного воздуха, из производственных помещений; газ всасывается при пониженном давлении, сжимается до давления, равного атмосферному либо превышающего его, и выбрасывается в атмосферу.

Компрессоры (p₂/p₁>3,5) применяют для перемещения по трубопроводам сжимаемых при охлаждении газов, перемешивания и распыливания жидкостей, увеличения степени превращения исходных веществ и тому подобных. Эти машины подразделяют на вакуумные (начальное давление ниже атмосферного,то есть p₁<0,115 МПа), низкого (р₂=0,115^-1 МПа), среднего (1-10 МПа), высокого (10-100 МПа) и сверхвысокого (свыше 100 МПа) давления.

Компрессоры бывают одно- и многоступенчатые, одно- и многосекционные (секция-единичная ступень либо группа ступеней, после которой газ отводится в холодильник или направляется потребителю). Прочностная характеристика ступени либо секции, конструктивные особенности предохранительных и других клапанов и применяемые материалы определяются рабочим давлением, размеры ступени (например, диаметр рабочего органа – цилиндра, колеса и тому подобных) – производительностью Q, или объемом газа, перемещаемого машиной в единицу времени.

Компрессорная установка кроме собственно компрессора с приводом включает межступенчатую и концевую теплообменную аппаратуру, влагомаслоотделители, трубопроводы, а также контрольно-измерительные приборы, средства защиты (вибрационной, акустической и так далее) и автоматики.

По принципу сжатия различают объемные и динамические компрессоры. В первом случае компримирование происходит вследствие периодического уменьшения объема, занимаемого газом, во втором – в результате непрерывного ускорения потока газа с преобразованием подводимой к нему внешней энергии последовательно в кинегическую энергию потока и в потенциальную (давление).

Объемные компрессоры по виду рабочего органа делятся на поршневые, мембранные и роторные (ротационные). В поршневых компрессорах газ сжимается в замкнутом пространстве (цилиндре) поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Выпускают одно- и многоцилиндровые машины, причем в зависимости от расположения цилиндров различают горизонтальные, вертикальные и угловые компрессоры.

Горизонтальные машины, в которых цилиндры размещены по одну сторону коленчатого вала, называются односторонними, по обе стороны-оппозитными. Последние отличаются большей частотой вращения вала (что позволяет повышать производительность), меньшими массой и габаритными размерами, чем односторонйие машины. Вертикальные компрессоры по сравнению с горизонтальными занимают меньшую площадь, а фундамент, воспринимающий вертикальные нагрузки, имеет меньшую массу.

Угловые компрессоры в зависимости от расположения цилиндров по отношению к оси вала могут быть V- и W-образные, а также прямоугольные; эти машины получили значительноье распространение благодаря ряду преимуществ перед горизонтальными и вертикальными компрессорами: лучше уравновешены (поэтому требуется менее массивный фундамент), компактны и имеют меньшую массу.

Поршневые компрессоры применяют для сжатия (р₂=3-300 МПа) газов низкой плотности при Q=10-300 м³/мин; недостатки: загрязнение газов маслами, используемыми для смазки цилиндров, большие габаритные размеры, необходимость установки на массивных и дорогостоящих фундаментах, неравномерность подачи газа.

В мембранных компрессорах, которые по типам (горизонтальные, угловые и тому подобные) не отличаются от поршневых, газ компримируется в результате уменьшения объема камеры сжатия при колебаниях мембраны, вызываемых возвратно-поступательным движением гидропривода. При прогибе мембраны происходит всасывание и нагнетание газа, который интенсивно охлаждается вследствие развитой поверхности мембраны и иногда – посредством змеевика с холодной водой, что обеспечивает высокое отношение р₂/р₁ в одной ступени. Так, в трехступенчатом компрессоре создается давление 100 МПа. При перемещении мембраны достигаются герметизация рабочей полости машины и возможность получать на выходе газ высокой чистоты. Поэтому такие компрессоры используют для сжатия обычно до 10-50 МПа, например, кислорода, хлора и фтора при Q = 1-50 м³/мин.

В роторных компрессорах уменьшение объема газа осуществляется одним или несколькими вращающимися роторами. По конструкции рабочих полостей эти машины подразделяются на пластинчатые, жидкостнокольцевые, винтовые и др. Пластинчатые компрессоры состоят из корпуса, внутри которого на горизонтальном валу вращается эксцентрично расположенный ротор с продольными пазами и вставленными в них свободно скользящими пластинами. При вращении ротора пластины под воздействием центробежной силы выталкиваются из пазов и разделяют пространство между корпусом и ротором на ряд камер. Объем последних при вращении ротора непрерывно уменьшается по направлению от всасывающего патрубка к нагнетательному, через который вытесняется газ, сжатый в камерах. В компрессорах с жидкостным кольцом внутри цилиндрического корпуса вращается эксцентрично размещенный ротор, снабженный жестко закрепленными лопатками. Корпус машины примерно наполовину заполняется жидкостью, которая при движении ротора отбрасывается лопатками к стенкам корпуса, образуя на его внутренней поверхности вращающееся кольцо. В результате между ним и лопатками образуются камеры разного объема, который непрерывно уменьшается, вследствие чего газ, засасываемый через отверстие в крышке корпуса, сжимается и выталкивается в нагнетатательный патрубок. Рабочей жидкостью, как правило, служит вода (такие машины называют водокольцевыми), реже масло, ртуть, серная или другие кислоты.

Несмотря на то что эти компрессоры имеют более низкий кпд, чем пластинчатые, они нашли широкое применение благодаря простоте устройства, малому износу, надежности действия и возможности компримирования запыленных газов.

В винтовых компрессорах рабочие камеры образуются корпусом и двумя винтообразными роторами, связанными между собой парой цилиндрических шестерен и имеющими зубья различного профиля. При вращении ведущего ротора его зубья входят в зацепление с зубьями на ведомом роторе и вытесняют находящийся в камерах сжатый газ, перемещая его в продольном направлении.

Различают машины сухого сжатия (газ охлаждают с помощью водяных рубашек, расположенных в корпусе) и маслозаполненные (для охлаждения газа в рабочие полости винтов впрыскивают масло).

Достоинства винтовых компрессоров: быстроходность, компактность, чистота подаваемого газа; недостатки: сложность изготовления винтообразных роторов, высокий уровень шума при работе. Типичные показатели роторных машин: Q = 1-100 м³/мин, р₂=0,3-1 МПа.

Динамические компрессоры по принципу действия подразделяются на турбинные (турбокомпрессоры) и струйные. В турбокомпрессорах поток газа ускоряется в результате контакта его с лопатками вращающегося рабочего колеса. Наиболее распространены радиальные и осевые машины.

Радиальные турбокомпрессоры, в которых газ движется от центра колеса к периферии, называются центробежными, в обратном направлении – центростремительными.

Центробежные машины, в которых давление создается под действием центробежных сил, возникающих во вращающемся газовом потоке, могут быть с горизонтальным (развивают избыточное давление до 7 МПа) или с вертикальным (до 35 МПа) разъемом корпуса и имеют производительность до 600 м³/мин и выше. Для обеспечения производительности 1500 м³/мин и более наряду с центробежными применяют осевые компрессоры.

Основными частями такой машины служат ротор и корпус-статор, снабженные лопатками. При вращении ротора газ перемещается вдоль оси машины, причем кинетическая энергия потока превращается в энергию давления одновременно на лопатках ротора и статора; кроме того, статорные лопатки образуют своеобразное направляющее устройство, по каналам которого сжатый газовый поток через специальный спрямляющий аппарат и выходной патрубок поступает в напорный трубопровод.

Осевые компрессоры имеют более высокий КПД, меньшие массу и габаритные размеры, чем машины с радиальным потоком. Основные достоинства турбокомпрессоров: большой срок службы и высокая надежность работы; сжатие газов без загрязнения смазочными материалами; непрерывность подачи газа; малая металлоемкость; достаточно высокий КПД; возможность использования легких фундаментов вследствие небольшой вибрации. Благодаря этим достоинствам, а также высокой производительности турбокомпрессоры находят в последнее время все большее применение в крупнотоннажных производствах, например, аммиака, метанола, азотной кислоты.

В струйных компрессорах (инжекторах) ускорение газа происходит в результате смешения потоков разных удельных энергий. При этом газ низкого давления сжимается до промежуточного за счет кинетической энергии газа, подаваемого под высоким давлением. Вследствие компактности, простоты устройства и надежности эксплуатации струйные машины часто экономически целесообразно использовать, несмотря на невысокий КПД (обычно 0,2-0,25), например, в качестве тепловых насосов в выпарных установках.

Тип компрессора выбирается в соответствии с производительностью и требуемым давлением. В химической промышленности часто комбинируют различные машины, например последовательно устанавливают центробежные и поршневые компрессоры. Сравнение характеристик работы машин разных типов примерно одинаковой производительности показывает, что поршневые компрессоры значительно более экономичны, чем остальные машины, но уступают им по металлоемкости и надежности. Два наиболее важных типа компрессоров – поршневые и турбокомпрессоры – скорее не конкурируют, а дополняют друг друга, причем в каждом конкретном случае оптимально применение того или иного типа машин в зависимости от сочетания условий функционирования (показателя политропы, плотности, влажности, агрессивности и степени загрязнения газов, стоимости машин и так далее). Однако турбокомпрессоры предпочтительнее использовать при Q=900 м³/мин и выше. Роторные компрессоры занимают промежуточное положение между поршневыми и центробежными. При Q=60-90 м³/мин сжатый газ, не загрязненный маслом, получают с помощью роторных, в частности винтовых, машин. При Q = 12-60 м³/мин целесообразно применять поршневые компрессоры, потребляющие меньшую удельную мощность, чем роторные.

Особую группу компрессорных машин составляют компрессоры холодильных установок, или холодильные компрессоры. Последние предназначены для сжатия паров холодильных агентов (хладонов, аммиака, пропана, этана, этилена, метана и так далее) до давления конденсации и для их циркуляции. Основные типы этих компрессоров: поршневые, роторные (винтовые) и центробежные. Конструктивно они не отличаются от рассмотренных выше, однако их конфигурация, масса, габаритные размеры и прочностные характеристики определяются свойствами холодильных агентов.

Гладкова Наталья