Компрессор. 1 История
 Скачать 7.99 Mb.
|
|
1 1.1. История. В наши дни, сжатый воздух и электричество являются наиболее распространенными в промышленности переносчиками энергии. Электричество и многие возможности для его применения знакомы большинству людей с самого раннего возраста. Однако, возможности использования, особенности и преимущества сжатого воздуха не всегда так очевидны. Понимание человечеством сжатого воздуха и связанных с его использованием возможностей росло в течение тысячелетий. И в наши дни, для использования сжатого воздуха открываются новые области. 1.1.1. Происхождение. Первый компрессор - легкие История многих технических устройств и процессов восходит к самым ранним эпохам развития человечества. Можно сказать, что одним из первых применений сжатого воздуха было раздувание огня, на котором древнейшие люди готовили пищу. Воздух, который для этого использовался, сжимался в легких человека - своего рода созданном природой компрессоре. Производительность этого «компрессора» впечатляет: легкие способны сжимать до 100 л/мин, или до 6 м³/ч, атмосферного воздуха. При этом, достигаемое при сжатии давление может составлять от 0,02 до 0,08 бар. Легкие здорового человека являются наиболее надежным компрессором из всех известных. Дальнейшее развитие Однако, производительность легких оказалось совершенно недостаточной, когда, более 5000 лет назад, люди начали выковывать изделия из самородных металлов, прежде всего, из золота, меди, олова и свинца. А тогда, когда они начали выплавлять железо из руды, дальнейшее развитие «компрессоров» стало неизбежным - ведь для того, чтобы создать в плавильной печи температуру свыше 1000°C, необходимую для выплавки металлов из руд, нужны более более мощные приспособления, чем созданные природой. Сначала, люди пытались использовать ветер, возникающий на высокогорных плато и холмах. Затем, египетские и шумерские кузнецы научились использовать воздуходувные трубы, которые доставляли воздух напрямую к углям, тем самым значительно увеличивая температуру в печи. Даже в наши дни, в кузнечных цехах по всему миру используются подобные устройства. Однако, они пригодны только для выплавки небольших количеств металла. Первый механический компрессор - кузнечные мехи Первый механический компрессор, которым были приводимые в действие вручную кузнечные мехи, был создан в середине 3-го тысячелетия до Н.Э. За ним, около 1500 г. до Н.Э., последовали значительно более мощные мехи с ножным приводом. Это развитие было неизбежным, так как к этому времени выплавка бронзы из меди и олова приняла характер стабильно существующих производств. Это было рождением тех технологий сжатия воздуха, которые существуют сейчас. 1.1.2. Первые применения сжатого воздуха. Гидравлический орган Первым известным нам целенаправленным использованием энергии сжатого воздуха является осуществленное древнегреческим физиком и изобретателем Ктесибием Александрийским (прибл. 285 - 222 гг. до Н.Э.) сооружение гидравлического органа (гидравлиса). Ктесибий использовал сжатый воздух для снижения вибрации. Помимо изобретения гидравлиса, водяных часов (самых точных в то время), и первого в мире вакуумного насоса, Ктесибий создал ряд научных работ, в том числе передовой для того времени труд «О пневматике», к сожалению, не сохранившийся, и считается «отцом» современной пневматики. Катапульта Ктесибий Александрийский использовал другое свойство сжатого воздуха, а именно способность сохранять энергию, при создании своей катапульты. С помощью сжатого воздуха, содержащегося в цилиндре, его катапульта была способна метать тяжелые копья на значительные расстояния. Рис. 1.1. Первый компрессор - легкие Рис. 1.2. Древнеегипетское настенное изображение кузнечных мехов Рис. 1.3. Катапульта Ктесибия Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 2 Храмовые двери Герон Александрийский, живший в I веке до н.э., изобрел способ автоматического открывания дверей. Огонь в алтаре, находившемся внутри храма, горел постоянно, а расширение воздуха при нагревании использовалось для вытеснения воды из одного сосуда в другой. Герон, может быть, и не вполне осознавая это, выяснил, что путем изменения состояния воздуха можно выполнять работу. Закон Паскаля В 17 веке, просвещенные люди того времени начали всерьез изучать физические явления, связанные с поведением сжатых сред, в том числе и сжатого воздуха. В 1663 году, Блез Паскаль опубликовал работу, основное положение которой теперь известно как закон Паскаля. Он выяснил, что давление на поверхность жидкости, произведённое внешними силами, передаётся жидкостью одинаково во всех направлениях. Транспортировка объектов по трубам Начав там, где остановился Герон, в 1667 году французский физик Дени Папен описал способ передачи объектов по трубам. Папен использовал небольшую разницу давлений в трубе и выяснил, что на объект, помещенный в трубу, воздействует сила. Это стало своего рода первым оформленным признанием высокой скорости, обеспечиваемой воздействием сжатого воздуха, и положило начало развитию пневмотранспортировки. Пневматические тормоза Известно, что уже в 1810 году в поездах использовались пневматические тормозные системы, а в 1869 году американский инженер и изобретатель Джордж Вестингауз представил свой знаменитый пневматический тормоз. Тормоз Вестингауза, который используется на железных дорогах и в наши дни, срабатывал при падении давления - в том числе, и в случае обрыва трубопровода, ведущего от компрессора, установленного на локомотиве, ко всем вагонам ж- д состава. Пневматическая почта В 1864 году, Лэтимер Кларк создал в Лондоне первую систему пневматической почты. В ней использовались небольшие вагонетки, перемещавшиеся полностью внутри трубопроводов, и переносившие посылки и бандероли. Вскоре, системы пневматической почты были созданы в Берлине, Нью Йорке и Париже. Пика своего развития они достигли к 1934 году, когда парижская сеть пневмопочты имела общую длину труб в 437 км. Даже сегодня, пневмопочта используется для быстрой пересылки на больших промышленных предприятиях. Пневматический инструмент Когда в 1857 году строился туннель через гору Мон-Сени во французских Альпах, новая технология была использована в пневматическом ударном бурильном станке, а с 1861 года в строительстве туннеля использовались и перкуссионные бурильные молоты. Сжатый воздух вырабатывался компрессорами, установленными на обеих сторонах туннеля, и передавался на значительные, даже по современным меркам, расстояния. К 1871 году, когда была произведена смычка туннеля, длина трубопроводов составляла более 7000 м. В первый раз, такое преимущество сжатого воздуха, как способность передавать энергию на большие расстояния, стало очевидным для широкой публики. Строительство туннеля через Мон-Сени можно считать началом широкого развития пневматического инструмента. Централизованное пр-во Опыт, приобретенный людьми в построении сетей сжатого воздуха, а также появление более мощных компрессоров, сделали возможным создание централизованной системы производства сжатого воздуха, размещенной в помещениях канализационной системы Парижа. Компрессорная Парижа была запущена в 1888 году с суммарной мощностью компрессоров 1500 кВт, а уже к 1891 году мощность была увеличена до 18000 кВт. Еще одной вехой в развитии компрессорных технологий стало создание часов, минутная стрелка которых перемещалась не плавно, а каждые 60 секунд, по импульсу сжатого воздуха от удаленной компрессорной станции. Теперь людям стало очевидно, что сжатый воздух может не только переносить энергию, но и переносить сигналы, причем быстро и на значительные расстояния. Уникальная центральная компрессорная станция Парижа существует до сих и продолжает использоваться. 1.2. Единицы измерения. Единицы СИ (SI, Système International d'Unités, Международная система единиц) были приняты на 14-ой Международной конференции по мерам и весам. Они рекомендованы к всеобщему применению с 16 октября 1971 г. В США, иногда, в некоторой степени, в Великобритании, а также в некоторых других странах, наряду с единицами СИ используется т.н. английская, или «эвердьюпойс» система единиц, примерами которой служат такие единицы измерения, как фунт (около 0,45 кг), фут (около 0,3 м) и другие. Широко используются и некоторые внесистемные единицы, такие как, например, градус Цельсия и градус Фаренгейта (x°F = (y°C*9/5)+32. Рис. 1.4. Двери храма Рис. 1.8. Туннель Мон-Сени Рис. 1.9. Центральная компрессорная Парижа в 1888 году Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 3 1.2.1. Основные единицы измерения. Независимо друг от друга определяемыми, и формирующими основу системы СИ единицами измерения являются: Понятие Символ для формул Обозначение единицы Название единицы Длина l м Метр Масса m кг Килограмм Время t c Секунда Сила тока I А Ампер Температура T K Кельвин Сила света l кд Кандела Кол-во вещества n моль Моль 1.2.2. Специфические единицы измерения. Единицы измерения, используемые для инженерных целей вообще, и в области задач, связанных с применением сжатого воздуха в частности, происходят от основных единиц измерения. В таблице ниже показаны наиболее часто используемые в нашей области единицы измерения. Понятие Символ для формул Обозначение единицы Название единицы Сила F Н Ньютон Давление p Па бар Паскаль Бар (=100000 Па) Площадь A м² Квадратный метр Объем V м³ л Кубический метр Литр (=0,001 м³) Скорость v м/c Метр в секунду Масса m кг Килограмм Плотность ρ kg/m³ Килограмм на кубический метр Температура T °C Градус Цельсия Работа W Дж Джоуль Мощность P Вт Ватт Напряжение U В Вольт Частота f Гц Герц 1.3.1. Состав воздуха. Атмосферный воздух состоит из: - азота (78%) - кислорода (21%) - других газов (1%): диоксида углерода, аргона и др. 1.3.3. Как ведет себя сжатый воздух? Рис. 1.11. Состав воздуха Рис. 1.13. Воздух в Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 4 Как и все газы, воздух состоит из молекул. Молекулы связаны вместе молекулярными силами. Если поместить воздух в закрытый сосуд (постоянство объема), молекулы ударяются о стенки сосуда и создают давление p. Чем выше температура, тем больше движутся молекулы, и тем выше создаваемое давление. То есть: Объем (V) - постоянен Если температура (T) увеличивается - то Давление (p) растет Во второй половине 17 века Бойль и Мариотт, независимо друг от друга, экспериментировали с замкнутыми сосудами с воздухом, и установили следующую зависимость: При постоянной температуре, объем газа обратно пропорционален давлению, или pV=const - ныне известную под названием закона Бойля-Мариотта. 1.4. Основные физические свойства сжатого воздуха. Состояние сжатого воздуха зависмт от трех параметров: T - температура V - объем p - давление что означает: Постоянный объем (изохорный процесс) → переменные давление и температура. Когда температура увеличивается, а объем остается постоянным, давление увеличивается. Постоянная температура (изотермический процесс) → переменные давление и объем. Когда объем уменьшается, а температура остается постоянной, давление увеличивается. Постоянное давление (изобарный процесс) → переменные объем и температура. Когда температура увеличивается, а давление остается постоянным, объем увеличивается. 1.4.1. Температура. В Европе, температура обычно указывается в градусах Цельсия, переводимых в кельвины по следующей формуле: 1.4.2. Объем. Объем V [л, м³] Объем воздуха можно определить, например, исходя из внутренних размеров содержащей его цилиндрической емкости. Измеряется объем в литрах или кубических метрах, и, в соответствии со стандартом ISO 2787, измерения производятся при абсолютном давлении 1 бар и температуре +20 °C. В документации компаний BOGE и ZANDER, как, впрочем, и большинства других европейских производителей, имеются в виду именно такие кубометры и литры. замкнутом пространстве Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 5 , где V - объем [м³]; d - диаметр [м]; h - высота [м] Нормальный объем V норм [Нл, Нм³] Понятие нормального объема относится к нормальному физическому состоянию воздуха, как оно описано в стандарте DIN 1343. В этом случае имеется в виду воздух при абсолютном давлении 1,01325 бар (= 101 325 кПа) и температуре 0 °C (= 273,15 К). Нормальный Нм³ на 8% меньше, чем м³ при температуре 20 °C. Рабочий объем V раб [Bл, Bм³] Рабочий объем - это фактически занимаемый сжатым воздухом объем. При расчете этого объема всегда нужно принимать во внимание температуру, влажность и давление. Когда упоминается это понятие, обязательно должно оговаривать давление. Например, когда говорят о рабочем объеме 1 Bм³ при избыточном давлении 7 бар, имеют в виду, что 1 м³ атмосферного воздуха был сжат до давления 7 бар изб. (= 8 бар абс.) и занимает теперь только 1/8 часть начального объема. 1.4.3. Давление. Атмосферное давление p атм [бар] Атмосферное давление является следствием веса воздуха. Оно зависит от высоты и на уровне моря составляет 1013 мбар = 1,01325 бар = 760 мм ртутного столба = 101325 Па Разумеется, под уровнем моря следует понимать уровень мирового океана, без учета колебаний, вызываемых приливами и отливами, а никоим образом не уровень Мертвого моря на Ближнем Востоке или других внутренних водоемов, будь они пресными или солеными. Чем выше точка измерения, тем меньше атмосферное давление. Избыточное давление p изб [бар изб.] Избыточное давление p изб - это давление над атмосферным. В области компрессорных технологий, обычно указывается именно избыточное давление. Уточняющий индекс «изб» часто опускается. В атмосфере на уровне моря, избыточное давление составляет 0 бар изб. Абсолютное давление p абс [бар абс.] Абсолютное давление p абс - это сумма атмосферного давления p атм и избыточного давления p изб . В полном вакууме, абсолютное давление равно 0 бар абс. В атмосфере на уровне море, абсолютное давление составляет 1 бар абс. В соответствии с СИ, давление надлежит указывать в паскалях (Па). Однако, в странах ЕС, для целей, не связанных с научными исследованиями, значительно более широко практикуется указание давления в барах. Устаревшая единица измерения атмосфера (1 атм = 0,981 бар изб.) практически не используется европейскими производителями компрессорной техники. Норм. объем @ 0°C + 8% = Объем @ 20°C При абс. давлении 1 бар и 8 бар Рис. 1.16. Различные давления Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 6 Для перевода давлений из одной единицы измерения в другугю Вы можете воспользоваться онлайн- конвертером единиц измерения 1.4.4. Объемный расход. Объемный расход означает объем, обрабатываемый в единицу времени. К области компрессорных технологий, это понятие часто называют производительностью (если речь идет о компрессоре) или пропускной способностью (в случае различного вспомогательного оборудования). На этой странице рассматривается только случай с компрессорами. Необходимо различать рабочий объемный расход (на стороне всасывания компрессора) и выходной объемный расход. Разумеется, для пользователей оборудования значительно большее практическое значение имеет последний. Рабочий объемный расход V´ раб [л/мин, м³/мин, м³/ч и т.д.] Объем воздуха, всасываемый компрессором, называется рабочим объемным расходом, или производительностью по всасыванию. Для поршневых компрессоров, эта величина исчисляется исходя из размеров цилиндра и их количества, длины хода поршня, и скорости работы компрессора (числа ходов поршня в единицу времени, или, что то же самое, скорости вращения коленвала поршневой группы). , где V´ раб - рабочий объемный расход (производительность по всасыванию) [л/мин]; A - площадь цилиндра [дм²]; s - ход поршня [дм]; n - число ходов поршня [1/мин]; с - количество цилиндров Объемный расход на выходе V´ [л/мин, м³/мин, м³/ч и т.д.] Расход на выходе компрессора является, для пользователя, значительно более важной величиной. В противоположность производительности по всасыванию, выходной расход не считают, а измеряют с помощью соответствующих приборов и, затем, пересчитывают в воздух по условиям всасывания. При этом, учитывается давление сжатия, температура и влажность. Производительность указывается в соответствии со стандартами VDMA 4362, DIN 1945, ISO 1217 или PN2 CPTC2, обычно в л/мин, м³/мин или м³/ч. Следует всегда обращать внимание именно на эффективную производительность по выходу, т.е. на тот объемный расход, который может быть фактически использован. Эффективная производительность компрессора сильно зависит от удачности его конструкции. Для поршневых компрессоров - это прежде всего объем т.н. «мертвых зон» цилиндра в сочетании со скоростью вращения коленвала и ходом поршня, для винтовых роль играет значительно большее количество факторов. Нормальный расход Как и в случае с объемом, некоторые производители применяют практику указания расхода (будь то по всасыванию или выдаче) в нормальных единицах по стандарту DIN 1343 - например, Нм³/мин или Нл/мин. Как уже говорилось в главе 1.4.2. «Объем» , следует помнить, что м³/мин = Нм³ * 1,08 - т.е., нормальный Нм³/мин на 8% «меньше», чем м³/мин. В документации компании BOGE всегда имеются в виду м³/мин, приведенные к давлению 1 бар абс. и температуре +20 °C. 1.5. Сжатый воздух в движении. К движущемуся сжатому воздуху не применимы те же законы, которые относятся к нему неподвижном состоянии. Рис. 1.17. Объемный расход |