Виды компрессоров. Компрессоры. Компрессоры. Виды, характеристики
 Скачать 6.5 Mb.
|
|
Компрессоры. Виды, характеристики 1. Поршневые компрессоры Схемы поршневых компрессоров 2. Спиральные компрессоры 3. Роторные компрессоры 4. Компрессоры динамического действия 4.1. Центробежные компрессоры 4.2. Нагнетатели природного газа 4.3. Осевые компрессоры Компрессорами называют газодувные машины для перемещения воздуха и газа. Они потребляют энергию от привода (например, электродвигателя) и сообщают ее рабочему веществу – воздуху или другому газу. Компрессоры предназначены для сжатия и перемещения газа или пара. По принципу действия компрессоры делятся на два класса: Компрессоры объемного действия. Рабочие органы этого класса засасывают определенный объем рабочего вещества, сжимают его благодаря уменьшению замкнутого объема и затем перемещают (нагнетают) в камеру нагнетания. Это машины дискретного действия, рабочие процессы в которых совершаются строго последовательно, повторяясь циклически. Объемные компрессоры условно можно также назвать машинами статического действия, поскольку перемещение рабочего вещества в процессе сжатия в них совершается сравнительно медленно. Компрессоры динамического действия. В данных машинах рабочее вещество непрерывно перемещается («течет») через проточную часть компрессора, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную. Плотность в потоке рабочего вещества постепенно повышается от входа в машину к выходу. Это машины непрерывного действия. По конструктивному признаку основных рабочих деталей компрессоры делятся на следующие типы: поршневые, винтовые, пластинчатые ротационные, ротационные с катящимся поршнем и многие другие, основанные на объемном принципе действия; лопаточные компрессорные машины, к которым относятся радиальные (центробежные), осевые и вихревые, основанные на динамическом принципе действия. 1. Поршневые компрессоры Поршневой компрессор – объемная машина, у которой всасывание, сжатие и вытеснение газа производятся поршнем, перемещающимся в цилиндре. На рис. 1 представлена схема поршневого компрессора простого действия. В цилиндре 1 расположен поршень 2, который под действием кривошипного механизма совершает возвратно-поступательное движение. На крышке 12 цилиндра расположены всасывающий 7 и нагнетательный 10 клапаны, которые составляют механизм распределения, регулирующий поступление газа в цилиндр и подачу его из цилиндра в нагнетательный трубопровод. При движении поршня вниз давление между цилиндром и поршнем становится меньше, чем давление во всасывающем патрубке, открывается всасывающий клапан и газ попадает в цилиндр. При достижении поршнем крайнего нижнего положения давление в цилиндре и всасывающем трубопроводе практически выравнивается. Клапан под действием пружины прижимается к седлу и перекрывает отверстие, соединяющее полость цилиндра с всасывающим трубопроводом. В течение периода всасывания отверстие нагнетательного клапана закрыто.  Рис. 1. Схема вертикального одноступенчатого компрессора простого действия: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – водяная рубашка для охлаждения цилиндра; 4 – шатун; 5 – кривошип коленчатого вала; 6 – станина-картер; 7 – всасывающий клапан; 8 – всасывающий патрубок; 9 – нагнетательный патрубок; 10 – нагнетательный клапан; 11 – водяная рубашка для охлаждения крышки цилиндра При движении поршня вверх происходит сжатие газа, находящегося в цилиндре. Когда давление газа в цилиндре превысит давление газа в нагнетательном трубопроводе, нагнетательный клапан открывается и газ «выталкивается» из цилиндра. При достижении поршнем крайнего верхнего положения процесс «выталкивания» заканчивается и нагнетательный клапан закрывается. Далее процесс всасывания и нагнетания повторяется. Процессы всасывания и нагнетания совершаются за один оборот коленчатого вала, составляют полный цикл работы компрессора. Недостатком рассмотренного компрессора является то, что полезная работа совершается только при движении поршня в одном направлении. Более экономичной и производительной является конструкция компрессоров двойного действия (рис. 2). При движении поршня вправо в левой части цилиндра создается разряжение. Газ через левый всасывающий клапан 15 поступает в цилиндр. В правой части цилиндра происходит сжатие газа, вошедшего в рабочее пространство в предыдущем цикле, и выталкивание его через правый нагнетательный клапан 4 в нагнетательный трубопровод. При движении поршня влево всасывание осуществляется через правый всасывающий клапан, а выталкивание сжатого газа – через левый нагнетательный клапан. В данном случае обе стороны являются рабочими.  Рис. 2. Схема горизонтального одноступенчатого компрессора двойного действия: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – нагнетательный патрубок; 4 – нагнетательный клапан; 5 – задняя крышка цилиндра; 6 – сальник; 7 – шток; 8 – ползун; 9 – шатун; 10 – кривошип коленчатого вала; 11 – коленчатый вал; 12 – станина; 13, 17 и 18 – рубашки для охлаждения задней и передней крышек цилиндра; 14 – всасывающий патрубок; 15 – всасывающие клапаны; 16 – передняя крышка цилиндра Компрессоры простого и двойного действия могут иметь один или несколько цилиндров. Компрессор, который имеет несколько цилиндров, работающих параллельно и выталкивающих сжатый газ в один и тот же нагнетательный коллектор, называется многоцилиндровым одноступенчатым компрессором. Если в компрессоре несколько цилиндров работают последовательно, т.е. сжатый воздух из одного цилиндра поступает для дальнейшего сжатия в следующий, то такой компрессор называется многоступенчатым. Если же в каждой рабочей полости компрессора давление повышается (от давления во всасывающей полости до давления в нагнетательном трубопроводе), то независимо от числа цилиндров и рабочих полостей такой компрессор является одноступенчатым. Схемы поршневых компрессоров Выбор схемы компрессоров зависит от назначения компрессора, условий эксплуатации, производительности (подачи), рабочего давления, числа ступеней и распределения давления между ними. От схемы компрессора в значительной степени зависят размеры, масса и динамическая уравновешенность машины. Схемы компрессоров характеризуются следующими параметрами: числом ступеней, кратностью подачи, расположением цилиндров, конструкций механизма движения (рис. 13). По характеру расположения осей цилиндров компрессоры подразделяются на три основные группы: вертикальные, горизонтальные и угловые. В вертикальных компрессорах смазочный материал, поступающий в цилиндр, равномерно распределяется по рабочей поверхности, а попадающие вместе с ним или газом твердые частицы оседают не на цилиндрической, а на торцевой поверхности поршня, которая не соприкасается с внутренней поверхностью цилиндра. Поэтому вертикальные компрессоры меньше изнашиваются и имеют лучшую герметичность уплотнений. Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс в вертикальных компрессорах на фундамент действуют вертикально, что повышает устойчивость компрессоров и позволяет использовать фундаменты меньшей массы. Отмеченные преимущества позволяют выполнять вертикальные компрессоры более быстроходными.  Рис. 13. Схема поршневых компрессоров: а – одноцилиндровый двойного действия; б – двухступенчатый дифференциальный; в – двухцилиндровый трехступенчатый; г – двухцилиндровый одноступенчатый; д – трехцилиндровый двухступенчатый V-образный; е – двухцилиндровый двухступенчатый угловой; ж – двухцилиндровый двухступенчатый оппозитный; з – однорядный двухцилиндровый двухступенчатый; ———- — движение газа при прямом ходе поршня; — — — — — — движение газа при обратном ходе поршня; I-III – номера ступеней Горизонтальные компрессоры лишены преимуществ вертикальных машин. Однако они более просты в обслуживании. Наиболее совершенными с точки зрения динамической устойчивости являются угловые компрессоры. Эти компрессоры выполняют высокооборотными, их фундаменты имеют большую массу. Перечисленные особенности поршневых компрессоров предопределяют области их применения. Вертикальная схема наиболее целесообразна для высокооборотных компрессоров с малым числом ступеней. Горизонтальная схема используется в основном для относительно тихоходных стационарных компрессоров большой подачи. Угловая схема обычно применяется для передвижных компрессорных установок. По числу рядов цилиндров компрессоры подразделяют на однорядные и многорядные. Число рядов цилиндров в компрессоре обусловлено расположением осей цилиндров, а число ступеней – подачей и рабочим давлением компрессора. Основное преимущество однорядных компрессоров заключается в их простой конструкции. Многоступенчатые горизонтальные компрессоры обычно выполняют по однорядной или двухрядной схеме, а компрессоры, имеющие более пяти ступеней, — по двухрядной схеме. К наиболее прогрессивным схемам относятся горизонтальные компрессоры с оппозитным (взаимно противоположным) расположением цилиндров относительно вала в двух или более рядах (рис. 14).  Рис. 14. Схемы баз компрессоров: а и б – оппозитных W-образных с движением поршней соответственно взаимно противоположным и однонаправленным; в – оппозитного Н-образного Совокупность узлов кривошипно-шатунного механизма поршневого компрессора называют его базой. Оппозитное исполнение баз характеризуется расположением шатунов и ползунов по обе стороны коленчатого вала. В комплект узлов, повторяющихся в ряде компрессоров, входят станина с коренными подшипниками и направляющими ползуна, коленчатый вал, шатуны, ползуны, узлы смазочной системы кривошипно-шатунного механизма. На рис. 15 приведена схема компрессора для подачи реакционной смеси в колонну синтеза аммиака. Подача компрессора 1800 м3/ч, конечное давление 32 МПа. Компрессор имеет шесть ступеней сжатия. Диаметр цилиндров первой ступени 1000 мм.  Рис. 15. Схема многоцилиндрового компрессора Важной характеристикой технического уровня промышленных компрессоров является максимальное давление. В промышленности эксплуатируются компрессоры сверхвысокого давления до 45 МПа подачей до 4000 кг/ч. Обычно компрессоры сверхвысокого давления имеют гидравлический привод. В ряде технологических процессов соприкосновение сжимаемого газа с маслом смазочной системы недопустимо. В этих случаях смазочное масло используют в смазочной системе механизма движения. Цилиндры выполнены с лабиринтным уплотнением или с уплотнением из самосмазывающих материалов. На рис. 16 представлен вертикальный трехступенчатый компрессор без смазывания цилиндров. Большую группу компрессоров различных типов составляют машины с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это и небольшие передвижные воздушные компрессоры и крупные компрессорные установки, используемые на магистральных газопроводах.  Рис. 16. Вертикальный трехступенчатый компрессор без смазывания цилиндров: 1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – клапан; 4 – фонарь; 5 – шток; 6 – ползун; 7 – палец; 8 – шатун; 9 – коленчатый вал; 10 – противовес На рис. 17 представлен компрессор с ДВС с V-образным расположением гидроцилиндров.  Рис. 17. Горизонтальный компрессор с V-образно расположенными цилиндрами:1 – коленчатый вал; 2 – станина; 3 – шток; 4 – цилиндр; 5 – клапан; 6 – ползун 2. Спиральные компрессоры Спиральные компрессоры (СПК) относятся к одновальным машинам объемного принципа действия (рис. 18). Идея такой машины известна более ста лет, но реализовать ее и довести до промышленного производства и широкого применения удалось только в 80-е гг. ХХ в. Причина – не было достаточно точного оборудования для изготовления такой формы деталей, как спирали. В настоящее время СПК используют в основном в бытовых и транспортных кондиционерах, тепловых насосах, холодильных машинах малой и средней холодопроизводительности до 50 кВт. Спиральные компрессоры выполняются маслозаполненными, с впрыском капельной жидкости (например, холодильного агента), сухого сжатия. По исполнению – герметичные, бессальниковые и сальниковые, с горизонтальным и вертикальным расположением вала.  Рис. 18. Схема спирального компрессора: 1 – неподвижная спираль; 2 – вращающаяся спираль; 3 – центральное выходное отверстие; 4 – верхняя крышка; 5 – входное отверстие; 6 – электродвигатель; 7 – выпускное отверстие В спиральном компрессоре пары хладагента поступают через входное отверстие 5 (см. рис. 18) в цилиндрической части корпуса, охлаждают электродвигатель 6, затем сжимаются между спиралями 1 и 2 и выходят через выпускное отверстие 7 в верхней части корпуса компрессора. Рабочий орган компрессора образуют две спирали: подвижная (ПСП) 2 и неподвижная (НСП) 1. Неподвижность спирали НСП обеспечивается креплением ее на неподвижной платформе. Платформа приблизительно в центре имеет сквозное нагнетающее отверстие 3 для выхода сжатого газа. Оно расположено рядом с носиком неподвижной спирали. Стальные спирали 1 и 2 вставлены одна в другую, с эксцентриситетом имеют особый профиль (эвольвента), позволяющий перекатываться без проскальзывания. Подвижная спираль компрессора установлена на эксцентрике и перекатывается по внутренней поверхности неподвижной спирали (рис. 19 и 20). Реклама  Рис. 19. Поперечное сечение неподвижной (НПС) и подвижной (ПСН) спиралей в рабочем положении: — толщина спирали  Рис. 20. Взаимное положение спиралей (через 90О) при перемещении ПСП по орбите: а — φ = 0 О; б — φ = 90 О; в — φ = 180 О; г — φ = 270 О При работе компрессора между стенками спиралей образуются полости, в том числе и замкнутые серповидные ячейки. При перемещении подвижной спирали по замкнутой орбите (без поворота вокруг своей оси) образованные спиралями серповидные ячейки перемещаются по направлению к центру спиралей, уменьшаясь в объеме. На периферии спиралей в определенном положении ПСП образуется открытая полость, которая при дальнейшем перемещении подвижной спирали перекрывается и осуществляется прогонка локализованного объема газа к центру спиралей с уменьшением его объема. Пары хладагента сжимаются и выталкиваются в центральное отверстие 3 в крышке компрессора. На рис. 20, а видно, что внешние элементы спиралей сомкнуты, далее при повороте ПСП четко прослеживается раскрытие и образование внешней ячейки, которая в позиции г имеет максимальный объем и при возврате в положение а закроется, образовав ячейки 1 и 1′. По позициям а, б и в четко прослеживается процесс уменьшения объема ячейки, сообщающейся с нагнетающим отверстием, это и есть цикл нагнетания. Основные достоинства спиральных компрессоров: высокая энергетическая эффективность (их эффективный КПД составляет 80-86%); высокая надежность и долговечность, определяемая долговечностью подшипников; хорошая уравновешенность, незначительное во времени изменение крутящего момента на валу; малые скорости движения газа в машине; все это в совокупности с наличием противовеса ПСП обеспечивает низкий уровень вибрации и шума спирального компрессора; высокая быстроходность (число оборотов вала компрессора изменяется в пределах 1000-1300 об/мин); отсутствие мертвого объема, малая доля внутренних перетечек, и, как следствие, высокий коэффициент подачи (0,8-0,95); всасываемый компрессором газ не соприкасается с нагретыми элементами конструкции компрессора, вследствие чего не уменьшается масса всасываемого газа; процессы всасывания и особенно нагнетания газа растянуты по углу поворота вала и поэтому даже при большой частоте вращения его скорости движения перемещаемого хладагента невелики, что определяет низкие внутренние гидродинамические потери; отсутствие клапанов на всасывании и часто на нагнетании; может работать на любом газе (хладагенте), в том числе и с впрыском жидкой фазы перемещаемого газа; малое число деталей, отсутствие быстро изнашиваемых деталей. К недостаткам спиральных компрессоров следует отнести следующее: для изготовления спиралей и некоторых других элементов компрессора требуются совершенные технологии и высокоточные станки для обработки металлов; на подвижную спираль действует сложная система осевых, тангенциальных и центробежных сил, требующих реализации сложных мероприятий по их уравновешиванию. |