ЛекцПРиА-2. Лекции по дисциплине "Процессы и аппараты биотехнологии ii"
![]()
|
4.3. ТИПЫ, ИНДИКАТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ И ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВПо количеству всасываний и нагнетаний за один двойной ход поршня поршневые компрессоры делятся на машины простого и двойного действия. За один двойной ход компрессор простого действия совершает одно всасывание и одно нагнетание. Машина двойного действия производит два всасывания и нагнетания. Часть компрессорной машины, где газ сжимается до конечного или промежуточного давления (с последующей передачей на дальнейшее сжатие), называется ступенью сжатия. По числу ступеней поршневые компрессоры подразделяют на одноступенчатые и многоступенчатые, которые могут быть горизонтального или вертикального исполнения. В одноступенчатом компрессоре газ сжимается до конечного давления одним поршнем или несколькими, работающими параллельно. В случае применения нескольких поршней компрессор называется многоцилиндровым. Одноступенчатый горизонтальный компрессор простого действия (рис. 4.3) состоит из цилиндра 1, в котором передвигается поршень 2, снабженный уплотнительными кольцами.
Цилиндр закрыт с одной стороны крышкой, в которой расположен всасывающий клапан 3 и нагнетательный клапан 4. Поршень соединен с шатуном 5 и кривошипом 6, на валу которого закреплен маховик 7. При ходе поршня вправо между ним и крышкой создается разрежение, открывающее клапан 3 и закрывающее клапан 4, что вызывает всасывание газа. На обратном ходе газ сжимается. Увеличение его давления между крышкой и поршнем вызывает закрытие клапана 3 и открывание клапана 4, что ведет к подаче газа на линии нагнетания. Затем весь цикл повторяется снова. В одноступенчатом компрессоре двойного действия (рис 4.4) газ в цилиндре 1, при движении поршня 2 вправо вызывает нагнетание в левой части за счет открытия клапана 3 и нагнетание в правой части за счет сжатия газа и открытия клапана 4.
На обратном ходе нагнетание происходит в левой части (открыт клапан 4) и всасывание в правой от поршня части через открытый клапан 3. Таким образом, за один двойной ход поршня происходит два раза всасывание и два раза нагнетание. Такие компрессоры двойного действия обладают почти в два раза большей производительностью, чем компрессоры простого действия при одинаковых габаритах и массе. Увеличение производительности достигается также многоцилиндровых компрессорах простого и двойного действия. Двухцилиндровый компрессор простого действия состоит из двух одноцилиндровых компрессоров простого действия с приводами от одного вала, но с кривошипами сдвинутыми на угол 180о или 90о друг относительно друга. Для отвода тепла, выделяющегося при сжатии газов, стенки цилиндров, а иногда и крышки, снабжают рубашками, через которые пропускают охлаждающую воду. При этом тепло полностью не отводится, но энергозатраты на сжатие газа существенно уменьшаются. Вертикальные одноступенчатые компрессоры имеют ряд преимуществ перед горизонтальными: 1) они более быстроходны ( ![]() 2) занимают меньшую производственную площадь; 3) у поршней и цилиндров значительно меньший износ. При горизонтальном расположении цилиндра, особенно большого диаметра, происходит неравномерное его изнашивание под действием силы тяжести, что вынуждает уменьшать скорость движения поршня. Для уменьшения неравномерности подачи и снижения ударов газа, его после сжатия направляют в сборник (ресивер), где газ дополнительно очищается от масла и влаги. Ресивер имеет тот же принцип действия, что и воздушный колпак у насоса. Как и для насосов, контроль за работой поршневых компрессоров проводят с помощью индикаторных диаграмм, представляемых в виде зависимости между давлением р и объемом V газа, всасываемого и нагнетаемого компрессором за один двойной ход поршня или за один оборот коленчатого вала (рис 4.5). Точка D соответствует крайнему левому положению поршня, который никогда не подходит вплотную к крышке. Пространство между крайним левым положением и крышкой называется мертвым пространством, которое выражают в долях от объема цилиндра ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
Движения поршня вправо вызывает расширение газа с уменьшением давления по линии DA до точки А, в которой давление ![]() ![]() ![]() Всасывание проходит при постоянном давлении ![]() ![]() ![]() ![]() Политропическое сжатие газа идет по линии ВС до давления немного большего, чем ![]() Площадь индикаторной диаграммы – это полезная работа компрессора при сжатии газа за один оборот вала, отнесенная к единице площади поршня. Соответствующая этой работе индикаторная мощность компрессора определяется по уравнению:
где F – площадь поперечного сечения поршня; n – число двойных ходов поршня или оборотов вала; ![]() ![]() Умножим и разделим правую часть выражения (4.26) на длину хода поршня S, тогда:
где ![]() ![]() Среднее индикаторное давление можно представить как высоту h прямоугольника, имеющего такую же площадь как индикаторная диаграмма и построенного на стороне ![]() ![]() Одной из основных характеристик поршневых компрессоров является производительность, которая определяется объемом V газа, подаваемого в единицу времени в нагнетательный трубопровод и приведенным к условиям всасывания. Теоретическая производительность ![]()
где ![]() Для многоцилиндровых компрессоров производительность находят путем умножения результата расчета по выражению (4.28) на число цилиндров i. Производительность многоступенчатых компрессоров определяется производительностью первой ступени. В данном случае ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
Для современных компрессоров ![]() ![]() Из определения объемный коэффициент компрессора:
Обозначим через ![]() ![]() ![]() ![]()
откуда:
Процесс расширения газа в мертвом пространстве можно считать политропным с показателем политропы расширения ![]() ![]() ![]()
где ![]() ![]() ![]() Из последнего равенства находим:
А подставив этот результат в выражение (4.32), найдем:
Видно, что ![]() ![]()
В действительности предельная степень сжатия еще меньше, поскольку компрессоры со значениями ![]()
Еще одним ограничением для степени сжатия является температура газа (не более 150-160 ![]()
Практически степень сжатия при охлаждении цилиндра не превышает 5-8, а в среднем составляет 3-4. Для получения очень высоких давления газов применяют многоступенчатое сжатие. В многоступенчатых компрессорах газ проходит несколько ступеней, постепенно сжимаясь до конечного давления. Между ступенями газ охлаждают в промежуточных холодильниках. Объемы цилиндров постепенно уменьшаются от первой к последней ступени. Различают многоступенчатые компрессоры со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах (рис. 4.6, а) и со ступенями сжатия в одном цилиндре с дифференциальным поршнем (рис. 4.6, б). Компрессоры со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах бывают однорядными (рис. 4.6, а) и двухрядными, с расположением цилиндров по одну сторону вала и по разные стороны с противоположным движением поршней, что снижает неуравновешенность сил инерции и позволяет снижать вес и уменьшать габариты машин. Кроме того, в оппозитных компрессорах можно увеличить в 2-2,5 раза скорость вращения вала, а значит и производительность. Компрессоры с дифференциальным поршнем могут иметь несколько ступеней сжатия, в простейшем случае 2 (рис. 4.6, б). Соотношение между сечениями поршня зависит от степени сжатия в каждой ступени. Обычно такие машины применяют при средней и малой производительности, т.к. в крупных компрессорах возможно заклинивание поршней, особенно при числе ступеней сжатия больше 2. V-образная установка цилиндров (рис. 4.6, в) позволяет значительно уменьшить площадь, занимаемую компрессорной машиной, и обеспечить непосредственное соединение ее с электродвигателем. Степень сжатия в каждой ступени компрессора выбирают такой, чтобы наиболее эффективно использовать объем цилиндров, увеличить объемный коэффициент компрессора и снизить расход энергии на сжатие, а также температуру газа в конце сжатия.
Теоретически работа сжатия становится минимальной, когда степени сжатия τ во всех ступенях равны, т.е.:
где z – число ступеней сжатия; ![]() ![]() На практике вследствие потерь давления между ступенями (в клапанах, холодильниках и т.д.) степень сжатия в каждой степени должна быть больше теоретической. Ее рассчитывают по формуле:
где ![]() Из этого выражения можно определить количество необходимых ступеней сжатия:
Для того чтобы температура сжатия в конце газа не превышала допустимого предела, степень сжатия в каждой ступени τ должна составлять 2,5-3,5. Индикаторная диаграмма и T-S-диаграмма трехступенчатого сжатия при одинаковых степенях сжатия на ступенях имеют вид, представленный на рис. 4.7.
При построении диаграмм принято, что газ охлаждается в промежуточных холодильниках до температуры исходного газа ![]() Сжатие газа в первой ступени происходит по линии ВС от давления ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Из диаграмм видно, что процессы многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением ближе к изотермическому, т.е. требует меньше энергозатрат, чем при многоступенчатом политропическом сжатии. Площадь под ломаной линией BCEFGHK на T-S-диаграмме соответствует работе многоступенчатого сжатия, а заштрихованная область является выигрышем в работе этого процесса по сравнению с одноступенчатым сжатием. Чем больше ступеней сжатия, тем ближе процесс к изотермическому и, соответственно. Больше выигрыш в работе по сравнению с одноступенчатым сжатием. Однако, практически число ступеней приходится ограничивать 5-6 из экономических соображений, связанных со стоимостью машины и ее эксплуатацией. Если степени сжатия в ступенях одинаковы и газ в промежуточных холодильниках охлаждается до исходной температуры, то работы сжатия всех ступеней равны. Теоретическая работа многоступенчатого адиабатического сжатия 1 кг газа в этом случае составляет:
Предельная температура в конце сжатия:
Теоретический объемный коэффициент машины:
Эти же величины ![]() ![]() ![]() 4.4. КОНСТРУКЦИИ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИНПоршневые и центробежные вентиляторы, газодувки и компрессоры различаются только создаваемым избыточным давлением (или степенью сжатия). Конструкции указанных поршневых машин обсуждались ранее, и они ничем не отличаются от поршневых насосов. Центробежные компрессорные машины делятся на вентиляторы, турбогазодувки и турбокомпрессоры. Они так же мало отличаются по конструкции от центробежных насосов и подробно представлены в соответствующей литературе [1, 3-6]. Следует только отметить, что центробежные вентиляторы условно делятся на вентиляторы низкого давления (меньше ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
где ![]() ![]() Турбогазодувки работают без охлаждения, создавая избыточное давление от ![]() ![]()
где ![]() ![]() Турбокомпресоры создают давление до ( ![]()
Величина ![]() Мощность на валу ![]()
Из роторных компрессорных машин повышенного давления известны газодувки, пластинчатые, водокольцевые и винтовые компрессоры. Винтовые компрессоры рассчитаны на давления ( ![]() ![]() Пластинчатые компрессоры с двухступенчатым сжатием способны создавать давление нагнетания до ( ![]() Производительность пластинчатого компрессора, приведенная к условиям всасывания, составляет:
где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Значение ε принимают таким, чтобы обеспечить соотношение ε/D=0,06-0,07. Коэффициент подачи рассчитывается по уравнению
где k = 0.05 для крупных машин с производительностью более 0,5 ![]() ![]() Мощность на валу ротационного компрессора определяют по формуле (4.48). Водокольцевые компрессоры создают небольшие избыточные давления, поэтому близки к газодувкам (рис. 4.8.) В корпусе 1 эксцентрично вращается ротор 2 с лопатками плоской формы. Перед пуском компрессор заполняется наполовину водой, которая при вращении ротора отбрасывается на периферию. Между лопатками ротора и водяным кольцом создаются ячейки заполняемые газом, которые увеличиваются за первую половину оборота ротора и уменьшаются за вторую половину. Газ засасывается через отверстие 3 в увеличивающиеся ячейки, а затем в них сжимается и выталкивается через отверстие 4. Жидкостное кольцо является причиной сжатия газа, то есть выполняет роль поршня. Поэтому эти компрессоры называют также компрессорами с жидкостным поршнем.
Схема роторной газодувки представлена на рис. 4.9. В корпусе 1 вращается на отдельных валах барабаны или поршни 2, один из которых имеет привод от электродвигателя. В результате создаются полости всасывания 3 и нагнетания 4 с соответствующими патрубками. Сжимаясь у стенок корпуса, газ под давлением выталкивается в нагнетательный патрубок 4, из которого поступает в нагнетательный трубопровод. Из осевых конструкций находят применение вентиляторы и компрессоры, которые имеют такую же конструкцию, как и осевые насосы (1.3-6.0). Осевые вентиляторы изготавливают без направляющего аппарата. Из-за незначительных потерь на трение они имеют более высокий к.п.д., чем у центробежных вентиляторов. Однако, в основном относятся к вентиляторам низкого давления. Их изготавливают чаще одноступенчатыми, но известны и двухступенчатые вентиляторы.
Одноступенчатые осевые компрессоры обеспечивают степень сжатия 3,5-4,0 и всегда дополняются направляющим аппаратом. Чаще осевые компрессоры делают многоступенчатыми (до 10-20 ступеней) и они отличаются большим шумом при работе. Вакуум – насосы составляют особую группу компрессорных маши, поскольку создают разрежение. Однако по конструкции вакуум-насосы не отличаются от соответствующих типов других машин (вентиляторов, газодувок, компрессоров). Если вакуум-насос отсасывает воздух до остаточного давления 0,5 атм. (разрешение 95%) и сжимает его до 1,1 атм на выходе из насоса, то степень сжатия составляет
В то время как одноступенчатые компрессоры обеспечивают степень сжатия не более 8. При столь степенях сжатия объемный коэффициент и производительность вакуум-насоса резко снижаются. Для более полного использования рабочего объема насоса стремятся свести к минимуму объем мертвого пространства. Для этой цели используют прием выравнивания давлений, повышая коэффициент подачи ![]() Наибольшее распространение получили поршневые вакуум-насосы, которые делятся на сухие и мокрые. Сухие вакуум-насосы применяют для откачки только газов, а мокрые для откачки парожидкостных смесей. Сухие вакуум-насосы по конструкции не отличаются от поршневых компрессоров, но снабжены золотниковым устройством, с помощью которого линия всасывания с давлением ![]() ![]() Теплопроводность разреженного газа мала, поэтому теплообмен со стенками цилиндра практически отсутствует и процесс сжатия в сухих вакуум-насосах можно считать адиабатическим. Из выражения (4.10) следует, что работа этого процесса ![]() ![]() ![]() ![]()
Взяв вторую производную, убедимся, что она имеет отрицательное значение, т. к. входящие в нее величины k, ![]() ![]()
Следовательно, функция ![]() ![]()
Отсюда следует,что при ![]() ![]() Значит двигатели для сухих поршневых вакуум-насосов надо подбирать с учетом производительности по величине максимальной работы сжатия, соответствующей остаточному давлению ![]() ![]() Мокрые вакуум-насосы не имеют золотникового механизма. Их всасывающие и нагнетательные клапаны увеличены в связи с отводом вместе с газом жидкости, скорость движения которой существенно ниже. Поэтому мокрые вакуум-насосы имеют увеличенный объем мертвого пространства и создают значительно меньшие разрежения, чем сухие насосы. В мокрых вакуум-насосах изменение состояния газа является изотермическим за счет интенсивного теплообмена газа с жидкостью обладающей значительной теплоемкостью. Работа сжатия для мокрого вакуум-насоса может быть рассчитана по формуле
где ![]() ![]() ![]() ![]() Мощность на валу Ne мокрого вакуум-насоса складывается из мощности, затрачиваемой на откачивание жидкости, и мощности изотермического сжатия:
где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Ротационные (пластинчатые и водокольцевые) вакуум-насосы по конструкции подобны соответствующим компрессорам. Особенностью является наличие специального канала, соединяющего мертвое пространство с камерой наименьшего давления, в случаях выравнивания давления и применение жидкостей с возможно более низкой температурой (малым давлением насыщенных паров) в водокольцевых машинах, поскольку от этого зависит создаваемое разрежение. Известны также струйные вакуум-насосы, которые по принципу действия сходны со струйными насосами. В них в качестве рабочей жидкости применяют пар. Такие пароструйные насосы создают разрежение до 90% абсолютного. Для получения более глубокого вакуума применяют многоступенчатые пароструйные вакуум-насосы с последовательным соединением нескольких пароструйных насосов, между которыми установлены конденсаторы смешения. Конденсация отработанного пара в каждой последующей ступени и снижает тем самым общий расход энергии. 4.5. СРАВНЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВНаибольшее распространение в биотехнологических производствах имеют поршневые и центробежные компрессорные машины. Центробежные машины (турбокомпрессоры и турбогазодувки) обладают следующими преимуществами: равномерность подачи, компактность и простота устройства; чистота газов, незагрязненных смазкой; отсутствие инерционных потерь и быстроходность, позволяющие монтировать машины на легких и непосредственно присоединять к приводу. Одноступенчатые турбокомпрессоры при подачах 6000-200000 ![]() ![]() Ротационные компрессоры обладают достоинствами центробежных, имеют более высокий к. п. д. и рассчитаны на низкие давления (до 15 атм.) с производительностью не более 6000 ![]() Осевые компрессоры отличаются высоким к.п.д. и компактностью. Их применяют до давления 6 атм при производительности более 80000 ![]() Область применения вакуум-насосов определяется создаваемым вакуумом. Мокрые поршневые вакуум-насосы создают разрежение 80-97 %, а сухие насосы 99,9%. Ротационные пластинчатые вакуум-насосы обеспечивают разрежение 95-99%. Умеренное разрежение (90-95%) и перемещение агрессивных, взрывоопасных и влажных газов и паров обеспечивают водокольцевые вакуум-насосы. Они обладают достоинствами центробежных машин, но низким к.п.д. Создаваемое ими разрежение ограничено парциальным давлением пара рабочей жидкости, зависящим от температуры. Двухступенчатые роторные вакуум-насосы позволяют достигать остаточного давления 0,005 мм. рт. ст., а трехступенчатые до 0,001 мм. рт. ст. Струйные вакуум-насосы дают разрежение 95-98%, просты, не требуют ни привода, ни фундамента, в них отсутствуют движущиеся части. Однако, они требуют значительного расхода пара и в них возможно смешение отсасываемого газа и пара. |