варя. Ведёрников 2. Основные сведения из гидравлики

• Название: Основные сведения из гидравлики
• Дата: 07.02.2023
• Размер: 4.59 Mb.
• Имя файла: Ведёрников 2.doc
• Тип: Глава; #924312
• страница: 12 из 21

Глава VII

ОБЪЕМНЫЕ КОМПРЕССОРЫ
§ 48. Общие сведения

Объемный компрессор — это компрессор, у которого процессы всасывания и сжатия газа происходят вследствие изменения объ­ема рабочей камеры. Если изменение объема производится порш­нем, движущимся возвратно-поступательно, то такой компрессор называется поршневым. У роторного компрессора изменение объ­ема происходит с помощью вращающихся роторов.

Поршневые компрессоры классифицируют: по расположению цилиндров — горизонтальные, вертикальные, угловые, оппозитные; по числу цилиндров — одно-, двух-, трех- и многоцилиндровые; по числу ступеней сжатия — одно-, двух-, трех-, семиступенчатые; по способу действия — одно- и двустороннего действия; по произ­водительности—малой до 10 м3/мин, средней от 10 до 30 м3/мин, большой выше 30 м3/мин; по конечному давлению — низкого дав­ления до 1,0 МПа, среднего —от 1,0 до 8,0 МПа, высокого —от 8,0 до 100 МПа, сверхвысокого —выше 100 МПа; по виду привода — приводные, прямодействующие и ручные; по роду сжимаемого га­за — воздушные и газовые.

Роторные компрессоры могут быть: винтовые, пластинчатые, жидкостно-кольцевые. Объемные компрессоры, в которых роль

§ 49. Теоретический и действительный циклы работы одноступенчатого компрессора

поршня выполняют диафрагмы (мембраны), называются диафраг-мовыми.

Химическая, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая про­мышленности являются основными потребителями крупных порш­невых компрессоров. Их применяют, в частности, в производстве аммиака, метанола, карбамида, этилена, полиэтилена и др.

Технический прогресс в этих отраслях промышленности нераз­рывно связан с совершенствованием и развитием компрессорострое-ния.

Высокие темпы роста крупнотоннажных производств (амми­ака, аммиачной селитры, азотной кислоты, этилена, полиэтилена, переработки нефти и др.), а также развитие новых производств (например, полимеризационных пластических масс, синтетических волокон и др.) поставили перед химическим машиностроением но­вые задачи: создать и быстро освоить выпуск оборудования для новых отраслей и агрегатов большой единичной мощности. В по­следние годы организовано производство крупных быстроходных оппозитных компрессоров современной конструкции, которые за­менили устаревшие горизонтальные компрессоры. Оппозитные ком­прессоры приняты в качестве основы для дальнейшего совершенст­вования газовых компрессоров мощностью выше 250 кВт. Их пока­затели соответствуют современному уровню компрессоростроения. Давление нагнетания оппозитных компрессоров достигает 250— 320 МПа, поршневая сила 600 кН, мощность привода более 8000 кВт, максимальное число рядов 10.

Значительно возрос уровень автоматического контроля основных параметров, защиты и управления компрессорными установками.

Для сжатия больших количеств газа более широко используют комбинированные компрессорные установки с центробежными ком­прессорами в первом каскаде на ступенях более низкого давления и поршневыми оппозитными во втором каскаде на ступенях более высокого давления.

За последние годы достигнуты значительные успехи в области повышения КПД горизонтальных поршневых компрессоров, уве­личения их быстроходности и уменьшения габаритных размеров. Совершенствование поршневых компрессоров проявилось также в выпуске машин без смазывания цилиндров, в том числе на давле­ние выше 15 МПа, в создании высокопроизводительных устано­вок, расположенных вне помещения или в полуоткрытом помеще­нии, в применении промежуточных и концевых холодильников воз­душного охлаждения для компрессоров.

Перспективное направление в создании поршневых компрессо­ров составляет продолжение совершенствования многослужебных агрегатов, объединяющих на одном общем валу цилиндры с раз­личными рабочими газами. При этом возрастает единичная мощ­ность агрегата, повышается его компактность, упрощается монтаж-но-технологическая схема.

Рассмотрим рабочий процесс идеального компрессора, у кото­рого: во всасывающем и нагнетательном клапанах отсутствует сопротивление прохождению газа; во всасывающем и нагнетатель­ном трубопроводах давление постоянно; температура газа на ли­ниях всасывания или нагнетания остается неизменной; в конце сжатия весь газ выталкивается из цилиндра.



На рис. 67 показана схема компрессора и его индикаторная диа­грамма. Рабочий процесс происхо­дит следующим образом.

При движении поршня 9 впра­во при закрытом нагнетательном клапане 8 в цилиндр через откры­тый всасывающий клапан 7 посту­пает газ. Процесс всасывания на диаграмме изображен линией 1—6. При движении поршня влево вса­сывающий клапан закрывается и газ сжимается, так как объем рабо­чей камеры уменьшается. Если при сжатии отводится вся выделившая­ся теплота, то сжатие будет изомет­рическим (линия 6—,3), если сжатие происходит без теплообмена со внешней средой, ТО оно будет ади­абатным (линия 6—5). В действи­тельности из-за частичного теплообмена сжатие будет происхо­дить по политропе (линия 6—4). Затем открывается нагнетатель­ный клапан и газ выталкивается из цилиндра (линия 5—2). При повторном движении поршня вправо давление в цилиндре мгно­венно снижается (линия 2—1), начинается всасывание через от­крывшийся всасывающий клапан и все процессы повторяются.

Площадь диаграммы, ограниченная линиями всасывания, сжа­тия, нагнетания и падения давления, показывает в определенном масштабе работу, которая затрачивается в компрессоре на сжатие единицы объема газа. Эта работа будет различной в зависимости от того, по какой линии происходит сжатие газа. При изотермиче­ском сжатии работа будет минимальной. На практике процесс сжа­тия газа стремятся приблизить к изотермическому, для чего ох­лаждают компрессоры и газ.

Действительный процесс сжатия газа в цилиндре компрессора существенно отличается от теоретического (рис. 68). Прежде всего в конце нагнетания не весь газ выталкивается в нагнетательный трубопровод, часть его остается в каналах клапанов, клапанных гнёздах и в зазоре между крайним положением поршня и крышкой цилиндра. Сжатый газ, оставшийся после нагнетания в цилиндре, занимает объем, называемый вредным пространством V0. При дви-

жении поршня вправо газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется (линия 2—1) и отдает почти всю энергию, которая была затрачена на его сжатие. Таким образом, наличие вредного пространства не влияет на расход энергии. Кроме того, сжатый газ, находящийся во вредном пространстве, служит как бы буфе­ром между поршнем и крышкой цилиндра.

Всасывание газа начинается в точке / лишь тогда, когда газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется и давление



его понизится до давления р\. Всасывание газа происходит не на всем ходе поршня,, а лишь на части его, т. е. нали­чие вредного пространства уменьшает рабочий объем ци­линдра. Всасывающие клапа­ны и всасывающий трубопро­вод оказывают сопротивление движению газа, особенно при подъеме клапанов. Поэтому давление в начале всасывания несколько ниже давления р{. Всасывание газа (линия 1—4) происходит почти при постоян­ном давлении. Сжатие газа протекает по политропе 4—3. Когда давление в цилиндре в про­цессе сжатия достигнет значения, несколько превышающего дав­ления р2, то открывается нагнетательный клапан и начинается процесс нагнетания (линия 3—2). Некоторый избыток давления требуется для преодоления инерции и сопротивления нагнета­тельного клапана.

Если сжимать газ до высоких давлений в одном цилиндре, то возникает много осложнений: в результате высокого сжатия чрез­мерно нагревается газ и оказывает большое сопротивление движе­нию поршня; при высокой температуре ухудшаются условия сма­зывания— смазка разжижается, разлагается, образует нагар на стенках цилиндра, поршня, клапанах; уменьшается коэффициент использования рабочего объема цилиндра, так как оставшийся во вредном пространстве газ будет расширяться на большей части хода поршня; увеличивается расход мощности на сжатие газа.

Чтобы избежать эти нежелательные последствия сжатия в од­ном цилиндре, процесс разбивают на несколько ступеней, т. е. ис­пользуют многоступенчатое сжатие.

Но увеличение числа ступеней сжатия усложняет конструкцию, обслуживание и ремонт компрессора. Поэтому экономически оп­равдано разбивать сжатие не более чем на семь ступеней.

§ 50. Основные параметры поршневых компрессоров

К основным параметрам поршневых компрессоров относят: про­изводительность, индикаторную мощность, мощность компрессора, 122 частоту вращения вала, температуру всасывания и нагнетания, ко­нечное давление, расход охлаждающей воды.

Производительность компрессора есть геометрическая характе­ристика компрессора, не зависящая от состояния всасываемого га­за. Производительность можно подсчитать по формуле Q = XVn: для цилиндров одностороннего действия V= (nZ)2/4)s, для цилинд­ров двустороннего действия V= (2n£>2/4)s, где Я — коэффициент подачи; V — рабочий объем цилиндра, м3; « — частота вращения вала, об/мин; D — диаметр цилиндра, м; s — ход поршня, м.

Коэффициент подачи учитывает уменьшение рабочего объема цилиндра из-за наличия вредного пространства, сопротивления прохождения газа через всасывающий клапан, различных утечек, подогрева газа от стенок цилиндра и поршня.

Индикаторная мощность — это мощность, затрачиваемая на сжатие и перемещение газа во всех ступенях компрессора.

Потребляемая мощность — мощность, измеряемая на валу ком­прессора. Она складывается из индикаторной мощности, потерь мощности на трение во всех сборочных единицах компрессора, мощности, необходимой для привода вспомогательных агрегатов.

Отношение индикаторной мощности к мощности компрессора называется механическим КПД компрессора:

r\ = NnJNK.

Механический КПД компрессорной установки зависит от схемы, конструкции, качества изготовления и технического состояния компрессора.

Для оппозитных компрессоров г\ = 0,924-0,96.
§ 51. Способы регулирования производительности поршневых компрессоров

Потребление сжатых газов иногда бывает меньше производи­тельности поршневого компрессора. В этом случае регулируют производительность компрессора так, чтобы подача газа компрес­сором соответствовала потреблению сжатого газа, не изменяя ко­нечного давления.

По характеру изменения производительности регулирование

может быть:

прерывистое, осуществляемое периодическим прекращением по­дачи;

ступенчатое, когда подача сразу изменяется на определенное значение, например уменьшается на 10, 20, 50 или 75%;

плавное, осуществляемое постепенным изменением подачи. Про­изводительность поршневых компрессоров регулируют следующи­ми способами: воздействием на привод; воздействием на коммуни­кацию (т. е. на газопровод); отжимом всасывающих клапанов; при­соединением к цилиндру дополнительных объемов (вредного про­странства) .

Регулировать производительность компрессора каждым из этих способов можно вручную и автоматически.

Регулирование воздействием на привод. Осуществляют перио­дическими остановками компрессора, для чего двигатель останав­ливают или отключают от компрессора, или изменяют частоту вращения вала двигателя. В этом случае изменение производи­тельности компрессора прерывистое. Регулирование остановкой двигателя применяют в компрессорных установках с асинхрон­ными электродвигателями мощностью до 200 кВт. Пуск и оста­новку двигателя осуществляют автоматические пусковые устрой­ства, управляемые регулятором производительности. При регу­лировании производительности отсоединением двигателя от компрессора пуск и остановку компрессора производят с помощью электромагнитных муфт, управляемых автоматически.

Регулирование производительности изменением частоты враще­ния вала двигателя может быть ступенчатым или плавным. Этот способ регулирования наиболее простой и экономичный в случаях, когда компрессор приводится в действие от паровой ма­шины или .газового двигателя. Регулирование осуществляют из­менением подачи пара в паровую .машину или топлива в газовый двигатель. Электрические двигатели с плаввым или ступенчатым регулированием частоты вращения имеют сложную конструкцию и неэкономичны, поэтому они не получили распространения в ка­честве приводов для компрессоров.

Регулирование воздействием на коммуникацию. Проводят пу­тем перекрытия всасывающего трубопровода или выпуска сжа­того газа из полости нагнетания во всасывающий трубопровод или в атмосферу. При этом способе достигается плавное или ступенчатое регулирование производительности.

Регулирование осуществляют перекрытием задвижки, клапана или дискового затвора вручную или автоматически. При этом уменьшается проходное сечение во всасывающем трубопроводе, увеличивается сопротивление, а следовательно, уменьшаются дав­ление и количество газа, всасываемого в цилиндр компрессора.

Перепуск сжатого газа с нагнетания на всасывание происхо­дит по байпасной линии с запорным органом. Если полностью открыть байпасный клапан (кран), весь сжатый газ снова воз­вращается во всасывающий трубопровод и циркулирует, проходя по цилиндрам и трубопроводам компрессора. При частично пе­рекрытом байпасном клапане (кране) на всасывание поступает только часть сжатого газа, а остальной газ направляется в на­гнетательный трубопровод. Максимальную производительность компрессор имеет при полностью закрытом байпасном клапане (кране). Открывание и закрывание байпасного клапана осу­ществляют как автоматически, так и вручную.

У воздушных компрессоров перепуск на всасывание иногда заменяют выпуском сжатого воздуха в атмосферу.

Вследствие простоты конструкции регулирующего запорного органа этот способ широко применяют в промышленности.

Регулирование отжимом всасывающих клапанов осуществляют следующим образом. Если воспрепятствовать закрытию всасыва­ющего: клапана в период нагнетания, то газ, поступивший в ци­линдр, будет вытеснен во всасывающий трубопровод. Отжим клапанов осуществляют вилками специальной конструкции, ко­торые приводятся в действие вручную или автоматически. Этот способ регулирования производительности имеет следующие раз­новидности: полный или частичный отжим клапанов и отжим клапанов на части хода поршня.

При полном отжиме всасывающих клапанов сжатие газа в полости цилиндра не происходит, весь газ снова выталкивается во всасывающий трубопровод, производительность компрессора равна нулю. Полный отжим клапанов вручную применяют преи­мущественно в компрессорах большой производительности. При автоматическом регулировании отжим всасывающих клапанов производится сервомоторами, управляемыми гидравлическим» или пневматическими системами.

Если отжать всасывающие клапаны не полностью, то через; образовавшуюся щель уходит часть сжимаемого газа и произ­водительность компрессора уменьшается. Этот способ регулирова­ния редко применяют в промышленности, так как существенные недостатки его состоят в повышении температуры нагнетания » в том, что в процессе сжатия и нагнетания тонкие клапанные пластины изгибаются. Получив значительные остаточные дефор­мации, пластины искривляются и при переводе компрессора на полную производительность не обеспечивают плотности клапана.

При регулировании отжимом клапанов на части хода поршня в конце процесса всасывания всасывающие клапаны принуди­тельно задерживают открытыми и закрывают на определенной части обратного хода поршня. В различных типах компрессоров применяют электромагнитные, гидравлические и пневматические регулирующие устройства для отжима клапанов на части хода поршня.

Периодическое воздействие на всасывающий клапан отрица­тельно сказывается на его плотности и долговечности пластин. Чтобы избежать этого, в некоторых компрессорах ставят особые перепускные клапаны, служащие для сообщения цилиндра с вса­сывающим трубопроводом и выпуска части газа.

Регулирование присоединением к цилиндру дополнительных объемов (вредного пространства)—наиболее экономичный способ при постоянной частоте вращения вала. Обычно к цилиндру дву­стороннего действия присоединяют четыре дополнительные каме­ры, закрытые клапанами при полной производительности компрес­сора. Клапаны прижимаются к своим гнездам давлением сжато­го газа, подводимого регулятором из нагнетательного трубопро­вода. Когда давление в нагнетательном трубопроводе поднимается; выше допустимого, один из клапанов автоматически открывается,, соединяя цилиндр компрессора с дополнительным вредным про­странством. Производительность компрессора уменьшается

124

н а 25 /о по сравнению с нормальной. При присоединении следую­щей камеры производительность компрессора составит 50% Та­ким образом, производительность компрессора регулируется ступенчато.

| в£ вг_\ I I

В линию '' продуоок
Рис. 69. Схема компрессорной установки с оппозитным двухрядным комп­рессором:
/ — байпасные трубопроводы, // — воздушные трубопроводы; ВХ — напорный трубопровод холодной воды, ВГ — сбросной трубопровод горячей воды; /, 15 — клапаны подачи воды на цилиндры, 2, 10, 18 — клапаны на байпасных линиях, 3, 11, 19, 25— сливные воронки, 4, 17 — цилиндры, 5, 20 — клапаны сброса воды из цилиндров, 6 — клапан на трубопро­воде поступления воздуха в компрессор, 7, 21 — клапаны на линии нагнетания воздуха, 8, 22 — масловлагоотделители, 9 — электродвигатель, 12, 26 — клапаны на сбросе воды из межступенчатых холодильников, 13, 23 — межступенчатые холодильники, 14, 24 — кла­паны подачи воды на межступенчатые холодильники, 16 — клапан на линии всасывания воздуха на вторую ступень, 27 — клапан на линии подачи сжатого воздуха из компрес­сора в общий коллектор нагнетания
На рис. 69 дана схема компрессорной установки с оппозитным двухрядным компрессором. На схеме показаны основное и вспо­могательное оборудование, необходимые трубопроводы (техноло­гическая обвязка).