перемещение жидкостей. Лекции_Тема 1.4_Перемещение жидкостей. Тема 4 Перемещение жидкостей Общие сведения

• Название: Тема 4 Перемещение жидкостей Общие сведения
• Анкор: перемещение жидкостей
• Дата: 27.10.2022
• Размер: 2.11 Mb.
• Имя файла: Лекции_Тема 1.4_Перемещение жидкостей.docx
• Тип: Документы; #757382
• страница: 4 из 5

р₀ < р₁, так как для открытия всасывающего клапана необходима некоторая разность давлений во всасывающем трубопроводе и цилиндре р₁ - р₀. Следовательно, всасывание газа будет происходить не на протяжении всего хода поршня S, а лишь на пути < S (рис. 8.28).



Рис. 8.28. Действительная диаграмма поршневого компрессора простого действия
Действительная диаграмма компрессора показана на рис. 8.28, где - приведенная длина вредного пространства, пропорциональная его объему; линия 4 - 1 – участок всасывания; 1 - 2 – участок сжатия; 2 - 3 – участок нагнетания; 3 - 4 – участок расширения газа, остающегося во вредном пространстве. Таким образом, производительность односту-пенчатого компрессора простого действия, отнесенная к параметрам состояния всасываемого газа, выразится так: . Отношение объема всасываемого газа к объему, описанному поршнем за один ход FS, называется объемным коэффициентом полезного действия компрессора:

. (8.61)

Таким образом,

. (8.62)

Для определения величины выразим отношение объемов газов в цилиндре в точках 4 и 3 при политропном расширении газового остатка, обозначив объемную долю вредного пространства через с учетом того, что :

. (8.63)

Решив (8.63) относительно ₀, получим

. (8.64)

Из выражения (8.64) следует, что объемный к.п.д. падает с увеличением объема вредного пространства и с ростом степени сжатия р₂/ р₁ . По этой причине стремятся при проектировании компрессоров к возможному уменьшению величины ₀; на практике ₀ = 0,03 - 0,08.

Уменьшение ₀ c ростом степени сжатия, как это следует из (8.64), имеет предел, называемый пределом сжатия, при котором ₀ становится равным нулю (S₁=0).

На диаграмме (рис. 8.28) давления р₁, р₂ соответствуют давлениям во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, а р₀ - давление в цилиндре компрессора в момент открытия всасывающего клапана.

Действительная рабочая диаграмма компрессора, получаемая при помощи индикатора – индикаторная диаграмма (рис. 8.28), отличается от теоретической также характером линий всасывания и нагнетания. Это вызвано, во-первых, тем, что сопротивления клапанов изменяются на протяжении хода поршня в связи с изменением его скорости и должны быть максимальными во время их открытия (выступы в начале рассматриваемых линий). Во-вторых, клапаны не открываются мгновенно, поэтому на индикаторной диаграмме отсутствуют резко выраженные пересечения всех линий. Следует учитывать, что реальная производительность компрессора несколько ниже определяемой выражением (8.62) вследствие утечки газа через неплотности клапанов и поршня, подогрева поступающего газа о нагретые стенки цилиндра и др. Это учитывается соответственно коэффициентом герметичности и термическим коэффициентом . Таким образом, действительная производительность компрессора находится как

, (8.62а)

где - коэффициент подачи.
Многоступенчатое сжатие газа в поршневых компрессорах. Из выражения (8.64) следует, что объемный к.п.д. одноступенчатого компрессора ₀ падает с увеличением степени сжатия газа р₂/р₁ и относительного объема вредного пространства ₀.


Рис. 8.29. Схема трехступенчатого компрессора с цилиндрами двойного действия:1 – трубопровод; 2 и 3 – холодильники; 4 – маховик
Кроме того, увеличение степени сжатия ведет к увеличению температуры газа в цилиндре компрессора. Так, например, воздух, имея начальную температуру 20С, нагревается до 160 С при сжатии его от 0,1 до 0,4 МПа, т.е. при р₂/р₁ = 4, при показателе политропы m = 1,4.

По указанным причинам для достижения степеней сжатия газов выше 4 - 6 применяют многоступенчатые компрессоры, состоящие из ряда последовательно расположенных ступеней (цилиндров) двойного или простого действия со степенью сжатия в каждой ступени не более
4 - 5. Это обеспечивает достижение приемлемого объемного к.п.д., позволяя одновременно поддерживать допустимую температуру сжимаемого газа путем его охлаждения при переходе из каждой предыдущей ступени в последующую.

На рис. 8.29. представлена схема трехступенчатого компрессора с цилиндрами двойного действия. Исходный газ с температурой поступает по всасывающему трубопроводу 1 под давлением р₁ в первую ступень I, где сжимается до давления р₂ и температура его становится , затем этот газ проходит через холодильник 2, где его температура снижается до значения , и поступает во вторую ступень II. В ней газ сжимается до давления р₃ и выходит из нее с температурой . Проходя через холодильник 3, газ охлаждается до температуры и поступает в ступень III, где сжимается до конечного заданного давления р₄.

На валу поршневого компрессора устанавливается массивный маховик 4, который обеспечивает необходимую равномерность его вращения за счет действия инерционных сил.

На рис. 8.30. приведена теоретическая р -  диаграмма трехступенчатого компрессора. Здесь точки В,D,G соответствуют состояниям газа на выходе из ступеней I, II, III а точки С и Е – состояниям входа в ступени II и III, характеризующимся уменьшением удельных объемов газа (от '₂ до _ и от '₃ до _) вследствие охлаждения газа в промежуточных холодильниках 2 и 3. Из рис. 8.30 видно, что при многоступенчатом сжатии достигаются не только приемлемые объемные к.п.д. компрессора и допустимые рабочие




Рис .8.30. Теоретичес-кая рабочая диаграмма трехступенчатого ком-прессора.


температуры газа, но также существенное уменьшение расхода работы на сжатие. При сжатии газа в одной ступени (без промежуточного охлаждения) процесс протекал бы по кривой АВН, а не по ломаной линии ABCDEG. Следовательно, экономия работы в случае многоступенчатого сжатия газа с промежуточным его охлаждением эквивалентна заштрихованной площади BCDEGH.

Расход энергии на сжатие газа в поршневых компрессорах. Работа трения поршня о цилиндр, штока в сальниках, вала в подшипниках и т.д. учитывается механическим к.п.д. компрессора _мех. При производительности компрессора G, кг/с, мощность на его валу выразится так:

. (8.65)

Частота вращения вала поршневого компрессора обычно не превышает 200 об/мин, поэтому при использовании электродвигателя требуется промежуточная передача, к.п.д. которой обозначим через . Для определения полного к.п.д. компрессорной установки необходимо учитывать к.п.д. двигателя :

. (8.66)

Полная мощность компрессорной установки будет:

. (8.67)
Роторные компрессоры. Отличительной чертой роторных (ротационных) компрессоров является наличие в качестве рабочего органа вращающегося ротора различных конструкций. Ниже будут рассмотрены три типа роторных компрессоров.
Пластинчатые компрессоры. На рис. 8.31 показана схема пластинчатого компрессора. Работает компрессор следующим образом. В корпусе 1 вращается ротор 2, эксцентрично расположенный относительно внутренней поверхности корпуса. Пластины 3 свободно перемещаются в прорезях ротора 4, при его вращении выбрасываются из прорезей центробежной силой и плотно прижимаются к внутренней



Рис. 8.31. Схема пластинчатого компрессора: 1 – корпус; 2 – ротор; 3 – пластины; 4 – прорези; 5 – межпластинчатые камеры; 6 – всасывающий патрубок; 7 – нагнетательный патрубок
поверхности корпуса. Между ротором и внутренней поверхностью корпуса имеется серповидное пространство. Пластины делят серповидное пространство на замкнутые межпластинчатые камеры 5, объемы которых в направлении вращения с одной стороны расширяются, а с другой – уменьшаются. Газ, входящий по всасывающему патрубку 6 в расширяющиеся камеры, сжимается при вращении ротора в камерах с уменьшающимся объемом и поступает в нагнетательный патрубок 7. Зазор между ротором и внутренней поверхностью корпуса в нижней части образует вредное пространство. Таким образом, пластинчатый компрессор работает по принципу поршневого компрессора: газ сжимается в результате уменьшения рабочего объема межпластинчатой камеры. Достигаемая на практике степень сжатия газа обычно равна 3-4. Роторные пластинчатые компрессоры изготавливают одно- и двухступенчатыми, у последних увеличивается конечная степень сжатия газа.

Водокольцевые компрессоры. Схема водокольцевого (мокрого) компрессора и соответствующие обозначения приведены на рис. 8.32. В водокольцевом компрессоре лопасти 3 жестко соединены с ротором 2 и одинаковы по длине. Перед пуском компрессор примерно на половину заливают водой. При вращении ротора вода под действием центробежной силы отбрасывается к периферии и образует вращающееся водяное кольцо 4, которое несколько толще в зоне всасывания и тоньше в зоне нагнетания из-за разности давлений в этих зонах. Между лопастями ротора и водяным кольцом образуются ячейки, объем которых за время первой половины оборота ротора увеличивается, а за время второй половины – уменьшается. Газ засасывается через патрубок 5, а сжатый газ выходит через патрубок 6.



Рис. 8.32. Схема водокольцевого компрессора: 1 – цилиндрический корпус; 2 – ротор; 3 – лопасти; 4 – жидкостное кольцо; 5 – всасывающий патрубок; 6 – нагнетательный патрубок;  – эксцентриситет между центрами окружностей ротора и корпуса
Сжатие газа происходит в ячейках Б, В, Г, Д благодаря уменьшению их объема. Ячейка А относится к зоне всасывания. Таким образом, по принципу действия водокольцевой компрессор аналогичен пластинчатому, но роль корпуса и прорезей здесь выполняет жидкостное кольцо.

Давление, которое создает водокольцевой компрессор, невелико. Поэтому его используют как газодувку.
Компрессор с двумя вращающимися поршнями. Схема компрессора показана на рис. 8.33.
Рис. 8.33. Схема компрессора с двумя вращающимися поршнями: 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – всасывающий патрубок; 4 – нагнетательный патрубок
В корпусе 1 на двух параллельных валах вращаются два поршня 2. Один из них приводится во вращение электродвигате-лем, второй связан с первым зубчатой передачей, передаточное число которой равно единице. При вращении поршни плотно прилегают один к другому и к стенкам корпуса, образуя две разобщенные камеры: в одной из них происходит всасывание, в дру-
гой – нагнетание. Газ поступает через всасывающий патрубок 3 и перемещается поршнями по периферии корпуса. При поступлении в нагнетательный патрубок 4 газ сжимается и выталкивается в напорный трубопровод.

Динамические компрессоры

Центробежные компрессоры. Центробежные компрессоры по принципу действия аналогичны центробежным насосам. Они имеют одно или несколько лопастных колес, при вращении которых развивается центробежная сила, сообщающая газу кинетическую энергию, преобразующуюся затем в энергию давления. В данном случае рабочим телом, в отличие от центробежных насосов, является газ, сжатие которого сопровождается уменьшением объема. По величине создаваемого избыточного давления центробежные компрессоры носят следующие наименования:

турбокомпрессоры – рабочее давление более 0,3 МПа;

турбогазодувки – от 0,01 до 0,3 МПа;

вентиляторы – до 0,01 МПа.

Турбогазодувки отличаются от турбокомпрессоров числом рабочих колес (ступеней сжатия): первые имеют 1 - 4, а вторые до 16 и более.

Турбогазодувки и турбокомпрессоры. Одноступенчатая турбогазодувка показана на рис. 8.34.



Рис. 8.34. Схема одноступенчатой турбогазодувки: 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – всасывающий патрубок; 5 – нагнета-тельный патрубок
Работает турбогазодувка следующим образом. В спиралевидном корпусе 1 вращается рабочее колесо 2 с лопастями внутри направляющего аппарата 3, в котором происходит преобразование кинетической энергии газа в потенциальную энергию давления. Направляющий аппарат представляет собой два кольцевых диска, соединенных между собой лопатками с наклоном, противоположным наклону лопастей рабочего колеса.

Схема многоступенчатой турбогазодувки представлена на рис. 8.35.




Рис. 8.35. Схема многоступенчатой турбогазо-дувки: 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – обратный канал
Работает она следующим образом. Газ, пройдя через первое колесо 1 и направляющий аппарат 3, с более высоким давлением поступает через обратный канал 4 на следующее рабочее колесо. Диаметры рабочих колес турбогазодувки постоянны, но ширину их с учетом изменения объема газ при сжатии уменьшают в направлении от первого колеса к последнему. Таким путем достигается возможность сжатия газа в каждой последующей ступени без изменения скорости вращения и формы лопастей рабочих колес.

Степень сжатия в турбогазодувках не превышает 3, поэтому в турбогазодувках сжимаемый газ между ступенями не охлаждают.

Для получения более высоких степеней сжатия, чем в турбогазодувках, применяют турбокомпрессоры, по устройству аналогичные турбогазодувкам, но имеющие значительно большее число рабочих колес. В турбокомпрессорах по мере перехода к ступеням более высокого давления уменьшается не только ширина, но и диаметр рабочих колес. В связи с значительной степенью сжатия газа в турбокомпрессорах и соответствующим увеличением температуры газа производят его охлаждение, которое осуществляют путем подачи холодной воды в специальные каналы внутри корпуса, либо в выносных промежуточных холодильниках. Давление нагнетания в турбокомпрес-сорах достигает 2,5 - 3,0 МПа.

Центробежные вентиляторы. Центробежные вентиляторы условно делятся по величине избыточного давления на вентиляторы низкого давления (р < 10³ Па); среднего давления (р=10³- 310³ Па) и высокого давления (р= 310³- 10⁴ Па).



Рис. 8.36. Схема центробежного вентилятора низкого давления: 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3, 4 – всасывающий и нагне-тательный патрубки
На рис. 8.36 показана схема вентилятора низкого давления. В спиралеобразном корпусе 1 вентилятора вращается рабочее колесо 2 с большим числом лопаток. Отношение ширины лопатки к ее длине зависит от развиваемого давления и является наименьшим для вентиляторов высокого давления. Газ поступает по оси вентилятора через патрубок 3 и удаляется из корпуса вентилятора через нагнетательный патрубок 4. Лопатки вентилятора обычно выполняют загнутыми вперед (угол ₂ > 90, см.рис. 8.3) или загнутыми назад (₂ < 90) по направлению вращения колеса. При лопатках, загнутых вперед, заданный напор получают при меньшей окружной скорости колеса, соответственно при меньшем его диаметре, чем при лопатках, загнутых назад; однако гидравлическое сопротивление последних ниже.

Рабочие колеса вентиляторов низкого и среднего давления, обладающих большими производительностями, имеют относительно большую ширину. Для того чтобы обеспечить прочность и жесткость широких колес, окружная скорость их ограничивается (не более 30 - 50 м/с). Поэтому рабочие колеса таких вентиляторов изготавливаются с лопатками, загнутыми вперед (₂ = 120 - 150), не считаясь с понижением гидравлического к.п.д. вентилятора.

У вентиляторов высокого давления, обладающих меньшей производительностью, ширина колес относительно невелика. Поэтому их лопатки обычно загнуты назад.

Характеристики центробежных вентиляторов подобны характе-ристикам центробежных насосов (см. рис. 8.6), а зависимость произво-дительности, напора и мощности от числа оборотов выражается уравнениями (8.27) – (8.28). Рабочий режим устанавливается по точке пересечения характеристики центробежного вентилятора с характеристикой сети (см. рис. 8.8). Мощность на валу вентилятора Nв находят по уравнению

, (8.68)

где – производительность вентилятора, м³/с; Н – напор вентилятора, м;  – плотность газа, кг/м³; – к.п.д. вентилятора, определяемый произведением коэффициентов подачи _v, гидравлического _г и механического _мех к.п.д.

Напор вентилятора Н рассчитывают с помощью уравнения (8.12) или определяют по рабочей точке (см. рис. 8.8).

Осевые компрессоры и вентиляторы. Схема осевого компрессора показана на рис. 8.37.


Рис. 8.37. Схема осевого компрессора:1 – корпус; 2 – ротор; 3 – лопасти; 4 – направляющий аппарат
В корпусе 1 вращается с большой скоростью ротор 2, на котором расположены лопасти 3, имеющие форму винтовой поверхности. Газ захватывается лопастями и перемещается вдоль оси компрессора, получая при этом от лопастей и вращательное движение. Для устранения вращательного движения газа на внутренней поверхности корпуса укреплены неподвижные лопатки, образующие направляющий аппарат 4, по каналам которого газ поступает в напорный патрубок. Осевые компрессоры имеют значительное число ступеней (10 - 20) и работают без охлаждения газа. Они имеют высокий к.п.д., обеспечивают высокую производительность (более 20 м³/c), но создаваемое ими давление не превышает 0,5 - 0,6 МПа.

Осевые вентиляторы имеют сходство с осевым компрессором в том, что газ в нем движется вдоль оси вентилятора. На рис. 8.38 изображена схема осевого вентилятора. Такой вентилятор имеет корпус 1 в виде короткого участка цилиндрической трубы, в котором расположено рабочее колесо-пропеллер с лопатками 2, изогнутыми по винтовой поверхности. При вращении рабочего колеса лопатки захватывают газ и перемещают его вдоль оси колеса. Вследствие низкого сопротивления, оказываемого вентилятором движущемуся потоку газа, и незначительности потерь на трение газа о лопатки, к.п.д осевых вентиляторов существенно выше, чем у центробежных.



Рис. 8.38. Схема осевого вентилятора:

1 – корпус; 2 – пропеллер с лопатками
В то же время напор, развиваемый осевыми вентиляторами, в 3 - 4 раза меньше, чем у центробежных вентиляторов, поэтому осевые вентиляторы применяют для перемещения больших количеств газа при незначительном сопротивлении сети.