4. Ротационные компрессоры и газодувки

165

построении диаграмм принято, что газ охлаждается в промежуточных холодильниках до температуры исходного газа, а мертвое пространство в каждой ступени и потери давления в холодильниках равны нулю.

Линия ВС на диаграммах отражает процесс сжатия газа в I ступени от давления /?_х до давления р₂. Затем газ охлаждается по изобаре (ли- ния СЕ) до исходной температуры Г, и поступает в цилиндр II ступени, где сжимается до давления р₃ по линии ЕЕ, и т. д. Процесс трехступен- чатого сжатия газа от давления р_х до давления р_к с охлаждением газа изобразится ломаной ВСЕЕОНК.

Линия ВЕйК соответствует изотермическому сжатию до давления р_к в одноступенчатом компрессоре, а линия ВСЬ — политропическому сжа- тию в том же компрессоре. Как видно из приведенных диаграмм, процесс многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением газа более близок к изотермическому и, следовательно, требует меньших затрат энергии, чем процесс одноступенчатого сжатия в тех же пределах дав- аний.

Площадь, ограниченная индикаторной диаграммой, и площадь под •оманой линией ВСЕЕвНК на Т—5-диаграмме равны работе много- ступенчатого сжатия (в соответствующем масштабе). Заштрихованная площадь показывает выигрыш в работе при многоступенчатом сжатии по сравнению с одноступенчатым.

Ломаная линия многоступенчатого сжатия тем ближе располагается к изотерме, чем больше число ступеней. Однако число их приходится ограничивать пятью-шестью, так как при большем числе ступеней уве- личивается стоимость машины и удорожается ее эксплуатация, а эконо- мия в расходе энергии не компенсирует возрастания капитальных затрат п эксплуатационных расходов.

Если степени сжатия в каждой ступени одинаковы и газ полностью охлаждается в промежуточных холодильниках (до температуры исходного газа), то работы сжатия по отдельным ступеням равны. Теоретическая работа многоступенчатой компрессорной машины для адиабатического сжатия 1 кг газа в этом случае составляет

, ^к

‘ад

(IV,33) (1У.34)

(£Г -

(IV, 32)

Гл. IV. Перемещение и сжатие газов (компрессорные машины)

и при его вращении выбрасываются центробежной силой из пазов. Эта же сила плотно прижимает пластины к внутренней поверхности корпуса. 1аким образом, серповидное рабочее пространство между ротором и корпусом разделяется с помощью пластин на ряд неравных по объему камер.

1. аз поступает из всасывающего патрубка и заполняет полости камер. В камере, находящейся в положении В, всасывание прекращается (так как она разобщена со всасывающим пространством) и начинается сжатие газа. При вращении камеры вправо объем ее уменьшается и газ, находя­щийся в ней, сжимается. Сжатие заканчивается, когда камера достигает положения С. В этом положении полость камеры сообщается с нагнета­тельным трубопроводом, после чего происходит нагнетание газа. В поло­жении О газ полностью вытесняется из рабочей камеры. Зазор между ротором и цилиндром в нижней части образует мертвое пространство Е. От положения О до Л происходит расширение газа в мертвом простран­стве. В точке А начинается всасывание газа. Затем цикл повторяется.

Процесс сжатия газа в пластинчатом ротационном компрессоре иллю­стрируется индикаторной диаграммой, приведенной на рис. ^-в. Она не может быть снята с помощью индикатора, так как для этого пришлось бы вращать индикатор вместе с ротором, и является поэтому условной. Для удобства построения диаграмма повернута на 90\

Рис. 1У-8. Схема ротационного пластинчатого компрессора: / корпус; 2 — ротор; 3 *- скользящие пластины.

Ротационные пластинчатые компрессоры изготовляют одно- и двух­ступенчатыми. У одноступенчатых компрессоров давление нагнетания не превышает (2,5 — 4) 10⁵ н!м² (2,5 — 5 ат), у двухступенчатых — (8—15)10⁶ «/.и² (8—15 ат).

Производительность ротационного пластинчатого компрессора (м³1сек), приведенная к условиям всасывания, может быть определена из уравнения

\\ = 21епку (пВ - 6г) (IV,35)

где I — длина пластины, м; е — эксцентриситет ротора, м; п — число оборотов ротора,

1. /сек; £> — внутренний диаметр корпуса, м; 6 — толщина пластины, м\ г — 20—30 — число пластин.

Зн 1^1,ение эксцентриситета е принимают таким, чтобы обеспечить отношение еЮ = = 0,06 0,07.

К 'ффициент подачи компрессора рассчитывают по уравнению

^ =1 -к?*- (IV,36)

Р\

где к = 0,05 для крупных машин (производительностью более 0,5 м³1сек)\ к — 0,1 для малых машин (производительностью менее 0,5 м^а/сек).

Мощность на валу ротационного компрессора определяют но уравнению

167

Водокольцевые компрессоры. В корпусе 1 компрессора (рис 1У-9) эксцентрично расположен ротор 2 с лопатками плоской формы. Перед пуском компрессор заполняется примерно наполовину водой, которая при вращении ротора отбрасывается к периферии и образует водяное кольцо, соосное с корпусом компрессора и эксцентричное по отношению к ротору. Количество жидкости, заливаемое в компрессор, должно быть таким, чтобы концы всех лопаток были погружены в водяное кольцо. Между лопатками ротора и водяным кольцом образуются ячейки, объем которых за время первой половины оборота ротора увелйчивается, а за время второй половины — уменьшается. Газ засасывается в ячейки, объем которых возрастает, через отверстие 3 в торцовой крышке компрес­сора. При дальнейшем вращении ротора газ сжимается вследствие умень-

Рис. ІУ-9. Схема ротационного водокольцевого компрессора (а) Рнс. 1\М0. Схема рота- и схема его установки для откачки газов (б): ционной газодувки:

/ — корпус; 2 — ротор, 3 — всасывающее отверстие* 4 — иагнета- / — корпус: 2 — барабан тельиое отверстие; б — бачок; 6 — переливная труба для заполнения (поршень), ? — всасываю- вакуум-насоса жидкостью. щии патрубок; 4 — нагне­

тательный патрубок.

шения объема ячеек и в конце оборота выталкивается в нагнетательное отверстие 4 в крышке компрессора. Установка снабжена бачком 5 и пере­ливной трубой 6 для заполнения компрессора водой

В компрессорах такого типа жидкостное кольцо играет по существу роль поршня, с помощью кольца изменяется объем рабочих камер. По­тому эти компрессоры называются также компрессорами с жидкостным поршнем.

Компрессоры с жидкостным поршнем применяют, например, при перекачивании га­зообразного хлора. В данном случае рабочей жидкостью служит концентрированная серная кислота, которая заливается в корпус эллипсовидной формы. За один оборот вала ротора, располагаемого по оси корпуса, объем ячеек два раза уменьшается и два раза увели­чивается.

Ротационные водокольцевые компрессоры создают очень, небольшое избыточное давление и поэтому используются в основном в качестве газо­дувок или вакуум-насосов.

Газодувки. В корпусе 1 газодувки (рис. IV-10) на двух параллельных валах вращаются два барабана, или поршня 2. Один из них приводится во вращение от электродвигателя, 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 другой — нагнетание. Газ поступает в газодувку через всасывающий патрубок 3 и перемещается поршнями по периферии газодувки (так же как в шесте­ренчатом насосё). При поступлении в нагнетательный патрубок 4 газ сжимается и выталкивается в напорный трубопровод.

Рис. IV-! 1. Схема вентилятора низ­кого давления;

1 — корпус; 2 — рабочее колесо; 3 — всасывающий патрубок; 4 — нагнетатель­ный патрубок.

N.

УНрё V Ар

■Пв

(IV,38)

где V — производительность вентилятора, м³/сек\ И — напор вентилятора, м\ р — плот­ность газа, кг/ж³; %= Лутупиех — к. п. д. вентилятора, определяемый как произведение коэффициента подачи Лу, гидравлического гіг н механического г]мех к- ^п- Д-

Напор вентилятора Н рассчитывают с помощью уравнения (111,12, б) или определяют по рабочей точке.

Турбогазодувки. В корпусе 1 турбогазодувки (рис. IV-!2) вращается рабочее колесо 2 с лопатками, подобными лопаткам центробежного насоса. Колесо обычно помещают внутри направляющего аппарата 3, в котором происходит преобразование кинетической энергии газа в потенциальную энергию давления. Направляющий аппарат представляет собой два

169

имеют наг валу одно установлены несколько

кольцевых диска, соединенных между собой лопатками с наклоном, про- тивоположным наклону лопаток рабочего колеса. Газ поступает в турбо- газодувку через патрубок 4 и выходит из нагнетательного патрубка 5.

Одноступенчатые турбогазодувки рабочее колесо. Если на валу турбогазодувки

колес, то такие турбогазодувки называются многоступен- чатыми.

Многоступенчатая турбогазо- дувка (рис. IV-13) имеет в кор- пусе 1 несколько (обычно 3—4) рабочих колес 2. Газ, пройдя через первое колесо, поступает в напра- вляющий аппарат 3 и обратный канал .4, по которому подводится к следующему колесу. Обратный канал 4 снабжен неподвижными направляющими ребрами, посред- ством которых газу сообщаются заданное направление и скорость.

Диаметры рабочих колес многоступенчатой турбогазодувки постоянны, но ширину их в соответствии с изменением объема газа при сжатии умень­шают в направлении от первого холеса к последнему. Таким путем дости­гается возможность сжатия газа в каждой последующей ступени без изменения скорости вращения и формы лопаток рабочих колес,

Рис. 1У-12. Схема турбогазодувки:

/ — корпус; 2 — рабочее колесо; 3 — напра­вляющий аппарат; 4 — всасывающий патрубок; 5 — нагнетательный патрубок.

Рис. IV-13. Схема много­ступенчатой турбогазо- дувки:

/ — корпус; 2 — рабочее ко­лесо; J — на' равняющий ап­парат: 4 — обратный канал.

Рис. 1У-14. Энтропийная диа­грамма сжатия газа в турбога- зодувке.

Степень сжатия в турбогазодувках не превышает 3—3,5, поэтому газ в турбогазодувках не охлаждают.

Индикаторную диаграмму турбогазодувки (гак же как ротационного компрессора и турбокомпрессора) снять невозможно, поэтому мощность таких машин определяют по уравнению (IV,37).

Теоретически процесс сжатия в неохлаждаемой турбогазодувке близок к адиабатиче^ скому (линия АВ на диаграмме Т—5, рис. 1У-14). Вследствие потерь энергии на трение газа в каналах рабочего колеса и направляющем аппарате фактически затрачиваемая энергия будет больше. Энергия, расходуемая на преодоление трения газа, практически полностью переходит в тепло, поэтому температура газа Т^ в конце сжатия будет несколько выше,

чем температура Т,, соответствующая адиабатическому процессу. Действительный процесс сжатия от давления р₁ до давления р_г изобразится линией АС, расположенной справа от адиабаты.

Степень совершенства процесса сжатия в турбогазодувке характеризуется величиной члиабатического к. п. д. турбогазодувки т|_ад> представляющего собой отношение работы адиабатического сжатия к затраченной работе:

_г _ ^ад с_р(Т_г 7\) Т₂ — Т, ГТУ ЗР1

Температуру Т_г рассчитывают по уравнению (IV,И), а температуру Т!_г замеряют иа выходе газа нз турбогазодувки.

Турбокомпрессоры. Для получения более высоких степеней сжатия, чем в турбогазодувках, применяют турбокомпрессоры, по устройству аналогичные многоступенчатым турбогазодувкам (см. рис. 1У-13). Однако для повышения давления нагнетания в турбокомпрессорах, в отличие от турбогазодувок, увеличивают число рабочих колес и изменяют их

размеры (в том числе и диаметр) или увеличивают скорость враще- ния колес. Окружные скорости рабочих колес турбокомпрессоров достигают 240—270 м/сек и более в зависимости от прочности ма- териала колес, а давление нагне- тания — (2,5—3,0) 10^е н/м² (25— 30 пт).

В турбокомпрессорах по мере перехода к ступеням более высо- кого давления уменьшается не только ширина, но и диаметр рабо- __ чих колес, однако устройство

^ для преобразования кинетической Рис. 1У-15. Энтропийная диаграмма сжатия энергии газа в потенциальную газа в многоступенчатом турбокомпрессоре. энергию давления (направляющий

аппарат) и устройство для подвода газа к последующей ступени сжатия (обратный канал) принципиально не отличаются от применяемых в турбогазодувках (см. рис. IV-13).

Рабочие колеса турбокомпрессоров часто секционируют, размещая их в двух или трех корпусах. В связи со значительной степенью сжатия газа в турбокомпрессорах и соответствующим увеличением температуры газа возникает необходимость в охлаждении сжимаемого газа, которое осуществляют либо путем подачи воды в специальные каналы внутри корпуса, либо в выносных промежуточных холодильниках. Охлаждение газа в холодильниках, установленных между группами неохлаждаемых колес, более эффективно и облегчает очистку поверхности теплообмена.

На рис. 1У-15 представлена энтропийная диаграмма сжатия газа в турбокомпрессоре с двумя промежуточными холодильниками и охлаждением газа после последней ступени. Диаграмма построена при допущении, что газ охлаждается (по изобаре) в холодильниках до начальной температуры Т_г исходного газа и потери давления в холодильниках равны нулю. Процесс изображается ломаной АСОЕРйН. Заштрихованная площадь эквивалентна выигрышу в работе, получаемому по сравнению со сжатием газа без промежуточного охла­ждения.

Процесс сжатия газа в турбокомпрессорах аналогичен сжатию газа в турбогазодувках. Как видно из рис. IV-!5, после сжатия в группе неохлаждаемых колес турбокомпрессора (линии АС, ИЕ и ТО) газ имеет темпрратуру Г₂ более высокую, чем температура Т_г в конце адиабатического сжатия (точки В). Так же как и в турбогазодувках, увеличение темпера­туры газа сверх адиабатической происходит вследствие дополнительного нагрева газа за счет тепла, выделяемого при трении его о лопатки и плоскости вращающихся рабочих колес.