Типи н основні параметри компресорних машин

Типи компресорних машин

Компресорні машини за величиною тиску поділяються на такі групи:

1. низького тиску (надлишковий тиск до 0,1 кгс/см²) – вентилятори;

2) середнього тиску (надлишковий тиск 0,1-3 кгс/см²) без охолодження - газодувки;

3) високого тиску (надлишковий тиск від 3 кгс/см² і вище) з охолодженням - компресори;

4) вакуумні (розрідження більше 0,5 кгс/см²) -вакуум-насоси.

Незважаючи на конструктивні відмінності кожної групи машин, принцип дії їх однаковий. Тому газодувки, вентилятори і вакуум-насоси можна розглядати як різновид компресорів.

Компресори діляться на поршневі, ротаційні, відцентрові, осьові і струменеві. Відцентрові компресори називаються турбокомпресорами і турбогазодувками. До відцентрових і осьових компресорів можуть бути віднесені вентилятори. Вакуум-насоси являють собою компресори, в яких газ засмоктується при розрідженні і виштовхується під тиском дещо більшим атмосферного.

Процеси стиснення газу

Роботу, витрачену на стиснення газу в компресорі, можна визначити із узагальненого рівняння Бернуллі (6-38). Зазвичай не враховують відмінності швидкостей газу ω₁ і ω₂ до і після стиснення, т. б. вважають, що ω₁ = ω₂. Тоді рівняння має вигляд:

l + q = i₂ − i_1.

З цього виразу випливає, що витрачена в компресорі робота l і підведене до газу тепло q витрачаються на збільшення ентальпії газу.

Теоретично процес стиснення газу в компресорі може бути адіабатичним або ізотермічним.

При адіабатичному стисненні тепло не підводиться до газу і не відводиться від нього, т. б. q = 0, і рівняння приймає вигляд:

l = i₂ − i_1.

У цьому випадку вся витрачена в компресорі робота обертається в тепло і витрачається на нагрівання газу, внаслідок чого його ентальпія зростає. При адіабатичному стисненні значно підвищується температура стисненого газу.

В ізотермічному процесі газ стискається при постійній температурі. У цьому випадку внутрішня енергія газу не змінюється (u₁ = u₂) і дотримується рівність рυ₁ = рυ₂. oтже, u₁ + рυ₁ = u₂ + рυ₂, або і₁ = i₂, т. б. ентальпія газу при стисненні не змінюється. Відповідно рівняння приймає вигляд:

l + q = 0, або l = − q

Знак мінус перед q вказує на відведення тепла. Таким чином, при ізотермічному стисненні вся витрачена робота обертається в тепло і відводиться від газу, внаслідок чого температура, внутрішня енергія і ентальпія газу не змінюються. Отже, при ізотермічному стисненні газу необхідно охолоджувати компресор, щоб відводити тепло, еквівалентне витраченій роботі.

Процеси стиснення газу наочно можуть бути зображені на ентропійній, або тепловій, діаграмі Т - S (рис.).

Рис. Діаграма Т – S процесу стиснення газу.

На осі ординат цієї діаграми відкладається абсолютна температура (Т), по осі абсцис - ентропія (S). Як відомо з термодинаміки, ентропія являє собою деяку функцію стану тіла, яка збільшується при підведенні до нього тепла, причому це збільшення тим менше, чим вище температура тіла.

На Т - S діаграмі нанесені лінії, відповідні постійному тиску (ізобари), і лінії, відповідні постійній температурі (ізотерми), які зображуються горизонтальними прямими. Лінія АКВ є прикордонною кривою. Область, що лежить нижче цієї кривої, відповідає вологому пару, гілка АК - рідини при температурі насичення, гілка КВ - сухому насиченому пару. Точка К є критичною точкою. Зліва від гілки АК знаходиться область рідини, праворуч від гілки КВ - область перегрітої пари. Так як випаровування і конденсація рідини протікають при постійних температурах і тиску, то в області вологої пари ізобари співпадають з ізотермами. Конденсація суміші вологих парів протікає при змінній температурі, тому в таких випадках ізобари в області вологої пари не збігаються з ізотермами.

Процеси стиснення газу в компресорі зображуються на діаграмі Т-S наступним чином. При адіабатичному стисненні q = 0, отже за формулою (7-31) Д5 = 0, т. Е. Процес йде без зміни ентропії (S = const). Тому процес зображується вертикальною лінією 1-2, причому точка 1 характеризує стан газу до стиснення і лежить на перетині ізобари pi і ізотерми Ti; точка 2 відповідає

Потужність компресорів

Теоретична потужність, що витрачається в компресорі, дорівнює добутку його продуктивності на роботу стиснення газу:

, кВт

або

.

У цих рівняннях:

l - теоретична робота стиснення, Дж/кг;

Q - продуктивність компресора, м³/хв.;

ρ - щільність газу, кг/м³;

G - кількість засмоктуваного газу, кг/с.

Для розрахунку теоретичної потужності, споживаної компресором, замість визначення величини l по Т-S-діаграмі можна користуватися такими формулами:

при ізотермічному стисненні газу:

, кВт,

при адіабатичному або політропічному стисненні газу:

, кВт.

де р₂/р₁ - ступінь стиснення газу в компресорі, що дорівнює відношенню тиску нагнітання р₂ (в н/м²) до тиску всмоктування р₁ (в н/м²);

V- об’єм засмоктуваного газу, м³/с;

m - показник адіабати або політропи (залежно від характеру процесу стиснення газу).

Найменша робота затрачається при ізотермічному стисненні газу. Відношення потужності при ізотермічному стисненні N_із до індикаторної потужності N_інд (яка визначається за індикаторною діаграмою) характеризує досконалість теплового процесу в компресорі, що працює з охолодженням газу, і носить назву ізотермічного к. к. д. (η_із). Отже, індикаторна потужність дорівнює:

.

Для компресорів, що працюють без охолодження газу, визначають відношення потужності при адіабатичному стисненні до індикаторної потужності. Це відношення являє собою адіабатичний к. к. д. (η_ад). Таким чином, індикаторна потужність складає:

.

Поршневі компресори

Типи поршневих компресорів

Поршневі компресори по числу ступенів стиснення діляться на одноступінчаті, двоступінчасті і багатоступінчасті, а за характером дії - на компресори простої (одинарної) і подвійної дії.

Одноступінчасті компресори виготовляються горизонтальними і вертикальними; горизонтальні компресори є здебільшого машинами подвійної дії, а вертикальні - простої дії.

Одноступінчатий компресор простої дії (рис.1 а) має циліндр 1, який з одного боку відкритий, а з іншого - закритий кришкою, в якій розташовані всмоктуючий і нагнітальний клапани 3 і 4. Поршень 2 з'єднаний безпосередньо з шатуном 5. Такі компресори відрізняються простотою будови - вони не мають сальника і повзуна (крейцкопфа).

У одноступінчатих компресорах подвійної дії (рис.1 б) газ в циліндрі 1 стискається по обидві сторони поршня 2; тому циліндр забезпечений двома всмоктуючими клапанами 3 і двома нагнітальними клапанами 4. Будова компресорів подвійної дії є складнішою, але зате, при рівній вазі і рівній займаній площі, вони дають вдвічі більшу продуктивність, ніж компресори простої дії.

Для охолодження стисненого газу циліндр, а іноді і кришки компресорів оснащують водяними сорочками (на рис.1 не показані). На корінний вал компресора насаджений маховик 8.

Для збільшення продуктивності одноступінчатих компресорів простої та подвійної дії вони виготовляються багатоциліндровими. У двоциліндровому компресорі простої дії (рис.1 в) поршні працюють паралельно, привід поршнів здійснюється від одного колінчастого вала з кривошипами, зсунутими один відносно одного на кут 90 або 180 °.

Для стиснення газу до надлишкового тиску вище 4-5 кгс/см² (максимум 7 кгс/см²) застосовують багатоступінчасті компресори з двома і більше ступенями, причому газ охолоджується в холодильниках між ступенями стиснення.

Рис. Одноступінчасті поршневі компресори:

а - одноциліндровий простої дії; б одноциліндровий подвійної дії; в - двоциліндровий простої дії; 1 - циліндр; 2- поршень; 3 - всасуючий клапан; 4 - нагнітальний клапан; 5- шатун; 6 - крейцкопф; 7-кривошип; 8- маховик.

Багатоступінчасті компресори виготовляють з послідовним розташуванням циліндрів (по одній осі) - системи тандем (рис.2, а) або з паралельним розташуванням циліндрів - системи компаунд (рис.2, б).

Двоступеневі горизонтальні компресори часто виготовляють одноциліндровими із ступінчастим або диференціальним поршнем (рис.2, в). Газ спочатку стискається в циліндрі 1 однією стороною поршня 2, потім охолоджується в проміжному холодильнику 9, з якого знову надходить у циліндр по інший бік поршня і стискається до заданого кінцевого тиску.

Горизонтальні компресори є тихохідними (n = 80-300 об/хв.). Вони з'єднуються з двигуном ремінною передачею. Вертикальні компресори швидкохідні (n = 300-350 об/хв. і більше) і з'єднуються з двигуном або безпосередньо, або через ремінну, зокрема клиноремінну передачу.

Багатоступінчасті горизонтальні компресори часто приводяться в дію тихохідним електродвигуном, ротор якого насаджений на вал компресора і служить одночасно маховиком.

З'єднання компресора з двигуном в один агрегат дає можливість значно зменшити площу, займану машиною, причому для більшої компактності циліндри компресора іноді розташовують V – подібно, під кутом один до одного (рис.2, г).

Рис.2 . Багатоступінчасті поршневі компресори:

а - системи тандем, б - системи компаунд; в - з диференціальним поршнем; г - з V - подібним розташуванням циліндрів; 1 - циліндр, 2 - поршень; 3 - всмоктувальний клапан; 4 - нагнітальний клапан; 5 - шатун; б-крейцкопф; 7-корінний вал; 6 - маховик; 9 - проміжний холодильник.

Стиснений газ з поршневих компресорів направляється до місць споживання через газозбірник (ресивер), що служить буфером для пом'якшення поштовхів газу, нерівномірно нагніваємого компресором, і коливань тиску газу при нерівномірному споживанні. У газозбірнику газ очищується від масла і вологи.