3. Компрессорные машины

3.1.Основные понятия. Назначение и области применения компрессорных машин

Понятие о компрессорных машинах и их классификация по некоторым признакам даны в п. 1.

Основными параметрами компрессорных машин являются производительность, степень сжатия и изотермический КПД. Производительность –количество газа, выраженное в единицах объема, подаваемое машиной в единицу времени. Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объема газа, приведенного к нормальным условиям (273 К и 101 325 Па). Степень сжатия  – это отношение давления р_к в линии нагнетания к давлению р_о на линии всасывания. Изотермический КПД _из характеризуется отношением мощности, необходимой для сжатия газа идеальной компрессорной машиной при изотермическом процессе сжатия газа, к фактической мощности компрессорной машины.

В дополнение к классификации, приведенной в п. 1, компрессоры классифицируются по отрасли производства, для которой они предназначены (химические, энергетические, общего назначения и т. д.), по роду сжимаемого газа (воздушные, кислородные, хлорные, азотные, гелиевые и т. д.), по непосредственному назначению (пускового воздуха, тормозные и т. п.).

По конечному давлению различают:

- вакуум-компрессоры (вакуум-насосы) – машины, которые служат для отсасывания газа из пространства с давлением ниже или выше атмосферного; степень сжатия  таких машин обычно превышает 100;

- компрессоры низкого давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа;

- компрессоры среднего давления – с давлением в линии нагнетания от 1,2 до 10 МПа;

- компрессоры высокого давления – с конечным давлением от 10 до 100 МПа;

- компрессоры сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше 100 МПа.

Компрессоры называют дожимающими, если давление всасываемого газа р_о существенно превышает атмосферное.

По способу отвода теплоты различают компрессоры с водяным и воздушным охлаждением. По типу привода – с приводом от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины. Для удобства монтажа часто используют электродвигатели, ротор которых является валом компрессора (моноблочный принцип).

Расчет, конструирование и эксплуатация компрессора ведутся с учетом свойств газа, для сжатия которого он предназначен. Свойства сжимаемого газа определяют размеры и конструкцию главных узлов и деталей компрессора. Например, при сжатии пожароопасных газов (кислород, водород, углеводородные газы и др.) необходимо обеспечение повышенной герметичности компрессора и взрывобезопасности двигателя, систем защиты и управления. При сжатии газов, отличающихся токсичностью (оксид углерода, хлор и др.) или повышенной текучестью (гелий), главное требование — герметичность компрессора. При сжатии газов с коррозионными свойствами (сероводород, хлор и др.) необходимо применение специальных материалов для деталей газового тракта компрессора.

Некоторые газы активно вступают в химическую реакцию с минеральным маслом (например кислород), растворяют минеральное масло или смывают его с трущихся поверхностей компрессора (например углеводородные газы и их смеси), поэтому необходимо применение специальной смазки или выполнение конструкции компрессора, не требующей смазки.

Области применения компрессоров по производительности и давлению (рис. 1.7) не являются постоянными и расширяются в ходе научно-технического прогресса.

Наиболее распространены и многообразны по конструктивному выполнению, схемам и компоновкам поршневые компрессоры; их различают по устройству кривошипно-шатунного механизма (крейцкопфные и бескрейцкопфные), устройству и расположению цилиндров (простого и двойного действия, L-, У- и Ш–образные, горизонтальные и вертикальные, оппозитные, со ступенчатым поршнем и т. д.), числу ступеней сжатия. Поршневые компрессоры широко применяют в установках для получения искусственных удобрений и пластических масс, в холодильной промышленности и криогенной технике. В азотно-туковой промышленности поршневыми компрессорами сжимается азотно-водородная смесь до 25…50 МПа. В производстве полиэтилена сжатие этилена осуществляется до 200…250 МПа. В нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности поршневые компрессоры применяются в газлифтах, в процессах очистки нефтепродуктов от сернистых соединений и каталитического риформинга легких нефтепродуктов, для получения высокооктанового бензина и ароматических углеводородов. Необходимо отметить, что производительность объемных компрессоров слабо зависит от давления нагнетания.

В области средних и больших производительностей, низких и средних давлений часто используют винтовые компрессоры. Винтовые маслозаполненные компрессоры общего назначения с воздушным и водяным охлаждением и асимметричным профилем, несмотря на меньший КПД, более эффективны (по стоимости 1 м³ сжатого газа) по сравнению с поршневыми, центробежными и ротационно-пластинчатыми компрессорами в диапазоне производительностей от 10 до 50 м³/мин. Межремонтный пробег винтовых компрессоров определяется износом подшипников, срок службы которых составляет не менее 15 тыс. ч, а в отдельных случаях достигает 100 тыс. ч. Одна из особенностей винтовых компрессоров — способность сжимать двухфазные (газ – жидкость) среды.

В 1980-х гг. появились данные о моноблочных воздушных одноступенчатых винтовых компрессорах, в полости сжатия которых вместо масла впрыскивается вода, что обеспечивает уплотнение зазоров, почти изотермический процесс сжатия и чистоту сжатого воздуха. Вода подается через регулятор, и после использования легко сепарируется с повторным использованием или сбросом в канализацию. По сравнению с аналогичными по параметрам двухступенчатыми винтовыми компрессорами сухого сжатия (без применения смазывающе-уплотняющей жидкости) водозаполненные компрессоры менее металлоемки, в них отсутствуют промежуточный и конечный холодильники.

Ротационно-пластинчатые компрессоры и вакуум-насосы также достаточно широко распространены и занимают устойчивое положение в области малых производительностей. Ротационно-пластинчатые компрессоры общего назначения выпускают производительностью от 0,1 до 100 м³/мин, с абсолютным давлением всасывания от 0,01 до 0,1 МПа и давлением нагнетания: до 1,2 МПа – в одноступенчатом исполнении; 1,6 МПа МПа – в двухступенчатом; 2,5 МПа – в трехступенчатом. В указанном диапазоне параметров ротационно-пластинчатые компрессоры практически не уступают поршневым компрессорам по КПД и превосходят их в компактности, уравновешенности и надежности. В выпуске ротационно-пластинчатых компрессоров общего назначения увеличивается доля машин сухого сжатия и маслозаполненных с постепенным отказом от смазываемых компрессоров.

При откачке и сжатии различных газов и газожидкостных смесей, загрязненных механическими примесями, применяются машины жидкостно-кольцевые (в частности, водокольцевые), а также машины типа Рутс (машина с вращающимися профилированными роторами). По сравнению с машинами других типов эти машины получили наибольшее распространение в качестве вакуум-насосов производительностью от самых малых до 400 м³/мин, а машины типа Рутс – до 2000 м³/мин при абсолютном давлении всасывания от 0,02 МПа и выше.

Наиболее экономичны в области больших производительностей центробежные компрессоры общего назначения производительностью от 20 м³/мин и выше. Совершенствование конструкций центробежных машин привело к использованию их там, где традиционно применялись другие типы компрессоров. К преимуществам их относятся высокая производительность, долговечность и более высокая надежность работы, малые габариты и масса, подача газа без пульсаций давления. В настоящее время эксплуатируются центробежные компрессоры с давлением нагнетания более 100 МПа.

Осевые компрессоры характеризуются производительностью более 1000 м³/мин и относительно небольшой степенью сжатия в одной ступени ( = 10¸ 15). В большинстве случаев – это многоступенчатые машины, применяемые в авиационной, криогенной технике, в машиностроительной, газовой, химической, металлургической и др. отраслях промышленности. Современные осевые компрессоры газотурбинных установок имеют степень сжатия до 25…35 и выше. В зависимости от скорости газового потока в рабочих органах различают дозвуковые и сверхзвуковые осевые компрессоры с турбо- или электроприводом с частотой вращения 500 с^–1 и выше. Осевые компрессоры стационарных установок имеют преимущество перед центробежными — более высокие КПД; однако масса и габариты их несколько выше. Стоимость крупных стационарных установок центробежных и осевых компрессоров примерно одинаковыодинакова. Однако осевые компрессоры имеют ограниченный диапазон рабочих режимов из-за помпажа, чувствительности к коррозии и эрозии.