книги из ГПНТБ / Семидуберский, М. С. Насосы, компрессоры, вентиляторы учебник

Р А З Д Е Л В Т О Р О Й

КОМПРЕССОРЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Машины для подачи сжатого воздуха при давлении свыше 3• 105 Н/м2 называются компрессорами. По конструкции и прин­ ципу действия различаются компрессоры поршневые, центробеж­ ные, ротационные и мембранные. Наибольшее распространение получили поршневые и центробежные компрессоры.

В диапазоне средних и малых давлений (7-г8)105 Н/м2, но большой производительности (не менее 50 м3/мин) применяются центробежные, осевые и винтовые компрессоры. В случае отно­ сительно невысокого давления (свыше 10-105 Н/м2) — поршневые и ротационные компрессоры с графитоугольными и лабиринтными уплотнениями; при давлениях порядка (100-г-200) ІО5 Н/м2 — поршневые компрессоры с уплотнениями из композиций на основе фторопластов, а для сверхвысоких давлений (1000-ІО5 Н/м2 и вы­ ше) — пока только мембранные компрессоры с металлической мембраной. Горьковский завод «Двигатель революции» в 1966 году начал выпуск самого крупного в стране газомотокомпрессора про­

до него.

Поршневые компрессоры отличаются высоким к. п. д., однако имеют ряд существенных недостатков, свойственных всем маши­ нам с возвратно-поступательным принципом движения: тихий ход, большие габариты, а также большой фундаментный вес; чувстви­ тельность к загрязнению; наличие быстроизнашивающихся тру­ щихся частей.

За последние ІО-г-15 лет советское компрессоростроение пре­ терпело значительные качественные изменения. Разработаны на­ учно-технические основы конструирования современных компрес­ соров, уделяется большое внимание нормализации и стандартиза­ ции компрессоров и их узлов.

Компрессоростроение в нашей стране и за рубежом развива­ ется в следующих направлениях: а) увеличивается частота вра­ щения вала компрессора; б) используется принцип уравновеши­ вания движущихся масс; в) уменьшаются габариты и вес ком­ прессорной установки, в особенности аппаратуры и коммуникаций за счет совершенствования аппаратуры, повышения эффективно­ сти холодильников и масловлагоотделителей, сокращения длины коммуникаций с расположением аппаратуры таким образом, что­

130

бы газопроводы имели минимальную длину и сами аппараты ча­ стично выполняли функции коммуникаций, соединяющих смежные ступени компрессора; г) применяются межступенчатые холо­ дильники с использованием воздуха в качестве теплоотводящей, среды; д) применяются многоцелевые компрессоры, которые могут сжимать различные газы; е) используется долговечное уплотне­ ние плунжера в цилиндре, а также повышается прочность дета­ лей цилиндров и клапанов; создаются сальники с пластмассовы­ ми уплотняющими элементами, например, фторопластовые саль­ ники для ступеней высокого давления крупных газовых компрес­ соров. Срок службы этих сальников в 3—4 раза больше, чем ме­ таллических. С большим успехом эксплуатируются на компрес­ сорах высокого давления текстолитовые кольца, более долговеч­ ные, чем чугунные; ж) в ЛенНИИХиммаше ведутся работы по дальнейшему усовершенствованию газовых компрессоров без смазки. Впервые в компрессоростроении в лаборатории ЛенНИИХиммаша работает компрессор без смазки при давлении 200-ІО5 Н/м2, имея достаточно высокий срок службы уплотнений поршня; з) нормализация и стандартизация компрессоров, специ­ ализация компрессорных заводов по типоразмерам машин позво­ лили резко увеличить серийность выпуска поршневых компрес­ соров.

В связи с тенденцией укрупнения технологических линий хи­ мических производств перспективным является создание комби­ нированных установок с центробежными компрессорами на сту­ пенях низкого и среднего давлений и поршневыми — на ступенях высокого давления. При этом весьма актуальным становится соз­ дание дожимающих компрессоров высокого давления, работаю­ щих без смазки цилиндров и сальников. Они развивают давление (на этилене) до 2500-105 Н/м2 при производительности 6000 м3/ч„

В области советского компрессоростроении большие работы выполнены НИИХиммашем и его Ленинградским филиалом, кон­ структорскими бюро заводов «Борец», «Компрессор» (Москва) и Сумского завода им. М. В. Фрунзе.

Г л а в а VII

ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

§ 61. Принцип действия поршневых компрессоров

Чередование процессов всасывания и нагнетания в поршневых компрессорах такое же, как в поршневых насосах. При нагнета­ тельном ходе поршня насоса ввиду несжимаемости жидкости сра­ зу же начинается выталкивание жидкости через нагнетательный клапан, а в поршневом компрессоре при нагнетательном ходе

131

поршня воздух сначала сжимается, а уже затем выталкивается поршнем через нагнетательный клапан.

Одноступенчатый компрессор простого действия имеет откры­ тый с одного конца цилиндр 4, в котором движется поршень 3,

При движении поршня влево воздух, находящийся в цилиндре, сжимается до тех пор, пока давление в цилиндре не достигнет величины, достаточной для преодоления сопротивления специаль­ но отрегулированной пружины нагнетательного клапана. По до­

трубопровод. Заметим, что сжатый воздух, выталкиваемый порш­ нем из цилиндра, преодолевает, кроме жесткости пружины, и дав­ ление воздуха в нагнетательном трубопроводе.

Совокупность описанных выше процессов называется циклом работы компрессора. Полный цикл работы компрессора npocforo действия происходит, таким образом, за два хода поршня (впе­ ред и обратно), т. е. за один оборот приводного вала.

§62. Классификация поршневых компрессоров

Взависимости от способа действия, числа' ступеней и т. п. поршневые компрессоры классифицируются следующим образом:

а) по способу действия — простого и двойного;

б) по расположению оси цилиндра— горизонтальные, верти­ кальные, производительностью не более 40 м3/мин; угловые; со звездным расположением цилиндров, применяются при небольших производительностях в передвижных установках;

132

2500-ІО5 Н/м2);

е) по способу охлаждения — с воздушным охлаждением — мел­ кие по габаритным размерам; с водяным охлаждением—-водя­ ная рубашка и наружное охлаждение в промежуточных холодиль­ никах для многоступенчатых компрессоров;,

ж) по частоте вращения — тихоходные (не выше 200 об/мин); средней быстроходности (от 200-^250 об/мин); быстроходные

(450-г-1000 об/мин);

з) по роду сжимаемого газа — воздушные, кислородные, ам­ миачные и т. п.;

и) по установке — стационарные, передвижные.

АНАЛИЗ РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

§ 63. Теоретический процесс сжатия

Сжатие воздуха в компрессоре представляет довольно слож­ ный процесс. Чтобы облегчить его изучение, вводится понятие тео­ ретического рабочего процесса, после которого рассматривается более сложный действительный рабочий процесс.

Теоретическим процесс называется потому, что при его изуче­ нии не учитывается целый ряд факторов, имеющих место в дейст­ вительном рабочем цикле компрессора. В частности, не прини­ мается во внимание трение поршня, а также механические и гид­ равлические сопротивления клапанов при всасывании и нагнета­ нии. Считается, что нагнетание происходит при постоянном дав­ лении в резервуаре (воздухосборнике), куда нагнетается воздух, а давление и температура воздуха, всасываемого в цилиндр, не изменяются. Кроме того, принимается, что процесс сжатия воздуха происходит без отвода тепла, т. е. охлаждения, и что в конце сжа­ тия в цилиндре не остается воздуха.

Теоретический рабочий процесс рассмотрим на примере работы компрессора двойного действия (рис. 109). При ходе поршня впра­ во через клапан гп\ воздух всасывается в левую полость цилинд­ ра; давление в цилиндре на протяжении всего хода поршня посто­ янное и равно атмосферному. Поэтому линия 1—2 на диаграм­ ме параллельна оси абсцисс и называется линией всасывания. При обратном ходе поршня левый всасывающий клапан т.\ закры­ вается, и воздух в цилиндре сжимается. Линия 2—3 называется линией сжатия. Давление увеличивается вследствие уменьшения объема воздуха, так как левый нагнетательный клапан п\ еще закрыт. Когда давление сжатия достигнет р% (положение поршня

133

см. на рис. 109), нагнетательный клапан пі открывается, и сжатый воздух при этом же давлении р2 выталкивается из цилиндра. Ли­ ния 3—4 называется линией нагнетания. По окончании нагнета­ ния, если считать, что в цилиндре не остается воздуха, снова на­ чинается всасывание.

Подобным образом получается диаграмма и для правой поло­ сти цилиндра, но она обратная, т. е. является зеркальным изо­ бражением диаграммы на рис. 109.

Положения поршня в точках I й 2 на дййграммб называются мертвыми, так как в этих местах скорость поршня равна нулю и, следовательно, компрессор не всасывает и не нагнетает. Пло­ щадь диаграммы 1—2—3—4 (индикаторной) в некотором масшта­ бе выражает работу одного цикла, затрачиваемую на всасывание,, сжатие и нагнетание воздуха. Чем меньше площадь индикаторной диаграммы при одинаковой степени повышения давления, тем меньшая работа расходуется на приведение в действие компрес­ сора, и тем экономичнее он работает.

При адиабатном процессе сжатия воздуха (рис. НО), когда к сжимаемому воздуху не подводится и от него не отводится теп­ ло, работа, затрачиваемая на сжатие, будет пропорциональна площади диаграммы 1—2—3—5. Если сжатие ведется по изотер­ ме, т. е. при постоянной температуре, равной начальной темпера­ туре воздуха (с полным охлаждением), то процесс сжатия изо­ бражается кривой 2—4, а работа характеризуется площадью диаг­ раммы 1—2—4—5. Процесс сжатия по изотерме, как видно па величине площади диаграммы, экономичнее. Однако практически изотермическое сжатие невозможно даже при сильном охлаждении цилиндра.

134

При охлаждении цилиндра сжатие происходит по промежуточ­ ному (политропному) процессу. На диаграмме этот процесс ха­ рактеризуется кривой 2—3', называемой политропой. Чем выше конечное давление р2 сжатия, тем больше отклоняется политропа от изотермы. В зависимости от эффективности охлаждения пока­ затель политропы п=1,2-:-1,3. В воздуходувках, где водяное ох­

диаграммы 1—2—3'—5. Заштрихованная на диаграмме площадь соответствует потерям работы из-за отклонения адиабатного про­ цесса от изотермного.

Таким образом, для экономичной работы компрессора необ­ ходимо стремиться к максимальному отводу тепла от компрессора, чтобы процесс сжатия по возможности приближался к изотерми­ ческому.

§ 64. Действительный процесс сжатия в компрессоре

Учесть все факторы, влияющие на рабочий процесс в поршне­ вом компрессоре, очень трудно. Поэтому при изучении действи­ тельного рабочего процесса в компрессоре принимаются во вни­ мание лишь основные факторы, в частности, влияние вредного

уменьшает производительность ком­ прессора, так как сжатый воздух, оставшийся к концу нагнетания,

при .всасывающем ходе поршня расширяется (линия 4—1), а по­ этому всасывание начинается лишь тогда, когда давление воздуха во вредном пространстве снизится до р\. Таким образом, количество

объем воздуха, подаваемый компрессором в воздухосборник, бу­ дет меньше объема, описываемого поршнем.

135

Отношение засасываемого объема воздуха ѵ' к максимально­ му объему v h между поршнем и крышкой цилиндра называется

объемным коэффициентом полезного действия компрессора:

Ѣ= ^' / Ч -

Величина т]о зависит от ѵ0 и от отношения начального и конечного давлений.

Однако, благодаря вредному пространству, в начале всасыва­ ния вследствие расширения сжатого воздуха давление на всасыва­ ющие клапаны действует постепенно, и они плавно поднимаются. Что касается энергии, затраченной на сжатие воздуха, оставшего­ ся во вредном пространстве, то она возвращается поршню при расширении воздуха во время его всасывающего хода. Под влия­ нием вредного пространства производительность компрессора уменьшается, но одновременно уменьшается и энергия, затрачен­ ная на приведение в действие компрессора (уменьшается площадь индикаторной диаграммы).

В процессе всасывания возникают сопротивления в результате

характеризует уменьшение пол&зного хода поршня, в результате чего снижается производительность компрессора.

В начале всасывания давление в цилиндре должно быть мень­ ше давления р { всасываемого воздуха, чтобы атмосферное давле­ ние могло преодолеть механическое, инерционное и гидравличе­ ское сопротивления, оказываемые всасывающим клапаном. Пло­ щадь поверхности пластины нагнетательного клапана со стороны цилиндра меньше, чем со стороны нагнетательной трубы, на вели­ чину опорной поверхности клапана (площади соприкосновения клапана и седла). Поэтому, чтобы открыть нагнетательный кла­ пан, необходимо создать давление в цилиндре большее, чем дав­ ление в нагнетательной магистрали, когда клапан открыт (рис. 113, точка С). Кроме того, сопротивление при нагнетании вызывается-

136

силами инерции выпускного клапана, гидравлическим сопротивле­ нием и противодействием клапанных пружин.

В действительности на индикаторной диаграмме линии всасы­ вания Е — К и нагнетания С — D не получаются плавными, по­ скольку при прохождении воздуха через соответствующие клапаны давление изменяется, возникает пульсация в воздухопроводе и вибрация клапанных пружин.

іОбъем мертвого пространства определяется посредством зали­ вания масла при крайнем положении поршня. Вредное простран­ ство можно уменьшить, удлинив шатун или шток поршня, в зави­ симости от конструкции механизма.

Для получения индикаторной диаграммы (рис. 112) к мертво­ му пространству цилиндра 1 компрессора присоединяется индика­ тор мощности, приводимый через ходоуменьшитель от штока компрессора (рис. 114). При этом карандаш вычерчивает на бара­ бане индикатора диаграмму зависимости давления от положе­ ния поршня (объема газа) в цилиндре. При движении поршня 2 вправо давление газа в цилиндрах компрессора 1 и индикатора 8 заставляет двигаться поршенек 7, а вместе с ним и карандаш 4, вверх. Строго вертикальное движение карандаша обеспечивается спрямляющим механизмом 6. Одновременно шнур <5 поворачивает барабан 5. Вычерчивается линия 2—3 повышения давления (рис. 112). С открытием нагнетательного клапана подъем каран­ даша уменьшается. Движение поршня компрессора, а следова­ тельно, и поворот барабана, продолжаются. Вычерчивается линия нагнетания 3—4. При движении поршня обратно вычерчиваются линии 4— 1 и 1—2. Диаграмма замыкается.

§ 65. Одноступенчатое и многоступенчатое сжатие

Компрессоры простого и двойного действия бывают одноци­ линдровые и многоцилиндровые. Компрессор, в котором воздух сжимается только один раз, после чего выталкивается поршнем

137

в воздухосборник, называется одноступенчатым. Одноступенча­ тые компрессоры могут иметь один или несколько цилиндров. В последнем случае цилиндры работают параллельно, т. е. имеют отдельные всасывающие трубы и подают сжатый воздух в общий воздухопровод. Производительность такого компрессора тео­ ретически равна сумме производительностей каждого из цилин­

дров.

Компрессор, два цилиндра которого работают последователь­

Рис. 115. Схемы многоступенчатых компрессоров

этом охлажденный воздух всасывается из холодильника во II сту­ пень через клапан 3. При втором всасывающем ходе вправо сжа­ тый до давления р2 воздух выталкивается из цилиндра II ступени

138

ное охлаждение цилиндра, будет протекать близко к адиабатно­ му, который, как известно, не экономичен. Кроме того, при высо­ кой ;/сж сильно затрудняется смазка цилиндра, и компрессор рабо­ тает ненадежно, так как в этих условиях сгорает часть масла и на­ рушается уплотнение поршня в цилиндре; возможен также взрыв компрессора. При высоком давлении сжатия мертвое пространство начинает оказывать значительное влияние на работу компрессора

(в результате расширения сжатого воздуха, оставшегося в мерт­ вом пространстве, уменьшается полезный ход поршня). Поэтому одноступенчатые компрессоры применяются для сжатия воздуха до /?2 • ІО5 Н/м2. Для получения более высокого давления воздуха применяются многоступенчатые компрессоры, в которых сжимаемый воздух охлаждается после каждой ступени в проме­ жуточных холодильниках X. В последней ступени воздух дожи­ мается до конечного давления и после этого иногда не охлажда­ ется. Многоступенчатое сжатие дает следующие выгоды: умень­ шение конечной ісж, увеличение объемного коэффициента ком­ прессора; уменьшение затрачиваемой работы. В современных ком­ прессорах высокого давления, число ступеней сжатия в которых

133