Глава VII

ОБЪЕМНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

§ 48. Общие сведения

Объемный компрессор — это компрессор, у которого процессы всасывания и сжатия газа происходят вследствие изменения объ­ема рабочей камеры. Если изменение объема производится порш­нем, движущимся возвратно-поступательно, то такой компрессор называется поршневым. У роторного компрессора изменение объ­ема происходит с помощью вращающихся роторов.

Поршневые компрессоры классифицируют: по расположению цилиндров — горизонтальные, вертикальные, угловые, оппозитные; по числу цилиндров — одно-, двух-, трех- и многоцилиндровые; по числу ступеней сжатия — одно-, двух-, трех-, семиступенчатые; по способу действия — одно- и двустороннего действия; по произ­водительности—малой до 10 м3/мин, средней от 10 до 30 м3/мин, большой выше 30 м3/мин; по конечному давлению — низкого дав­ления до 1,0 МПа, среднего —от 1,0 до 8,0 МПа, высокого —от 8,0 до 100 МПа, сверхвысокого —выше 100 МПа; по виду привода — приводные, прямодействующие и ручные; по роду сжимаемого га­за — воздушные и газовые.

Роторные компрессоры могут быть: винтовые, пластинчатые, жидкостно-кольцевые. Объемные компрессоры, в которых роль

§ 49. Теоретический и действительный циклы работы одноступенчатого компрессора поршня выполняют диафрагмы (мембраны), называются диафраг-мовыми.

Химическая, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая про­мышленности являются основными потребителями крупных порш­невых компрессоров. Их применяют, в частности, в производстве аммиака, метанола, карбамида, этилена, полиэтилена и др.

Технический прогресс в этих отраслях промышленности нераз­рывно связан с совершенствованием и развитием компрессорострое-ния.

Высокие темпы роста крупнотоннажных производств (амми­ака, аммиачной селитры, азотной кислоты, этилена, полиэтилена, переработки нефти и др.), а также развитие новых производств (например, полимеризационных пластических масс, синтетических волокон и др.) поставили перед химическим машиностроением но­вые задачи: создать и быстро освоить выпуск оборудования для новых отраслей и агрегатов большой единичной мощности. В по­следние годы организовано производство крупных быстроходных оппозитных компрессоров современной конструкции, которые за­менили устаревшие горизонтальные компрессоры. Оппозитные ком­прессоры приняты в качестве основы для дальнейшего совершенст­вования газовых компрессоров мощностью выше 250 кВт. Их пока­затели соответствуют современному уровню компрессоростроения. Давление нагнетания оппозитных компрессоров достигает 250— 320 МПа, поршневая сила 600 кН, мощность привода более 8000 кВт, максимальное число рядов 10.

Значительно возрос уровень автоматического контроля основных параметров, защиты и управления компрессорными установками.

Для сжатия больших количеств газа более широко используют комбинированные компрессорные установки с центробежными ком­прессорами в первом каскаде на ступенях более низкого давления и поршневыми оппозитными во втором каскаде на ступенях более высокого давления.

За последние годы достигнуты значительные успехи в области повышения КПД горизонтальных поршневых компрессоров, уве­личения их быстроходности и уменьшения габаритных размеров. Совершенствование поршневых компрессоров проявилось также в выпуске машин без смазывания цилиндров, в том числе на давле­ние выше 15 МПа, в создании высокопроизводительных устано­вок, расположенных вне помещения или в полуоткрытом помеще­нии, в применении промежуточных и концевых холодильников воз­душного охлаждения для компрессоров.

Перспективное направление в создании поршневых компрессо­ров составляет продолжение совершенствования многослужебных агрегатов, объединяющих на одном общем валу цилиндры с раз­личными рабочими газами. При этом возрастает единичная мощ­ность агрегата, повышается его компактность, упрощается монтаж-но-технологическая схема.

Рассмотрим рабочий процесс идеального компрессора, у кото­рого: во всасывающем и нагнетательном клапанах отсутствует сопротивление прохождению газа; во всасывающем и нагнетатель­ном трубопроводах давление постоянно; температура газа на ли­ниях всасывания или нагнетания остается неизменной; в конце сжатия весь газ выталкивается из цилиндра.

На рис. 67 показана схема компрессора и его индикаторная диа­грамма. Рабочий процесс происхо­дит следующим образом.

При движении поршня 9 впра­во при закрытом нагнетательном клапане 8 в цилиндр через откры­тый всасывающий клапан 7 посту­пает газ. Процесс всасывания на диаграмме изображен линией 1—6. При движении поршня влево вса­сывающий клапан закрывается и газ сжимается, так как объем рабо­чей камеры уменьшается. Если при сжатии отводится вся выделившая­ся теплота, то сжатие будет изомет­рическим (линия 6—,3), если сжатие происходит без теплообмена со внешней средой, ТО оно будет ади­абатным (линия 6—5). В действи­тельности из-за частичного теплообмена сжатие будет происхо­дить по политропе (линия 6—4). Затем открывается нагнетатель­ный клапан и газ выталкивается из цилиндра (линия 5—2). При повторном движении поршня вправо давление в цилиндре мгно­венно снижается (линия 2—1), начинается всасывание через от­крывшийся всасывающий клапан и все процессы повторяются.

Площадь диаграммы, ограниченная линиями всасывания, сжа­тия, нагнетания и падения давления, показывает в определенном масштабе работу, которая затрачивается в компрессоре на сжатие единицы объема газа. Эта работа будет различной в зависимости от того, по какой линии происходит сжатие газа. При изотермиче­ском сжатии работа будет минимальной. На практике процесс сжа­тия газа стремятся приблизить к изотермическому, для чего ох­лаждают компрессоры и газ.

Действительный процесс сжатия газа в цилиндре компрессора существенно отличается от теоретического (рис. 68). Прежде всего в конце нагнетания не весь газ выталкивается в нагнетательный трубопровод, часть его остается в каналах клапанов, клапанных гнёздах и в зазоре между крайним положением поршня и крышкой цилиндра. Сжатый газ, оставшийся после нагнетания в цилиндре, занимает объем, называемый вредным пространством V0. При дви-

жении поршня вправо газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется (линия 2—1) и отдает почти всю энергию, которая была затрачена на его сжатие. Таким образом, наличие вредного пространства не влияет на расход энергии. Кроме того, сжатый газ, находящийся во вредном пространстве, служит как бы буфе­ром между поршнем и крышкой цилиндра.

Всасывание газа начинается в точке / лишь тогда, когда газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется и давление

его понизится до давления р\. Всасывание газа происходит не на всем ходе поршня,, а лишь на части его, т. е. нали­чие вредного пространства уменьшает рабочий объем ци­линдра. Всасывающие клапа­ны и всасывающий трубопро­вод оказывают сопротивление движению газа, особенно при подъеме клапанов. Поэтому давление в начале всасывания несколько ниже давления р{. Всасывание газа (линия 1—4) происходит почти при постоян­ном давлении. Сжатие газа протекает по политропе 4—3. Когда давление в цилиндре в про­цессе сжатия достигнет значения, несколько превышающего дав­ления р2, то открывается нагнетательный клапан и начинается процесс нагнетания (линия 3—2). Некоторый избыток давления требуется для преодоления инерции и сопротивления нагнета­тельного клапана.

Если сжимать газ до высоких давлений в одном цилиндре, то возникает много осложнений: в результате высокого сжатия чрез­мерно нагревается газ и оказывает большое сопротивление движе­нию поршня; при высокой температуре ухудшаются условия сма­зывания— смазка разжижается, разлагается, образует нагар на стенках цилиндра, поршня, клапанах; уменьшается коэффициент использования рабочего объема цилиндра, так как оставшийся во вредном пространстве газ будет расширяться на большей части хода поршня; увеличивается расход мощности на сжатие газа.

Чтобы избежать эти нежелательные последствия сжатия в од­ном цилиндре, процесс разбивают на несколько ступеней, т. е. ис­пользуют многоступенчатое сжатие.

Но увеличение числа ступеней сжатия усложняет конструкцию, обслуживание и ремонт компрессора. Поэтому экономически оп­равдано разбивать сжатие не более чем на семь ступеней.