22.1.3. Охлаждение газа в компрессорах

Из термодинамики известно (см. подразд. 8.6), что для устройства, рабочий процесс которого в системе координат р-w изображается в виде замкнутой линии, механическая работа пропорциональна площади, ограниченной этой линией, т.е. площади его индикаторной диаграммы. Минимальная площадь будет в том случае, если процесс сжатия (кривая 1—2 на рис. 22.2, а) будет соответствовать изотермическому процессу.

В таком процессе постоянная температура газа поддерживается за счет отвода тепла, выделяющегося в компрессоре. На практике добиться изотермического процесса сжатия газа не удается из-за необходимости серьезных усложнений конструкции системы охлаждения. В промышленных компрессорах различных типов система

охлаждения обеспечивает политропический процесс сжатия, для которого показатель политропы 1 < n<к (для воздуха к =1,4).При этом, чем эффективнее система охлаждения, тем ближе процесс сжатия к изотермическому.

Охлаждение в компрессорах бывает водяное и воздушное. Воздушное охлаждение малоэффективно и применяется в компрессорах малой мощности. В промышленных компрессорных установках охлаждение происходит за счет циркуляции по полостям в корпусе компрессора охлаждающей жидкости, обтекающей рабочие |камеры (см. рис. 22.3). В центробежных компрессорах полости проектируют так, чтобы охлаждающая жидкость обтекала стенки направляющего аппарата каждой ступени (см. рис. 22.1). Такое охлаждение называют внутренним или рубашечным, так как полости корпуса образуют как бы рубашку охлаждения.

В компрессорных установках, где используются объемные многоступенчатые компрессоры, помимо внутреннего охлаждения применяют внешнее с помощью охладителей, в которых газ отдает теплоту на пути между ступенями. В качестве таких охладителей чаще всего используют обычные трубчатые теплообменники (радиаторы), в которых под напором циркулирует вода или специальная охлаждающая жидкость. Использование и внутреннего, и внешнего охлаждения сжатого газа существенно повышает экономичность работы компрессоров.

Привод поршневого компрессора

Наиболее распространён электрический привод компрессоров, отличающийся простотой устройства и обслуживания, надёжностью, компактностью, постоянной готовностью к действию. При мощности до 50 квт применяют преимущественно короткозамкнутые электродвигатели, свыше 50 квт – также с фазовым ротором. При мощности свыше 100 квт предпочитают синхронные электродвигатели.

Компоновка электродвигателя с компрессором зависит от частоты вращения вала компрессора и двигателя. Если эта частота меньше, чем у электродвигателя, соединение осуществляется с помощью клиноремённой передачи или ротора. Когда частоты вращения валов одинаковы, соединение компрессора с обособленным электродвигателем производят нежесткими муфтами или применяют электродвигатели консольного типа, статор которых устанавливают на общем с компрессором фундаменте, а ротор насаживают на удлинённый конец коленчатого вала. Для получения компактной установки применяют фланцевые или встроенные электродвигатели, статор которых крепят фланцем к станине компрессора или выполняют с ним заодно, а ротор насаживают на конец коленчатого вала. Горизонтальные компрессоры часто приводятся в движение малооборотными электродвигателями, расположенными между рядами, причём ротор двигателя, насаженный на коренной вал компрессора, служит его маховиком.

Г

Рис. 10. Схемы газомоторных компрессоров. 1 — компрессор; 2 — двигатель.

азомоторные компрессоры представляют собой агрегаты, в которых газовый двигатель и компрессор объединены общими станиной и коленчатым валом. Наиболее широко распространены газомоторные компрессоры с вертикально или V-образно расположенными силовыми цилиндрами и с горизонтальными компрессорными цилиндрами (рис. 10). Газомоторные компрессоры выпускают сериями с определённой индикаторной мощностью компрессоров; например серия 8ГК (мощность 220 квт) или серия 10ГКН (мощность 1100 квт) и т.д. В каждой серии имеются модификации, отличающиеся числом и размерами цилиндров компрессора, благодаря чему установленная мощность может быть использована при различных начальном и конечном давлениях компрессора и при разной производительности.

Другой разновидностью компрессоров с непосредственным приводом от поршневого ДВС являются дизель-компрессоры со свободными поршнями (СПДК). На рис. 11 дана схема одноступенчатого СПДК. Давление газов расширяющихся в цилиндре 1 дизеля, расположенного в середине машины, сообщает движение двум поршням 2, синхронно перемещающимися к внешним мёртвым точкам.

Рис. 11. Схема дизель-компрессора со свободными поршнями.

По мере сжатия газа в цилиндрах компрессора противодействие поршням возрастает. При некотором их положении силы давления сжатого воздуха превышают уменьшающиеся по ходу поршней движущие силы дизеля. Возврат поршней к внутренним «мёртвым» точкам происходит под давлением воздуха, оставшегося в «мёртвых» пространствах 3 цилиндров компрессора. Полости 4 цилиндра, примыкающие к цилиндру дизеля, служат как продувочные насосы дизеля. Для обеспечения синхронного движения свободных поршней дизель-компрессор снабжён специальным механизмом, размещённым по бокам цилиндра дизеля. Запуск производят сжатым воздухом.

Дизель-компрессор идеально уравновешен, благодаря чему он не нуждается в фундаменте. Его к.п.д. имеет высокое значение (0,40 – 0,45) по сравнению с 0,25 у комбинированной установки компрессора с дизелем автотракторного типа.

Мощность существующих СПДК сравнительно невелика (30 – 80 квт).

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Назначение регулирования сводится в большинстве случаев к поддержанию постоянного конечного давления, которое зависит от соотношения между подачей компрессора и расходом газа из ёмкости или из сети трубопроводов, куда падает компрессор. Если расход газа возрастает из-за увеличения его потребления, то давление в нагнетательной сети падает, что является сигналом о необходимости увеличить подачу компрессора и привести его в соответствие с потреблением.

Способы регулирования поршневых компрессоров весьма разнообразны. Наиболее распространены следующие:

1. временная остановка двигателя или отключение от него компрессора;

2. изменение частоты вращения вала компрессора;

3. отжим всасывающих клапанов;

4. изменение объёма «мёртвого» пространства;

5. дросселирование во всасывающей линии;

6. перепуск газа во всасывающую линию.

Остановка одного или нескольких компрессоров для ступенчатого изменения производительности компрессорной станции – целесообразный способ регулирования. Отключение компрессора от двигателя, производимое посредством пневматических или электромагнитных муфт, менее экономично, чем остановка двигателя, но более удобно.

И зменение частоты вращения вала компрессора – наиболее выгодный способ регулирования при условии, что двигатель допускает экономичное изменение частоты вращения. К сожалению, этой способностью не обладают не электродвигатель переменного тока, ни в должной мере двигатель внутреннего сгорания, которые в основном используются для привода компрессоров. Регулировать производительность компрессоров можно при помощи коробок передач; однако их применение усложняет установку.

Рис. 12. Схема устройства для отжима всасывающего клапана

Отжим всасывающих клапанов (рис. 12) производится вилкой 5, действующей на пластину 6. Вилка связана с поршнем 4, находящимся в цилиндре 3 и нагруженным пружиной. К цилиндру по трубке 2 подводится газ из области нагнетания. Поршень опускается, вилка ложится на пластину всасывающего клапана и держит его открытым до тех пор, пока давление в воздухосборнике 1 компрессора не снизится до нормального.

В рассматриваемой схеме осуществлено прерывистое регулирование. Имеются также схемы с плавным регулированием, обеспечивающим открытие клапана на части хода. По экономичности этот способ уступает рассмотренным выше, так как при отжатом клапане в цилиндре затрачивается некоторая мощность.