Компрессоры: ответы по нагнетательным машинам, часть 2

Компрессоры

устройство для сжатия и подачи газов под давлением (воздуха, паров хладагента и т. д.).

Компрессорная установка - совокупность компрессора, привода и вспомогательного оборудования (газоохладителя, осушителя сжатого воздуха и т. д.)

расход от 0,5 до 700 м3 /мин.
давление на выходе 4-700 кгс/см2. мощность в пределах 3-4000 кВт.

В зависимости от величины рабочих давлений и назначения компрессорные машины делятся:

- вакуумные насосы - предназначены для удаления газов и паров из области низкого давления (как правило ниже атмосферного) в область более высокого давления (атмосферного и выше).

- газодувки - неохлаждаемые компрессоры со степенью сжатия меньше трех (р=0,2-0,3 МПа)

- компрессоры - предназначены для нагнетания газа при давлении

- компрессоры низкого давления - от 0,15 до 1,2 МПа

- компрессоры среднего давления - от 1,2 до 10 МПа

- компрессоры высокого давления - от 10 до 100 МПа

- компрессоры сверхвысокого давления - выше 100 МПа

Если давление всасывания существенно превышает атмосферное, компрессоры называются дожимными.

- вентиляторы - перемещают газ при постоянном давлении 0,1-0,115 МПа. Их принципиальная особенность - практически несжимаемость рабочего агента.

Эффективность применения

Поршневые компрессоры

- давление от 0,1-300,0 и выше МПа,

- подача не превышает 500 м3/мин.

Центробежные и осевые компрессоры

- подача от 50 до 15 000 м3/мин,

- давление не превышает 2,0 МПа.

Роторные компрессоры

большие ограничения параметров как по подаче, так и по давлению

По подаче компрессоры делятся

малые - до 10 м3/мин,

средние - от 10 до 100 м3/мин,

крупные - свыше 100 м3/мин.

Поршневые компрессоры по подаче относятся к разряду малых и средних машин, а турбокомпрессоры - преимущественно к разряду крупных машин.

По способу установки

- стационарные

- передвижные - на рамах и салазках.

Термодинамические основы сжатия газов

Изотермический процесс изменения состояния газа протекает при одной постоянной температуре.

Адиабатический процесс - вся теплота полностью остается внутри газа, повышая его температуру.

p/r=RT β

Изотермический процесс

pV=const=C1 или p1V1=p2V2 =C1

Удельная работа

Адиабатический процесс

pVk=const=C2 или p1V1k=p2V2k=C2

где к=ср/сV - показатель адиабаты;

ср и сV - удельная теплоемкость газа соответственно при р=const и V=const

Удельная работа

Полная удельная работа компрессора

А=Авс+Асж+Авыт

Авс=-p1V1

Авыт= p2V2

Аиз=Асж.из=p1V1ln(p2/p1)

Конечная температура при адиабатическом процессе сжатия

Количество теплоты, которая выделится при изотермном сжатии

q_из=(с_р-c_V)Tln(p₂/p₁)

Политропный процесс

степень сжатия одной ступени

Поршнево́й компре́ссор - тип компрессора. Компрессоры данного типа широко применяются в машиностроении, текстильном производстве, в химической, холодильной промышленности и криогенной технике. Многообразны по конструктивному выполнению, схемам и компоновкам.

Обозначение Поршневой компрессор - энергетическая машина для сжатия и подачи воздуха или жидкостей (масла, хладагента и др.) под давлением

Поршневой компрессор - это машина объемного действия, у которой всасывание, сжатие и вытеснение газа производятся поршнем, перемещающимся в цилиндре возвратно-поступательно.

0 - АА расширение газа

АА-ВВ всасывание

ВВ-СС сжатие рабочего агента

СС-АА нагнетание

Классификация поршневых компрессоров

По расположению осей цилиндров - горизонтальные, вертикальные, угловые, оппозитные

К вертикальным относятся машины с цилиндрами, расположенными вертикально. При горизонтальном расположении цилиндры могут быть размещены по одну сторону коленчатого вала, такие компрессоры называются горизонтальными с односторонним расположением цилиндров; либо по обе стороны вала - с горизонтальными или двухсторонним расположением цилиндров.

К угловым компрессорам относятся машины с цилиндрами, расположенными в одних рядах вертикально, в других - горизонтально. Такие компрессоры называются прямоугольными. К угловым компрессорам относятся машины с наклонными цилиндрами, установленными V-образно и W-образно (компрессоры называются соответственно V- и W-образными).

По приводу - газомоторкомпрессоры, приводные, СПДК (дизель-компрессоры со свободными поршнями).

По соединению поршневой группы - крейцкопфные и бескрейцкопфные.

Одностороннего и двух стороннего действия.

По числу рядов цилиндров - однорядные и многорядные

По устройству поршней - дисковые, тронковые, ступенчатые.

По виду охлаждения - с водяным и воздушным охлаждением.

По виду рабочего агента - воздушные, кислородные, аммиачные и др.

Газомотокомпрессор

Газомотокомпрессор - устройство, предназначенное для:

закачки газа в подземные хранилища газа;

сжатия и перекачивания природных газов на магистральных газопроводах;

интенсификации добычи нефти путем закачки попутного газа в нефтяные пласты;

использования в технологических процессах газо и нефтеперерабатывающих заводах;

добычи газового конденсата "сайклинг - процесс" (извлечение газового конденсата из пласта способом циркуляции газа осушенного от тяжелых углеводородов методом вымораживания в специальном оборудовании);

использования в технологических процессах по сжижению природных газов.

Газомотокомпрессор представляет собой агрегат, состоящий из компрессора и газового двигателя внутреннего сгорания. Двигатель и компрессор смонтированы на общей фундаментной раме.

Схемы поршневых компрессоров

Схема поршневого компрессора включает в себя поршень, цилиндр, всасывающий и нагнетательный клапаны, шток, кривошипно-шатунный механизм, в состав которого входят: крейцкопф, шатун и кривошип. Поршневые компрессоры в основе своей всегда одинаковы.

Действие схемы поршневого компрессора, состоящей из перечисленных элементов, можно разделить на два этапа:

-При движении поршня от крышки цилиндра вдоль оси газ, заключенный в увеличивающемся пространстве, расширяется. Давление внутри цилиндра становится меньше внешнего давления, что приводит к всасыванию порции газа через клапан.

-Нагнетание (сжатие) газа происходит при движении поршня в обратном направлении. Давление в цилиндре увеличивается пропорционально сжатию, что приводит к выпуску сжатого газа через нагнетательный клапан.

По сути, принцип работы схемы поршневого компрессора напрямую связан с изменением температуры газа, потому как изменение его объема зависит от факторов теплообмена между деталями компрессора, газом и окружающей средой.

Особенности схемы.

При сжатии воздуха по приведенной схеме выделяется большое количество тепла. Используя законы термодинамики, нетрудно показать, что если выделяемое тепло выпускать вместе со сжатым газом, то показатель параметра работы для данного процесса будет достаточно высок. Поэтому в целях экономии добавляют еще один элемент в схему (холодильник), предусматривая принудительное внешнее охлаждение, как правило, водяное или воздушное.

Поршни, Клапан, Уплотнения

По́ршень - деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот - возвратно-поступательного движения в изменение давления. В поршневом механизме, в отличие от плунжерного, уплотнение располагается на цилиндрической поверхности поршня, обычно в виде одного или нескольких поршневых колец. (Дисковые, открытые (тронковые), ступенчатые)

Клапан - устройство, предназначенное для открытия, закрытия или регулирования потока при наступлении определённых условий (повышении давления в сосуде, изменении направления тока среды в трубопроводе). Поток (ток) может быть потоком жидкости (вода, кровь, жидкие металлы и др.), газа (воздух, азот, углекислый газ и др.), электронов или других частиц в трубе, проводнике, полупроводнике, вакууме или другой среде.

(кольцевой, беспружинный полосовой, прямоточный)

Уплотнение - устройство, предотвращающее или уменьшающее утечку жидкости или газа через зазоры между деталями машин и сооружений, а также защищающее детали от проникновения грязи и пыли.

А - с плоскими металлическими кольцами

1- уплотняющее кольцо

2- замыкающее кольцо

3- пружина

4- дроссельное кольцо

5- предсальник

В - конические металлические уплотняющие элементы

1- внешнее уплотнительное кольцо

2- внутренние уплотнительные кольца

3- штифт

Г - конические пластмассовые уплотняющие элементы

1- уплотнительные кольца

2- дроссельное кольцо

3- нажимные кольца

4- стягивающая муфта 5- пружин

Идеальный цикл поршневого компрессора

1. Отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в клапанах).

1. Давление и температура газа во всасывающей и нагнетательной линиях постоянны.

1. Давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются.

1. Мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует.

5. Нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.

1-2 сжатие

1-2''' изотермический процесс

1-2' адиабатический

1-2 или 1-2'' политропический

2 - 3 нагнетание

3 - 4 снижение давления

4 - 1 всасывание

1-2-3-4 работа сжатия газа

Затрачиваемая работа равна полезной

При политропическом процессе работа сжатия газа

Работа нагнетания А2=p2V2

Работа, совершаемая газом благодаря имевшейся у него энергии А3=p1V1

работа идеального цикла компрессора

Учитывая, что при политропическом процессе p1V1m= p2V2m, работа при политропическом процессе

Работа при адиабатическом процессе

работу цилиндра, всасывающего газ при давлении, значительно большем атмосферного, определяют с учетом свойств реального газа по следующей зависимости

где r1 и r2 - характеристические коэффициенты, отражающие отклонение свойств газов от закона Бойля-Мариотта.

Реальный цикл

1 Наличие мертвого (вредного) пространства.

2.Изменение давления, объема и температуры газа из-за затрат энергии на преодоление сопротивлений потоку газа в клапанах и каналах и непостоянного режима обмена газа в результате контакта с окружающими его деталями и смешения газа, поступающего в цилиндр, с газом, заполняющим вредное пространство.

28 ПОДАЧА ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

Подача компрессора - объем или масса газа, проходящего за единицу времени по линии всасывания или линии нагнетания компрессора.

Расход газа на нагнетании всегда меньше, чем на всасывании, за счет утечек газа через неплотности.

Объемный расход газа обычно приводится к условиям всасывания (к давлению и температуре во всасывающей линии)

Q=λV_тn

λ- коэффициент подачи

λ=Q/Q_т

Λ = λ о λ г λ т λ р

λ_р - коэффициент давления; l_т - температурный коэффициент;λ_г - коэффициент герметичности;

λ_о - коэффициент объема

λо=Vр/Vт , λг = 0,95-0,98;

λт отражает влияние нагрева газа при всасывании λт =Т1/Т4

Т1 -температура газа в конце всасывания;

Т4 -температура газа в начале всасывания

λт=1-0,01(ε-1)

λр = 0,95-0,98

Объем V₄ для политропы расширения

ε_ц - отношение давления в конце нагнетания к давлению в конце всасывания

а - относительная величина мертвого пространства а= V_M/ V_т

m1 - показатель эквивалентной политропы учитывает снижение подачи компрессора за счет уменьшения давления газа в цилиндре при всасывании по сравнению с давлением во всасывающем патрубке

Степень сжатия

а) компрессора

б) отдельной ступени

Температура в конце сжатия в рассматриваемой ступени

Средний показатель политропы сжатия

Показатель политропы расширения зависит от:

от диаметра цилиндра, числа оборотов (чем больше оборотов, тем m→k), относительного объема вредного пространства, давления (низкая или высокая ступень сжатия, для 1 ступени m=1-0,5(k-1), для 2 ступени m=1-0,62 (k-1).

Мощность привода компрессора

N=N_инд+ N_м1+ N_м2+ N_всп

N_м1 - механические потери в механизмах компрессора

N_м2 - механические потери в передачах от привода к компрессору

N_всп - мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных устройств

Индикаторная мощность:

-для охлаждаемых компрессоров

-для неохлаждаемых

N_м1= N_инд/h_мех

h_мех = 0,9-0,93 (вертикальный компрессор)

h_мех = 0,88-0,92 (горизонтальный компрессор)

N_м2=( N_инд+ N_м1)/h_пер

h_пер = 0,9-0,95 (ременная передача)

h_пер = 0,85-0,92 (зубчатая передача)

Мощность, затрачиваемая во вспомогательных устройствах, определяется в зависимости от типа вспомогательного устройства.

Мощность привода выбирают с запасом, увеличивая на 10-12% мощность компрессора.