IV. Перемещение и сжатие газов

(компрессорные машины)2

1. Общие сведения

2. Поршневые компрессоры

3. Ротационные компрессоры и газодувки

4. Центробежные машины

5. Осевые вентиляторы и компрессоры

6. Винтовые компрессоры

8. Сравнение и области применения компрессорных машин

IV. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ И СЖАТИЕ ГАЗОВ

(КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ)

Общие сведения

На предприятиях химической промышленности подвергаются пере­работке значительные количества газов и их смесей. Проведение многих химических процессов в газовой фазе при давлении, отличном от атмо­сферного, часто приводит к увеличению их скорости и уменьшению необ­ходимого объема реакционной аппаратуры. Сжатие газов используют для перемещения их по трубопроводам и аппаратам, создания вакуума. Сжатые газы применяют для перемешивания, распыления жидкостей и т.п. Интервал давлений, применяемых в химических производствах, колеблется в широких пределах — от 10 -3 до 10 8 н/м 2 (10 -8 —10 3 am).

Машины, предназначенные для перемещения и сжатия газов, назы­вают компрессорными машинами.

Отношение конечного давления р₂, создаваемого компрессорной ма­шиной, к начальному давлению p₁, при котором происходит всасывание газа, называется степенью сжатия.

В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрес­сорных машин:

1) вентиляторы ( 3.0) — для создания высоких давлений;

4) вакуум-насосы — для отсасывания газов при давлении ниже атмосферного.

По принципу действия компрессорные машины делятся на поршневые, ротационные, центробежные и осевые.

В поршневых машинах сжатие газа происходит в результате уменьшения объема, в котором заключен газ, при возвратно-поступатель­ном движении поршня.

Сжатие газа в ротационных машинах обусловлено умень­шением объема, в котором заключен газ, при вращении эксцентрично расположенного ротора.

В центробежных машинах энергия передается потоку газа силовым воздействием лопаток рабочего колеса, в результате чего про­исходит сжатие и повышение кинетической энергии риза. Эта энергия преобразуется в давление в неподвижных элементах машины.

В осевых машинах газ сжимается при движении его вдоль оси рабочего колеса и направляющего аппарата.

В качестве вакуум-насосов могут быть использованы любые компрес­сорные машины. Основное отличие вакуум-насосов от компрессорных машин других типов состоит в том, что всасывание в них производится при давлении значительно ниже атмосферного, а нагнетание — при давлении, несколько превышающее атмосферное.

В химической промышленности применяют также струйные ком­прессоры и вакуум-насосы, по устройству подобные струйным насосам для перемещения жидкостей. В струйных компрессорах и вакуум-насосах отсасывание и сжатие газов осуществляется за счет кинетической энергии струи вспомогательной жидкости или пара.

Вентиляторы и газодувки большой производительности, создающие разрежение, называются эксгаустерами. Для получения более глубокого вакуума применяют поршневые и ротационные вакуум-насосы, не отличающиеся по принципу действия от компрессоров.

Дата добавления: 2016-02-16 ; просмотров: 3802 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Принцип действия и классификация компрессорных машин

Компрессоры, различные по давлению, производительности, сжимаемой среде, условиям окружающей среды, имеют большое разнообразие конструкций и типов. Компрессоры классифицируются по ряду характерных признаков.

По принципу действия компрессоры подразделяются на объемные и лопастные. Под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора (рис. 1.1).

Объемный компрессор— это машина, в которой процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объем периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. Объемные машины по геометрической форме рабочих органов и способу изменения объема рабочих камер можно разделить на поршневые и роторные компрессоры.

Поршневые компрессоры могут быть одностороннего или двухстороннего действия, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки (сухого трения). На рис. 1.2 показаны различные конструктивные схемы поршневых компрессоров.

В поршневом компрессоре сжатие газа осуществляется перемещением поршня, совершающего возвратно-поступательное движение. Возвратно-поступательное движение рабочих органов имеют также свободно-поршневые и мембранные компрессоры. На рис. 1.3 дана схема мембранного компрессора.

В свободно-поршневом компрессоре передача движения от двигателя к сжимаемому элементу осуществляется без механизма передачи движения. В мембранном компрессоре уменьшение объема газа осуществляется перемещением сжимающего элемента — ротора, совершающего вращательное или кача-тельное движение.

К объемным машинам с вращающим сжимающим элементом (роторным машинам) относятся: винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые и другие конструкции компрессорных машин (рис. 1.4).

Лопастной компрессор — машина динамического действия, в которой сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решетками лопастей. Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления. К лопастным компрессорам относятся радиальные (центробежные), радиальноосевые (диагональные), осевые (рис. 1.5).

В центробежном компрессоре поток движется в основном от центра к периферии. В осевом компрессоре поток газа движется вдоль оси ротора.

По назначению компрессоры классифицируются по отрасли производства, для которых они предназначены (химические, энергетические, общего назначения и т. д.), по роду сжимаемого газа (воздушный, кислородный, хлорный, азотный, гелиевый и т. д.), по непосредственному назначению (пускового воздуха, тормозные и т. д.).

По конечному давлению различают:

• вакуум-компрессоры — машины, которые отсасывают газ из пространства с давлением ниже атмосферного или выше;
• компрессоры низкого давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа, среднего — от 1,2 до 10 МПа, высокого — от 10 до 100 МПа и сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше 100 МПа.

Компрессоры называются дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное. Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объема газа, приведенного к нормальным условиям.

По способу отвода теплоты — с водяным и воздушным охлаждением.

По типу приводного двигателя — с приводом от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины.

Для удобства монтажа и уменьшения габаритов компрессорной установки применяются электродвигатели, ротор которых является валом компрессора (моноблочный принцип).

Расчет, конструирование и эксплуатация компрессора ведутся с учетом свойств газа, для сжатия которого предназначен данный компрессор.

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.) и повышенной текучестью (гелий), главное требование — герметичность компрессора. При сжатии газов с коррозионными свойствами (сероводород, хлор и др.) необходимо применение специальных материалов для деталей газового такта компрессора.

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

Свойства часто встречающихся газов приведены в приложении.

Наибольшее распространение в криогенной технике получили воздушные, кислородные, азотоводородные, водородные, гелиевые компрессоры. Поэтому укажем состав воздуха, содержащий основные газы, используемые в криотехнике (табл. 1.1).

Воздух считается чистым, если содержание пыли в нем менее 25 мг/м³. Воздух содержит пары воды, количество которых определяется его температурой и относительной влажностью. Давление атмосферного воздуха зависит от высоты над уровнем моря и колебаний барометрического давления, достигающих 2,5%. На высоте 1000 м, например, атмосферное давление ниже давления на уровне моря приблизительно на 13,5 %.

Машины для перемещения и сжатия газов. Типы, конструкция, области применения

Для перемещения и сжатия газов используют вентиляторы, газодувки и компрессоры, которые классифицируют по принципу действия (поршневые, ротационные, струйные и т. д.), а также по принципу сжатия, т. е. в зависимости от отношения

где Р₂ – давление на выходе; Р₁ – давление на входе.

При ε = 3–1000 – компрессоры (при степени сжатия более 4 – турбокомпрессоры); при ε = 1,06–4,0 – газодувки; при ε =1–1,1 – вентиляторы. Для создания разрежения используются вакуум-насосы.

Вентиляторы

Вентиляторы применяют для перемещения газов при малом сопротивлении сети, например, для подачи воздуха в топки, сушилки, фильтры, циклоны и т. д., а также для подачи чистого воздуха в рабочие помещения и удаления запыленного и загрязненного воздуха. Основными техническими характеристиками вентиляторов являются:

– производительность Q, м 3 /ч;

– полный напор Н, Н/м 2 (давление нагнетания);

– частота вращения вала;

Вентиляторы стандартизированы и выпускаются сериями. Каждый вентилятор серии имеет номер (№ 4, № 12), который соответствует наружному диаметру рабочего колеса, выраженному в дециметрах. Так, вентилятор № 2 любой серии имеет диаметр, равный 200 мм.

По конструкции вентиляторы делятся на центробежные (радиальные), используемые для подачи газа при большом напоре (системы пневмотранспорта, в качестве ____. устройств), и осевые, когда объем газа большой, а напор мал (для проветривания помещений).

В центробежных вентиляторах движение газа перпендикулярно оси вращения рабочего колеса. По создаваемому давлению центробежные вентиляторы делятся на вентиляторы низкого (Р ≤ 3 кПа), среднего (Р = 3–15 кПа) и высокого (Р > 3 кПа) давления. Центробежные вентиляторы высокого давления называют одноступенчатыми газодувками.

Осевые вентиляторы обеспечивают продольное перемещение газа вдоль оси вращения. По сравнению с центробежными вентиляторами они имеют более высокий КПД вследствие обтекаемой формы лопаток. Осевые вентиляторы реверсивны, быстроходны и более компактны, чем центробежные.

Компрессоры – устройства для сжатия газа и воздуха до избыточного давления более 0,2 МПа. По принципу вытеснения газа компрессоры делятся на поршневые, центробежные и ротационные. Основными группами компрессоров, используемых в химической промышленности, являются поршневые и центробежные.

Поршневой компрессор – устройство, в котором сжатие газа происходит при уменьшении замкнутого объема. Они классифицируются:

– по числу ступеней сжатия: одно-, двух- и многоступенчатые;

– по способу охлаждения: с воздушным и водяным охлаждением;

– по расположению цилиндров: с горизонтальным, вертикальным, U-образным и др.;

– по составу сжимаемого газа: азотные, кислородные, аммиачные и др.;

– по величине конечного давления: низкого (до 1 МПа), среднего (1–8 МПа), высокого (8–100 МПа), сверхвысокого (свыше 100 МПа).

В горизонтальных компрессорах цилиндры могут располагаться по одну сторону вала привода (односторонние) или по обе стороны вала (оппозитные, т. е. поршни движутся в противоположных направлениях). Оппозитные компрессоры являются более прогрессивными, так как выше их быстроходность, ниже масса, они более компактны. Их конструкция подробно описана у Альперта.

Чтобы ответить на вопрос, для чего необходимо охлаждение, рассмотрим следующий пример.

При адиабатическом сжатии до 1 МПа газа, имеющего комнатную температуру, его температура возрастает до 300°С, что приводит к разложению компрессорного масла. Поэтому одноступенчатые компрессоры рассчитаны на давление, не превышающее 0,8 МПа, а для больших давлений используют многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением между ступенями. Степень сжатия ε в отдельной ступени составляет обычно 3–4.

Важной характеристикой поршневых компрессоров является объемный КПД: ,

где V₂ – объем цилиндра; V₁ – объем газа, всасываемого поршнем.

Для увеличения объемного КПД стремятся уменьшить объем «мертвой» зоны.

Величина Q (м 3 /с) для одноцилиндровых компрессоров рассчитывается по формуле Q = η F s n,

где F – площадь сечения поршня, м 2 ; s – ход поршня, м; n – частота вращения,

для компрессора двойного действия – Q = η (2F – f) s n,

где F – площадь сечения поршня первой ступени, м 2 ; f – площадь штока, м 2 ,

для многоцилиндрового компрессора – Q = η F s n i,

где i – число цилиндров.

Мощность N (Вт), потребляемая электродвигателем, определяется по формуле N = β_м N / η,

где β_м – коэффициент запаса мощности, равный 1–1,2.

Центробежные компрессоры за последние десятилетия в связи с ростом единичных мощностей приобрели широкое распространение. Это объясняется целым рядом преимуществ по сравнению с поршневыми компрессорами, такими как:

– меньшие масса и габариты;

– меньшие эксплуатационные затраты.

Поэтому в химической промышленности центробежные компрессоры (особенно, унифицированные) вытесняют компрессоры поршневые.

Основным узлом центробежного компрессора являются вращающиеся лопатки. Обычно их используют для подачи больших объемов газа под давлением от 0,11 до 31,4 МПа.

Центробежные компрессоры, сжимающие газы до 0,3 МПа, называют турбовоздуходувками. Число ступеней в них составляет обычно 3–4.

Для создания более высоких давлений применяют турбокомпрессоры с числом ступеней до 16. В турбокомпрессорах при степени сжатия более 4 применяется промежуточное охлаждение газа. В многоступенчатых турбокомпрессорах колеса разделены на несколько секций, причем диаметр и ширина каждой последующей секции меньше, чем предыдущей.