Классификация компрессоров

Перемещение и сжатие газов (компрессоры)

Проведение многих технологических процессов в газовой фазе при давлении, отличном от атмосферного, часто приводит к увеличению их скорости и уменьшению необходимого объема реакционной аппаратуры. Сжатие (компримирование) газов используют для перемещения их по трубопроводам и аппаратам, создания вакуума.

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

Степень сжатия ()– отношение конечного давления р₂, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению p₁, при котором происходит всасывание газа.

В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин (слайд 2):

1. Вентиляторы < 1,1 — для перемещения больших количеств газов.

2. Газодувки (1,1 << <<3,0 — для перемещения газов при относительно высоком сопротивлении газопроводящей сети;

3. Компрессоры > 3,0 — для создания высоких давлений (слайд 3);

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

 

 

Классификация компрессоров

При классификации по конструктивному признаку часто объёмные компрессоры подразделяют на поршневые и роторные, а динамические (лопастные) – на центробежные и осевые.

Кроме того, все компрессоры различаются:

по конечному давлению – низкого давления (до 1 МПа), среднего (до 10 МПа), высокого (до 100 МПа) и сверхвысокого (более 100 МПа);

Компрессоры называют дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное.

по роду перекачиваемого газа – воздушные, кислородные, аммиачные, для природного газа и др.;

по условиям эксплуатации: стационарные (с массивным фундаментом и постоянным обслуживанием); передвижные (перемещаемые при эксплуатации, иногда без постоянного обслуживания); автономные (с собственными вспомогательными системами, включенными в состав агрегата);

по системе охлаждения: без искусственного охлаждения; с воздушным охлаждением; с внутренним водяным охлаждением; с внешним охлаждением в одном, двух и т. д. промежуточных охладителях; охлаждаемые впрыскиванием жидкости.

Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, являются объёмная подача V (исчисляется обычно при условиях всасывания), начальное p₁ и конечное p₂ давления или степень повышения давления ε = p₂/p₁, частота вращения n и мощность N на валу компрессора. Ориентировочные значения основных параметров компрессорных машин различных типов, применяемых в промышленности, приведены в таблице

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

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

Области применения компрессоров по производительности и давлению не являются постоянными и расширяются в ходе научно-технического прогресса.

Конструкции компрессоров

Наиболее распространены и многообразны по конструктивному выполнению, схемам и компоновкам поршневые компрессоры. В поршневых компрессорах сжатие газа происходит в результате уменьшения объема, в котором заключен газ, при возвратно-поступательном движении поршня. При возвратно-поступательном движении поршня осуществляются фазы процесса: расширение, всасывание, сжатие и выталкивание. Способ действия поршневого компрессора, основанный на вытеснении газа поршнем, позволяет строить конструкции с малым диаметром и ходом поршня, развивающие высокое давление при относительно малой подаче.

Поршневые компрессоры различают по устройству кривошипно-шатунного механизма (крейцкопфные и бескрейцкопфные), устройству и расположению цилиндров (простого и двойного действия, L-, У- и Ш-образные, горизонтальные и вертикальные, оппозитные, со ступенчатым поршнем и т. д.), числу ступеней сжатия.

Для машин малой и средней производительности основными являются два типа компрессора: прямоугольный и У-образный.

Многоступенчатое сжатие позволяет уменьшить температуру сжатого газа, увеличить КПД машины.

Поршневые компрессоры широко применяют в установках для получения искусственных удобрений и пластических масс, в холодильной промышленности и криогенной технике. В нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности поршневые компрессоры применяются в газлифтах, в процессах очистки нефтепродуктов от сернистых соединений и каталитического риформинга легких нефтепродуктов, для получения высокооктанового бензина и ароматических углеводородов. Необходимо отметить, что производительность объемных компрессоров слабо зависит от давления нагнетания.

Родственными поршневым являются мембранные компрессоры, в которых объем газа изменяется при возвратно-поступательном движении эластичной мембраны, зажатой между крышкой и корпусом компрессора. Мембранные компрессоры обычно применяются при малых производительностях.

Двухроторный компрессор типа Рутс представляет собой бесклапанную машину объемного типа. Два идентичных, обычно симметричных, двухлопастных ротора вращаются в противоположных направлениях внутри корпуса, составленного из двух полуцилиндров с минимально возможными зазорами между роторами и между роторами и корпусом. Синхронизация вращения роторов осуществляется при помощи шестерен, расположенных снаружи корпуса. Сжатие газа в этой машине происходит одновременно с нагнетанием благодаря уменьшению объема газа вследствие встречного движения роторов. В тот момент, когда лопасть ротора соединяет отсеченную порцию газа с линией нагнетания, давление в рабочей камере скачкообразно увеличивается. Однако, такой способ малоэкономичен и обеспечивает малую степень сжатия газа.

Машины типа Рутс выпускаются производительностью от нескольких литров в минуту до 2000 м³/мин с давлением нагнетания до 0,15 МПа. Широкое применение этих машин, главным образом в качестве вакуум-насосов и газодувок, объясняется простотой их конструкций и эксплуатации, отсутствием трущихся элементов и смазки в проточной части, уравновешенностью, долговечностью.

Роторный компрессор пластинчатого типа представлен на рис. При вращении массивного ротора 2, в продольных пазах которого, могут свободно перемещаться стальные пластины 3, газ захватывается в межлопастные пространства, переносится от всасывающего патрубка 4 к напорному 5 и вытесняется в трубопровод. Вал роторного компрессора может соединяться с валом приводного двигателя, без редуктора. Это обусловливает компактность и малую массу установки в целом. Ротационно-пластинчатые компрессоры используют для питания сжатым воздухом пневмоинструмента, в системах пневматического транспорта, в качестве компрессоров и вакуум-насосов для сжатия воздуха и других газов. Компрессоры этого типа выпускают со стальными пластинами и разгрузочными кольцами, уменьшающими износ пластин, а также с пластинами из антифрикционных материалов, не требующих смазки. Ротационно-пластинчатые компрессоры работают до 10 лет без замены каких-либо деталей.

Жидкостно-кольцевые компрессоры относятся к машинам объемного типа и по принципу действия аналогичны ротационно-пластинчатым компрессорам, с той лишь разницей, что уплотнение камер здесь производится вращающимся жидкостным кольцом, а всасывающий и нагнетательный патрубки подключены не к цилиндрической части корпуса, а к торцевым крышкам (рис. 3.6). Охлаждение сжимаемого газа осуществляется непосредственным контактом с жидкостью, поэтому процесс сжатия приближается к изотермическому.

Ротор 1 с жестко закрепленными лопастями эксцентрично расположен в корпусе 2. Через всасывающее окно 3 непрерывно подается жидкость, которая при вращении ротора под действием центробежных сил отбрасывается к стенкам корпуса и образует жидкостное кольцо 4. Благодаря эксцентричному расположению корпуса объем газа в рабочих камерах между лопастями и жидкостным кольцом изменяется в течение оборота вала и, таким образом, осуществляется цикл всасывания, сжатия и нагнетания газа с подачей его в нагнетательное окно 5. Жидкость от сжатого газа отделяется в сепараторе, например центробежном.

Жидкостно-кольцевой компрессор легко вписывается в любой технологический процесс, т. к. в нем можно использовать различные по физико-химическим свойствам рабочие жидкости и соответствующие им конструкционные материалы. Эти достоинства определили использование компрессора во многих отраслях промышленности и в сфере обслуживания. Современные жидкостно-кольцевые компрессорные и вакуумные установки поставляются в моноблочном бесфундаментном исполнении. Единичная их производительность достигает 400 м³/мин, давление нагнетания — 0,25 МПа, а время гарантируемых межремонтных пробегов доходит до 10–20 лет.

Центробежные компрессоры по сравнению с поршневыми имеют малые габариты и массу, приходящиеся на единицу производительности, обеспечивают подачу сжатого газа без пульсаций, в них отсутствуют поступательно движущиеся части, а значит, инерционные силы, передаваемые на фундамент, незначительны. Сжатие газа происходит без загрязнения его маслом, т. к. в зоне сжатия нет трущихся пар, смазываемых маслом. По конструктивным особенностям центробежный компрессор экономичен при больших производительностях (более 120 м³/мин).

Центробежный компрессор действует аналогично центробежному насосу. Центробежные компрессоры имеют несколько ступеней, число которых зависит от требуемой степени сжатия газа. Каждая ступень состоит из рабочего колеса 3, диффузора 4 и направляющего аппарата 5 и по конструкции напоминает устройство центробежного насоса. При вращении рабочего колеса 3 вблизи его оси образуется разрежение, вследствие чего газ поступает по всасывающему патрубку 1. В рабочем колесе под действием центробежных и газодинамических сил, возникающих при обтекании лопастей, происходит повышение давления и скорости газа. В диффузоре 4 скорость снижается, а давление увеличивается. В следующую ступень сжатый газ поступает через обратный направляющий аппарат 5. Пройдя все ступени, газ попадает в выходную улитку 6 и направляется в нагнетательный трубопровод.

Степень сжатия в одной ступени осевого компрессора невелика (1,15-1,35). Поэтому для получения высокого давления осевые компрессоры выполняют многоступенчатыми. В многоступенчатых осевых компрессорах (рис) газ через входной патрубок 1 и конфузор 2 поступает в проточную часть компрессора и перемещается последовательно от лопаток входного направляющего аппарата 3 через группу ступеней сжатия, спрямляющий аппарат 6, диффузор 7 и выходной патрубок 9. Рабочие колеса 4 ступеней вместе с валом, на котором они насажены, образуют ротор, опирающийся на подшипники 8; направляющие аппараты 5 (служащие для частичного преобразования кинетической энергии в потенциальную) вместе с корпусом, в котором они закреплены, — статор. Входной патрубок 1 служит для равномерного подвода газа к кольцевому конфузору 2, который предназначен для ускорения потока перед входным направляющим аппаратом и создания равномерного поля скоростей и давлений.

В центробежных машинах (слайд 5) энергия передается потоку газа силовым воздействием лопаток рабочего колеса, в результате чего происходит сжатие и повышение кинетической энергии газа. Эта энергия преобразуется в давление в неподвижных элементах машины.

В области средних и больших производительностей, низких и средних давлений часто используют винтовые компрессоры.

Типовая конструкция двухроторного компрессора сухого сжатия, работающего без подачи масла в рабочую полость, показана на рис. На ведомом роторе 1 выполнена винтовая нарезка со впадинами. Ведущий винтовой ротор 2 с выпуклой нарезкой соединен непосредственно или через зубчатую передачу с двигателем. Между роторами существует минимальный зазор, обеспечивающий безопасную работу компрессора, а синхронизация их вращения происходит при помощи шестерен 3. Роторы расположены в горизонтально-разъемном корпусе 4, имеющем несколько разъемов, а также расточки под винты, подшипники, уплотнения и камеры всасывания и нагнетания.

Уплотнения (графитовые кольца) отделяют подшипниковые узлы от рабочего объема корпуса. Между группами колец подается запирающий газ, препятствующий попаданию масла из подшипников в сжимаемый газ.

При вращении роторов объем камеры увеличивается; когда выступы роторов удаляются от впадин, происходит процесс всасывания. Когда объем камеры достигает максимума, процесс всасывания заканчивается, и камера оказывается изолированной стенками корпуса и крышками от всасывающего и нагнетательного патрубков. При дальнейшем вращении во впадину ведомого ротора начинает внедряться сопряженный выступ ведущего ротора. Внедрение начинается у переднего торца и постепенно распространяется к нагнетательному окну. С некоторого момента времени обе винтовые нарезки образуют общую полость (рис. б), объем которой непрерывно уменьшается благодаря поступательному перемещению линии контактирования сопряженных элементов по направлению к нагнетательному окну. Дальнейшее вращение роторов приводит к вытеснению газа из полости в нагнетательный патрубок (рис. c). Благодаря наличию нескольких камер и высокой частоте вращения роторов компрессор создает непрерывный поток газа.

Винтовые маслозаполненные компрессоры общего назначения с воздушным и водяным охлаждением и асимметричным профилем, несмотря на меньший КПД, более эффективны (по стоимости 1 м³ сжатого газа) по сравнению с поршневыми, центробежными и ротационно-пластинчатыми компрессорами в диапазоне производительностей от 10 до 50 м³/мин. Межремонтный пробег винтовых компрессоров определяется износом подшипников, срок службы которых составляет не менее 15 тыс. ч, а в отдельных случаях достигает 100 тыс. ч. Одна из особенностей винтовых компрессоров – способность сжимать двухфазные (газ / жидкость) среды. Отсутствие клапанов обеспечивает винтовым компрессорам возможность работать с высокими частотами вращения, т. е. получать большую производительность при сравнительно небольших габаритах. Надежность в работе, малая удельная металлоемкость и габаритные размеры предопределили широкое распространение винтовых компрессоров. В частности, они практически полностью вытеснили другие типы компрессоров в передвижных компрессорных станциях, судовых холодильных установках.

Конструкции вентиляторов

Центробежный (радиальный) вентилятор по конструкции аналогичен центробежному насосу. Этот тип вентиляторов — один из наиболее часто используемых в химической промышленности.

Хотя вентиляторы относятся к компрессорным машинам, расчет характеристик вентиляторов допустимо проводить в рамках теории насосов, исходя из того, что степень сжатия газов в вентиляторах незначительна, т. е. изменением термодинамических параметров газов в них можно пренебречь.

В осевом вентиляторе поток движется преимущественно в направлении оси вращения. Осевые вентиляторы просты в изготовлении, компактны и реверсивны. По сравнению с центробежными вентиляторами они имеют более высокие КПД и подачу при относительно малой степени сжатия.

В прямоточном радиальном вентиляторе газ вначале движется в осевом направлении и поступает во вращающееся рабочее колесо, где под действием центробежной силы проходит в радиальном направлении через межлопаточные каналы и выходит сквозь кольцевой радиальный лопастной диффузор (направляющий аппарат); в диффузоре часть динамического напора преобразуется в статический, КПД вентилятора достигает 70 %. Одним из его преимуществ является возможность размещения электродвигателя внутри кожуха, что снижает его шумность вентилятора.

Смерчевой вентилятор имеет рабочее колесо с небольшим числом лопаток, прикрепленных к заднему диску. Это колесо размещено в специальной нише в задней стенке спирального кожуха. При вращении колеса возникает вихревое течение, аналогичное смерчу, в центральной и периферийной частях которого образуется перепад давлений, являющийся побудителем движения воздуха. Вследствие этого часть потока с содержащимися в нем примесями проходит через нагнетатель, минуя рабочее колесо. КПД вентилятора не превышает 60 %.

Диаметральный вентилятор имеет следующий принцип действия. Если во вращающееся колесо барабанного типа поместить неподвижное тело, расположенное несимметрично относительно оси колеса, то осесимметричный вихрь, образующийся вокруг колеса, смещается в сторону, и возникает направленное течение газа перпендикулярно к оси вращения колеса. Поперечное течение появляется также при установке лопаточного колеса в несимметричном коленообразном корпусе. Диаметральные вентиляторы могут создавать значительные давления даже при невысоких окружных скоростях рабочих колес, поскольку поток газа дважды пересекает лопатки колеса. К недостаткам диаметральных вентиляторов относятся невысокий КПД (максимальный 60–65 %), повышенная шумность работы, существенные перегрузки электродвигателя при уменьшении сопротивления сети.

 

Между газодувками и компрессорами трудно определить четкую границу, поэтому если нужно подобрать оборудование, способное нагнетать воздух под давлением, то поиск надо вести в каталоге среди ассортимента устройств с показателями давления от 0,5 до 2 атм.

Газодувки используют для создания транспортных потоков для газа, воздуха или сыпучих веществ, взвешенных в воздушной среде, для продувания бассейнов, систем аэрации водоемов, подачи воздуха на водоочистные сооружения и для многих других целей.

Одним из самых популярных типов газодувок считаются двухроторные ротационные устройства объемного действия. Их главное отличие от других моделей газодувок – компактные размеры.

Принцип работы основан на вращении двух роторов, которые являются поршнями для нагнетания воздуха в рабочей полости воздуходувки. Во время вращения роторы захватывают газ или воздух из всасывающего патрубка, а затем перемещают его к выпускному или нагнетательному патрубку.

Сразу, как только перемещаемый объем газа доходит из корпуса до нагнетательного патрубка, происходит адиабатическое нарастание давления до нормативного давления нагнетания.

Газ сжимается за счет возникновения обратного потока и рабочий перепад давления всегда эквивалентен сопротивлению цепи. Для адекватного сжимания газа роторы должны вращаться синхронно, что обеспечивается специальной шестеренчатой передачей.

Газодувки, работающие по принципу братьев Рутс, сжимают или подают рабочую среду, в которую при сжатии не попадает абсолютно никакого масла, так как рабочая камера защищена от его проникновения специальными уплотнителями. Модели типа Рутс отличаются простотой конструкции, компактным устройством, простым обслуживанием и минимальными затратами на содержание.

Газодувки этого типа наиболее оптимальны в диапазоне производительностей от 1 до 50 м³/мин. (хотя есть машины и с гораздо большей производительностью - до 1700 м³/мин., например, фирмы Aerzener) и диапазоне перепадов давлений от 10 до 100 кПа в режиме нагнетания и от 10 до 50 кПа в режиме всасывания.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: