WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 19 |
r r 1 ТЕТРАДЬ III. КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ ГЛАВА 12. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ВИДЫ КОМПРЕССОРОВ § 12.1. ВИДЫ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН Собирательный термин «компрессорная машина» относится к компрессорам, вентиляторам и вакуумным насосам. Все эти машины предназначены для нагнетания газа из области низкого давления в область высокого давления.

К о м п р е с с о р ы действуют в оптимальном режиме при > 1,15. Неохлаждаемые компрессоры ( < 2,5-3) называют воздуходувками, нагнетателями или продувочными насосами.

В е н т и л я т о р ы в отличие от других компрессорных машин работают почти без повышения давления (в оптимальном режиме = 1 -1,15).

В а к у у м н ы е н а с о с ы предназначены для удаления газов и паров из сосудов при давлении в них ниже атмосферного. Степень повышения давления может быть высокой, хотя конечное давление обычно равно атмосферному.

Компрессоры соответственно способу действия можно разделить на три основные группы: объёмные, лопастные и струйные. При классификации по конструктивному признаку объёмные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные – на центробежные и осевые.

Кроме того, все компрессоры различаются:

по к о н е ч н о м у д а в л е н и ю - низкого давления (до 1 МПа), среднего (до 10 МПа), высокого (до 100 МПа) и сверхвысокого (более 100 МПа);

по р о д у п е р е к а ч и в а е м о г о г а з а - воздушные, кислородные, аммиачные, для природного газа и др.;

по у с л о в и я м э к с п л у а т а ц и и : 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 с и с т е м е о х л а ж д е н и я : 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 = p2 / p1, частота вращения a a T T n n s s F F f f o o D D r r P P m m Y Y e e Y Y r r B B.

.

B B A A Click here to buy Click here to buy w w m m w w o o w w c c.

.

.

.

A A Y Y B B Y Y B B r r n и мощность N на валу компрессора. Ориентировочные значения основных параметров компрессорных машин различных типов, применяемых в промышленности, приведены в таблице 12.1.

Таблица 12.1. Основные характеристики компрессорных машин Степень Частота Подача Тип Назначение повышения вращения м3 / мин давления n, об/мин Вакуум-насосы 0 - 100 1 - 50 60 - Поршневые Компрессоры 0 - 500 2,5 - 1000 100 - Вакуум-насосы 0 - 100 1 - 50 250 - Роторные Газодувки 0 -500 1,1 - 3 300 - Компрессоры 0 - 500 3 - 12 300 - Вентиляторы 0 - 6000 1 - 1,15 300 - Центробежные Газодувки 0 - 5000 1,1 - 4 300 - Компрессоры 100 - 4000 3 - 20 1500 - Вентиляторы 50 - 10000 1 - 1,04 750 - Осевые Компрессоры 100 - 15000 2 - 20 500 – Ниже рассмотрены принципиальные конструктивные схемы компрессорных машин.

Поршневой компрессор (однопоршневой, с одной ступенью сжатия) приведен на рис.

12.1. 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.

Рис. 12.1. Конструктивная схема Рис. 12.2. Конструктивная схема поршневого компрессора роторного компрессора 1 – корпус; 2 – ротор; 3 – пластины;

4 – всасывающий патрубок;

5 – подающий патрубок.

a a T T n n s s F F f f o o D D r r P P m m Y Y e e Y Y r r B B.

.

B B A A Click here to buy Click here to buy w w m m w w o o w w c c.

.

.

.

A A Y Y B B Y Y B B r r Роторный компрессор пластинчатого типа представлен на рис. 12.2. 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.

Центробежный компрессор (рис. 12.3) действует аналогично центробежному насосу.

Вал центробежного компрессора соединяется с валом приводного двигателя (электродвигатель, паровая турбина) или непосредственно, или через механическую передачу, повышающую частоту вращения вала компрессора, чем достигается уменьшение размеров компрессора, снижаются его масса и стоимость.

Рис. 12.3. Конструктивная схема Рис. 12.4. Схема осевого компрессора двухступенчатого центробежного (семиступенчатого) компрессора 1 – рабочие лопасти; 2 - ротор 3 – направляющие лопасти Осевой компрессор схематически изображен на рис. 12.4. Конструкция состоит из массивного ротора с несколькими венцами рабочих лопастей и корпуса, несущего венцы неподвижных направляющих лопастей. Газ всасывается в приемный патрубок и, двигаясь в осевом направлении, сжимается последовательно в лопастных ступенях компрессора.

Через напорный патрубок газ вытесняется в трубопровод, ведущий к потребителям.

Привод осевых компрессоров - от электродвигателей, паровых и газовых турбин.



a a T T n n s s F F f f o o D D r r P P m m Y Y e e Y Y r r B B.

.

B B A A Click here to buy Click here to buy w w m m w w o o w w c c.

.

.

.

A A Y Y B B Y Y B B r r § 12.2. ТЕРМОДИНАМИКА КОМПРЕССОРНОГО ПРОЦЕССА Простейшая теория компрессорных машин, обладающая практически приемлемой точностью, основывается на термодинамике идеального газа, подчиненного уравнению p = rRT. (12.1) При конечном давлении воздушного компрессорного процесса более 10 МПа следует пользоваться уравнением состояния реального газа p = zrRT, (12.2) где z – коэффициент сжимаемости. Опытные значения его в зависимости от безразмерных величин p / pкр и T / Tкр приведены в технической справочной литературе (например, Шерстюк А. Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.:

Высшая школа, 1972, 342 с.).

Основные уравнения. Совместное использование первого закона термодинамики и уравнения состояния идеального газа приводит к следующим уравнениям процессов сжатия и расширения, происходящих в компрессорах:

n p/r = const, политропный процесс (12.3) n pu = const;

k p/r = const, адиабатный процесс (12.4) k pu = const;

p/r = const, изотермический процесс (12.5) pu = const.

Политропный процесс является общим видом термодинамического процесса и протекает в компрессорах в зависимости от внешних и внутренних условий с показателем n = 1,15 - 1,80.

Адиабатным называют процесс без теплообмена с внешней средой; в таком процессе возможно внутреннее образование теплоты за счет работы газового трения и вихреобразования. Строго адиабатный процесс в компрессорах получить нельзя вследствие невозможности полной тепловой изоляции газового потока от окружающей среды.

Кроме процессов (12.3) - (12.5) в теории компрессоров рассматривают процесс изоэнтропный, характеризующийся постоянством энтропии в результате отсутствия теплообмена с окружающей средой и внутреннего тепловыделения, обусловленного газовым трением в потоке. В реальных компрессорах, очевидно, изоэнтропный процесс невозможен.

a a T T n n s s F F f f o o D D r r P P m m Y Y e e Y Y r r B B.

.

B B A A Click here to buy Click here to buy w w m m w w o o w w c c.

.

.

.

A A Y Y B B Y Y B B r r Диаграммы ST и pv. Указанные процессы удобно изображать графически в координатах S, T (рис. 12.5.).

Рис. 12.5. S, T - диаграммы компрессорных процессов, описываемых формулами (12.3) – (12.5).

Здесь представлены основные виды компрессорных процессов: политропный n < k, свойственный компрессорам с интенсивным водяным охлаждением (рис. 12.5, а);

политропный n > k, типичный для лопастных (центробежных и осевых) компрессоров (рис. 12.5, б);

изоэнтропный с S = const (рис.12.5, в);

изотермический с T = const (рис. 12.5, г).

Процессы на рис. 12.5, в и г в компрессорах неосуществимы, первый - потому что образование теплоты за счет внутреннего газового трения проявляется весьма существенно, второй - по причине невозможности выполнить конструкцию охлаждающей системы компрессора так, чтобы она обеспечивала сжатие газа при постоянной температуре. Как будет показано ниже, эти два процесса используются для оценки энергетической эффективности компрессоров.

Отметим свойства термодинамических диаграмм компрессорных процессов, показанных на рис. 12.5.

a a T T n n s s F F f f o o D D r r P P m m Y Y e e Y Y r r B B.

.

B B A A Click here to buy Click here to buy w w m m w w o o w w c c.

.

.

.

A A Y Y B B Y Y B B r r Процесс сжатия во всех случаях представляется линиями 1-2. В случаях на рис. 12.5, а и б сжатие (повышение давления) сопровождается изменением энтропии и повышением температуры газа. При этом увеличивается энтальпия газа.

В политропном компрессорном процессе при n < k линия 1-2 представляет собой процесс сжатия, протекающий в рабочей полости (цилиндре, каналах колеса и корпуса) компрессоров; линия 2-3 - процесс изобарного охлаждения сжатого газа, уходящего из компрессора. Этот процесс протекает в охладителе компрессора и трубопроводной сети.

Соответственно закону сохранения энергии работа, затрачиваемая компрессором на сжатие и выталкивание газа (без учета механических потерь), представляется суммой теплот, отводимых от газа в процессах сжатия и изобарного охлаждения.

Воспользуемся основным определением энтропии в элементарном тепловом процессе:

dS = dQ / T.

Для процессов 1-2 и 2-2 Q1-2 = ; Q2-3 =.

TdS TdS 1 Подынтегральные произведения являются элементарными площадями процессов сжатия и охлаждения, изображенных в ST - диаграмме. Следовательно, количество энергии в тепловых единицах, подводимое к газу для осуществления компрессорного процесса, представляется суммой площадей диаграммы 1-2-5-6 и 2-3-4-5.

При сжатии газа по политропе с показателем n > k (рис. 12.5), что характерно для компрессоров с воздушным или неинтенсивным водяным охлаждением, площадь 1-2-6-5 под политропой 1-2 процесса сжатия представляет собой количество теплоты, образующейся в потоке вследствие газового трения и вихреобразования.

Энергия, подводимая к компрессору, расходуется на проведение компрессорного процесса (сжатие и проталкивание) и работу газового трения в проточной полости.

Работа компрессорного процесса представляется площадью 1-2-3-4-5. Следовательно, полная энергия, расходуемая компрессором (без энергии, идущей на покрытие механических и объемных потерь), выражается площадью 2-3-4-6.





Если бы процесс в компрессоре протекал по изоэнтропе 1-2', то полная затрата энергии была бы равна площади 1-2'-3-4-5, т. е. была бы меньше на размер площади 1-2'-2-6-5. Следовательно, увеличение энергии, расходуемой компрессором, при переходе от изоэнтропного процесса к реальному политропному с n > k сопровождается увеличением потребления энергии, равным площади 2'-2-6-5-1.

Очевидно, площадь 1-2'-2 представляет собой энергию, затрачиваемую a a T T n n s s F F f f o o D D r r P P m m Y Y e e Y Y r r B B.

.

B B A A Click here to buy Click here to buy w w m m w w o o w w c c.

.

.

.

A A Y Y B B Y Y B B r r дополнительно на сжатие и проталкивание объема, появляющегося в результате нагрева газа в процессе трения и вихреобразования.

Изложенные соображения применимы и к рассмотрению S, T - диаграмм изоэнтропного и изотермического процессов (рис. 12.5, в и г).

Наименьшее количество энергии затрачивается в компрессорном процессе с изотермическим сжатием (рис. 12.5, г). Эта энергия представляется площадью 1-2-4-5.

Рис. 12.6. p,u - диаграммы компрессорных процессов, описываемых формулами (12.3) – (12.5) В некоторых случаях удобно изображать компрессорные процессы на р, u диаграмме (рис. 12.6). Здесь сплошной линией 1-2 показан процесс при политропном сжатии с n < k, протекающий в проточной полости компрессора. Процесс охлаждения 2-3 теоретически проходит по изобаре р2 = const, в действительных условиях несколько отклоняется от изобары.

Изотермическое сжатие изображается штриховой линией 1-2", изоэнтропное - 1-2', адиабатное при n > k - линией 1-2"'.

Уравнения работы компрессорных процессов. Поскольку компрессоры, как и насосы, служат для перемещения текущих тел, к ним ф о р м а л ь н о применимы понятия, используемые в качестве технических показателей насосов: удельная полезная работа или напор, полезная мощность, к. п. д.

Действительно, выражение работы, переданной потоку газа рабочими органами компрессора, полученное из баланса работ в проточной машине, выглядит так же, как для насосов:

2 c2 - c- L* = + mg(z2 - z1)+ m + L** 1-2 1-Vdp a a T T n n s s F F f f o o D D r r P P m m Y Y e e Y Y r r B B.

.

B B A A Click here to buy Click here to buy w w m m w w o o w w c c.

.

.

.

A A Y Y B B Y Y B B r r отличаясь тем, что работа изменения давления (-W1 -2) определена не по разности конечного и начального давлений V (р2 – р1), а интегралом.

Переходя к удельным величинам, отделяя потери и пренебрегая вследствие малости слагаемым g (Z2 - Z1), получим выражения удельной полезной работы и напора:

2 l = + (c2 - c1 );

udp H = l / g, где u - удельный объём (u = V / m); u = 1 /.

Понятие «давление» в том смысле, которое оно имеет для насосов, для компрессоров не существует, так как V и - переменные.

Поэтому определения l и H – формальные. Дело в том, что для вычисления интеграла главной части полезной работы (работы изменения давления ) Vdp необходимо проследить за всеми особенностями сложного процесса сжатия газа в компрессоре. Сложность в том, что, во-первых, зависимость V = f (p) в интеграле работы определяется условиями теплообмена (его направлением и интенсивностью), которые, в свою очередь, зависят от системы охлаждения машины, и, кроме того, изменяются с температурой сжимаемого газа на его пути от всасывающего до нагнетательного патрубка. Во-вторых, газовый поток неоднороден в том смысле, что состояние газа в различных частях потока изменяется по-разному. Некоторая часть потока газа (перетекания или остатки газа в компрессорной камере) имеет параметры, отличающиеся от параметров основной части потока. Определение средних параметров неоднородного потока сопряжено с большими трудностями.

Вследствие этого понятие полезной работы и производные его (т. е. l, H, p, Nп) как количественные показатели действия компрессора практического значения не имеют. Их функции (выражать нагрузку на машину и определять к. п. д.) выполняют другие величины.

На графике характеристики компрессора указывают непосредственно конечное pи начальное давления p1 (средние их значения) или с т е п е н ь п о в ы ш е н и я д а в л е н и я = p2 / p1.

Удельная работа l, затрачиваемая в компрессорном процессе при сжатии и выталкивании 1 кг массы газа, выражается площадью р, u - диаграммы, ограниченной изобарами начального р1 и конечного p2 давлений, политропой сжатия и осью ординат (рис. 12.б).

Для процесса с n < k a a T T n n s s F F f f o o D D r r P P m m Y Y e e Y Y r r B B.

.

B B A A Click here to buy Click here to buy w w m m w w o o w w c c.

.

.

.

A A Y Y B B Y Y B B r r l = - pdu + p2u2 - p1u1.

n n n Из уравнения политропного сжатия pun = p1u1 имеем p = p1u1 / u и, следовательно, du n l = - p1u1 n + p2u2 - p1u1.

u После интегрирования и алгебраических преобразований получается n-n n l = p1u1(p2 / p1) - 1. (12.6) n - Связь между давлениями и температурами в политропных процессах определяется соотношением n n-p2 T=. (12.7) p1 T Поэтому n T l = p1u1 -1. (12.8) n - 1 T Присоединив к формуле (12.8) уравнение состояния, записанное для начальных параметров, p1u1 = RT1, получим n l = R(T2 -T1). (12.9) n - Уравнения политропного и изоэнтропного процессов (12.3) и (12.4) совершенно идентичны и разнятся только значением показателей. Поэтому для изоэнтропного компрессорного процесса можно записать следующие соотношения:

k - k p2 k lа = p1u1 (12.10) p1 - 1 ;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 19 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.