2.1. Призначення і класифікація компресорів
Компресор є основним елементом найбільш поширених в сучасній холодильній техніці компресійних машин.
Він виконує наступні функції:
відсмоктує пари холодагента з випарника при цьому знижує в ньому тиск і підтримує тим самим низьку температуру кипіння;
стискає пари, підвищуючи їх тиск до такого рівня, щоб температура насичення була вищою за температуру середовища, що використовується для охолоджування конденсатора;
нагнітає пари в конденсатор.
При цьому він працює як тепловий насос. Ця роль в термодинамічному процесі відрізняє холодильний компресор від компресора іншого призначення.
Компресори, які використовуються в холодильній техніці, класифікують по:
конструкції,
принципу дії,
розташуванню приводу і іншим ознакам.
Зокрема, за принципом дії холодильні компресори підрозділяють на:
поршневі,
ротаційні,
гвинтові,
відцентрові (турбокомпресори),
спіральні.
У всіх типах компресорів (окрім відцентрових) пара стискається в результаті зменшення його об'єму: при русі поршня, обертанні ротора, зачіпленні двох гвинтів тощо. Подібні компресори називають компресорами об'ємної дії.
По розташуванню приводу компресори розділяють на:
відкриті (із зовнішнім приводом і сальниковим ущільненням кінця валу, виступаючого з корпусу);
безсальникові (напівгерметичні) з вбудованим електродвигуном, але відокремленими кришками;
герметичні (з вбудованим електродвигуном в завареному кожусі без роз'ємів).
Компресори об'ємної дії є найпоширенішими в сучасних холодильних машинах. Їх, у свою чергу, розрізняють по:
температурному режиму,
холодопродуктивності,
виду холодагенту,
числу ступенів стиснення,
типу мастила деталей, які труться, тощо.
2.2. Дійсний робочий процес в компресорі
Не дивлячись на те що всі типи компресорів працюють за різним принципом, термодинамічні процеси, що протікають в них, можна прийняти ідентичними. Тому робочий процес будь-якого об'ємного 3 компресора можна досліджувати на прикладі поршневого компресора, дійсний робочий процес якого найбільш вивчений.
Пари холодагента в найпростішому одноступінчатому поршневому компресорі стискаються під дією поршня, який здійснює зворотнопоступальний рух в циліндрі (рис. 1).
Поршень приводиться в рух від колінчастого валу і здійснює поперемінно ходи всмоктування і стиснення в циліндрі, який обладнаний усмоктуючими і нагнітальними клапанами. Вони відкриваються і закриваються внаслідок перепаду тиску між робочою порожниною компресора і простором за клапаном.
Для відкриття усмоктуючого клапана тиск в циліндрі повинен бути менше тиску у випарнику, звідки в циліндр поступають нові порції пари хладагента.
Нагнітальний клапан сполучає порожнину циліндра із стороною нагнітання лише тоді, коли тиск в циліндрі перевищить тиск в конденсаторі.
Для відведення теплоти від циліндрів, які сильно розігріваються при стисненні пари, поршневі компресори забезпечують ребрами при охолоджуванні повітрям або сорочками (порожнини навкруги блоку циліндрів) при охолоджуванні водою. Через сорочки пропускають воду, а ребра за рахунок збільшення поверхні теплообміну більш інтенсивно віддають теплоту навколишньому повітрю.
При нагріванні деталей компресора унаслідок тертя і підвищення температури робочого тіла в результаті процесу стиснення поршень і несуча його деталь — шатун або шток подовжуються, тому між кришкою циліндра і поршнем, коли останній знаходиться в крайньому положенні, залишається зазор — «мертвий», або «шкідливий», простір. Чим він більший, тим менше нової пари холодагента всмоктується в циліндр компресора.
Робочі процеси компресора зручно розглядати в так званій індикаторній діаграмі, яка показує залежність тиску робочого тіла, що стискається, від зміни його об'єму в циліндрі, або, що те ж саме, від ходу поршня.
Для оцінки роботи компресора порівнюють дійсний робочий процес з теоретичним (рис .2).
Лінія 4— 1 характеризує всмоктування пари, що протікає при тиску кипіння р0, лінія 1—2 — адіабатичне стиснення (система не отримує і не 5віддає теплової енергії), лінія 2—3 — виштовхування пари при тиску конденсації рк. Об'єм пари V, яка засмоктується компресором, відповідає об'єму VП, який описує поршень (V= VП).
Індикаторна діаграма дійсного процесу (рис. 3) значно відрізняється від теоретичної (див. рис.2).
В теоретичній діаграмі процес всмоктування 4— 1 відбувається при змінному тиску, більш низькому, ніж тиск кипіння р0. Стискається холодагент по політропе (с=const) 1—2 до тиску, що перевищує тиск конденсації рк. Лінія 2—3 зображує процес нагнітання. Точка 3 відповідає моменту закінчення процесу нагнітання і початку процесу розширення пари, що залишилася в «мертвому просторі», тобто моменту, коли поршень займає крайнє (в даному випадку ліве) положення. Відрізок V0 пропорційний об'єму «мертвого простору», а відрізок VП — робочому об'єму циліндра.
Відмінність дійсного процесу від теоретичного пояснюється дією ряду конструктивних і функціональних чинників, основними їх яких є наступні:
Наявність «мертвого простору». «Мертвий простір» не дозволяє повністю використовувати об'єм циліндра компресора Стислі пари холодагента, що залишилися в «мертвому просторі», при зворотному ходу поршня розширяються. На це затрачується частина ходу поршня, що також веде до того, що недовикористанню циліндра компресора. Величинаоб'ємних втрат, обумовлених наявністю «мертвого простору», залежить від його об'єму і відповідно від відношення тиску рк/ро і враховується об'ємним коефіцієнтом λС. Коефіцієнт λС буде тим менше ніж більше відношення тисків, між яким працює компресор, тобто
де V1 – об’єм усмоктування, який вимірюється по лінії постійного тиску р0.; VП – об’єм, який описується поршнем; С1 – втрати від недовикористання циліндра компресора.
Гідравлічні втрати. Ці втрати пояснюються наявністю опорів у всмоктуючому і нагнітальному трубопроводах, каналах циліндра і клапанах, а також необхідністю повідомити холодагенту відповідне прискорення при протіканні його з випарника в компресор і з компресора в конденсатор. Падіння тиску, або депресія, при всмоктуванні Δр0 призводить до зменшення продуктивності компресора, оскільки в цьому випадку в циліндр компресора засмоктується холодагент з більш високим значенням питомого об'єму; отже, зменшується масова витрата холодагента, який проходить через компресор, а значить і продуктивність холодильної машини. Депресія на нагнітанні Δрк також негативно впливає на холодопродуктивність і потужність на валу компресора, хоча і у меншій мірі, ніж втрати тиску на всмоктуванні.
Отже, втрати тиску при всмоктуванні і нагнітанні компресора є небажаними явищами, оскільки зростають ступінь стиснення, температура в кінці стиснення, споживана потужність, але зменшуються холодопродуктивність і коефіцієнт корисної дії (ККД).
Об'ємні втрати з боку всмоктування компресора враховують за допомогою коефіцієнта дроселювання λДР, який виражається відношенням частини ходу поршня V1 - C2 до тієї його частини, при якій відбувається всмоктування парів холодагенту:
де С2 – втрати, пов’язані з депресією при всмоктуванні.
Практично коефіцієнт дроселювання близький до одиниці. Підігрів пари на всмоктуванні. При всмоктуванні холодагент підігрівається в результаті контакту з гарячими стінками циліндра Холодагент розширяється, його питомий об'єм збільшується і, отже, зменшується масова продуктивність компресора.
Втрати, викликані теплообміном в циліндрі, характеризуються коефіцієнтом підігріву λW. При роботі вологим ходом ці втрати різко зростають і зменшуються при засмоктуванні в компресор перегрітої пари.
Втрати можна зменшити, охолоджуючи стінки циліндра водою або повітрям. При збільшенні частоти обертання валу компресора втрати на теплообмін також зменшуються, оскільки при цьому скорочується тривалість теплового контакту холодагента із стінками циліндра
Втрати через нещільності. В циліндрі компресора, клапанах, ущільненнях завжди маються нещільності, через які може перетікати холодагент з однієї порожнини в іншу. При цьому стиснений агент змішується з більш холодним агентом і підвищує його температуру. В результаті цього змішування температура робочого тіла в кінці стиснення підвищується.
Втрати, викликані витоками пари через нещільності, характеризуються коефіцієнтом густини λПЛ, величина якого залежить від конструкції і ступеня зносу компресора.
Втрати на тертя. Частина енергії приводу компресора витрачається на подолання тертя в частинах, що рухаються. Ці втрати враховуються механічним ККД.
Облік величини і причин об'ємних втрат дуже важливий для досягнення найбільш економічної роботи компресорів, а також для їх 8 розрахунку. В розрахунках зручніше враховувати сумарні, а не окремі втрати. Ці сумарні втрати враховуються одним загальним коефіцієнтом, званим коефіцієнтом подачі λ
Коефіцієнт подачі виражає ступінь використання робочого об'єму циліндра компресора. Він представляє собою відношення об'єму пари, дійсно всмоктуваної компресором V, до об'єму, описуваного поршнем VП, тобто до теоретичної об'ємної витрати пари в компресорі:
2.3. Теоретична і дійсна холодопродуктивність
Холодопродуктивністю машини або компресора називають кількість теплоти, що відводиться від охолоджуваного середовища в одиницю часу.
Теоретична холодопродуктивність машини QТ (Дж/с) характеризується масовою витратою холодагента у випарнику М (кг/с) і його питомого холодопродуктивністю q0 (Дж/кг):
де h1' і h4 — ентальпії (тепловміст, тобто властивість речовини, яка вказує кількість енергії, яку можна перетворити на теплоту) холодагента на виході з випарника і на вході в нього, Дж/кг.
Теоретичну холодопродуктивність можна виразити також через добуток об'єму, описуваного поршнем VП, і питомої об'ємної холодопродуктивністі хладагента qV:
Дійсна холодопродуктивність компресора QД менше теоретичної на величину втрат, що враховуються коефіцієнтом подачі λ:
Для одного і того ж компресора λ і qV являються змінними величинами, залежними від температурного режиму роботи машини, особливо від температури кипіння холодагента. Так, для фреонових компресорів зниження температури кипіння хладагента на кожний градус призводить до зменшення холодопродуктивності на 4%. Негативно впливає на холодопродуктивність підвищення температур переохолодження і конденсації. Зміна ж температури всмоктування впливає незначно на холодопродуктивність машини.
Класифікація поршневих компресорів
Поршневі компресори розрізняються за такими ознаками: типом кривошипно-шатунного механізму - крейцкопфні і безкрейцкопфні; напрямку руху пари холодоагенту в циліндрі - прямоточні і непрямоточні; числу ступенів стиснення - одно- , двох - і триступінчасті; кількості циліндрів - одно- і багатоциліндрові (2, 4, 6, 8 і 16); розташуванню осей циліндрів - горизонтальні, U-, W-, UU- і зіркоподібні.
Рис . 1.1 Схеми роботи безкрейцкопфних компресорів.
Крім цього, поршневі компресори поділяються: за конструкцією корпусу компресора - блок-картерні і блок-циліндрові; характером охолодження - з водяним та повітряним охолодженням, і т. д.
Крейцкопфні компресори з великою холодопродуктивністю, масою і габаритами на суднах застосування не знайшли.
У суднових холодильних установках поширені безкрейцкопфні (прямоточні і непрямоточні) швидкохідні, блок-картерні, багатоциліндрові компресори з U- i UU-подібним розташуванням циліндрів.
Схеми роботи безкрейцкопфних компресорів показані на рис. 1.1. У прямоточних компресорах (рис. 1.1, а) всмоктувальні клапани 5 розташовані в днищі поршня 6 , а нагнітальні клапани 1 - у верхній внутрішній кришці безпеки 4 . Всмоктуючий патрубок 7 компресора з'єднується з порожниною поршня. Нагнітальний патрубок 2 розташований у верхній частині циліндра.
При ході поршня вниз в робочій порожнині циліндра тиск над поршнем знижується, всмоктуючий клапан відкривається і пар через всмоктуючий патрубок 7 надходить у надпоршневий простір. При русі поршня вгору всмоктуючий клапан закривається, пар стискається і виштовхується через відкритий нагнітальний клапан 1 і через патрубок 2 в конденсатор. Хибна кришка 4 притискається до циліндра буферною пружиною 3, охороняє компресор від гідравлічного удару при попаданні рідкого хладагенту в циліндр.
У прямоточних компресорах об'ємні втрати, викликані підігрівом всмоктуваної пари зменшуються за рахунок меншого нагрівання пари, що надходить в циліндр.
Недоліки прямоточних компресорів - велика маса поршня, що обмежує частоту обертання колінчастого валу, і неможливість регулювання холодопродуктивності компресору шляхом примусового відкриття всмоктуючих клапанів.
Непрямоточний компресори виконуються двох видів: з розташуванням всмоктуючих і нагнітальних клапанів в клапанній плиті (рис. 1.1, б) і з периферійним розташуванням всмоктуючого клапану (рис. 1.1, в).
У малих хладонових компресорах всмоктувальні 5 і нагнітаючі 1 клапани розташовані в нерухомій клапанній плиті 9 (див. рис. 1.1, б). Кришка циліндрів розділена перегородкою 8 на всмоктуючу і нагнітаючу порожнини. При ході поршня вниз тиск в циліндрі знижується і через всмоктуючий клапан 5 в робочу порожнину циліндра всмоктується пар з випарника. При ході поршня вгору всмоктуючий клапан закривається, пара стискується і через нагнітаючий клапан виштовхується в конденсатор.
У непрямоточних компресорах середньої і великої холодопродуктивності всмоктувальні клапани розміщені периферійно (див. рис. 1.1, в), що дозволяє збільшити прохідний перетин клапанів (всмоктуючих і нагнітальних) і, отже , зменшити дросельні втрати.
Поршні непрямоточних компресорів мають меншу масу, що робить можливим збільшення частоти колінчастого валу.
Конструкції сучасних вітчизняних компресорів максимально стандартизовані й уніфіковані.
Одноступінчасті компресори. Кожна конструкція компресора має умовне позначення. Позначення марок компресорів, що знаходяться в експлуатації наступні: А - аміачний, Ф - хладоновий; потім вказуються розташування циліндрів і ступінь герметичності компресора: В - вертикальний, UU-подібний, W- віялоподібний, БС - безсальниковий, Г - герметичний, Ге - герметичний з екранованим статором. За буквами цифрами вказується холодопродуктивність (у тисячах стандартних ккал/год) при стандартному температурному режимі (t0=-15°С, tk=30°С, tп=-25°С, tвс=-10°С); букви за цифрами позначають: РЕ - з електромагнітним регулюванням холодопродуктивності.
Двоступеневі компресори. На суднах широко застосовують двоступеневі поршневі компресори, які працюють у складі суднових холодильних установок з діапазоном температур кипіння від - 25 до - 45 ° С при температурі конденсації не вище 40°С і температурі навколишнього середовища від 5 до 50°С. При цьому різниця тисків нагнітання і всмоктування рк - р0 в ступені низького тиску 1,2 МПа, в ступені високого тиску 1,5 МПа, а ставлення тисків Рк/Р0 < 9.
РОЗДІЛ 2. ПРИНЦИПОВІ СХЕМИ КОМПРЕСОРІВ
2.1 Поршневі компресори Поршневі компресори, що стискують повітря від 0.5 до 100 МПа і продуктивністю до 1.7 м3 /с (100 м3 /хв), раціонально застосовувати на компресорних станціях продуктивністю до 8.33 м3 /с (500 м3 /хв).
На рис. 2.1 показана схема роботи циліндра крейцкопфного компресора подвійної дії. Процес стиснення повітря відбувається в наступній послідовності. У циліндрі 1 поршень 2 здійснює зворотно-поступальний рух. Зусилля від колінчастого валу 3 на поршень передасться через шатун 5 і крейцкопф 4. При русі поршня зліва направо об'єм між внутрішніми стінками циліндра і верхньою частиною поршня збільшується, утворюється розрідження, і атмосферне повітря поступає в компресор через всмоктувальний клапан 6; нагнітальний клапан 7 при цьому закритий. Зі сторони нижньої частини поршня відбувається зменшення робочого об'єму і стиснення порції повітря, що знаходиться там. Всмоктувальний клапан 8 закритий, а нагнітальний 9 відкритий. При русі поршня справа наліво процеси, що протікають зверху і знизу поршня, міняються місцями.
Поршневі компресори розрізняють:
o за способом дії: простої (рис. 2.2а і 2.2б) і подвійної дії (рис. 2.2в);
o за числом працюючих циліндрів: одноциліндрові і багатоциліндрові;
o за способом стиснення: одноступінчаті і багатоступінчаті;
o за конструктивним виконанням: вертикальні, горизонтальні і кутові; однорядні і дворядні — з послідовним і паралельним розташуванням циліндрів; з простим і диференціальним поршнем; крейцкопфні і безкрейцкопфні;
o за способом охолоджування циліндрів і стиснутого повітря: з водяним і повітряним охолоджуванням;
o за числом обертів валу компресора: тихохідні (до 200 об/хв) і швидкохідні (від 500 до 1000 об/хв);
o по продуктивності: до 10 м3 /хв – малої продуктивності; від 10 до 100 м 3 /хв – середньої продуктивності; понад 100 м3 /хв – великої продуктивності;
o по кінцевому тиску повітря, що нагнітається: низького тиску (до 2.5 MПa); середнього тиску (до 6 МПа); високого тиску (до 35 МПа) і надвисокого тиску (понад 35 МПа).
Типові схеми найбільш поширених конструкцій поршневих компресорів представлені на рис. 2.3.
У одному циліндрі при хорошому охолоджуванні можна отримати стиснення повітря лише до 0.6 МПа при температурі, безпечній для компресорної установки.
Для отримання вищого стиснення з меншою витратою енергії за умови компактності компресорної станції застосовуються багатоступінчатікомпресори з проміжним охолоджуванням повітря і очищенням його від вологи і масла. У таких компресорах атмосферне повітря стискується послідовно в кожному циліндрі, очищуючись від водяної пари і пари масел після кожного між ступеневого охолоджувача повітря.
У конструкціях багатоступінчастих компресорів широко застосовуються ступінчасті (диференціальні) поршні. При цьому дві та більше ступенів стиснення можуть бути розташовані в одному циліндрі.
У приводних компресорах зворотно-поступальний рух поршня здійснюється через кривошипно-шатунний механізм, що складається з колінчастого валу з кривошипом і шківом або маховиком, шатуна і в деяких
конструкціях також з крейцкопфа (повзуна) і штока. Колінчастий вал
виготовляється з високоякісної сталі. Шатун є ланкою, що пов'язує колінчастий вал з повзуном, штоком і поршнем. Він служить для перетворення обертального руху колінчастого валу на зворотно-поступальний рух поршня.
Поступально-коливальний рух шатуна відбувається в площині
перпендикулярній до осі валу. Шатуни виготовляються з якісних легованих і
вуглецевих сталей. Крейцкопф (або повзун) складається з корпусу і башмаків і сполучає шатун з штоком поршня, забезпечуючи збіг осей штока поршня і циліндра. Він рухається прямолінійно в направляючих паралелях. Корпус повзуна виковується з вуглецевої сталі, а башмаки відливаються з чавуну.
Поршневі компресори низького тиску до 1 МПа і малої продуктивності (до 20 м3 /хв) випускаються головним чином безкрейцкопфними, простої дії, у вертикальному, V-образному і W-образному виконаннях.
Багатоступінчаті компресори продуктивністю до 120 м3 /хв зазвичай виготовляються крейцкопфними, у вертикальному і V-образному виконаннях, а також кутової конструкції.
Безкрейцкопфні компресори виготовляються з числом обертів від 500 до 1000 за хвилину, а крейцкопфні найчастіше всього в межах від 200 до 500.
Експлуатуються також прямо діючі компресори без кривошипно-шатунного механізму, з вільно рухомими поршнями, рух яким передається від поршня двигуна внутрішнього згорання.
Марка компресора є його індексом. Наприклад, компресор 200В-10/8:
200 – хід поршня, мм;
В – призначення компресора по роду стисненого середовища (повітря);
10 – продуктивність, м3/хв;
8 – надлишковий тиск повітря, що нагнітається, ат.
Поршневі компресори мають наступні загальні недоліки: малу продуктивність і малообертовість, що перешкоджає в деяких випадках здійсненню безпосереднього з'єднання компресора з швидкохідними електродвигунами; o нерівномірність подачі повітря в мережу, внаслідок чого потрібна установка повітрозбірника; o порівняно великі габарити машин і фундаментів (особливо горизонтальні компресори); o неврівноваженістю рухомих мас. Загальні недоліки, властиві різним видам поршневих компресорів, є причиною розробки і використання інших типів компресорів.
2.2 Ротаційні компресори
Після поршневих компресорів найбільш розповсюдженим типом компресорів є ротаційний компресор.
Ротаційний компресор має ту ж залежність між подачею повітря і тиском, що і поршневий, проте в поршневому компресорі повітря стискується в циліндрі поршнем, що здійснює зворотно-поступальний рух із змінною швидкістю, а в ротаційному компресорі повітря стискується пластинками в камерах, які утворюються між ротором, що обертається з постійною швидкістю, і циліндричним корпусом компресора.
Найбільш поширеним видом ротаційного типу компресорів є пластинчастий компресор (рис. 2.4). У циліндровому корпусі 2 ротор 3 обертається на ексцентрично розташованій осі 4. У пази ротора вставлені сталеві пластинки 5, які при обертанні ротора під дією відцентрової сили притискаються до стінок циліндра. При цьому створюється ряд камер 6, в яких відбувається стиснення повітря, що увійшло через патрубок 1. При подальшому обертанні в напрямку, вказаному па рисунку стрілкою, повітря витискається через нагнітальний патрубок 7 в мережу.
У одноступінчастих ротаційних компресорах ступінь стискування знаходиться в межах від 3 до 5, а в двоступінчатих ротаційних компресорах з проміжним охолоджувачем досягає 9÷13.
На заводах ротаційні компресори випускаються продуктивністю (6÷100 м 3 /хв). Кінцевим тиском стиснення до 0.4 МПа вони виготовляються одноступінчатими, а до 1.2 МПа – двоступінчатими.
Число обертів ротаційного компресора зазвичай дорівнює числу обертів двигуна, безпосередньо з’єднаного з компресором, що дозволяє легко здійснювати регулювання продуктивності компресора, вибравши електродвигун з необхідним числом обертів.
Ротаційні компресори успішно застосовуються там, де не допускаються коливання ґрунту, і в невеликих за об’ємом приміщеннях. Ротаційні компресори мають наступні переваги:
велике число обертів; малі габаритні розміри; мала вага; рівномірна подача повітря; відсутність клапанів.
До недоліків ротаційних компресорів слід віднести:
o складність виготовлення, монтажу і ремонту;
o обмежена кількість марок, типорозмірів ротаційних компресорів, що
випускаються;
o низький ККД і малий коефіцієнт подачі;
o часте зниження продуктивності компресора внаслідок нагару, що
утворюється на лопатках ротора;
o висока кінцева температура стиснутого газу;
o велика витрата мастила і подача в мережу замасленого повітря;
o часті неполадки і аварії, у зв'язку з чим – нетривалий термін служби.
2.3 Турбокомпресори
До динамічних компресорних машин або турбокомпресорів відносяться всі види відцентрових, осьових, діагональних і вихрових машин. Найбільшого поширення в практиці стиснення і транспортування газів набули перші дві з перерахованих конструкцій машин.
Ступінь відцентрового компресора показаний на рис. 2.5. На вал 1 насаджені робочі колеса, що мають робочі лопатки 4, закріплені між дисками 2 і 3. При обертанні робочого колеса повітря всмоктується через вхідний отвір і відцентровою силою віджимається до периферії. При цьому підвищується тиск і зростає швидкість повітря. У дифузорі 5 надмірна кінетична енергія повітря перетворюється на додатковий тиск.
Якщо напір одного ступеня недостатній, повітря послідовно прямує через декілька робочих коліс: при цьому повітря з дифузора поступає в зворотний напрямний апарат 6. Чим більше таких коліс, послідовно насаджених на вал, тим більший тиск створить турбокомпресор при підвищеній окружній швидкості, яка може досягати 350 м/с. Для отримання стиснутого повітря тиском 0.8 МПа потрібно 8÷10 лопатевих коліс, що обертаються із швидкістю 4500÷10000 об/хв.
У багатоступінчатих осьових компресорах лопатки робочого колеса представляють собою профілі, виготовлені таким чином, що повітря, яке входить при обертанні цих лопаток з великою відносною швидкістю, біля виходу втрачає частину цієї швидкості, внаслідок чого відбувається приріст напору. У напрямних апаратах повітря або газ тільки змінює свій напрям для входу на лопатки наступного ряду, або одночасно втрачає значну частину абсолютної (по відношенню до нерухомих напрямних апаратів) швидкості і отримує додатковий тиск.
Приводом турбокомпресора зазвичай є синхронний електродвигун або парова швидкохідна турбіна. Повітря, стиснуте турбокомпресором, не містить масляної пари, оскільки в робочій порожнині турбокомпресора немає поверхонь, що труться та змащуються. Турбокомпресори — малогабаритні, швидкохідні і високопродуктивні машини для стиснення повітря: вони випускаються продуктивністю 1÷55 м3 /с (4000÷200000 м 3 /г) і кінцевим тиском повітря 0.7÷1.1 МПа.
На відміну від поршневих компресорів турбокомпресори володіють властивістю працювати при різних режимах їх експлуатації. Кожен турбокомпресор має індивідуальну характеристику, залежну від конструкції машини.
Режим роботи турбокомпресора характеризується продуктивністю (подачею) Q, кінцевим тиском Р, а також числом оборотів n, споживаною потужністю N і коефіцієнтом корисної дії η.
Залежність між перерахованими параметрами при постійному числі обертів зображена кривими на рис. 2.6. Характеристика «подача – тиск» є нормальною характеристикою турбокомпресора.
Точка К на кривій нормальної характеристики показує, що при продуктивності турбокомпресора QK досягається найбільший тиск Рк. Ці продуктивність і тиск називаються критичними, а точка К — критичною точкою. Ліворуч від точки К турбокомпресор працює нестійко, а вправо відточки К є деяка рівновага, тобто при зростанні споживання стиснутого повітря тиск в мережі трубопроводів знижується, і турбокомпресор подасть в мережу більший об'єм повітря, а при зменшенні витрати повітря тиск в трубопроводі збільшується, унаслідок чого подача турбокомпресора зменшиться.
У разі продовження зменшення витрати повітря в мережі і зростання тиску в трубопроводі ліворуч від точки К турбокомпресор перестає підтримувати найбільшу величину тиску Рк і припиняє подачу повітря. В цей час повітря з мережі спрямовується в турбокомпресор, викликаючи різкий струс трубопроводу і машини.
Як тільки тиск в напірному трубопроводі знижується до Р0, дія турбокомпресора відновлюється; він починає подавати в мережу стиснуте повітря в кількості, більшій, ніж необхідно споживачам. Тиск в мережі знову підвищується до Рк, подача турбокомпресора знову знижується до нульового значення. Це явище ритмічно повторюється і носить назву «помпаж». При цьому турбокомпресор працює ненормально, шумно, поштовхами і діє зворотний клапан.
Для усунення явища помпажа застосовуються автоматичні регулятори – антипомпажні пристрої, які підтримують постійний тиск в мережі.
Турбокомпресор має наступні переваги перед поршневим і ротаційним компресорами:
o підвищене число обертів;
o стискує великі об'єми повітря;
o має менші габаритні розміри;
o має меншу вагу і більшу компактність;
o вимагає меншого фундаменту із-за малих габаритів машини і добре
збалансованого ротора;
o не має клапанів;
o має більш рівномірну подачу повітря;
o простий і зручний в обслуговуванні;
o надійний в експлуатації;
o володіє саморегульованістю;
o стиснуте повітря не забруднене парами масла;
o температура повітря на виході з компресора не перевищує 80 °С.
Недоліки турбокомпресора порівняно з поршневими машинами наступні:
o менший ККД;
o обмежений тиск, в основному до 1 МПа;
o нестійкість при паралельній роботі;
o із-за наявності проміжних охолоджувачів дуже часто виникає
необхідність в пристрої підвалу в машинному залі.
Турбокомпресори мають також менші витрати на мастило, ремонт і
обслуговування.
Первинні витрати на пристрій компресорної станції з поршневими
компресорами значно вище, ніж з турбокомпресорами. Проте необхідність в
застосуванні турбокомпресорів виникає тільки на великих промислових
підприємствах і в дослідницьких установках, де стиснуте повітря витрачається у великих кількостях для ведення виробничих процесів або як технологічна сировина.
У звичайних конструкціях турбокомпресорів для отримання тиску
стиснення близько 0.8 МПа застосовується понад чотири ступені стиснення.
2.4 Струминні (ежекційні) компресори
У струминному апараті (рис. 2.7) робоче тіло (стиснуте повітря, газ, пара), які мають підвищений тиск рв, проходячи через сопло, розширюється до тиску,
рівного або навіть меншого тиску всмоктуваного повітря рн, і, набувши велику швидкість, робоче тіло підсмоктує повітря низького тиску. Суміш зі значною швидкістю проходить через дифузор, знижує швидкість, отримує тиск рс, з яким і поступає в магістраль.
2.5 Гвинтові компресори
Гвинтовий компресор – роторний компресор, в якому робоча камера
утворюється корпусом і гвинтоподібним ротором, що мають різні профілі
зубців.
Робочими органами гвинтових компресорів є ротори з нарізаними на них
гвинтовими зубцями. Найбільше використання отримали двороторні машини,хоча принципово кількість роторів може бути від одного до трьох. Роторио бертаються назустріч один одному в корпусі, що виконує роль циліндра.
Конструктивні форми роторів спроектовані на загальних закономірностях
теорії зачеплення взаємовигнутих поверхонь. Сучасними конструкціями
роторів є косо зубчасті шестерні з малим числом зубців асиметричного гелікоідального (спірального) профілю. Кожна пара зубців утворює гвинтовий канал, що заповнюється газом. Ротор, званий ведучим, має випуклі широкі зубці і найчастіше з'єднаний з двигуном. Відомий ротор, що обертається через синхронізуючі шестерні, має зубці увігнуті і тонкі.
Розточування корпусу під ротори перетинаються між собою, утворюючи в
поперечному перетині фігуру у вигляді вісімки. По діагоналі обидві порожнини з'єднані з камерами всмоктування і нагнітання через спеціальні вікна. Вікно всмоктування має форму кільцевого сектора і розташовано з торця гвинтів, вікно нагнітання зазвичай розташоване збоку.
Робочий процес гвинтового компресора складається з чотирьох фаз:
всмоктування, перенесення, стиснення і нагнітання (рис. 2.8). При обертанні
гвинтів на стороні виходу зубців із зачеплення між ними звільнюються
западини. Ці порожнини завдяки створюваному в них розрідження
заповнюються газом з камери всмоктування (аналогічно процесу всмоктування в поршневому компресорі). З поворотом роторів заповнюваний простір збільшується до тих пір, поки з іншої торцевої сторони (де розташована камера нагнітання) зубці не вийдуть із зачеплення повністю. На цьому етап всмоктування (перша фаза) закінчується. При подальшому повороті роторів порожнина між зубцями перейде через кромку вікна всмоктування, її сполучення з цим вікном припиняється, газ опиняється в ізольованій порожнині і без зміни цього замкнутого об'єму переміститься на деякий кут – так здійснюється перенос газу. Процес стиснення починається з моменту обертання, коли в западину відомого ротора починає упроваджуватися зв'язаний виступ ведучого ротора. З подальшим поворотом роторів лінія зачеплення зубців переміщається до торцевої сторони нагнітального вікна. Зменшення об'єму парної порожнини приведе до зростання тиску, який триватиме до тих пір, поки порожнина стиснення не з'єднається з вікном нагнітання. У цей момент процес внутрішнього стиснення (друга і третя фази) закінчується. При сполучені порожнини стиснення з нагнітальним вікном подальший поворот роторів призводить до виштовхування газу в нагнітальний патрубок (4-а фаза).
Основні вузли та деталі компресорів
1 2 3