Kompressormasinad

Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
Kompressormasinad.
Компрессорные машины.
Комрессорные машины широко используются в технике для сжатия
(компримирования) и траспортировки газов. В компрессорных машинах передают
газу механическую энергию так, чтобы газ мог преодолеть силу противодействия (
разность давлений, гидродинамическое сопротивление газового тракта), сообщая газу
необходимую кинетическую энергию.
Основные показатели компрессорной машины:
- производительность V, m3/s
- развиваемое давление H, kPa
- мощность P0 , kW
Полезная мощность компрессорной машины:
P0 = V∙H, kW
Потребляемая мощность Pe больше, чем полезная P0, поскольку существуют
различные потери мощности. Если учитывать все потери мощности в компрессорных
машинах к.п.д. η, то потребляемая мощность запишется следующи м образом:
Pe = P/η
Компрессорные машины разделяют по двум основным принципам:
- по принципу сообщения газу механической энергии
- по развиваемому давлению компрессором
На основе первого принципа различают следующие виды компрессорных машин.
I.
Турбинные компрессоры. Энергия сообщается газу со стороны сил,
действующих внутри рабочих лопаток вращающегося рабочего колеса. При
непрерывном прохождении газа через рабочее колесо увеличивается его
кинетическая энергия; в то же время увеличение кинетической энергии не
всегда является целью. Турбокомпрессоры подразделяют на подвиды в
зависимости от физической природы действующих в рабочем колесе сил:
а. центробежный компрессор
1 - входной патрубок; 2 - рабочее колесо;
3 - корпус; 4 - нагнетательный патрубок;
5 - лопатка.
1
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
В центробежных компрессорах газ двигается поперек оси вращения, в радиальном
направлении от оси.
б. осевой компрессор
1 - коллектор; 2 - входной направляющий аппарат;
3 - рабочее колесо; 4 - выходной направляющий
аппарат; 5 - кожух (обечайка); 6 - обтекатель.
В осевых компрессорах газ движется
вдоль
оси
вращения,
обтекая
её
цилиндрически.
Теоретические основы турбокомпрессоров рассмотрены в работах Л. Эйлера (1707 –
1783) и Н.И. Жуковского (1847 – 1921).
Объемные компрессоры. Способ передачи энергии газу заключается в том,
что газ подается в закрытый объем компрессора, где его сжимают в результате
чего увеличивается потенциальная энергия газа. Кинетическая энергия газа
практически не изменяется. Объемные компрессоры разделяют по принципу
исполнения на:
а. поршневые компрессоры
II.
1 - корпус; 2 - поршень; 3 - всасывающий клапан; 4 нагнетательный клапан
Поршневые компрессоры имеют следующие
достоинства:
- высокий КПД (до 95 %);
- возможность получения высоких давлений;
- независимость подачи от противодавления сети;
- возможность запуска в работу без предварительного залива (при использовании в
качестве насосов).
К недостаткам относится:
- громоздкость конструкции;
- невозможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей изза сложности привода через кривошипно- шатунный механизм;
- сложность регулирования подачи.
2
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
б. ротационные компрессоры.
Компрессоры, в которых поршень (ротор) вращается относительно цилиндра,
называют ротационными. Они принадлежат к группе прямоточных поршневых
компрессоров и изготавливаются с катящимися, качающимися и вращающимися
роторами.
Схема шиберного (пластинчатого)
компрессора
где, 1 - корпус; 2 - ротор; 3 - пластины.
Шиберный
(пластинчатый)
компрессор
относится к группе роторных машин. Он
состоит из цилиндрического корпуса, в
котором
эксцентрично
расположен
массивный
ротор
с
радиальными
продольными
пазами,
где
свободно
размещены пластины, выполненные из
материала, хорошо сопротивляющегося истиранию. При вращении ротора пластины
под действием центробежных сил выходят из пазов, прижимаются к внутренней
поверхности корпуса. Захватывают на стороне всасывания жидкость и перемещают
ее к нагнетательному трубопроводу, то есть пластины как бы выполняют роль
поршня.
III.
Струйные компрессоры.
Сжатиеие газа в струйных компрессорах происходит за счет
кинетической энергии струи другого газа или жидкости.
Принцип действия струйного компрессора (насоса) основан на передаче энергии от
одной газообразной среды или жидкой (рабочей) к другой (перекачиваемой).
Движение перемещаемой жидкости обеспечивается струей рабочей среды. Различают
три разновидности струйных насосов: эжекторы, инжекторы и гидроэлеваторы. В
эжекторах в качестве рабочей и перекачиваемой жидкостей используется одна и та же
жидкость. В инжекторах рабочим (эжектирующим) потоком является газ или пар, а
эжектируемым (перекачиваемым) - жидкость.
В гидроэлеваторах рабочим потоком является вода, а эжектируемым - пульпа (смесь
воды с твердыми частицами).
Схема эжектора
1 - сопло; 2 - камера смешения; 3 - диффузор.
Любой струйный аппарат состоит из сопла,
куда подается рабочая жидкость (вода, пар,
газ), камера смешения, где смешиваются
рабочая и подсасываемая жидкость, и
диффузор,
в
котором
осуществляется
преобразование кинетической энергии в потенциальную, то есть создается давление.
3
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
Работает струйный аппарат следующим образом. Рабочая жидкость выходит из сопла с
большой скоростью в виде струи, несущей большой запас кинетической энергии.
Активная рабочая струя захватывает окружающую жидкость и передает ей часть своей
энергии. Образовавшийся смешанный поток движется в проточной части аппарата. В
камере смешения в результате обмена импульсами происходит выравнивание поля
скоростей потока и за счет высвобождающейся кинетической энергии растет его
статическое давление. Затем поток поступает в диффузор, где вследствие уменьшения
скорости и, следовательно, динамического давления потока происходит увеличение
статического давления.
К патрубку рабочей жидкости эжектора (струйного насоса) под напором подводится
поток жидкости. Жидкость под действием напора с большой скоростью вытекает из
сопла, при этом ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Разрежение
при выходе из сопла настолько велико, что в камеру смешения через всасывающий
патрубок засасывается перекачиваемая жидкость. Образовавшаяся смесь попадает в
диффузор, где за счет уменьшения скорости вновь увеличивается потенциальная
энергия потока (возрастает напор).
К достоинствам струйных компрессоров следует отнести:
- простоту конструкции;
- отсутствие подвижных элементов.
К недостаткам относится:
- очень низкий КПД (не превышает 35 %).
Разделение компрессорных машин по принципу действия позволяет более рационально
представить теорию компрессорных машин, включая в т.ч. и насосы.
С точки зрения практической разделение компрессорных машин по величине
развиваемого давления более наглядно. Основные типы компрессорных машин по
величине развиваемого давления, которое характеризуется степенью повышения
давления p2/p1 = x:
Вентиляторы x= 1,0... 1,1. По приципу действия вентиляторы – турбокомпрессоры.
Используют как центрбежные, так и осевые вентиляторы. От вентиляторов требуется
сравнительно низкое давление, поэтому они в основном одноступенчатого исполнения,
иногда осевые вентиляторы бывают двухступенчатыми. Вследствие умеренных
скоростей в теории вентиляторов газ можно рассматривать несжимаемым, что
упрощает расчеты, поскольку интеграл технической работы ∫v dp уравнения
истечения газов берется при условии, что v = const.
По развиваемому давлению ( сумма статического и динамического давлений)
вентиляторы разделяют на три группы (разделение используется в основном для
центрифужных вентиляторов)):
I.
а. вентиляторы низкого давления, общее давление H <1 kPa (<100 kgf/m 2 или mm
H 2 O).
4
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
б. вентиляторы среднего давления, общее давление H= 1 . . . 3 kPa (100 . . . 300
kgf/m2 или mm H 2 O).
в. вентиляторы высокого давления H= 3 . . . 15 kPa (300 . . . 1500 kgf/m 2 или mm H 2 O).
Ступень осевого вентилятора развивает более низкое давление, чем ступень
центробежного вентилятора . Поэтому осевые вентиляторы используются тогда, когда
необходима высокая производительность и низкое давление. Отсюда следует, что по
принципу работы вентиляторы среднего и высокого давления - прежде всего
центробежные компрессорные машины.
Область применения вентиляторов очень обширная. Вентиляторы, которые
предназначены для удаления горячих газов горения из топок и печей и улучшения
тяги, называются дымососами.
II.
Дутьевые вентиляторы
x= l , 0 6 . . . 4 . П о п р и ц и п у д е й с т в и я
центрифужные или осевые имеют несколько ступеней. Воздухо дутьевые вентиляторы широко используются
в металлургии,
установках пневмотранспорта, в энергетике ( для подачи воздуха
в топку).
III.
Компрессоры x >3. Принцип работы бывает турбинный, объемный, струйный.
Объемные компрессоры бывают улиточные, крыльчатые, шестереночные.
Турбинные компрессоры практически все многоступенчатые, в центрифужных
компрессорах 3 – 4 ступени, а в осевых – 10 и более ступеней. Несмотря на
многоступенчатость, возможности подъема давления
в турбинных компрессорах
ограничены, т.к. необходимы промежуточные охладители.
Турбинные осевые
компрессоры используют в газовых турбинах. К.п.д. осевого компрессора очень высокий
до 90%.
Для повышения давления x ≥ l 2 . . . 1 5 и с п о л ь з у ю т п о р ш н е в ы е
компрессоры, где для достижения высо кого давления нет
необходимости
резкого
увеличения количества
ступеней.
Давление
на
выходе
из
компрессора
возрастает
в
геом ет ри ч еск ой п рогре сси и с к оли ч ест в ом ув ели ч ен и я ст уп ен ей
в поршеневом компрессоре
x ≈ x1 z ,
где z – количество ступеней, х1 – развиваемое давление в одной ступени.
Поэтому в поршневых компрессорах уже при 4 – 5 последовательных
ступенях можно достичь давления в 200 – 250 раз и больше выше
первоначального. Производительность
же компрессора ограничена и
составляет Q < 3,3 . . . 3,5 m 3 /s.
В других объемных компрессорах степень сжатия (повышения давления) х = 4 . . .
10. Большинство компрессоров работает на рессивер, откуда воздух подается
по трубопроводу сжатого воздуха к потребителю.
Особенностью работы компрессора является сжимаемость газа, которую
нельзя не учитывать в теории расчетов компрессора. В большинстве случаев
промежуточные охладители необходимы, т.к.
в результате сжатия газ
значительно нагревается.
В особую группу компрессорных машин входят вакуумные насосы. Их
задачей является создание глубокого разряжения на всасе. Экзостеры, вид
вакуумных насосов, конструкционно схожи с вентиляторами и дутьевыми
вентиляторами; вакуум, создаваемый ими не очень глубок.
5
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
Несмотря на то, что принципы работы компрессоров значительно отличаются
друг от друга, термодинамические процессы, происходящие в них,
рассматриваются едиными.
Задачей термодинамического исследования компрессорной машины
является
определение необходимой работы L t на совершение процесса сжатия
термодинамического тела от начального давления p1 до конечного
давления p2.
Поршневой компрессор
Винтовой компрессор
Центробежный тяго-дутьевой вентилятор
Осевой вентилятор низкого давления
Сжатие термодинамического тела в компрессорах
Сжатие (компримирование) термодинамического тела в компрессорах происходит за
счёт работы электрического привода компрессора. Несмотря на то, что принцип
работы компрессоров может существенно различаться, происходящие в компрессорах
термодинамические процессы очень похожи. Работа, потребляемая компрессором для
сжатия термодинамического тела от начального давления р1 до конечного давления р2
(рис.7.1 и 7.2) зависит от характера процесса сжатия (компримирования) и её
рассчитывают как техническую работу, необходимую системе:
p2
lt = ∫vdp
(7.1)
p
1
6
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
(Техническкая работа ТДТ считается положительной, если в процессе давление
уменьшается, т.е. дифференциал давления – отрицательный).
Техническая работа сжатия идеального газа в изотермическом процессе при Т =
const
lTt , J/kg - работа на единицу массы ТДТ
LTt , J/h - работа в единицу времени :
и
При адиабатном (изоэнтропном) процессе сжатия pvk = const :
В политропном процессе сжатия :
При политропном процессе сжатия pvn = const:
где V1 - объемная подача газа (производительность) компрессора в m3/h.
V1 = Vi N n
Vi – объем газа, поступающего в одну рабочую полость (ступень) компрессора за один
ход всасывания
N – число рабочих полостей (ступеней) компрессора
n – частота вращения коленчатого вала компрессора
7
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
До сих пор мы пользовались, главным образом, рv-диаграммой. Однако в некоторых
случаях, в частности, при исследовании работы компрессоров, пользуются рVдиаграммой, где по оси ординат откладывают значения давлений, как и в рvдиаграмме, а по оси абсцисс — значения объемов рабочего тела. Отождествлять эти
две диаграммы нельзя. В рv-диаграмме изображаются термодинамические процессы, в
которых могут изменяться все три параметра р, v и Т или даже какой-нибудь один из
них, но масса рабочего тела в течение всего процесса остается неизменной.
В рV-диаграмме кроме процессов сжатия и расширения изображаются также и линии
процессов впуска и выпуска; параметры р, V и Т могут оставаться постоянными, а масса
рабочего тела изменяется (при впуске увеличивается, а при выпуске уменьшается).
Следовательно,
линии
впуска
и
выпуска
являются
линиями
не
термодинамических, а механических процессов.
рV-диаграмма может сниматься с работающего поршневого теплового двигателя с
помощью специального прибора, называемого индикатором, поэтому такие диаграммы
называются индикаторными.
Рис.7.1 Сравнение процессов компримирования на
pv-диаграмме.
На рис. 7.1 линия 4 – 1 – это линия впуска
(всаса) газа, линия механического процесса;
линия 1 – 2 - процесс компримирования
газа – линия термодинамического процесса;
линия 2 – 3 - линия процесса нагнетания
(выталкивания)
сжатого
газа
в
нагнетательный
трубопровод
через
нагнетательный
клапан,
линия
механического процесса.
В момент второй перемены направления движения поршня нагнетательный клапан
закрывается, давление в цилиндре понижается ( линия 3 – 4) и всасывающий клапан
снова открывается.
Процесс повышения давления может протекать по изотерме, политропе и адиабате. Из
рис. 7.1 видно, что наиболее экономичным является процесс изотермического
компримирования газа, поскольку затраченная на процесс работа ( заштрихованная
площадь) минимальна.
Количество теплоты ( площадь А12ВА), которое отведено от газа в процессе
изотермичесского компримирования изображено на Т – s – диаграмме на рис. 7.2., где
1 – 2 - изотермическое сжатие
1 - 2’ – политропное сжатие
1 – 2’’ - адиабатное сжатие
Рис.7.2 Сравнение процессов сжатия на
Ts – диаграмме.
8
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
Количество отведенной теплоты в процессе политропного сжатия в J/kg ( на
единицу массы ТДТ) и J/s (на единицу времени):
где М – производительность компрессора kg/s
где М – производительность компрессора в kg/s
Схема многоступенчатого компрессора:
Тs – диаграмма сжатия ТДТ (газа) в многоступенчатом компрессоре.
РV –диаграмма сжатия ТДТ (газа) в многоступенчатом компрессоре.
9
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
В многоступечатом компрессоре
затрачиваемая работа минимальна, если
повышения давления в ступенях компрессора равны между собой, т.е. х1 = х2=хi.
Степень повышения давления в отдельных ступенях компрессорах:
i – произвольное количество ступеней
i – произвольно выбранная ступень компрессора
N – количество ступеней компрессора
p1, p2 – давление компримируемого тела до сжатия и после сжатия соответственно.
Затрачиваемая работа на политропное сжатие газа в J/kg и J/h соответственно
где V1 - объемная подача ( производительность) компрессора, m3/h
Количество отведенной от газа теплоты q, kJ/kg
а также количество переданной теплоты в промежуточных охладителях qj J/kg :
Теоретическая мощность компрессора в kW:
10
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
lt – удельная работа, необходимая на сжатие 1 кг газа, J/kg
M – секундный массовый расход компримируемого тела (газа), kg/s
Lt – работа сжатия, J/h
Расход охлаждающей воды в компрессоре kg/s :
Mv = Q/ (3600· cv ·Δt)
( 7.16)
Q – теплота отведенная от газа, kJ/h
cv – удельная теплоемкость воды kJ/kg·K
Δt – перепад температур в водяной рубашке компрессора, oC
Δt = tv’’ – tv’
где
tv’’ – температура охлаждающей воды на выходе из компрессора,oC
tv’ – температура охлаждающей воды на входе в компрессор oC
На рис. 7.3 представлен рабочий процес одноступенчатого поршневого компрессора. С
увеличением объема вредного пространства (V0 =V3) уменьшается производительность
компрессора. Влияние вредного пространства на производительность компрессора
учитывает объемный коэффициент λv:
Vh – рабочий объем компрессора, м3
Vm – объем заполнения компрессора нв всасе,м3
σ = Vo/Vh – относительный объем вредного пространства цилиндра поршневого
компрессора
p1, p2 – давление компримируемого тела (газа) до и после сжатия
n – показатель политропы 3-4
На рис.7.3 на pV – диаграмме представлен
теоретический
рабочий
процесс
одноступенчатого поршневого компрессора: 1-2 –
сжатие, 2-3 – выталкивание воздуха в
нагнетательный трубопровод, 3-4 расширение во
11
Loengud koostatud kasutades põhiõpikud: A.Ots Soojustehnika aluskursus, TTÜ Kirjastus, Tallinn, 2011;
H.Käär Soojus ja massilevi I osa, Põhikursus, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998;
H.Käär Soojus ja massilevi II osa, Ülesanded, Tallinn, TTÜ kirjastus, 1998.
TTÜ Soojustehnika Instituudi õppematerjalid
вредном пространстве,
компрессора).
4-1 – всас ( заполнение воздухом рабочего пространства
Теоретическая объемная производительность поршневого компрессора m3/s
V = λv· Vh·n
(7.18)
где n – частота вращения вала компрессора, 1/s
Объемная производительность реального компрессора, m3/h
V`= ηv´·Vh·n
(7.19)
где - ηv´ коэффициент заполнения компрессора
Ориентировочно ηv´ - 0,65...0,85.
Необходимую работу для процесса компримирования газа в реальном компрессоре
определяют используя изотермический ηТ ( компрессор с охлаждением) или
адиабатический ηad (компрессор без охлаждения) к.п.д. :
ηТ = lT /l´ ; ηad = lad /l´
( 7.20)
где lT , lad - соответственно работа изотермического и адиабатического процессов
сжатия термодинамического тела (теоретически рассматривается обратимый процесс).
l´ - работа необходимая для реального компримирования термодинамического тела.
Ориентировочно ηТ = 0,65...0,75; ηad = 0,7...0,9.
Эффективный к.п.д. компрессора
ηe = ηTηm или ηe = ηadηm
( 7.21)
где ηm - механический к.п.д. компрессора ( = 0,8...0,93 )
Эффективная мощность компрессора Pe, kW
где lt - удельная работа компримирования, J/kg
M - массовая производительность компрессора, kg/s
Lt - работа компримирования, J/h
12