Компрессоры и водокольцевые вакуум-насосы

В вентиляторах, создающих небольшое избыточное давление, достаточно одной рабочей ступени. В турбогазодувках, как прави­ло, предусматривают от одной до нескольких рабочих ступеней. Компрессоры всегда состоят из нескольких ступеней сжатия. Не­смотря на внешнее сходство конструкций рабочих колес и, воз­можно, одинаковое число ступеней турбогазодувок и турбокомп­рессоров, следует отметить два существенных различия между эти­ми машинами.

Во-первых, в газодувках при сжатии газа и увеличении его тем­пературы каких-либо мер по снижению температуры не прини­мают, тогда как в компрессорах газ обязательно охлаждают. Кон­структивно система охлаждения может быть выполнена в виде рубашки на корпусе компрессора, через которую пропускают ох­лаждающую воду, или охлаждение газа проводят в выносном хо­лодильнике (его размещают между секциями компрессора, каж­дая из которых состоит из нескольких ступеней сжатия).

Второе различие связано с размером рабочих колес, установ­ленных в последовательно работающих ступенях сжатия. В турбога­зодувках диаметры рабочих колес и их ширина одинаковы. В ком­прессорах с целью уменьшения гидравлических потерь размер ра­бочих колес последовательно уменьшают. Если компрессор состо­ит из секций, то внутри каждой из них колеса одинаковы, но уменьшаются от секции к секции.

Осевые компрессоры. Конструкция осевого компрессора пред­усматривает несколько ступеней повышения давления (рис. 8.7). Каждую ступень образует пара элементов: венец рабочих лопастей 2, закрепленных на вращающемся роторе 4, и направляющий аппа­рат 3, который состоит из неподвижных лопастей, закрепленных на корпусе 1. Проточную часть компрессора — пространство меж­ду корпусом и ротором — уменьшают к выходу для сохранения постоянного значения осевой скорости. Этот эффект достигается либо уменьшением диаметра корпуса, либо увеличением диамет­ра ротора.

На рис. 8.8 показана схема одноцилиндрового компрессора про­стого действия с приводом от кривошипно-шатунного механиз­ма. В цилиндре 1, плотно примыкая к нему, движется поршень 4. В крышке цилиндра смонтированы всасывающий 2 и нагнетатель­ный 3 клапаны. Возвратно-поступательное движение поршня про­исходит за счет преобразования вращательного движения криво­шипа 6, соединенного с поршнем с помощью шатуна 5.

При движении поршня слева направо из крайнего левого по­ложения в полости цилиндра понижается давление, и открывает­ся всасывающий клапан. Газ поступает в цилиндр. Этот процесс всасывания завершается по достижении поршнем правого край­него положения. При обратном движении поршень воздействует на газ, повышая в нем давление. Всасывающий клапан при этом

закрывается. Давление в цилиндре повышается до тех пор, пока не достигнет значения давления в нагнетательном трубопроводе. Тогда открывается нагнетательный клапан, и газ вытесняется в трубопровод. Вытеснение происходит до достижения поршнем крайнего левого положения. Затем описанные процессы повторя­ются.

Так как температура газа при сжатии повышается и при этом затраты энергии на сжатие увеличиваются, то газ в цилиндре ох­лаждают, используя водяную рубашку 7.

По принципу работы поршневой компрессор двойного дей­ствия аналогичен поршневому насосу двойного действия (см. рис. 7.10).

Рассмотрим, что происходит с газом в цилиндре при соверше­нии поршнем двойного хода — «туда и обратно». На рис. 8.9 при­веден график изменения давления в цилиндре компрессора в за­висимости от положения поршня, или, иначе говоря, от объема цилиндра. Это индикаторная диаграмма.

По завершении всасывания, когда поршень пришел в крайнее положение, соответствующее точке b на графике, газ заполнил цилиндр. При этом его давление ниже атмосферного (если вса­сывание происходит из атмосферы). Затем начинается движение поршня справа налево и сжатие газа, сопровождающееся повы­шением давления до значения , соответствующего точке с на графике (давление нагнетания). На схеме под графиком поршень показан именно в таком положении. При этом давлении открыва­ется нагнетательный клапан, газ вытесняется по линии cd при давлении . Точка d соответствует завершению движения поршня справа налево. Газ вытеснен, но под поршнем остался некоторый объем сжатого газа , который называют вредным пространством.

При обратном движении пор­шня сначала расширяется остаток газа из вредного пространства — кривая da на графике. Когда дав-

	Рис. 8.9. Индикаторная диаграмма поршневого компрессора: аЬ — всасывание; Ьс — сжатие; cd — на­гнетание; da — расширение газа, заклю­ченного во вредном пространстве; — рабочий объем; — объем вредного пространства; — объем всасывания; — объем сжатия; — атмосферное давление; — давление всасывания; р2 — давление нагнетания

Таким образом, некоторая часть хода поршня затрачивается на расширение газа из вредного пространства. Поэтому количество вновь поступившего газа уменьшается в сравнении с тем, которое было бы при отсутствии вредного пространства. Отметим, что в поршневом насосе всасывание начинается, сразу с началом дви­жения поршня. Итак, вредное пространство в компрессоре умень­шает его подачу. Отношение всасываемого объема V_BC (в соответ­ствии с индикаторной диаграммой) к рабочему объему цилиндра называют объемным коэффициентом компрессора :

Чем больше вредное пространство, тем дольше расширяется газ из него и меньше объем всасывания V_BC.

Степень сжатия в одной ступени компрессора ограниченна. Это вызвано двумя причинами. Во-первых, при увеличении степени сжатия давление газа во вредном пространстве станет больше. Сле­довательно, потребуется большая длина хода поршня при расши­рении остаточного газа для достижения давления всасывания. По­этому уменьшится количество всасываемого газа и подача комп­рессора.

Во-вторых, при увеличении степени сжатия температура газа в цилиндре повышается и может достигнуть температуры вспышки компрессорного смазочного масла (около 230 °С). При этом может произойти возгорание масла или даже взрыв масляных паров.

При необходимости получения высокого давления процесс сжатия осуществляют ступенчато, с ограничением степени сжа­тия / на каждой ступени (обычно i не превышает семи). В этом случае при переходе газа из одной ступени в другую его охлажда­ют с помощью промежуточных холодильников (в дополнение к охлаждению в самом цилиндре компрессора). Проведение межступенчатого охлаждения с применением холодильника, имею­щего большую поверхность теплообмена, позволяет повысить эко­номичность процесса сжатия в целом, хотя неизбежны усложне­ние конструкции и увеличение стоимости компрессора.

Подача компрессора простого действия определяется по сле­дующей формуле:

где — коэффициент подачи; — площадь сечения поршня; п — частота вращения вала кривошипа или число ходов поршня; l — ход поршня; z — число цилиндров.

Коэффициент подачи представляет собой отношение объема газа на выходе из компрессора (приведенное к значениям его температу­ры

ры и давления на входе) к рабочему объему цилиндра. Этот коэффи­циент, включающий в себя объемный коэффициент Х₀, зависит от степени нагрева поступающего газа от стенок цилиндра и величины его утечек через неплотности в клапанах.

Обычно компрессор работает на сеть, в которой независимо от потребления газа должно поддерживаться постоянное давление. При переменном потреблении газа необходимо регулировать по­дачу компрессора. Это можно осуществить несколькими способами:

• изменить частоту вращения вала (экономичный, но техниче­ски сложный способ, не получивший широкого распространения);

• применить дросселирование газа на всасывающей линии с помощью заслонки, которая является гидравлическим сопротив­лением. Прикрывая ее, понижают давление всасывания, что при­водит к увеличению степени сжатия газа в компрессоре и, следо­вательно, к дополнительным затратам энергии на сжатие. Данный способ технически прост, но неэкономичен;

• частично открыть всасывающий клапан. При этом газ из ци­линдра возвращается во всасывающую линию, и происходит про­пуск подачи. Такое отжатие клапана может быть осуществлено ав­томатически при определенном давлении в напорной линии. Отжатием клапана лишь на части хода поршня можно достигнуть плавного изменения подачи. Этот способ требует затрат энергии на циркуляцию газа и поэтому неэкономичен;

• изменить объем вредного пространства. К цилиндру присое­диняют дополнительные полости, объем которых можно регули­ровать вручную или автоматически. При увеличении вредного про­странства сжатый газ расширяется на большем пути поршня, уменьшается объем всасываемого газа и снижается объемный ко­эффициент компрессора. Этот способ экономичен, так как работа по сжатию поступившего газа не увеличивается.

Ротационные пластинчатые компрессоры. К машинам объемно­го действия относятся также ротационные пластинчатые ком­прессоры. Конструктивно они аналогичны роторным газодувкам (см. рис. 8.6), но принципиальным отличием пластинчатого комп­рессора является то, что газ охлаждается в нем с помощью тепло­носителя, подаваемого через водяную рубашку корпуса.

Пластинчатые компрессоры отличаются от поршневых равно­мерной подачей газа. У них намного проще конструкция привода от двигателя (с применением только соединительной муфты), но ограничено абсолютное давление, сообщаемое газу (примерно до 0, 5 МПа в одной ступени и до 1, 5 МПа — в двухступенчатых ком­прессорах этого типа).

Водокольцевые вакуум-насосы. Основным назначением водо­кольцевых вакуум-насосов является откачивание газа из аппара­тов с целью создания в них глубокого вакуума. Их маркируют бук­вами ВВН.

В цилиндрическом корпусе 1 вакуум-насоса (рис. 8.10) эксцен­трически, с некоторым смещением осей, установлен ротор 2. Пе­ред пуском полость насоса частично заполняют водой. При вра­щении ротора его лопатки 6 заставляют вращаться воду так, что в корпусе формируется жидкостное кольцо 5. Между ротором, во­дяным кольцом и смежными лопатками образуются замкнутые ячейки переменного объема.

Через входной патрубок 4 и всасывающее окно 7 в боковой крышке в полость насоса подсасывается газ. При уменьшении объе­ма ячеек газ вытесняется через выходное окно 8 в выходной па­трубок 3.

Естественная убыль воды вместе с уходящим газом восполня­ется из емкости, которая до определенного уровня заполнена во­дой и сообщается с полостью насоса.

Для создания вакуума применяют также струйные насосы (см. рис. 7.14). В качестве рабочей жидкости в них обычно используют водяной пар (тогда это пароструйный насос), за счет кинетиче­ской энергии которого перемещается газ, отсасываемый из емко­сти, в которой необходимо создать вакуум. Давление в одной па­роструйной ступени может составлять 0, 9 атмосферного. Для по­лучения более глубокого вакуума применяют двухступенчатые па­роструйные насосы.

Контрольные вопросы

1.Каково назначение компрессорных машин? На какие группы их подразделяют по степени сжатия газа?

2.Каковы устройство и принцип действия центробежного вентилятора?

3.Какие параметры определяют работу вентилятора? Что представля­ют собой характеристики вентилятора?

4.Какими способами можно регулировать подачу вентилятора?

5.Каковы устройство и принцип действия осевого вентилятора? Как количественно отличаются его параметры от аналогичных параметров центробежного вентилятора?

6.Какое положение по рабочим параметрам занимают газодувки в классификации компрессорных машин?

7.Как устроена и действует турбогазодувка?

8.Каковы устройство и принцип действия роторной пластинчатой газодувки?

9.Каковы конструктивные отличия турбокомпрессоров оттурбогазо- дувок?

10.В чем состоят особенности поршневого компрессора простого дей­ствия?

11.Изобразите примерный вид индикаторной диаграммы поршнево­го компрессора. Какие причины вызывают указанный характер измене­ния давления на отдельных стадиях работы компрессора?

12.Чем обусловлена ограниченная степень сжатия одной ступени ком­прессора? Каким образом достигают требуемой степени сжатия?

13.Какими способами можно регулировать подачу компрессора?

14.В чем состоит принципиальное отличие ротационного пластинча­того компрессора от газодувки?

Глава 9