Компрессоры

1. Теория работы сжатия компрессора

Сжатие воздуха сопровождается, как известно, выделением тепла. Если выделяющееся тепло сейчас же удаляется и температура в начале и ,в конце сжатия одна и та же, то процесс называется изотермическим. Если сжатие газа в компрессоре происходит без теплообмена, то процесс называется адиабатическим. В действительности сжатие происходит во время не по изотерме и не по адиабате, так как охлаждение во время сжатия бывает недостаточным для удаления всего образующегося тепла. Процесс идет обычно при некоторых средних условиях между изотермическими и адиабатическими.

Процессы сжатия подчиняются закону, выражаемому формулой (для идеального газа) . Для изотермического сжатия показатель степени n равен 1,0, для адиабатического n равен 1,41, а для промежуточных условий, когда сжатие называется политропическим, n находится между 1,0 и 1,41. Представим себе цилиндр с поршнем (рис. 79). При движении поршня вправо в цилиндр засасывается воздух.

Если пренебречь сопротивлением во всасывающем клапане, то давление по обе стороны поршня одинаково и никакой работы компрессор не производит. Воздух вгоняется в цилиндр атмосферным давлением. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается и начинается сжатие. Вверху на том же рис. 79 показана диаграмма сжатия: по горизонтальной осп откладываются объемы, по вертикали — давления. Абсцисса V1 изображает всосанный в цилиндр объем воздуха при атмосферном давлении р1.

При обратном ходе поршня объем уменьшается а давление р2 увеличивается, пока не дойдет до точки С, когда открывается нагнетательный клапан и под постоянным давлением из цилиндра выталкивается объем V2. В некоторой точке Е избыточное давление равно р — р1 если площадь поршня F, то давление на площадь поршня равно (р—р1) FdS работа на бесконечно малом пути равна (р — р1) FdS. Величина FdS представляет элементарный объем сжимаемого воздуха dV, а так как при сжатии объем уменьшается, то dV будет со знаком минус.

Следовательно, работа сжатия . Работа за время выталкивания равна площади прямоугольника ALCK: . Полная работа за ход нагнетания равна (ФОРМУЛА) (ФОРМУЛА). Полная работа за ход нагнетания равна .Сравнивая эту формулу с диаграммой, видим, что вся работа за ход нагнетания равна площади FCBD + площадь LCFO — площадь OABD, т. е. всей трапециевидной площади.

Эта площадь равновелика площади прямоугольника MNAB. Ордината pi называется средним индикаторным давлением, так как диаграмма, подобная показанной на рис. 79, вычерчивается обычно прибором индикатором, привинчиваемым к цилиндру компрессора. Следовательно, работа за один ход при п оборотах в 1 мин. Равна. L - пл.MNAB = p1V1. Секундная работа выразится. Секундная работа выразится (ФОРМУЛА). 

Работа компрессоров двойного действия будет в два раза больше, но определяется по той же формуле, так как секундная подача воздуха QceK при двойном действии также удваивается. Работа сжатия, представляемая интегралом (ФОРМУЛА), как известно из термодинамики, выражается в общем виде для поли тропического и адиабатического процессов уравнением (ФОРМУЛА). Если объем выразить в м3/мин, то давление должно быть выражено в кг/м2.

Вводя объемный к. п. д.  и механический к. п. д.  получим мощность компрессора (ФОРМУЛА). Для изотермического сжатия предыдущее уравнение при n = 1 превращается в неопределенность. Поэтому, возвращаясь к исходному уравнению, находим, что для изотермического процесса . 

Следовательно, выражение для работы за ход нагнетания примет вид (ФОРМУЛА). Заменив в этом выражении р значением его, взятым из уравнения (ФОРМУЛА), получим (ФОРМУЛА) из предыдущего уравнения (ФОРМУЛА) поэтому (ФОРМУЛА). На диаграмме (рис. 79) эта работа выражается площадью КСВ.

Таким образом, работа за ход нагнетания равна работе сжатия; отсюда следует, что площадь OLCF должна равняться площади OADB; из диаграммы легко видеть это равенство, так как . Количество работы затрачиваемой на сжатие 1 м3 воздуха от атмосферного давления, приведено в табл. 10.

Величины затраты мощности, требуемой для сжатия в течение 1 мин. 1 м3 воздуха от атмосферного давления до давления р2, приведены в табл. 11. Несмотря на то, что стенки цилиндров компрессоров и головки охлаждаются водой, значительная часть тепла остается в сжатом воздухе и процесс сжатия происходит политропически. Поэтому для приближенного определения затраты мощности следует брать цифровые значения средних величин, указанных в табл. 11.

2. Вредное пространство и объемный коэффициент полезного действия

Объем цилиндра компрессора неизбежно больше объема, описываемого поршнем. Длину цилиндра следует принимать с некоторым запасом, чтобы предотвратить при износе вкладышей шатуна удары поршня о крышки цилиндра. Кроме того, к цилиндру примыкают камеры клапанов. Избыток объема цилиндра называется вредным пространством и измеряется путем заполнения цилиндра водой.

Ввиду наличия вредного пространства не весь сжатый воздух выталкивается из цилиндра. Во вредном пространстве сжатый воздух остается и, расширяясь при обратном ходе поршня, препятствует всасыванию нового воздуха. Всасывание может начаться только тогда, когда давление воздуха во вредном пространстве сравняется с атмосферным. На рис. 80 показана кривая расширения воздуха вредного пространства ab.

Наибольший объем цилиндра не используется при изотерме. Всасывание начинается только после того, как поршень прошел точку Ь. В компрессорах расширение происходит по политропе Отношение длин be: cd и определяет объемный к. п. д. Наличие вредного пространства ограничивает степень сжатия в одном цилиндре. Так, при вредном пространстве равном объему, соответствующему 5% хода поршня, изотермическое, сжатие возможно только до 21 ат.

Воздух вредного пространства, сжатый в 21 раз, при обратном ходе поршня расширится и займет объем, в 21 раз больший, т. е. весь объем цилиндра; засасывание нового воздуха тогда уже невозможно. При 10% вредного пространства сжатие возможно только до 11 ат. При адиабатическом процессе и 5% вредного пространства в одном цилиндре можно сжать воздух до 73 ат. Процент полезного использования объема цилиндра с учетом вредного пространства называется объемным коэффициентом полезного действия. Он колеблется обыкновенно в пределах 0,95—0,80, причем значение его тем меньше, чем больше степень сжатия.

Вместе с уменьшением подачи уменьшается и расходуемая компрессором мощность. Помимо вредного пространства, на уменьшение подачи компрессора влияют неплотности поршня, клапанов и трубопровода. Отношение объема действительно подаваемого воздуха к объему, описываемому поршнем, называется коэффициентом подачи. При износе компрессоров этот коэффициент может сильно падать: для новых исправных компрессоров он приближается к объемному коэффициенту.

3. Устранение влияния вредного пространства

Уменьшение объема всасываемого воздуха под влиянием вредного пространства может быть устранено в компрессорах двойного действия. В стенке цилиндра компрессора делают несколько канавок (рис. 81). Когда поршень дойдет до мертвого положения, сжатый во вредном пространстве газ по канавкам (длина которых несколько больше толщины поршня) перейдет на другую сторону поршня, где закончилось всасывание, и таким образом давление будет выравнено почти полностью. Если объем вредного пространства равен 5%, то давление в нем уменьшится в 20 раз, а по другую сторону поршня увеличится на 1/20. Объемный к. п. д. при этом поднимается почти до единицы.

4. Ступенчатое сжатие

Уменьшение объемного к. п. д. с увеличением степени сжатия вызывает необходимость двух или многоступенчатого сжатия при больших давлениях. Кроме того, охлаждение сжимаемого воздуха в цилиндре недостаточно; при переводе же сжатого воздуха из цилиндра низкого давления в цилиндр высокого давления воздух пропускают через ресиверохладитель и таким образом доводят его температуру до первоначальной, благодаря чему работа сжатия значительно уменьшается.

На (рис. 82) показана диаграмма двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением. Если бы охлаждения не было, то работа сжатия выражалась бы площадью ADE2B. Благодаря же охлаждению после первого цилиндра точка А1 переходит в точку Е1 и площадь A1DA2E1 представляет выигрыш в работе. Конечная температура воздуха при этом также получается значительно ниже. Если бы сжатие происходило изотермически, то, конечно, никакого выигрыша в работе не было бы и при двухступенчатом сжатии.

При сжатии в двух цилиндрах стремятся к тому, чтобы работа в обоих цилиндрах была одинакова; этого можно достигнуть в тех случаях, когда степени сжатия в каждом цилиндре одинаковы. Если, например, надо сжать воздух до 16 ат, то степень сжатия в каждом цилиндре будет . Первый цилиндр дает сжатие от 1 до 4 ат, второй — от 4 до 16 ат. Степень сжатия в одном цилиндре принимают более 7.

5. Охлаждение

Большое значение для работы компрессора имеет охлаждение. Охлаждающая вода циркулирует в рубашках цилиндра и крышек. В многоступенчатых компрессорах сжимаемый воздух охлаждается в ресиверах на пути между двумя цилиндрами. Охлаждающая вода прогоняется через трубки, а сжатый воздух поступает сверху и выходит снизу. Устройство перегородок вызывает попеременное движение воздуха то вверх, то вниз, чем достигается более высокий коэффициент теплопередачи.

Батарею трубок можно вынимать из барабана для чистки и ремонта. Количество воды, необходимое для охлаждения двухступенчатых компрессоров, принимают от 4 до 6 кг на 1 м3 засасываемого воздуха при нагреве воды на 10—15°. Допускать нагрев воды выше 35—40° не следует. К рубашкам охлаждающая вода должна подводиться снизу, а удаляться — сверху.

Температура засасываемого воздуха должна быть возможно более низкая. При нагревании воздуха на 1° объем его увеличивается на 1/273 Таким образом, на каждые 2,73° нагрева воздуха производительность компрессора уменьшается на 1%. Поэтому засасывание воздуха производится снаружи, где он холоднее. Сечение всасывающей трубы следует принимать равной 50% от площади поршня.

6. Регулирование работы компрессора

Регулирование количества подаваемого сжатого воздуха лучше всего производить путем изменения числа оборотов, если двигатель или трансмиссия позволяют это. Очень просто и удобно регулирование числа оборотов в паровых машинах. Двигатели внутреннего сгорания допускают ограниченное регулирование числа оборотов, которое производится вручную или автоматически. В последнем случае повышенное давление воздуха или газа действует на органы распределения двигателя; при электродвигателях постоянного тока регулирование числа оборотов возможно, но эти двигатели применяются очень редко.

Обычные индукционные электродвигатели трехфазного тока работают с постоянным числом оборотов, а изменение числа оборотов таких двигателей при помощи редукторов нецелесообразно, так как это связано с понижением к. п. д. При невозможности изменения числа оборотов двигателя и при отсутствии редуктора приходится регулировать работу самого компрессора. С увеличением вредного пространства уменьшается подача компрессора и одновременно уменьшается потребляемая им мощность.

Таким образом, этот способ регулирования не увеличивает расхода энергии на сжатие газа и потому является экономным. Выполняется этот способ регулирования путем присоединения дополнительного объема в полости крышки к вредному пространству. Крышку разделяют на несколько отделений, которые при помощи особых клапанов соединяют с вредным пространством вручную или автоматически. Применяется также дросселирование во всасывающей трубе или передача сжатого воздуха во всасывающую трубу путем соединения через клапан этих труб. С применением этих способов регулирования связаны большие потери.

7. Пуск и остановка компрессора

Пуск электродвигателя компрессора должен производиться при установке компрессора на холостой ход. При холостом ходе открыта выпускная задвижка на напорном воздухопроводе. На нагнетательной линии устанавливают обратный клапан, перед которым помещают задвижку выпускную или холостого хода, а за ней— задвижку напорную. Перед пуском компрессора открывают обе задвижки на напорном воздуховоде, а также задвижку на всасывающей линии, затем электродвигатель пускают в ход. Компрессор работает вхолостую, пока не достигнет полного числа оборотов, после чего постепенно закрывают задвижку холостого хода.

Современные компрессоры имеют приспособления для регулирования их работы; эти же приспособления служат и для пуска компрессора в работу. Во время пуска компрессора открывают вентили, при помощи которых полости, имеющиеся в крышке цилиндра, сообщаются с цилиндром. Эти полости настолько увеличивают вредное пространство, что производительность компрессора значительно снижается. Более совершенное устройство указано на (рис. 83).

В крышке цилиндра движется поршень 1, который при помощи маховика 2 и винта 3 может увеличивать объем вредного пространства до желаемой величины и уменьшать таким образом нагрузку компрессора до минимума. Холостой ход компрессора может быть достигнут также путем открывания всасывающего клапана при помощи специального приспособления. Перед остановкой компрессор переводится на холостой ход теми же приспособлениями, какие служат и для пуска его. На холостом ходу компрессор должен проработать около 5 мин. для охлаждения смазочного масла, придания ему большей вязкости и предотвращения стекания его со стенок цилиндра.

8. Вакуум-насосы

Вакуум-насосы служат для отсасывания воздуха из всасывающих труб насосов с последующим сжатием его до атмосферного давления с небольшим избытком (около 0,1 ат) и выбрасыванием затем в атмосферу. Так как сжатие происходит в пределах от 0 до 1 ат, то мощность требуется небольшая, но степень сжатия может быть очень значительной. При вакууме 90% степень сжатия 1,1 : 0,1 = 11, а так как при высоких степенях сжатия объемный к. п. д. сильно снижается, то необходимо устранение влияния вредного пространства. Высокая степень сжатия требует также охлаждения для понижения температуры. 

Мощность, потребляемая вакуум-насосом, вначале очень малая, растет до достижения вакуума около 0,4 ат, а затем снова падает. При пуске вакуум-насоса мощность его, если исключить трение, почти равна нулю, так как давление всасывания равно давлению нагнетания, а при достижении полного вакуума она также равна нулю, так как отсасываемое количество воздуха равно нулю.

9. Коэффициент полезного действия компрессора и двигателя

Работа компрессора заключается в полезной работе сжатия и бесполезной работе на образование тепла. Отношение изотермической работы сжатия к работе поршня называется изотермическим к. п. д., а отношение работы поршня, т. е. индикаторной мощности, к мощности на валу компрессора называется механическим к. п. д. Произведение обоих коэффициентов дает общий к. п. д. компрессора, равный 70—60%. При зубчатой или ременной передаче от электродвигателя этот коэффициент надо умножить на 0,90—0,95. Тогда общий к. и. д. всей установки будет равен 67—54%.

10. Конструкции компрессоров

На (рис. 84) изображен одноступенчатый компрессор горизонтального типа. Станина компрессора лежит на фундаменте и прикреплена к нему болтами. В станине находится коленчатый вал с шатуном 1 и ползуном 2. Цилиндр двойного действия прикреплен к станине болтами и находится на весу, вокруг цилиндра — рубашка с водой для охлаждения, причем охлаждаются и крышки.

Всасывание воздуха происходит снизу через всасывающие клапаны передней и задней частей цилиндра. Нагнетательные клапаны находятся над ними. Производительность таких компрессоров — от 2 до 40 м³/мин. Горизонтальные компрессоры имеют число оборотов от 100 до 350 в 1 мин. Вертикальные компрессоры производительностью до 5 м³/мин применяют с 250—750 и даже 1 000 об/мин. 

Вертикальные компрессоры устойчивее, чем горизонтальные, имеют меньший вес, занимают меньшую площадь и устанавливаются на более легком фундаменте. На рис. 85 показан одноступенчатый двухцилиндровый компрессор простого действия Московского завода «Борец» на 5 м³/мин, 6 ати, 750 об/мин. Компрессор непосредственно соединен с электродвигателем. Двухступенчатые компрессоры с дифференциальным поршнем завода «Борец» (рис. 86) горизонтального типа изготовляются производительностью до 30 м3/мин, вертикального типа— до 10 м³/мин.

Компрессор имеет цилиндр низкого давления 1, всасывающий клапан цилиндра 2, нагнетательный 3, вторичное сжатие происходит в кольцевом пространстве 4, после первой ступени воздух направляется в ресиверохладитель 5. Вода прогоняется через ресивер слева направо, входит снизу и, пройдя по трубкам, выходит справа сверху. После первой ступени сжатия воздух направляется перегородками зигзагообразно и подводится к всасывающему клапану второй ступени сжатия 6, после второй ступени сжатия воздух выходит через клапан 3 снизу.

Вертикальный трехступенчатый двухцилиндровый компрессор Московского завода «Борец» имеет производительность 13 м3/мин., давление—до 50 ати, 365 об/мин и мощность на валу компрессора 195 л. с Один цилиндр двойного действия является первой ступенью, второй цилиндр с дифференциальным поршнем имеет вторую и третью ступени. Четырехступенчатые компрессоры развивают давления: в первом цилиндре— 3,5 ати, во втором—18 ати, в третьем — 80 ати и в четвертом — 350 ати. Многоступенчатые компрессоры на 100 м3/мин и более наши заводы строят горизонтальными.

Клапаны применяются, как и в насосах, тарельчатые и пластинчатые. Более распространены пластинчатые кольцевые клапаны из высококачественной стали толщиной 0,75—2 мм с пружинами. Ход клапана обычно равен 4 мм. •Плотное прилегание клапана к седлу имеет большое значение для экономичности работы компрессора. На клапанах обыкновенно отлагается нагар масла (карбонизация), который препятствует плотному закрыванию клапана. Поэтому не следует допускать обильную смазку цилиндра и необходимо периодически очищать клапаны.

11. Центробежный компрессор

Центробежный компрессор H3J1 К-250—61—1 предназначен для сжатия воздуха до давления 9 кг/см2 и приводится в движение высокооборотным электродвигателем через повышающую зубчатую передачу. Компрессор имеет шесть ступеней сжатия с двумя промежуточными воздухоохладителями. Корпус компрессора отлит из чугуна и имеет разъемы в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Входные и выходные патрубки направлены вниз. После первых рабочих колес каждой секции установлены прямолинейные диффузоры и обратные направляющие аппараты в виде отдельных каналов (рис. 87). Каждый диффузор имеет 10 постепенно расширяющихся каналов, которые постепенно переходят в 10 каналов обратного направляющего аппарата. После второго колеса первой секции установлен диффузор с лопатками обтекаемого профиля. Из этого диффузора, а также из вторых колес второй и третьей секции воздух выходит в улитки, отлитые заодно с корпусом.

Ротор компрессора имеет рабочих колес: два колеса (первая секция) — с лопатками, нормально загнутыми назад, четыре — с лопатками, сильно загнутыми назад. Лопатки колес первых двух секций штампованные, колес третьей секции — выфрезерованные в теле диска. Компрессор снабжен автоматическим регулирующим устройством, посредством которого поддерживается постоянное давление нагнетания.