По характеру изменения давления в технологических аппаратах выделяют собственно компрессоры (создание повышенного давления в аппарате) и вакуум- насосы (создание разрежения в нем). Заметим: термин "вакуум-насос" сохранился чисто исторически, речь идет не о насосах (так в науке ПАХТ именуют устройства для перемещения жидкостей), а о компрессорах определенного назначения. По величине развиваемого напора (давления) различают вентиляторы, создающие избыточное давление до 0,015 МПа, газодувки — до 0,2 МПа и компрессоры — свыше 0,2 МПа. По производительности различают малые компрессоры — объемной производительностью до 0,015 м3 /с, средние — от 0,015 до 1,5 м3 /с и крупные — более 1,5 м3 /с (практически — до десятков кубометров в секунду). 57 В плане изучения и описания сжатия газов в компрессорах наиболее важна классификация по принципу действия. Здесь существуют различные подходы. Согласно наиболее простому из них, все компрессоры подразделяют на три группы: поршневые, центробежные и остальные (обычно их именуют специальными). Более обоснованной в рассматриваемом аспекте представляется следующая классификация: – компрессоры объемного действия, принцип работы которых основан на сжатии газов в результате уменьшения объёма замкнутого рабочего пространства с постоянной массой газа в нем. К таким компрессорам относятся поршневые — с возвратно-поступательным движением поршня, ротационные — с вращательным перемещением изменяющегося рабочего объема; - динамические компрессоры, для которых характерно повышение кинетической энергии газового потока и преобразование затем значительной ее доли в потенциальную (энергию давления). К числу таких компрессоров относятся центробежные, или турбокомпрессоры, в которых давление создается под действием центробежных сил на газовый поток; осевые компрессионные машины, основанные на сообщении газовому потоку кинетической энергии (в осевом направлении); струйные (инжекторы), базирующиеся на обмене количеством движения между газовыми потоками, и некоторые другие.
5.2. Устройство и работа поршневых компрессоров По своему устройству и принципу действия поршневые компрессоры (ПК) во многом напоминают поршневые насосы. Показана схема ПК. При движении поршня 2 вправо из крайнего левого (мертвого) положения в рабочем пространстве цилиндра 1 (слева от поршня — говорят: под поршнем) возникает разрежение. Под действием разности давлений (у источника газа и в цилиндре ПК) открывается всасывающий клапан 4, и газ засасывается в рабочее пространство цилиндра при этом. закрыт Нагнетательный. Далее поршень клапанпри5- ходит в крайнее правое (мертвое) пложение и начинает двигаться влево. При этом уменьшается рабочий объем, под поршнем повышается давление (оно становится больше, чем у источника), и всасывающий клапан 4 закрывает- ся. Нагнетательный клапан 5 на начальных стадиях движения поршня влево то- же закрыт, поскольку давление в рабочем пространстве под поршнем пока еще ниже, чем у потребителя газа. При дальнейшем движении поршня влево дав- Рис. 1. Схема поршневого компрессора: 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – шток; 4 – всасываю- щий клапан; 5 – нагнетательный клапан; 6 – охлаждающая рубашка; I – газ; II – охлаждающая вода. 1 2 3 II I 5 4 6 II 58 ление под ним достигает заданного значения и начинает превосходить его. То- гда открывается нагнетательный клапан 5 и газ из рабочего пространства цилин- дра выталкивается (нагнетается) к потребителю. После достижения левого мертвого положения поршень снова начинает двигаться вправо, нагнетатель- ный клапан при этом закрывается, и цикл повторяется. Таким образом, у поршневых компрессоров в отличие от поршневых насосов рабочий цикл со- стоит не из двух, а из трех стадий: всасывание, сжатие, нагнетание. Работа ПК сопровождается значительным повышением температуры газа (эффекты сжатия; трения), что неблагоприятно сказывается на затратах энер- гии, поскольку возрастают объемные расходы сжимаемого газа. Чтобы понизить температуру сжимаемого газа (уменьшить его объемный расход), используют ох- лаждение стенок цилиндра с помощью установки на его боковых поверхностях (иногда и на торцевых) теплообменных рубашек 6 в которые подается охлаж- дающий агент, как правило — вода. 5.3. Устройство и работа пластинчатого ротационного компрессора Пластинчатые ротационные компрессоры (вакуум-насосы), используе- мые в химической промышленности, изготовляются в различных конструк- тивных вариантах — в зависимости от их назначения и условий функциониро- вания. Один из вариантов такого компрессора представлен на рис.2. Рабочий орган компрессора — помещенный в корпус 1 ротор 2 с пазами 5, в которые вставлены пластины 4 (число их обычно превышает 20). При вращении ротора (на рис. 2 — по часовой стрелке) под действием центробежной силы пластины частично выходят из пазов — насколько позволяют специальные направляющие. При движении ротора пластины трут- ся о стенки корпуса. При этом рабочее пространство разделяет- ся на отдельные перемещающие- ся отсеки (полости) между рото- ром, корпусом и пластинами. Ру- башка 3, питаемая холодной во- дой, предусмотрена для отвода теплоты сжатия и трения. Всасывание газа от источ- ника (в зону всасывания 7) проис- ходит за счет разрежения, возни- кающего при увеличении объема движущегося отсека. Сжатие и подача газа к потребителю происходят при уменьшении объема газа в этом отсеке, когда он перемещается к зоне нагнетания 6. Рис.2. Ротационный пластинчатый компрессор: 1 - корпус, 2 - ротор, 3 - водяная рубашка, 4 - пластины, 5 - пазы, 7 и 6 - зоны всасывания и вы- талкивания газа; I - газ, II - охлаждающая вода 2 1 7 3 4 6 5 I I II II 59 5.4. Центробежные компрессоры Центробежные компрессоры и газодувки (иначе — турбокомпрессоры ТК) являются наиболее распространенными представителями динамических компрессоров. По своему устройству и принципам работы (создание напора за счет непосредственного воздействия центробежных сил) ТК близки к цен- тробежным насосам. ТК по развиваемому напору условно подразделяют на собственно ТК (напор свыше 0,3 МПа), турбогазодувки (напор от 0,01 до 0,3 МПа) и вен- тиляторы (напор не превышает 0,01 МПа). 5.5. Устройство и принцип действия турбокомпрессоров Рабочий орган ТК (рис.3) — насаженное на вал 1 и заключенное в кор- пус рабочее колесо 2, снабженное лопатками 3. При вращении колеса с ло- патками газ центробежной силой отбрасывается к периферии рабочего колеса и далее — в нагнета- тельный газопровод к потребителю. При этом вблизи оси рабочего колеса возникает разрежение, куда устремляется газ от источника. Газ из рабо- чего колеса выходит с большой скоростью, т.е. с большой кинетической энергией. Поскольку на- значение компрессора состоит в повышении дав- ления (т.е. в приросте потенциальной энергии), то используются устройства, преобразующие кине- тическую энергию газа в потенциальную (в энер- гию давления): лопатки, отогнутые назад, улитко- образный корпус, специальньный направляющий аппарат (система неподвижных лопаток, охваты- вающих рабочее колесо). 5.6. Области применения компрессоров Достоинства поршневых компрессоров (ПК) состоят в возможности создания высоких степеней сжатия (до 1000) при неограниченном нижнем пре- деле производительности, аф также в сравнительно высоком КПД. К недостат- кам относятся громоздкость, высокие инерционные усилия вследствие воз- вратно-поступательного движения поршня, загрязнение сжимаемого газа смазкой, высокая стоимость. Достоинства турбокомпрессоров (ТК) — компактность, равномерность подачи, высокий верхний предел производительности (более 50 м3 /с), отсут- ствие загрязнения газа смазкой, возможность непосредственного присоедине- ния к электродвигателю. Среди недостатков — пониженный КПД, ограни- ченный нижний предел производительности (около 1,5 м3 /с). Рис.3. Схема центробежного компрессора: 1 - вал, 2 - рабочее колесо, 3 - лопатки 1 2 3 60 Таким образом, ПК применяются в случае высоких степеней сжатия при умеренной производительности, а ТК — при высоких производительностях и не очень высокой степени сжатия. 5.7. Устройство и принцип работы двухроторного компрессора Рабочий орган двухроторного компрессора (рис. 4) — пара роторов (восьмерок) 2, размещенных в овальном корпусе 1. Роторы вращаются в проти- воположных направлениях и как бы катятся друг по другу. При этом зазор между ними, а также между каждым ротором и корпусом — очень мал (доли миллиметра). В целях герметизации (для уменьшения зазоров) в рабочую зону добавляют в небольших количествах смазочные материалы. При вращении роторов газ захватывается и порциями (на рисунке — за- штриховано) проталкивается от всасываю- щей стороны к нагнетательной. При этом в полости между ротором и корпусом газ не изменяет объема, сжатие происходит при сообщении полости с нагнетательным пространством, где газ принимает давле- ние потребителя. Несмотря на порционную подачу, потре- бителем газа ее неравномерность практиче- ски не ощущается вследствие высокой час- тоты вращения роторов. Достоинства: компактность, про- стота, надежность. Недостаток: шум в процессе работы. Существенная особен- ность: необходимость тщательного изго- товления роторов и корпуса и точность монтажа, иначе из-за увеличения зазоров существенно снижаются напор и произво- дительность. 5.8. Вакуум – насосы Вакуум-насосы (ВН) служат для создания и поддержания вакуума, пере- мещения газа, подсоса жидкости. Часто данные машины могут работать на соз- дание, как повышенного давления, так и вакуума. При этом компрессоры присое- диняются к потребителю своей нагнетательной стороной, а вакуум-насосы — всасывающей. Рис.4. Схема двухроторного компрессора: 1 - корпус, 2 - роторы, 3 - патрубок входа газа, 4 - патрубок выхода газа 3 4 2 1 61 Объемные вакуум-насосы могут обеспечить остаточное давление на уровне 5 кПа. В то же время в химической технологии встречаются процессы, проводимые при весьма глубоком вакууме. В этом случае используются специальные вакуум- насосы. Для примера, рассмотрим диффузионный вакуум-насос. Схема последне- го представлена на рис.5. В корпусе 1 смонтирована труба 3, заканчивающаяся в верхней части щелеобразным соплом 2. В нижней части корпуса и трубы находится слой III жидкого рабочего тела с очень низким давлением паров. Корпус снабжен охлаждающей рубашкой 4, питаемой хо- лодной водой IV. Днище корпуса и слой жидкого рабочего тела получают теплоту от подогревателя 5. Диффузионный вакуум-насос ра- ботает следующим образом. Подогре- ваемая жидкость испаряется; пары рабо- чего тела поднимаются по трубе 3 и, вы- ходя через щелевое сопло 2, направляют- ся на охлаждаемые стенки корпуса. Здесь они конденсируются и стекают вниз - в зону жидкости III. При этом давление на холодных стенках крайне низкое - соот- ветственно давлениям паров рабочего тела при температуре стенки. Пары рабо- чего тела от щелеобразного сопла движутся на стенки корпуса с очень высокой скоростью, поскольку на этом участке практически отсутствует гидравлическое сопротивление. Высокому скоростному напору отвечает низкое давление - ниже, чем в вакуумируемом аппарате. Под действием этого перепада давления возника- ет и поддерживается газовый поток I - от аппарата к диффузионному вакуум- насосу. Далее газовый поток II выходит из диффузионного ВН. В качестве рабочего тела с низким давлением паров наиболее перспективны жидкости на основе кремнийорганических соединений: они устойчивы и практи- чески нетоксичны, что является важным преимуществом в сравнении с использо- вавшимися ранее ртутью или веретенным маслом.
Компрессорные машины