Компрессоры
Назначение и классификация компрессоров
Компрессорами называются машины для сжатия и перемещения газов. По принципу действия компрессоры разделяют на объемные и динамические.
Объемные: поршневые, мембранные, роторные.
Динамические: центробежные и осевые.
В динамических компрессорах рабочая среда перемещается под силовым воздействием на нее в рабочей камере, где вход и выход соединены между собой и подводимая извне к газу (воздуху) энергия идет на увеличение его скорости и кинетической энергии. Силовое воздействие создает рабочий орган компрессора например: центробежное колесо или осевое колесо, в зависимости от конструкции рабочего органа, компрессор будет называться центробежным или осевым.
Необходимо отметить, что в центробежных компрессорах рабочая среда перемещается, за счет центробежной силы возникающей при вращении рабочего колеса. В осевых рабочая среда перемещается через рабочее колесо вдоль его оси, осевое колесо как бы проталкивает рабочую среду.
· Объемные (поршневые, плунжерные, мембранные, ротационные),
В объемных компрессорах, рабочая среда перемещается за счет периодического изменения объема рабочей камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом машины, давление газа повышается за счет уменьшения замкнутого объема (рабочей камеры). Можно дать также и следующее определение: в объемных компрессорах продукт перемещается путем вытеснения его, из замкнутого пространства телами движущимися возвратно-поступательно или вращательно. При воздействии рабочего органа на продукт повышается ее давление, за счет чего он поступает в систему.
Среди объемных насосов и компрессоров, имеющих рабочие органы совершающие возвратно-поступательное движение и имеющие устройства для переменного сообщения рабочей камеры со входом и выходом (клапана), различают: поршневые, плунжерные и мембранные НКО, имеющие соответствующие рабочие органы. Движение продукта при этом будет прерывистым.
Среди объемных насосов имеющих рабочие органы, совершающие вращательное движение различают: винтовые и шестеренчатые насосы или компрессора, которые имеют соответствующие рабочие органы. Движение продукта при этом будет равномерным.
PS: Плунжер - это поршень, длинна которого значительно превышает его диаметр.
Все компрессоры подразделяют по основным эксплуатационным параметрам:
1) по напору:
- низкого давления 0,2-1МПа
- среднего давления 1,0-10 МПа
- высокого давления свыше 10 МПа
2) по производительности:
- малой 0,015 м3/с
- средней 0,015-1,5 м3/с
- крупной свыше 1,5 м3/с
Выбор типа и конструкции компрессора зависит от различных конкретных условий эксплуатации.
По назначению компрессоры подразделяют для сжатого воздуха, азота, аммиака, кислоты, ацетилена и др.
Центробежные компрессоры по сравнению с другими имеют ряд преимуществ:
1) они не имеют элементов, совершающих возвратно-поступательных движений и следовательно не нуждаются в массивных фундаментах.
2) не требуют большого количества запасных частей, т.к. во время работы все движущиеся поверхности соприкасаются только в п/ш с неподвижными плоскостями.
3) они малогабаритны
4) имеют большую производительность
. Схема ступени центробежного компрессора
I--рабочее колесо; 2--лопатки; 3--кольцевой отвод; 4--диффузорные лопатки
На рис. показана в разрезе ступень центробежного компрессора. Находящемуся между лопатками газу при вращении рабочего колеса сообщается вращательное движение, в результате чего газ под действием центробежной силы движется к периферии колеса. Затем газ попадает в диффузор, площадь которого увеличивается с увеличением радиуса, скорость частичек газа при этом снижается, а давление возрастает.
Схема четырехступенчатого турбокомпрессора
повышения эффективности работы диффузора по превращению кинетической энергии в потенциальную служит диффузорные лопатки, упорядочивающие движение газа.
При вращении рабочего колеса в зонах, расположенных у оси вращения, давление газа становится меньше, чем во всасывающем трубопроводе, вследствие чего образуется непрерывный поток газа через проточную часть колеса и диффузор. При работе одного колена и диффузора, образующих ступень центробежного компрессора, где происходит одноступенчатое сжатие газа, степень сжатия е=Р2/1 невелика и составляет не более 1,2.
Для получения высокой степени сжатия газа используют несколько ступеней компрессора. Конструктивно это обеспечивается установкой на одном валу нескольких рабочих колес, располагаемых в одном корпус. В этом случае газ поступает в следующую ступень по каналам, образованным лопатками направляющего аппарата.
Общая степень сжатия центробежного компрессора определяется степенью сжатия его отдельных ступеней и определяется отношением давления р2 на выходе из компрессора к давлению р. на входе.
Поршневые компрессоры
Выбор схемы компрессора зависит от назначения, условий эксплуатации, подачи рабочего давления, числа ступеней и распределения давления по ступеням.
Схема компрессора характеризуется следующими параметрами:
- числом ступеней
- кратностью подачи
- расположением циклов
- конструкцией механизмов движения
- по характеру расположения осей циклов компрессоры делятся на три группы: вертикальные, горизонтальные, угловые
ь Одноступенчатые
В компрессорах одноступенчатого сжатия (см. рис.) воздух сжимается один раз и затем поступает в воздухосборник. Различные виды компрессоров по принципу действия могут быть одноступенчатыми, независимо от числа рабочих камер. Наиболее доступно объяснить понятие одноступенчатый компрессор не зависимо от числа рабочих камер, можно объяснить на примере принципа действия поршневых компрессоров одинарного и двойного действия.
Рис. Схемы поршневых компрессоров одноступенчатого сжатия с цилиндрами одинарного (а) и двойного (б) действия:
1 - поршень; 2 - цилиндр; 3, 4 - всасывающий и нагнетательный клапаны; 5 - поршневой палец; 6 - шатун; 7 - коленчатый вал; 8 - шток; 9 - крышка.
ь Многоступенчатые (двух- , трех-ступенчатые и т.д.)
В компрессорах двухступенчатого сжатия (рис2.) воздух сжимается дважды: вначале до определенного давления в рабочей камере (цилиндре) I ступени, затем охлаждается в холодильнике 3 и после этого дожимается в рабочей камере (цилиндре) II ступени до рабочего давления.
Рис.Схема поршневого компрессора двухступенчатого сжатия:
1 - цилиндр I ступени сжатия; 2 - цилиндр II ступени сжатия; 3 - холодильник.
В компрессорах многоступенчатого сжатия воздух сжимается столько раз, сколько ступеней имеют компрессоры.
Многоступенчатым сжатием получают высокое давление воздуха, ограничивая температуру нагнетаемого воздуха увеличением числа ступеней сжатия, так как после каждой ступени сжатия воздух охлаждается в межступенчатом холодильнике. При сжатии в одноступенчатом цилиндре до избыточного давления 0,3 МПа температура сжимаемого воздуха может достигнуть 180 °С. Масло, которым смазывают трущиеся пары компрессора (поршни, цилиндры) для уменьшения износа, при таких температурах разлагается и теряет свои смазывающие свойства. В результате возникает опасность воспламенения и взрыва масляного нагара, накапливающегося в трубопроводах, крышках цилиндров, поэтому температура нагнетаемого воздуха не должна превышать 170°С. Кроме того, при увеличении числа ступеней сжатия уменьшаются затраты энергии на сжатие, увеличиваются производительность и надежность компрессора.
Необходимо отметить, что в многоступенчатых компрессорах объем каждой последующей ступени будет меньше предыдущей, так как при сжатии газа объем его уменьшается.
В вертикальном компрессоре механические частицы, имеющиеся в газе попадают на днище поршня, поэтому износ центра поршневой группы незначителен. Сила инерции действует от движущейся возвратно-поступательной массы в вертикальной плоскости, в связи с чем вертикальные компрессоры имеют малогабаритные фундаменты.
Наиболее уравновешенным являются угловые компрессоры. Горизонтальные компрессоры обычно изготавливают большой производительностью и они являются наиболее тихоходными. Наиболее прогрессивной конструкцией являются горизонтальные компрессоры оппозитного типа. компрессор мембранный поршневой центробежный
Принцип действия поршневых компрессоров. (см. рис. 2.1а).
В цилиндре 2 помещен поршень 1, который пальцем 5 шарнирно соединен с верхней головкой шатуна 6. Нижняя головка шатуна шарнирно соединена с шейкой коленчатого вала 7. При вращении коленчатого вала поршень совершает возвратно-поступательное движение, достигая то верхнего, то нижнего крайних положений. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, соответственно называются верхней и нижней мертвыми точками (в. м.т. и н. м. т.). Расстояние, которое проходит поршень между верхней и нижней мертвыми точками, называется ходом поршня. В крышке цилиндра размещены самодействующие всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны.
Всасывающий клапан пропускает воздух из полости всасывания в цилиндр, но препятствует выходу его из цилиндра. Нагнетательный клапан выпускает воздух из цилиндра в полость нагнетания и не позволяет ему проходить в обратном направлении, т. е. из полости нагнетания в цилиндр.
При движении поршня вниз от в. м. т. в цилиндре создается разрежение. Наружный атмосферный воздух, преодолев сопротивление всасывающего клапана 3, открывает его и заполняет цилиндр до тех пор, пока поршень не достигнет н. м. т. В этот момент всасывающий клапан закрывается, поршень начинает движение вверх, сжимая находящийся в цилиндре воздух-- давление воздуха возрастает до тех пор, пока не откроется нагнетательный клапан 4, через который сжатый воздух будет вытесняться поршнем из цилиндра до момента прихода поршня в в. м. т.
За один оборот коленчатого вала (360°) совершается полный рабочий цикл компрессора:
ь такт разряжения (движение поршня от верхней мертвой точки до момента открытия всасывающего клапана)
ь такт всасывания (движение поршня с момента открытия всасывающего клапана, до нижней мертвой точки);
ь такт сжатия (при движении поршня от н. м. т. до момента открытия нагнетательного клапана)
ь и такт нагнетания (сжатый воздух выталкивается из цилиндра двигающимся поршнем в направлении к в. м. т.).
Особенность поршневого компрессора -- при нагнетании не весь сжатый воздух выталкивается поршнем из цилиндра, поэтому при обратном ходе поршня процесс всасывания начинается только после того, как давление оставшегося в цилиндре сжатого воздуха достигнет давления всасывания. Другими словами, самодействующий всасывающий клапан откроется тогда, когда давление воздуха в рабочей полости цилиндра будет немного меньше, чем давление воздуха в полости всасывания (всасывающем трубопроводе).
Принцип действия мембранных компрессоров. (см. рис.2.4).
Рис Мембранный компрессор:
1, 2 - всасывающий и нагнетательный клапаны; 3 - мембрана; 4 - рабочая полость; 5 - шатун; 6 - вал с эксцентриком.
Вместо поршня в них установлена гибкая мембрана. При вращении вала 6 с эксцентриком шатун 5, а вместе с ним и мембрана 3 перемещаются вниз. В рабочей полости 4 создается вакуум и в нее через открывающийся всасывающий клапан 1 засасывается атмосферный воздух. Когда мембрана переместится в крайнее нижнее положение, заполнение рабочей полости атмосферным воздухом закончится и всасывающий клапан автоматически закроется. При дальнейшем повороте вала с эксцентриком шатун вместе с мембраной будет подниматься вверх и воздух в рабочем пространстве будет сжиматься до тех пор, пока не откроется нагнетательный клапан 2 и сжатый воздух начнет выталкиваться из рабочей полости. Когда диафрагма придет в самое верхнее положение, выталкивание сжатого воздуха из рабочей полости закончится, нагнетательный клапан закроется и весь цикл работы компрессора начнет повторяться.
Принцип действия пластинчатых компрессоров. (
Рис. Пластинчатый компрессор одноступенчатого сжатия:
а - схема; б - заполнение воздухом ячеек 1 и 2; в - сжатие масловоздушной смеси в ячейках 3 и 4; г - нагнетание масловоздушной смеси в ячейки 5 и 6; 1ч6 - ячейки; 7 - пластины (лопатки); 8 - цилиндр; 9 - ротор; О1, О2 - оси ротора и цилиндра.
В горизонтально расположенном цилиндре 8, который с торцов закрыт крышками, эксцентрично помещен ротор 9. Ось О1 смещена вниз относительно оси цилиндра 02. В пазах ротора помещены пластины (лопатки) 7, которые при его вращении под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности цилиндра и между двумя соседними пластинами, внутренней поверхностью цилиндра и телом ротора образуются замкнутые ячейки 1--6.