книги / Насосы и вентиляторы

VI.9. Поршневые компрессоры

Типы поршневых компрессоров. Устройство поршневых комп­

рессоров аналогично устройству поршневых насосов (см. рис. 1 .3 ).

Поршень движется возвратно-поступательно со скоростью 2 .

4 м/с. При возвратном движении поршня происходит всасывание

газа через всасывающий клапан; при поступательном движении

газ сначала подвергается сжатию, а после достижения в цилиндре

давления, большего, чем в воздухосборнике, выталкивается туда

через нагнетательный клапан.

Когда конечное давление превосходит 0,5 МПа и развивается температура, превышающая температуру вспышки масла, произво­

дить смазку очень трудно. Кроме того,

можно получить компрессор с достаточно высоким конечным дав­ лением.

Существенным признаком, по которому производится классифи­ кация поршневых компрессоров, является способ охлаждения —

воздухом или водой. Воздушное охлаждение осуществляется пу­

тем принудительного обдувания воздушным потоком цилиндров, снабженных для лучшей теплопередачи ребрами и выступами.

Водяное охлаждение осуществляется созданием вокруг цилинд­ ров полостей, через которые пропускается проточная холодная вода (водяные рубашки).

Конструктивные особенности поршневых компрессоров. На рис. VI.42 представлены схематически различные типы компрессо­

ров, а на рис. V I.43 — одноступенчатый вертикальный поршневой компрессор одинарного действия с водяным охлаждением. Воздух очищается от механических примесей в фильтре У и по всасы­

вающему патрубку 2 поступает к всасывающему клапану 3, а че­ рез него — в полость цилиндра 4. Воздух, сжатый поршнем 5,

через нагнетательный клапан 6 проходит в клапанную коробку,

а из нее в воздухосборник. В верхней крышке клапанной коробки

расположен регулятор давления 7, связанный трубкой 8 с отжимным

устройством 9 всасывающего клапана.

К воздуА____

хос5орнику

VI.43. Поршневой компрессор

Регулятор 7 срабатывает в том случае, когда давление в возду­ хосборнике увеличивается и подачу нужно приостановить. При этом через трубку 8 давление из воздухосборника передается к отжимно­

му устройству и всасывающий клапан 3 остается открытым даже при поступательном движении поршня.

Вода для охлаждения цилиндра поступает в рубашку 10 по пат­ рубку 11 и выходит из нее по патрубку 12. Масло для смазки собн-

рается в картере 13, засасывается через фильтр 14 и подается к

отдельным частям компрессора с помощью зубчатого насоса (на рисунке не виден). Поршень 5 приводится в поступательное дви­ жение шатуном 15, соединенным через кривошип с валом 16.

Конструктивно все части компрессора объединяются станиной. Для вертикальных бескрейцкопфовых компрессоров малой и

средней мощности станиной может служить картер. Цилиндры отли­

вают из чугуна и по возможности целиком. Внутреннюю поверхность

шлифуют, а иногда внутрь впрессовывают гильзу из материала

повышенной прочности. В случае водяного охлаждения цилиндра в его стенках предусматривают пустоты для протока воды (водяная

рубашка), а в случае воздушного — ребра и выступы для лучшей

теплоотдачи. В крышках цилиндра обычно располагают клапаны. Поршни бывают сплошные и проходные со всасывающими кла­ панами (последние — в прямоточных компрессорах). Уплотнение

между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра создают с

щью свободно вставляемых пальцев, а с коленчатым валом — разъе­

мных подшипников. Шатуны так же, как и коленчатый вал, делают

кованые из стали. Коренные подшипники для коленчатого вала могут быть и скользящими, и подшипниками качения. Сальники выполняют только с металлической набивкой.

Особенно необходимо качественное уплотнение компрессоров холодильных установок. В этих случаях применяют сальники силь­

фонного (рис. V I.43, 1) и мембранного (рис. VI.44, 2) типов. Смазку

цилиндров производят разбрызгиванием масла, собирающегося в картере, а также нагнетанием профильтрованного масла специаль­ ным насосом.

За последнее время отечественная промышленность стала серий­ но выпускать поршневые компрессоры для холодильных установок,

в которых блок цилиндров в картер представляет единую отливку. Основные детали и узлы унифицированы, их выполняют одинако­

выми для целого ряда различных по производительности машин.

Одновременно предусмотрена унификация машин и по холодильным жидкостям (например, аммиачные поршневые компрессоры при смене цилиндровых гильз можно использовать для работы на фрео­

не). Предусмотрено производство бессальниковых фреоновых комп­ рессоров со встроенным в картер электродвигателем, а также мел­

ких машин, которые вместе с электродвигателем помещены в запаян­

ный кожух.

Непосредственно за крупным поршневым компрессором уста­ навливаются газосборник — ресивер (рис. VI.45).

Газосборник 1 представляет собой прочный резервуар емкостью не менее 20-кратного объема цилиндров компрессора. Он предназна­ чается для выравнивания давления подаваемого толчками газа,

улавливания увлекаемого с воздухом масла и сбора конденсирую­

щейся влаги. Перед газосборником и компрессором устанавли­

ваются обратные клапаны 2 , служащие для предотвращения обрат­

ного течения газа в случае разрыва линии. Газосборник должен

быть расположен вне помещения компрессорной на открытом месте,

что обеспечивает и его лучшее охлаждение. Газосборник снабжается предохранительным клапаном 3, спускным краном 4 и маномет­ ром 5.

Перед поршневым компрессором обязательно должен быть установлен фильтр 6 для тонкой очистки воздуха (обычно масляного

типа), так как в случае проникания в компрессор вместе с воздухом

механических примесей возможно заедание клапанов или образова­ ние царапин на внутренних стенках цилиндров.

Для охлаждения стенок цилиндров или промежуточного охлаж­

дения газа в холодильниках чаще всего применяется вода. В боль­

шинстве случаев осуществляется повторное использование воды,

предварительно охлаждаемой в градирнях, брызгальных бассейнах

или при малых расходах — в воздушных радиаторах. Однако

возможен и непосредственный сброс отработанной воды в канализа­

цию.

Регулирование производительности поршневых компрессоров экономичнее всего осуществлять путем изменения частоты вращения, числа ходов.

При неизменной частоте вращения приходится применять дру­

гие способы. Выше уже был описан способ регулировки производи­

тельности путем открывания всасывающего клапана, в результате чего компрессор работает вхолостую, выпуская обратно засосан­

ный газ. Аналогичную регулировку можно производить перекрыва­

нием всасывающей трубы или в специальных конструкциях компрес­ соров увеличением вредного пространства, т. е. части объема цилиндра между крышкой и днищем поршня в его крайнем поло-

0

1 — теоретическая; 2 — практическая

жении. Вредное пространство составляет 3. .5 % всего объема

цилиндра.

Работа поршневых компрессоров. Процесс работы поршневого компрессора наиболее наглядно характеризуется его индикатор­

ной диаграммой.

В случае теоретического процесса (рис. V I.46) при движении поршня газ всасывается в цилиндр, причем объем его возрастает до

Vi при неизменном давлении рг. При обратном движении поршня

газ сжимается до объема V2, причем давление возрастает до р2• При охлаждении цилиндра с полным удалением образующейся при сжа­ тии газа теплоты (практически это невозможно) процесс идет по

изотерме.

Если к газу теплота извне не подводится и от нее не отводится,

то процесс идет по адиабате. При отводе теплоты процесс идет по

политропе а; при подводе теплоты — по политропе б.

В реальных машинах процесс сжатия газа вначале идет с под­ водом к нему теплоты, так как температура газа низка — ниже температуры стенок цилиндра, а в конце процесса — с отводом теплоты, так как температура газа в это время выше температуры

из цилиндра при неизменном давлении р2у а после выталкивания

(]/= 0 ) давление в цилиндре падает с р 2до рх и процесс повторяется.

Чтобы вычислить площадь индикаторной диаграммы и опреде­ лить затраченную работу, необходимо установить зависимость между р и V, обусловливаемую характером процесса.

Действительный процесс сжатия несколько отличается от опи­

санного идеального вследствие влияния вредного пространства и

сопротивления клапанов.

Всасывание вследствие наличия газа во вредном пространстве начинается не сразу после начала обратного хода поршня, а с неко­ торым опозданием и происходит при давлении, которое несколько

Подачу компрессоров условно принимают по засасываемому

объемному количеству газа.

На подачу поршневого компрессора влияют наличие вредного пространства, неплотности в поршне и клапанах, а также умень­

шение плотности газа вследствие нагрева его при всасывании. По­

дача поршневого компрессора характеризуется его коэффициентом подачи, показывающим отношение фактической подачи к теорети­ чески возможной.

Для нормально работающего компрессора коэффициент подачи составляет 0,9. .0,95 от объемного КПД.

Для поршневых, равно как и для других объемных компрессо­ ров, графически выражаемая зависимость подачи, мощности и КПД от давления при неизменной частоте вращения (характеристи­ ка) отличается от аналогичной зависимости для объемных насосов. У первых по мере увеличения давления объемная подача вследствие

сжатия газа несколько уменьшается, хотя мощность и увеличива­

ется (рис. VI.47). Такого рода характеристики, однако, редко применяются для компрессоров.

Мощность, потребляемая поршневым компрессором, складыва­

ется из мощности, затраченной внутри цилиндров на всасывание,

сжатие и нагнетание газа, мощности, затраченной на механические потери, т. е. N = N H+ N M.

и расположенных на одном валу ступеней (рис. VI.48), между которыми для повышения КПД устанавливают направляющие аппараты.

Обычно применяют радиальные колеса, которые по сравнению

с осевыми имеют больший коэффициент давления, как было пока­ зано выше.

Турбокомпрессор по сравнению с поршневой машиной более

компактен, отсутствуют клапаны, и его эксплуатация более надеж­

ная. Он особенно выгоден при больших объемных подачах.

В холодильных установках турбокомпрессоры раньше применяли только при большой их подаче, но теперь увеличивается применение

турбокомпрессоров и сравнительно малой подачи.

Осевые турбокомпрессоры пока практически не применяются

в холодильных или других установках теплогазоснабжения и вен­ тиляции, но успешно используют­

стоящее время применяется чаще, промежуточными холодильника­

ми. Осевое давление воспринимается обычно подшипниками. Необ­

ходимое уплотнение надежнее всего достигается при устройстве лабиринтов различных конструкций (рис. VI.49). В этом случае

вследствие частых изменений сечения образуется большое гидрав­

лическое сопротивление, препятствующее перетеканию газа.

Регулировка турбокомпрессоров осуществляется для обеспе­ чения требуемой подачи, необходимого давления или в целях предотвращения помпажа.

Для этого обычно устанавливается автоматическая аппаратура,

воздействующая на перепускной клапан (в целях сброса части газа

и снижения давления) и на расположенную во всасывающей линии

задвижку или изменяющая частоту вращения.

VI. 11. Другие типы компрессоров

Пластинчатые, или ротационные, компрессоры работают анало­ гично поршневым, но при более удобном вращательном движении

и без клапанов (рис. VI.50, о принципе действия см. выше). Объем

газа, заключенный между двумя пластинами, при движении посте­

пенно уменьшается вследствие эксцентриситета, чем определяется процесс сжатия.

Стенки кожуха пластинчатого компрессора в условиях продол­

жительной непрерывной работы необходимо охлаждать, применяя

водяную рубашку.

Пластинчатые компрессоры очень чувствительны к загрязнению,

поэтому их следует снабжать фильтром на всасывании. Для улавли­

вания масла, обильно покрывающего стенки корпуса, за комп­ рессором следует устанавливать маслоуловитель. Для увеличения

сжатия пластинчатые компрессоры можно устанавливать последова­

тельно, но при обязательном промежуточном охлаждении.

В качестве компрессоров низкого давления (воздуходувок) ис­ пользуются зубчатые нагнетатели с двумя парами зубьев — двухро­

ходит сжатие. Вода, нагревающаяся при вращении кольца, постепен­

но заменяется. При недостатке воды компрессор перестает действо­

вать.

л г

4 — ----— ÿ

VI.51. Схема действия водокольцевого компрессора

Эти машины просты по конструкции, могут создавать значи­

тельный вакуум, но КПД их низок ввиду затраты энергии на вра­ щение водяного кольца.

Компрессоры, как уже указывалось выше, конструктивно при­ способленные для создания значительного разрежения, называют

вакуумм-насосами.

Работающие таким образом турбокомпрессоры называют экс­