книги / Насосы и компрессорные машины
..pdfУравнение (331) получено на основании теоремы о среднем значе нии интеграла.
RT
Так как v = — , уравнение (331) может быть приведено к виду
АН = ARTmIn — + qr ккал/кг, |
(332) |
Рн
где R «— газовая постоянная;
Тт — средняя температура газа в про цессе сжатия.
Таким образом, для уменьшения ра боты сжатия существует два пути: 1) умень шение среднего в процессе сжатия удельного объема газа, т. е. уменьшение средней тем пературы Тт\ 2) уменьшение газодинами ческих потерь — qr
При отсутствии гидравлических потерь, охлаждения или нагрева в процессе сжатия,
т. е. когда q = qr = |
0, этот процесс |
бу |
дет адиабатным. |
сК1 выражение |
для |
Полагая, что ся = |
||
работы в этом случае |
будет иметь вид |
|
Фиг. 184. Адиабатный процесс на диаграмме TS.
k—i
Над = RTH- Ц |
|
k |
|
|
1 |
= R k — 1 { T к ад |
Т н ) — |
||
/г — |
|
|
|
|
|
= |
— (ÎKад— г«) кГм/кг, |
|
(333) |
|
|
r\ |
|
|
где Тк ад — абсолютная |
температура в конце |
процесса адиабатного |
||
сжатия в °К. |
|
|
(фиг. 184), изображена |
|
Работа, выраженная в тепловых единицах |
||||
площадью ABCD. |
|
|
|
определена по |
При наличии потерь (qr Ф 0) работа может быть |
||||
уравнению |
|
|
|
|
АН'ад = AR - ï — (TKad — TH) + qr ккал/кг. k — 1
Полная работа при политропном процессе сжатия без теплообме на с внешней средой, т. е. при q = 0, может быть вычислена по урав нению
Рк
АН = j* vdp + qr = АНад + AkH + qr =
Рн
= AR — (Тк— Тн) ккал/кг.
/2 — 1
В этом случае, по сравнению с обратимым процессом без тепло обмена, работа увеличивается не только на величину потерь qr (фиг. 185), но и на величину
Рк |
|
АЬНэф= А I* (v — Vad)dp. |
(335) |
Рн
Это объясняется тем, что процесс сжатия происходит в области более высоких температур и совершается при больших удельных объе
мах V. Относительная величина отношения |
увеличивается с уве- |
Фиг. 185. |
Политропный процесс |
Фиг. 186. Изотермический процесс |
на |
диаграмме TS. |
на диаграмме TS. |
Рк
личением отношения — и показателя политропы сжатия п\ т. е. чем
большими будут потери qr, тем большим будет и отношение
Для изотермического сжатия, подчиняющегося закону pv = const*
Рк
( vdp = RTHIn — .
Рн
Работа сжатия (фиг. 186) определится по уравнению |
|
АН^ = ARTHIn — + qr ккал/кг |
(336) |
Рн |
|
и так как в данном случае ц = /ц, из уравнения (326) следует, что количество отводимого из цикла тепла q эквивалентно затраченной в процессе сжатия работе q = АНи3. Из сопоставления различных процессов сжатия следует, что наиболее эффективным является изо термическое сжатие. Следовательно, действительный процесс сжатия желательно приближать к изотермическому, что может быть достиг нуто охлаждением газа по мере повышения его давления.
Для неохлаждаемых компрессорных машин идеальным процес сом является адиабатный процесс.
Для оценки экономичности процесса сжатия газа в реальной ма шине вводят понятия коэффициентов мощностей. Для неохлаждае мых машин пользуются адиабатным коэффициентом мощности, кото
рый представляет |
собой отношение работы, затрачиваемой при адиа |
||||
батном сжатии к |
действительной работе |
|
|
||
'Чад = |
Н ад |
А Н ад _ |
ср(Тдд ~~ Гр) |
1ад — *0 |
(337) |
— |
= |
Срс (71^ î — ТI 0)о) |
ii — /о |
||
|
н |
АН |
|
||
где Тад — температура газа в конце адиабатного сжатия в °К\ Т0 — начальная температура газа в °К\
Тх — температура газа в конце действительного процесса сжатия в °К\
iad — теплосодержание |
газа |
в |
конце адиабатного |
сжатия в |
ккал! кг; |
|
|
|
|
/0 — начальное теплосодержание газа в ккал/кг\ |
процесса |
|||
ii — теплосодержание |
газа |
в |
конце действительного |
|
сжатия в ккал!кг. |
|
|
|
|
Для оценки экономичности процесса сжатия охлаждаемых машин пользуются изотермическим коэффициентом мощности, представляющим собой отношение работы, затрачиваемой при изотермическом сжатии к действительной работе,
Ниэ
Внутренние потери в компрессорной машине оцениваются внутрен
ним |
к. п. д. |
|
|
|
|
|
И~ Нг |
Нэф |
П |
|
|
|
п — 1 |
(338} |
|||
|
|
н |
Н ~ |
k |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
k — 1 |
|
где |
п — показатель |
политропы; |
|
|
|
|
k — показатель |
адиабаты; |
|
|
|
|
рк — конечное давление; |
|
|
||
|
рн — начальное давление; |
|
|
||
Тк — конечная температура газа; Тн — начальная температура газа.
Эффективная работа сжатия газа НЭфопределяется по уравнению
п—1
Н°Фe RTH~ i [ (•£■) * - 1] = Я ^ 3 1 |
“ Тн) ккал/кг- |
Глава VIII
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ И ВОЗДУХОДУВКИ
§ 1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Устройство и принцип действия центробежной воздуходувки и центробежного компрессора мало отличаются от устройства и от принципа действия центробежного вентилятора. Для получения боль ших давлений газа компрессорные машины
|
приходится строить |
многоступенчатыми, |
так |
|||||||
|
как получение большого напора в одной |
|||||||||
|
ступени становится невозможным по кон |
|||||||||
|
структивным соображениям (из-за недопусти |
|||||||||
|
мых окружных |
скоростей колеса), |
а также |
|||||||
|
из-за резкого снижения |
к. п. д. |
вследствие |
|||||||
|
больших протечек |
газа |
и |
больших потерь |
||||||
|
на трение диска рабочего колеса |
о газ. |
При |
|||||||
|
нимая во внимание |
большие давления |
при |
|||||||
|
проектировании и эксплуатации |
газодувок и |
||||||||
|
компрессоров, |
следует |
|
учитывать |
сжимае |
|||||
|
мость газа |
и изменение |
его температуры при |
|||||||
|
сжатии. |
187 дан |
продольный |
разрез |
сту |
|||||
|
На фиг. |
|||||||||
|
пени центробежной |
компрессорной |
машины |
|||||||
|
(ЦКМ). Она состоит из рабочего колеса /, |
|||||||||
|
безлопаточного |
диффузора |
2, |
лопаточного |
||||||
Фиг. 187. Ступень центро- |
диффузора |
3, |
колена 4 |
и |
обратно |
направ- |
||||
бежн°й компрессорн°и |
ляющего аппарата |
5. |
В |
пределах |
рабочего |
|||||
колеса происходит повышение потенциаль ной и кинетической энергии потока газа.
Неподвижные элементы ступени ЦКМ служат для превращения ча сти кинетической энергии потока газа (динамической части напора) в потенциальную и подвода газа к следующей ступени. Степень повы шения давления в одной степени ограничивается окружной скоростью колеса и может доходить до четырех при предельно допустимых окруж ных скоростях 450 м/сек. Повышение давления газа в неподвижных частях компрессора достигает примерно 50% от полной степени по вышения давления в ступени. Для того чтобы получить высокоэко номичную ЦКМ, рабочие колеса выполняют с лопатками, загнутыми
назад, вводят охлаждение газа в процессе его сжатия и применяют развитую систему уплотнений, сводящих к минимуму протечки газа из области повышенного давления.
Для ориентировочных расчетов степень повышения давления в ступени можно определить по формуле
|
|
' - | / т , - |
|
|
<340> |
||
где z — число ступеней; |
газа; |
|
|
|
|
||
рк — конечное |
давление |
|
|
|
|
||
рн — начальное |
давление |
газа. |
|
|
|
|
|
§ 2. ОХЛАЖДЕНИЕ ГАЗА В ПРОЦЕССЕ СЖАТИЯ |
|
||||||
Охлаждение газа применяется |
для |
уменьшения работы |
сжатия |
||||
|
к |
|
|
|
|
|
|
Н = * — |
= — (‘^ ф |
= |
— R T J n ^ . |
(341) |
|||
|
гч |
\ |
J р |
|
\ |
Рн |
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
Снижение средней температуры Тт можно достичь следующими путями:
1) установкой внешнего (выносного) охлаждения газа перед по-
ab — сжатие в первой ступени: Ьс — охлаждение; cd — сжатие во второй ступени; de — охлаждение; eg — сжатие в последней ступени.
ступлеиием в следующую ступень сжатия;
2)введением внутреннего охлаждения;
3)предварительным охлаждением газа;
4)впрыскиванием воды в рабочую полость;
5)комбинацией всех вышеперечисленных способов.
На фиг. 188 в диаграммах pv и TS изображен процесс многоступен чатого сжатия газа с двумя ступенями промежуточного охлаждения. Заштрихованные площадки показывают выигрыш в работе, получае-
1 5 |
560 |
мый в результате охлаждения газа. Линия аЪ характеризует сжатие
в первой ступени; |
Ъс — охлаждение; cd — сжатие во второй ступени; |
|
de — охлаждение; |
eg — сжатие |
в последней ступени. |
Зависимость теоретического |
Ът и действительного 8 выигрышей |
|
в работе сжатия от количества ступеней промежуточного охлаждения до начальной температуры может быть иллюстрирована данными табл. 13.
Таблица 13
Число ступеней |
1 |
|
2 |
3 |
|
4 |
|
5 |
|
|
|
сжатия |
|
|
|
|
|
||||||
В % |
0 |
|
16,3 |
20,9 |
|
23,1 |
24,3 |
29,3 |
|||
о в % |
0 |
|
15,3 |
19,3 |
|
21,1 |
21,8 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
Как видно из табл. 13, прирост выигрыша в работе сжатия |
с уве |
||||||||||
личением числа |
ступеней |
уменьшается, |
что |
объясняется |
повы |
||||||
|
шением |
гидравлического |
сопротивления |
|
газо |
||||||
|
вого |
тракта. Увеличение |
числа |
корпусов |
|
боль |
|||||
|
ше четырех нерационально, так как добавочный |
||||||||||
|
выигрыш в работе не окупит увеличения стоимо |
||||||||||
|
сти веса и габаритных размеров установки. |
по |
|||||||||
|
На |
практике, в |
зависимости |
от степени |
|||||||
|
вышения давления, |
число ступеней охлаждения N |
|||||||||
|
выбирают равным |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рк_ |
2.6 |
2,6 -т- 5 |
|
5 -ь |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
N |
1 |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
Внешнее охлаждение |
(фиг. |
189) осуществляет |
||||||||
|
ся в выносных холодильниках с ребристыми труб |
||||||||||
|
ками. Воздух движется между трубками, а охлаж |
||||||||||
|
дающая вода по трубам. Воздух и вода совершают |
||||||||||
|
в холодильнике несколько |
ходов, |
в зависимости |
||||||||
Фиг. 189. Конструк |
от его конструкции. Внутреннее охлаждение |
осу |
|||||||||
ществляется за счет циркуляции воды внутри спе |
|||||||||||
ция выносных холо |
|||||||||||
дильников. |
циальной |
полости соответствующей секции |
маши |
||||||||
|
ны. Секции между |
собой |
|
скрепляются стяжными |
|||||||
болтами. Нужная кратность циркуляции воды в полости достигается установкой в ней специальных перегородок.
При предварительном охлаждении газ, прежде чем направить в компрессор, подвергают охлаждению. Такой способ снижения на чальной температуры газа может оправдать себя при высоких темпе ратурах окружающей среды и в случае, если имеется даровой источ ник холода, например холодная артезианская вода.
Охлаждение газа путем впрыскивания воды во всасывающую по лость компрессора имеет весьма существенные преимущества. К ним
относятся: |
простота, отсутствие потерь давления |
газа, связанных |
с сопротивлением при движении через холодильники, |
большая эффек |
|
тивность |
(впрыскивание 1 % воды по весу, т. е. 10 г на 1 кг воздуха |
|
снижает температуру газа на 25°С) [13]. |
|
|
Однако этот способ имеет и недостатки, к которым следует отнести затрату дополнительной работы на сжатие образовавшегося пара, нарушение равномерности газового потока в проточной части машины, вследствие чего возникают дополнительные потери напора, загрязне ние и коррозию проточной части из-за повышенной влажности газа. Такой способ охлаждения может дать ощутимый эффект даже при небольших степенях повышения давления (т = 2 -г- 2,5), его эффек тивность увеличивается с увеличением числа ступеней впрыскивания.
Наиболее целесообразно применять впрыскивание в жаркое время,
когда весовая подача |
и к. п.д. снижаются. Это особенно важно |
в воздуходувках при |
работе на режимах максимальной производи |
тельности. |
|
§ 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН
Различают два вида регулирования ЦКМ: регулирование расхода газа при неизменном его давлении и регулирование давления с сохра нением постоянного расхода.
Если производительность машины ста нет меньше Qk (фиг. 190), то она начи нает работать на неустойчивом участке характеристики (помпажная область).
Для того чтобы ЦКМ при регулирова нии не попала в помпажную область и не произошло срыва в ее работе, применяют так называемые антипомпажные устройства (клапаны). Назначение этих устройств состоит в том, чтобы не допустить смеще ние рабочей точки в зону неустойчивой
работы. Когда потребность в газе умень
Фиг. 190. Антипомпажная
шается и становится меньше Qk> избыток газа Qk — Q через антипомпажный клапан
выбрасывается в атмосферу. Открытие и закрытие этого клапана мо жет производиться вручную или автоматически.
Регулирование ЦКМ может осуществляться также дросселирова нием газового потока или изменением числа оборотов.
Принцип автоматического регулирования состоит в том, что не значительное изменение давления в ЦКМ, связанное с изменением расхода газа, воздействует на соответствующее реле, которое, в свою очередь, передвигает золотник или специальную струйную трубку. Эта трубка регулирует подачу масла в соответствующие полости сер вомотора, поршень которого штоком или системой рычагов связан с клапаном на всасывающей или нагнетательной части компрессорной
15*
машины, либо с паровпускным клапаном паровой турбины, приводя щей компрессорную машину в действие.
Масло в систему обычно подается шестеренчатым насосом. Импульс изменения давления в зависимости от изменения расхода
передается на реле от специальных диафрагм или насадок, устанавли ваемых в нагнетательном трубопроводе.
Фиг. 191. Схема регулирования ЦКМ на постоянное давление:
1 — импульсная трубка; 2 — сервомотор; 3 — паровпускной клапан турбины; 4 — паровая турбина; 5 — компрессор; 6 — диафрагма; 7 — реле; 8 — импульс ная трубка; 9 — установочная пружина; 10 — сервомотор; //-выпускной кла пан; 12 — реле.
На фиг. 191 показана схема регулирования для поддержания по стоянного давления путем изменения числа оборотов с выпуском воз духа в атмосферу.
§ 4. ОСЕВАЯ СИЛА И ЕЕ УРАВНОВЕШИВАНИЕ
Причины возникновения осевой силы в ЦКМ те же, что и в центро бежных насосах. Уравновешивание этой силы достигается примене нием колес с двухсторонним всасыванием разгрузочных поршней, устанавливаемых за рабочим колесом последней ступени машины (фиг. 192), а также таким расположением колес на валу, при котором осевые силы взаимно уравновешиваются.
Кроме того, компрессорная машина должна иметь и упорный под шипник на случай возникновения неуравновешенной осевой силы при износе уплотняющих устройств и при отклонениях от расчетного режима работы (если разгрузка не саморегулируемая).
При значительном износе уплотнений величина осевой силы мо жет достичь значений, при которых упорный подшипник разрушится При этом ротор машины сместится в сторону, произойдёт задевание вращающихся частей машины о неподвижные, что повлечет за со бой аварию и выход машины из строя. Поэто му наблюдение за уплотняющими устройства ми является одним из важнейших моментов эксплуатации ЦКМ. Повышение температуры упорного подшипника выше допустимой яв ляется одним из сигналов ненормальной ра боты уплотнений.
§ 5. ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ
КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН |
Фиг. |
192. Разгрузочный |
На фиг. 193 изображена бессемеровская |
|
поршень ЦКМ: |
1 — рабочее колесо последней |
||
воздуходувка НЗЛ типа 0-920-32 с максималь |
ступени; 2 — разгрузочный пор |
|
шень; |
3 — лабиринтное уплот |
|
ной подачей 920 м3/мин при давлении нагне |
|
нение. |
тания 3,2 ата.
Приводом воздуходувки служит электродвигатель. Воздуходувка имеет большее число оборотов, чем двигатель, благодаря* наличию
Фиг, 193. Продольный разрез бессемеровской воздуходувки НЗЛ типа 0-920-32.
230
ВОЗДУХОДУВКИ И КОМПРЕССОРЫ 'ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ
Фиг. 194. Компрессор НЗЛ типа OK-5ÜO-92 (продольный разрез).