Часть V

КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ

j-аблиЦЯ 10.1. Основные характеристики компрессорных машин

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ ОСНОВЫ ТЕОРИИ

10.1. Основные понятия. Типы компрессоров

Определение компрессора дано в § 1.1. Назначение компрессоров состоит в сжатии газов и перемещении их к потребителям по трубопроводным системам.

Компрессоры, применяемые для отсасывании газа изВ емкостей с вакуумом, сжимающие газ до атмосферного или несколько большего давления, называют вакуум-насосами.

Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, являются объемная подача Q (исчисляется обычно при условиях всасывания, см. § 2.1),начальное.pi и конечное рг давления или степень повышения давления е=р2/Рь частота вращения и мощность N на валу компрессора.

Компрессоры соответственно способу действия можно разделить на три основные группы: объемные, лопастные и струйные (см. § 1.1). ~

При классификации по конструктивному признаку объемные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные -на центробежные и осевые. Возможно разделение компрессоров на группы в зависимости от рола перемещаемого газа, вида привода, назначения компрессора.

Ориентировочные значения основных параметров компрессорных машин различных типов, применяемых в промышленности, приведены в табл. 10.1 [13].

Ниже рассмотрены принципиальные конструктивные схемы компрессоров.

Поршневой компрессор (однопоршневой, с одной ступенью сжатия) приведен на рис. 10.1. При возвратно-поступательном движении поршня осуществляются фазы процесса: расширение, всасывание, сжатие и выталкивание. Способ действия поршневого компрессора, основанный на вытеснении газа поршнем, позволйет строить конструкции с малым диаметром и ходом поршня, развивающие высокое давление при относительно малой подаче.

Роторный компрессор пластинчатого типа представлен на рис. 10.2. При вращении массивного ротора 2, в продольных пазах которого могут свободно перемещаться

Рис. 10.1. Конструктивная схема поршневого компрессора

ScacbiiuMi-S

Подача

ОшждаЮ щая бида

Смаундаю-

Рис. 10.2. Конструктивная схема роторного компрессора;

/-корпус; 2-ротор; 5 -пластины; 4- всасывающий патрубок; 5 -подающий патрубок

стальные пластины 3, газ захватывается в межлопастные пространства, переносится от всасывающего патрубка 4 к напорному 5 и вытесняется в трубопровод.

Вал роторного компрессора может соединяться с валом риводного двигателя непосредственно, без редуктора. Это

обусловливает компактность и малую массу установ! целом.

Центробежный компрессор (рис. 10.3) действует ана,. точно центробежному насосу (см. § 3.1). Вал центробежно. го компрессора соединяется с валом приводного двигат (электродвигатель, паровая турбина) или непосредстве но, или через механическую передачу, повышающую ча

Рис. 10.3. Конструктивная с

1шупень

двухступенчатого компрессора

центробежно

jpDDDQQQDQnDriS

\шсыЬанис

Подача \

Рис. 10.4. Схема осевого компрессора (семистуненчатого):

1 - рабочие лопасти; 2 - ротор; 3~-направляющие лопасти

ту вращения вала компрессора, чем достигается уменьше ние размеров компрессора, снижаются его масса и стой мость.

Осевой компрессор схематически изображен на рис. 10. Конструкция состоит из массивного ротора с нескольким венцами рабочих лопастей и корпуса, несущего венцы и подвижных направляющих лопастей. Газ всасывается приемный патрубок и, двигаясь в осевом направленивг сжимается последовательно в лопастных ступенях компрест сора. Через напорный патрубок газ вытесняется в трубо?

провод, ведущий к потребителям.

Привод осевых компрессоров - от электродвигателе паровых и газовых турбин.

10.2. Термодинамика компрессорного процесса

Простейшая теория компрессорных машин, обладающая практически приемлемой точностью, основывается на термодинамике идеального газа, подчиненного уравнению

(10.3)

(10.4) (10.5)

При конечном давлении воздушного компрессорного процесса более 10 МПа следует пользоваться уравнением состояния реального газа

p = zpRT, (10.2)

рде Z - коэффициент сжимаемости. Опытные значения его в зависимости от безразмерных величин р/ркр и Г/Г р приведены в [27].

Основные уравнения. Совместное использование первого закона термодинамики и уравнения состояния идеального газа приводит к следующим уравнениям процессов сжатия и расширения, проходящих в компрессорах:

политропный процесс р/р = const,

piP = const;

адиабатный процесс р/р* = const,

ри* = const;

изотермический процесс р/р = const,

pv = const.

Политропный процесс является общим видом термодинамического процесса и протекает в компрессорах в зависимости от внешних и внутренних условий с показателем п=1,15ч-1.80.

Адиабатным называют процесс без теплообмена с внешней средой; в таком процессе возможно внутреннее образование теплоты за счет работы газового трения и вихреоб-разования. Строго адиабатный процесс в компрессорах получить нельзя вследствие невозможности полной тепловой изоляции газового потока от окружающей среды.

Кроме процессов (10.3) - (10.5) в теории компрессоров рассматривают процесс изоэнтропный, характеризующийся постоянством энтропии в результате отсутствия теплообмена с окружающей средой и внутреннего тепловыделения, обусловленного газовым трением в потоке. В реальных компрессорах, очевидно, изоэнтропный процесс невозможен.

Диаграммы ST и pv. Указанные процессы удобно изо-paжaть графически в координатах S, Т (рис. 10.5).

Здесь представлены основные виды компрессорных процессов: политропный свойственный компрессорам с интенсивным водяным охлаждением (рис. 10.5, о);

политропный типичный для лопастных (центро-

ых и осевых) компрессоров (рис. 10.5,6);

изоэнтропный с 5 = const (рис. 10.5,0);

изотермический с r = const (рис. 10.5, г).

Процессы на рис. 10.5, е и г в компрессорах неосуще вимы, первый - потому что образование теплоты за сче внутреннего газового трения проявляется весьма сущест венно, второй - по причине невозможности выполнит

7,=C0nst

Рис 10 5 S, Г-диаграммы компрессорных процессов, описываемых фо мулами (10.3)-(10.5).

конструкцию охлаждающей системы компрессора так, бы она обеспечивала сжатие газа при постоянной темпе] туре. Как будет показано ниже, эти два процесса испг зуются для оценки энергетической эффективности комп соров.

- Отметим свойства термодинамических дпаграмм ком; рессорных процессов, показанных на рис. 10.5.

Процесс сжатия во всех случаях представляется ниямн 1-2. В случаях на рис. 10.5, о и б сжатие (повЫ1 ние давления) сопровождается изменением энтропии и Щ.

вышснием температуры газа. При этом увеличивается энтальпия газа.

Б политропном компрессорном процессе при п<Л ли-ия i- представляет собой процесс сжатия, протекающий g рабочей полости (цилиндре, каналах колеса и корпуса) компрессоров; линия 2-3 - процесс изобарного охлаждения сжатого газа, уходящего из компрессора. Этот процесс протекает в охладителе компрессора и трубопроводной сети.

Соответственно закону сохранения энергии работа, затрачиваемая компрессором на сжатие и выталкивание газа (без учета механических потерь), представляется суммой теплот, отводимых от газа в процессах сжатия и изобарного охлаждения.

Воспользуемся основным определением энтропии в элементарном тепловом процессе:

Для процессов 1-2 и 2-3

Подынтегральные произведения являются элементарными площадями процессов сжатия и охлаждения, изображенных в бТ-диаграмме. Следовательно, количество энергии в тепловых единицах, подводимое к газу для осуществления компрессорного процесса, представляется суммой площадей диаграммы 1-2-5-6 и 2-3-4-5.

При сжатии газа по политропе с показателем n>k (рнс. 10.5), что характерно для компрессоров с воздушным или неинтенсивным водяным охлаждением, площадь 1-2-6-5 под политропой 1-2 процесса сжатия представляет собой количество теплоты, образующейся в потоке вследствие газового трения и вихреобразования.

Энергия, подводимая к компрессору, расходуется на проведение компрессорного процесса (сжатие и проталкивание) и работу газового трения в проточной полости. Работа компрессорного процесса представляется площадью 1-2-3-4-5. Следовательно, полная энергия, расходуемая Компрессором (без энергии, идущей на покрытие механических и объемных потерь), выражается площадью 2-3-4-6.

Если бы процесс в компрессоре протекал по изоэнтропе 2, то полная затрата энергии была бы равна площади