Перемещение, сжатие и разрежение газов

В технологических процессах различных отраслей промышленности осуществляется перемещение газа между соответствующими стадиями. В этом случае, так же как для жидкостей, требуется создание перепада давлений, который могут создать компрессорные машины.

Классификация компрессорных машин основывается на степени сжатия (отношении конечного давления р₂, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению р₁ при котором происходит всасывание газа).

В зависимости от этого показателя различают следующие компрессорные машины:

· вентиляторы (р₂/р₁ > 1,1), предназначенные для перемещения больших объемов газа при относительно низких давлениях;

· газодувки (1,1 < р₂/р₁ < 3,0), предназначенные для перемещения газов по трубопроводам с высоким гидравлическим сопротивлением;

· компрессоры (р₂/р₁ < 3,0), предназначенные для перемещения газов под высокими давлениями;

· вакуум-насосы, предназначенные для отсасывания газов при давлениях ниже атмосферного.

Основными конструкциями компрессорных машин являются поршневые, центробежные (вентиляторы, тур6огазодувки, турбокомпрессоры), осевые и струйные.

В качестве вакуум-насосов могут применяться компрессорные машины, в которых всасывание производится при давлениях ниже атмосферного, а нагнетание – выше.

Поскольку газы являются сжимаемыми средами, при их перемещении изменяется не только объем, но и давление, и температура. Изменение состояния газов может происходить тремя способами.

1) Изотермическое сжатие, при котором температура обрабатываемой среды не меняется (Т₁ = Т₂), а удельная работа (l _из, Дж/кг) по осуществлению этого процесса может быть определена по зависимости

где v₁ – удельный объем газа при начальных условиях.

2) Адиабатический процесс, при котором теплота, образующаяся при сжатии, расходуется на увеличение внутренней энергии (S₁ = S₂)

Удельная работа адиа6атического процесса сжатия (1_ад, Дж/кг) и конечная температура среды Т₂ могут быть рассчитаны по уравнениям

где k = с_р/с_ν -показатель адиабаты; с_р, с_ν – теплоемкости газа при постоянном давлении и при постоянном объеме.

3) Политропический (действительный) процесс, при котором происходит изменение температуры и увеличение внутренней энергии, может рассчитываться по зависимостям

где l _пол - удельная работа политропического процесса, Дж/кг; т – показатель политропы.

Теоретическая мощность (N_теор), затрачиваемая на работу компрессорных машин, определяется произведением производительности компрессора G на удельную работу сжатия (2.2) - (2.4)

N_теор = G* l = V*ρ* l,

где V – объемная производительность компрессора; ρ – плотность газа.

Мощность на валу N_вал, компрессионной машины равна отношению мощности, затрачиваемой на сжатие газа, к механическому КПД η_мех, характеризующему потери мощности на механические потери в компрессоре

N _вaл = N /η_мех

Поршневы е компрессоры. По числу всасываний и нагнетаний бывают простого (одинарного) и двойного действия, по числу ступеней, в которых происходит сжатие газа, - одноступенчатыми и многоступенчатыми. По расположению поршня – горизонтальными, вертикальными, угловыми.

Поршневой компрессор (рис. 2.14) устроен аналогично поршневому насосу. Поршень 1 двигается в охлаждаемом цилиндре 2, куда газ поступает с давлением р₁ через всасывающий клапан 3 и выходит сжатый до давления р₂ через нагнетательный клапан 4. Таким образом, цикл работы поршневого компрессора включает в себя стадии: расширение, всасывание, сжатие и выталкивание. Процесс работы поршневого компрессора характеризуется индикаторной диаграммой (р – V), представленной на рис. 2.15. Линия АВ соответствует всасыванию газа, линия ВС – сжатию

газа, которое может осуществляться по адиабате ВС', изотерме ВС" или политропе ВС; CD – линия нагнетания.

Поршневые машины используют также и в качестве вакуум-насосов. При этом устройства, откачивающие только газы, называются сухими, а откачивающие одновременно газ и жидкость – мокрыми.

Сухие поршневые вакуум-насосы могут обеспечивать разрежение до 99,9 % от абсолютного, мокрые – 80...97 %.

Поршневые компрессоры могут создавать высокие давления, имеют высокий КПД (0,85...0,90), однако обладают низкой производительностью, подача газа неравномерна, неприменимы при наличии в перекачиваемых средах абразивных включений.

Центробежные машины

В зависимости от создаваемого напора условно различают: вентиляторы (напор 1... 3 кПа и реже до 10 кПа); тур6огазодувки (напор 30...40 кПа, реже до 0,3 МПа), турбокомпрессоры (напор до 0,5 МПа, реже до 1,3 МПа).

Вентиляторы по устройству и принципу действия аналогичны центробежным насосам и состоят из кожуха, в котором вращается рабочее колесо с загнутыми лопатками. Под действием центробежной силы газ выбрасывается из межлопаточных каналов в спиральный кожух, а затем в напорный трубопровод.

Поскольку газ имеет незначительную плотность, действующая па него центробежная сила мала и достигаемые значения напора Невелики. Различают вентиляторы низкого (напор до 1 кПа), среднего (напор 1...3 кПа) и высокого давления (напор выше 3 кПа).

Вентиляторы надежны и простыв эксплуатации, могут перекачивать запыленные газы, при изготовлении из специальных материалов используются для транспортирования коррозионноагрессивных газов.

Турбогазодувки (рис. 2.16) состоят из корпуса 1 с вращающимся в нем рабочим колесом 2 с лопатками. Колесо обычно помеща‑

ют внутрь направляющей 4, представляющей собой два кольцевых диска, соединенных между собой наклонными лопатками, причем угол наклона этих лопаток противоположен углу наклона лопаток рабочего колеса. Газ поступает в турбогазодувку через патрубок 3 и выводится из нагнетательного патрубка 5.

В случае наличия на одном валу нескольких рабочих колес турбогазодувки называются многоступенчатыми. Благодаря такой конструкции достигается дополнительное сжатие газа на каждой последующей ступени без изменения скорости вращения рабочих колес и их размеров.

Турбокомпрессоры по конструкции весьма близки к турбогазодувкам, однако по мере увеличения степени сжатия газа уменьшаются ширина и диаметр рабочих колес, которые к тому же часто размещают в нескольких корпусах.

Кроме того, в связи со значительными степенями сжатия, в таких конструкциях предусмотрен отвод теплоты благодаря подаче воды в специальные каналы внутри корпуса, либо в промежуточные холодильники между секциями.

Центробежные газовые машины нашли широкое применение в технике из-за компактности, простоты конструкций и возможности изготовления из различных коррозионно- и износоустойчивых материалов, равномерной подачи газа при низких степенях сжатия и высокой производительности.

Осевые (пропеллерные) вентиляторы аналогичны рассмотренным ранее осевым насосам. По сравнению с центробежными вентиляторами они имеют более высокий КПД, но более низкий напор, что позволяет использовать их для перемещения больших объемов газа по коммуникациям с низким гидравлическим сопротивлением.

Осевые компрессоры включают несколько ступеней, каждая из которых состоит из рабочего вращающегося и неподвижного венца лопастей. Рабочие лопасти установлены на дисках или барабане ротора, неподвижные лопасти жестко закреплены в корпусе ком­прессора. Число ступеней составляет 10...20, поскольку степень сжатия не превышает 4, охлаждение газа не требуется.

В струйных вакуум-насосах (рис. 2.17) для создания разрежения используют энергию рабочей жидкости (или пара) при непосредственном контакте между ними. Рабочая среда подается в вакуум-насос через патру6ок 1, причем на выходе из сужающегося сопла она приобретает большую скорость и, согласно уравнению Бернулли, понижает давление, что способствует подсасыванию газа через патрубок 2 в камеру смешения 3. Затем смесь через горловину 4 поступает в диффузор (расширяющуюся трубу) 5.

Разрежение, создаваемое одноступенчатым пароструйным насосом не превышает 90% абсолютного. Для получения большего разрежения используют многоступенчатые пароструйные насосы с промежуточной конденсацией пара между ними.

Несмотря на низкий КПД (0,15... 0,4) струйные вакуум-насосы применяют в различных производственных процессах благодаря отсутствию движущихся частей, простоте устройства, возможности перекачивания агрессивных газов, использованию в качестве смесителя (конденсатора).

Контрольные вопросы

1. Каковы назначение трубопроводов и их устройство?

2. На чем основана классификация гидравлических машин?

3. Какими параметрами характеризуется работа гидравлических машин?

4. Какие типы насосов относятся к динамическим насосам и насосам объемного типа?

5. На чем основана классификации компрессорных машин?