Регулирование из- менением частоты враще-

Q2        Q1                    Q

 

Рис.11. Регулирование при помощи задвижки

(дросселирование)

ния рабочего колеса. Сущность данного метода регулирования заключается в изменении характеристики насоса. Так, уменьшение производительности насо- са от величины Q 1 до Q 2 достигается уменьшением частоты вращения колеса от значения n 1 до n 2. При этом пересечение характеристик насоса и сети произой- дет в точке 2 (рис. 12). В каталогах насосов дается зависимость Q -H при одной частоте вращения рабочего колеса (например, при n 1 =Const). Построение ха- рактеристики насоса для любой другой частоты вращения n 2 осуществляется путем пересчета при частоте n 1.

Сопоставление этих двух способов приводит к выводу, что регулирование задвижкой, вызывающее дополнительные потери энергии, неэкономично и

приводит к  снижению  к.п.д. Н насоса. В свою очередь, регу-

лирование изменением час- тоты вращения колеса лише- но этого недостатка, но для практической реализации данного способа необходимы двигатели с переменным чис- лом оборотов или специаль- ные устройства, позволяю- щие регулировать их частоту вращения  (гидромуфты,

электромагнитные муфты).

 

 

Q2               Q1                Q

По этой причине регулирова- ние изменением частот вра- щения колеса требует допол-

Рис. 12. Регулирование изменением частоты вра-

щения рабочего колеса.

нительных капитальных затрат по сравнению с  регулированием задвижкой. Т.к. в последнем случае насосы комплектуются простыми по устройству и от-

носительно недорогими асинхронными электродвигателями с короткозамкну- тым ротором. Однако, несмотря на данное обстоятельство, регулировать насос в большинстве случаев предпочтительнее изменением частоты вращения коле- са, так как дополнительные капитальные затраты окупаются экономией, полу- чаемой при регулировании. Способ регулирования задвижкой, ввиду его ис- ключительной простоты, применяют для регулирования насосов небольшой мощности.

 

 

СЖАТИЕ ГАЗОВ

Сжатие газов широко применяется в химической технологии при осуще- ствлении различных физических и химических процессов, протекающих под давлением, отличающимся от атмосферного, а также для перемещения газов и многофазных систем, в которых газ является несущей средой. Кроме того, сжатие и перемещение газов используется для ряда специфических целей: пе- редавливание и подсос жидкостей, транспорт жидкообразных сред, распыление жидкостей и др.

Устройства для сжатия газов называются компрессорами. Они сообщают газу энергию — потенциальную (давление — в этом, как правило, их основное назначение) и кинетическую (иногда ее приращение существенно).

По своему общему назначению и принципам конструктивного оформле- ния компрессоры обладают определенным сходством с насосами. Вместе с тем надо помнить о коренном отличии в свойствах рабочих тел: газ сжимаем, жид- кость практически несжимаема. В ходе последующего анализа процесса сжатия газов в компрессорах используется сходство с процессом в насосах (нередко проводится их сопоставление), но непременно учитывается сжимаемость га- зов.

 

Классификация компрессоров

По характеру изменения давления в технологических аппаратах выделяют собственно компрессоры (создание повышенного давления в аппарате) и вакуум- насосы (создание разрежения в нем). Заметим: термин "вакуум-насос" сохранил- ся чисто исторически, речь идет не о насосах (так в науке ПАХТ именуют уст- ройства для перемещения жидкостей), а о компрессорах определенного назна- чения.

По величине развиваемого напора (давления) различают вентиляторы, создающие избыточное давление до 0,015 МПа, газодувки — до 0,2 МПа и ком- прессоры — свыше 0,2 МПа.

По производительности различают малые компрессоры — объемной про- изводительностью до 0,015 м 3 /с, средние — от 0,015 до 1,5 м 3 /с и крупные — бо- лее 1,5 м 3 /с (практически — до десятков кубометров в секунду).

В плане изучения и описания сжатия газов в компрессорах наиболее важна классификация по принципу действия. Здесь существуют различные подходы. Согласно наиболее простому из них, все компрессоры подразделяют на три группы: поршневые, центробежные и остальные (обычно их именуют специальными).

Более обоснованной в рассматриваемом аспекте представляется сле- дующая классификация:

– компрессоры объемного действия, принцип работы которых основан на сжатии газов в результате уменьшения объёма замкнутого рабочего про- странства с постоянной массой газа в нем. К таким компрессорам относятся поршневые — с возвратно-поступательным движением поршня, ротацион- ные — с вращательным перемещением изменяющегося рабочего объема;

- динамические компрессоры, для которых характерно повышение кинети- ческой энергии газового потока и преобразование затем значительной ее доли в потенциальную (энергию давления). К числу таких компрессоров отно- сятся центробежные, или турбокомпрессоры, в которых давление созда- ется под действием центробежных сил на газовый поток; осевые компресси- онные машины, основанные на сообщении газовому потоку кинетической энергии (в осевом направлении); струйные (инжекторы), бази- рующиеся на обмене количеством движения между газовыми потоками, и не- которые другие.

 

Устройство и работа поршневых компрессоров

По своему устройству и принципу действия поршневые компрессоры  (ПК)

во многом напоминают поршневые насосы. На рис.1 показана схема ПК.

При движении поршня 2 вправо из крайнего левого (мертвого) поло- жения в рабочем пространстве цилиндра 1 (слева от поршня — говорят:     под поршнем) возникает

цилиндра. Нагнетательный клапан 5

разрежение. Под действием разности давлений (у источника газа и в цилиндре ПК)                    открывается всасывающий клапан 4, и газ засасывается в рабочее пространство при этом закрыт. Далее поршень при- ходит в крайнее правое (мертвое) по- ложение и начинает двигаться влево. При этом уменьшается рабочий объем, под поршнем повышается  давление

I

Рис. 1. Схема поршневого компрессора: 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – шток; 4 – всасываю- щий клапан; 5 – нагнетательный клапан;

6 – охлаждающая рубашка;

I – газ; II – охлаждающая вода.

(оно становится больше, чем у источника), и всасывающий клапан 4 закрывает- ся. Нагнетательный клапан 5 на начальных стадиях движения поршня влево то- же закрыт, поскольку давление в рабочем пространстве под поршнем пока еще ниже, чем у потребителя газа. При дальнейшем движении поршня влево дав-

ление под ним достигает заданного значения и начинает превосходить его. То- гда открывается нагнетательный клапан 5 и газ из рабочего пространства цилин- дра выталкивается (нагнетается) к потребителю. После достижения левого мертвого положения поршень снова начинает двигаться вправо, нагнетатель- ный клапан при этом закрывается, и цикл повторяется. Таким образом, у поршневых компрессоров в отличие от поршневых насосов рабочий цикл со- стоит не из двух, а из трех стадий: всасывание, сжатие, нагнетание.

Работа ПК сопровождается значительным повышением температуры газа (эффекты сжатия; трения), что неблагоприятно сказывается на затратах энер- гии, поскольку возрастают объемные расходы сжимаемого газа. Чтобы понизить температуру сжимаемого газа (уменьшить его объемный расход), используют ох- лаждение стенок цилиндра с помощью установки на его боковых поверхностях (иногда и на торцевых) теплообменных рубашек 6 в которые подается охлаж- дающий агент, как правило — вода.

 

Устройство и работа пластинчатого ротационного компрессора

Пластинчатые ротационные компрессоры (вакуум-насосы), используе- мые в химической промышленности, изготовляются в различных конструк- тивных вариантах — в зависимости от их назначения и условий функциониро- вания. Один из вариантов такого компрессора представлен на рис.2.

Рабочий орган компрессора — помещенный в корпус 1 ротор 2 с пазами

5, в которые вставлены пластины

4 (число их обычно превышает 20). При вращении ротора (на рис. 2 — по часовой стрелке) под действием центробежной силы пластины частично выходят из пазов — насколько позволяют специальные направляющие. При движении ротора пластины трут- ся о стенки корпуса. При этом рабочее пространство разделяет- ся на отдельные перемещающие- ся отсеки (полости) между рото- ром, корпусом и пластинами. Ру- башка 3, питаемая холодной во-

дой, предусмотрена для отвода теплоты сжатия и трения.

Всасывание газа от источ- ника (в зону всасывания 7) проис- ходит за счет разрежения, возни-

Рис.2. Ротационный пластинчатый компрессор:

1 - корпус, 2 - ротор, 3 - водяная рубашка, 4 - пластины, 5 - пазы, 7 и 6 - зоны всасывания и вы- талкивания газа; I - газ, II - охлаждающая вода

кающего при увеличении объема движущегося отсека. Сжатие и подача газа к потребителю происходят при уменьшении объема газа в этом отсеке, когда он перемещается к зоне нагнетания 6.

Центробежные компрессоры

Центробежные компрессоры и газодувки (иначе — турбокомпрессоры ТК) являются наиболее распространенными представителями динамических компрессоров. По своему устройству и принципам работы (создание напора за счет непосредственного воздействия центробежных сил) ТК близки к цен- тробежным насосам.

ТК по развиваемому напору условно подразделяют на собственно ТК (напор свыше 0,3 МПа), турбогазодувки (напор от 0,01 до 0,3 МПа) и вен- тиляторы (напор не превышает 0,01 МПа).

Устройство и принцип действия турбокомпрессоров

Рабочий орган ТК (рис.3) — насаженное на вал 1 и заключенное в кор- пус рабочее колесо 2, снабженное лопатками 3. При вращении колеса с ло- патками газ центробежной силой отбрасывается  к

периферии рабочего колеса и далее — в нагнета-

тельный газопровод к потребителю. При этом вблизи оси рабочего колеса возникает разрежение, куда устремляется газ от источника. Газ из рабо- чего колеса выходит с большой скоростью, т.е. с большой кинетической энергией. Поскольку на- значение компрессора состоит в повышении дав- ления (т.е. в приросте потенциальной энергии), то используются устройства, преобразующие кине- тическую энергию газа в потенциальную (в энер- гию давления): лопатки, отогнутые назад, улитко- образный корпус, специальньный направляющий аппарат (система неподвижных лопаток, охваты- вающих рабочее колесо).

1

2

 

3

 

Рис.3. Схема центробежного компрессора:

1 - вал, 2 - рабочее колесо, 3 - лопатки

 

Области применения компрессоров

Достоинства поршневых компрессоров (ПК) состоят в возможности создания высоких степеней сжатия (до 1000) при неограниченном нижнем пре- деле производительности, а также в сравнительно высоком КПД. К недостат- кам относятся громоздкость, высокие инерционные усилия вследствие воз- вратно-поступательного движения поршня, загрязнение сжимаемого газа смазкой, высокая стоимость.

Достоинства турбокомпрессоров (ТК) — компактность, равномерность подачи, высокий верхний предел производительности (более 50 м 3 /с), отсут- ствие загрязнения газа смазкой, возможность непосредственного присоедине- ния к электродвигателю. Среди недостатков — пониженный КПД, ограни- ченный нижний предел производительности (около 1,5 м 3 /с).

Таким образом, ПК применяются в случае высоких степеней сжатия при умеренной производительности, а ТК — при высоких производительностях и не очень высокой степени сжатия.