ЖИДКОСТНОКОЛЬЦЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Пластинчатый компрессор состоит из цилиндра, в котором вращается эксцентрично расположенный ротор с пластинами, уложенными в его пазы. В отличие от шиберного насоса объем камер (ячеек), разделенных пластинами, при вращении рогора изменяется от максимального значения до минимального, вследствие чего газ сжимается постепенно с момента отсечки камеры от всасывающего канала в точке а (рис. 20.1) до момента, когда передняя пластина камеры достигает кромки выхлопного окна b. После мгновенного выравнивания давление в камере сохраняется постоянным, при этом газ выталкивается в нагнетательный канал до тех пор, пока передняя пластина камеры не достигает точки, в которой ротор почти касается цилиндра (точка с).При движении камеры в области от с до d расширяется остаток газа, заключенный в «мертвом» пространстве (в зазоре между ротором и цилиндром в его нижней части).

Диаграмма изменения давления, изображенная справа на рисунке 20.1, напоминает индикаторную диаграмму поршневого компрессора. Но это только в том случае, если давление сжатия р₂,зависящее от степени сжатия камеры на участке ab, равно давлению в нагнетательном патрубке р_к(нормальная диаграмма). В противных случаях индикаторные диаграммы изменяются по линиям bb' или b’b”.Выравнивание давления р₂,в камере и конечного давления р_к происходит скачком в момент соединения рабочей камеры с областью нагнетания. При этом непроизводительно затрачивается дополнительная работа (заштрихованные площади).

Отсюда следует, что при наиболее выгодных условиях работы пластинчатых компрессоров давление в нагнетательном патрубке должно быть равно давлению сжатия. Однако и при значительном различии давлений указанные потери не превышают потерь в клапанах компрессоров с возвратно-поступательным движением поршней.

Число пластин (от 2 до 30) зависит от размеров машины, перепада давления в компрессоре, от материала пластин, способа смазки и охлаждения. Чем больше пластин, тем меньший перепад давления между соседними камерами. При этом уменьшаются перетекания газа и снижаются напряжения изгиба в пластинах, но одновременно усиливается износ цилиндра. Материал пластин — сталь, композиции на основе синтетических смол и углеграфитов, армированный тефлон. Пластины из малопрочных материалов толще, чем стальные, и чтобы не снижался рабочий объем компрессора, устанавливают меньшее их число, хотя это и приводит к увеличению перепада давления между соседними камерами. При меньшем числе пластин требуется более обильная смазка цилиндра для снижения перетекания газа. При впрыскивании масла число пластин снижают во избежание увеличенных аэродинамических потерь. Наклонное расположение пластин в сторону вращения вала способствует снижению трения пластин в пазах и опасности их защемления.

Частоту вращения ротора ограничивает допускаемая окружная скорость конца пластины, равная примерно 13 м/с для стальных и 8—18 м/с для пластмассовых и графитовых пластин. Превышение частоты вращения сверх номинальной (паспортной) приводит к быстрому износу пластин.

Для уменьшения трения в цилиндр вставляют два чугунных или бронзовых беговых кольца. Пластины прижимаются к беговым кольцам и скользят по их внутренней поверхности. Вследствие вращения колец относительная скорость между ними и пластинами небольшая, благодаря чему взаимный износ колец и пластин меньше, нежели трущейся пары пластина—цилиндр в отсутствие колец. При этом окружную скорость можно увеличить примерно до 18 м/с.

У машин с небольшой частотой вращения ротора собственной инерции для уплотнения пластин не хватает, и поэтому для прижатия их к цилиндру используют спиральные пружины.

В одноступенчатом компрессоре степень повышения давления обычно не превышает 5. Более высокие значения e (до 16) получают в двухступенчатых машинах с промежуточным охлаждением. Обычно их устанавливают на общей оси с электродвигателем, реже вторую ступень размещают над первой, связывая роторы обеих ступеней парой цилиндрических шестерен.

Рабечий объем пластинчатого компрессора при числе пластин z ³ 12 можно определять приближенным методом (см. § 45)[1]. Так как линейная скорость точки с, отстоящей от оси вращения на D/2 (см. рис. 20.1), равна pDn,то секундный рабочий объем

где c — коэффициент стеснения рабочего объема пластинами ,

D, l — диаметр и длина рогора; е — эксцентриситет; s, z — толщина и число пластин.

Объемный расход газа на входе компрессора

,

где l— коэффициент, которым учитывают те же факторы, что и в поршневой машине, — подогрев газа при всасывании, перетекания газа через уплотнения, а также влияние мертвого пространства. Этот коэффициент можю определять по опытной формуле

l= 1,00 – (0,05 ¸ 0,10) e,

где 0,05 — коэффициент для крупных машин; 0,10 — для малых[2].

Внутреннюю степень повышения давления можно определить из уравнения политропы:

Степень сжатия зависит от угла сжатия a (см. рис. 20.1). Можно показать, что . Поэтому давление в конце сжатия

где т — показатель политропы, при сжатии воздуха равный 1,5—1,6 (подвод тепла за счет трения пластин). Если вместо р₂ и a подставлять текущие значения соответствующих величин, то последнюю формулу можно использовать для построения теоретической линии сжатия.

При расчете мощности компрессора с заданным отношением р_к/р_н можно использовать статистические данные о внутреннем изотермическом или адиабатическом и механическом к. п. д. Эти величины изменяются в довольно широких пределах в зависимости от отношения давлений.

Вакуумные насосы рассчитаны на объемный расход газа на входе 0,01¸100 м³/мин (0,6¸6000 м³/ч), а компрессоры — на 0,1¸60 м³/мин (6¸3600 м³/ч).

[1] Точный метод геометрического расчета пластинчатого компрессора при любом числе пластин с учетом их наклона см. [5, с. 214].

[2] Классификация роторных и поршневых машин по объемному расходу газа на входе одинаковая.

ЖИДКОСТНОКОЛЬЦЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Жидкостнокольцевые компрессоры (рис. 20.2, а) по образованию рабочей полости родственны пластинчатым, но серповидное пространство в них ограничено жидкостным кольцом, формирующимся внутри цилиндра при вращении в нем рабочего колеса с радиальными или загнутыми вперед лопастями. Всасывающие и нагнетательные окна расположены в торцовых крышках, закрывающих цилиндр с двух сторон[1].

Установленная степень повышения давления, как и в пластинчатом компрессоре, определяется положением всасывающего и нагнетательного окон.

Обычно в начале сжатия газа в ячейку подается охлажденная жидкость взамен нагретой, выбрасываемой вместе с газом через нагнетательное окно. Циркуляция жидкости обеспечивает столь интенсивный отвод тепла от сжимаемого газа, а также тепла, генерируемого при вихревом ее движении между лопастями, что процесс сжатия протекает почти изотермически.

Достоинства жидкостнокольцевых компрессоров: простота конструкции, отсутствие масла и трущихся элементов в рабочей полости машины, хорошее уплотнение зазоров жидкостью, низкий уровень шума и равномерная, практически без пульсаций, подача газа.

Эти достоинства обеспечивают высокую надежность компрессоров в самых тяжелых условиях эксплуатации при минимальных требованиях к обслуживанию; возможность сжатия токсичных, взрывоопасных, легкоразлагающихся, полимеризующихся и воспламеняющихся газов, паров и газожидкостных смесей, в том числе агрессивных и загрязненных механическими примесями; возможность использования в качестве вакуумных насосов; перспективность применения в качестве химических реакторов для среды жидкость—газ (благодаря интенсивному перемешиванию двух фаз на гpaнице контакта).

Жидкостнокольцевые компрессоры в одноступенчатом исполнении рассчитаны на давление до 0,2 МПа, а при трех ступенях — до 2 МПа. Объемный расход газа на входе компрессоров составляет до 10 тыс. м³/ч.

Предельный вакуум, достигаемый водокольцевыми вакуумными насосами, определяется давлением насыщенного пара при температуре водяного кольца (95%-ный вакуум в одноступенчатых, 97%-ный в двухступенчатых). Более глубокий вакуум достигается при замене воды жидкостью с низким давлением паров — соляным раствором, маслом или серной кислотой.

Частота вращения ротора — от 4 (крупные компрессоры) до 60 об/с (небольшие машины). При малой частоте вращения жидкостное кольцо разрушается.

Рабочий объем рассматриваемого типа машин можно определить по соответствующей формуле для пластинчатого компрессора, если диаметр цилиндра заменить внутренним диаметром жидкостного кольца. Указанный способ расчета справедлив при условии, что внутренняя поверхность кольца, концентричная стенке корпуса, касается поверхности ступицы, (это условие обеспечивает отсутствие мертвого пространства), а всасывающее окно расположено так, что межлопастная ячейка отсекается от него при максимальном ее объеме (так же, как и у пластинчатого компрессора). Действительная форма внутренней поверхности жидкостного кольца сильно отличается от указанной идеальной, особенно вблизи нагнетательного окна. Помимо этого, вследствие завихрений вращающейся жидкости трудно определить границу между жидкостью и газом. Неточность расчета рабочего объема компенсируется коэффициентом объемного расхода l, который так же, как и у поршневых машин, зависит в большой степени от e и от объема мертвого пространства, остающегося между ступицей рабочего колеса и жидкостным кольцом в месте минимального расстояния между ними. В компрессорах со средним значением этот коэффициент находится в пределах 0,60—0,70.

В компрессорах большое, а в вакуумных насосах решающее влияние на коэффициент lоказывает зазор между рабочим колесом и крышками цилиндра (из-за перетекания сжатого газа). Зазор в 0,1—0,2 мм зависит от точности изготовления.

Жидкостнокольцевые компрессоры имеют сравнительно низкий изотермический к. п. д. В лучших образцах максимальное его значение равно 0,55—0,60. Из универсальной характеристики компрессора с линиями постоянных изотермических к. п. д. (см. рис. 20.2,6) видно, что при работе в режиме компрессора оптимальная частота вращения значительно выше, нежели в режиме вакуумного насоса. Оптимальная окружная скорость концов лопастей равна 16,5—20 м/с для компрессоров и 12,5—15,5 м/с для вакуумных насосов (при работе на воде). Как для компрессора, так и для вакуумного насоса оптимум степени повышения давления e » 2.

[1] Как в открыто-вихревом насосе. В пластинчатом компрессоре подвод и отвод газа — по периферии, как в закрыто-вихревом насосе (см. § 4).