Учебный вопрос № 3. Назначение, классификация, характеристики и области применения компрессоров

Во всех отраслях современной промышленности и народного хозяйства широко применяются машины для сжатия и перемещения различных газов – нагнетатели или компрессорные машины. В связи с бурным развитием авиации, увеличением дальности и высоты полётов широкое применение находят нагнетатели для обеспечения авиации сжатыми и сжиженными газами.

Нагнетатели, применяемые в технике, работают по различным принципам, но в основе каждого из них лежит изменение состояния газа, связанное с повышением температуры, давления и уменьшения объема при затрате на это механической работы.

Название газовой машины – компрессор, газодувка, вентилятор – обусловлены величиной давления, создаваемого машиной. Такое подразделение довольно условно.

Основными параметрами каждого нагнетателя являются его производительность (расход) и давление (напор). Нагнетатели принято подразделять на группы по величине этих параметров.

Используя величины производительностей и напоров различных конструкций нагнетателей и нанося их в координатной системе Q – Н, можно получить график областей применения различных типов нагнетателей.

В зависимости от создаваемого давления нагнетатели разделяются на:

вентиляторы, создающие давление до 0,1 ат;

воздуходувки, создающие давление до 3 ат;

компрессоры, создающие давление более 3 ат;

вакуум-насосы, создающие разряжение, то есть давление меньше атмосферного.

По принципу работы нагнетатели разделяются на:

поршневые;

центробежные;

осевые;

ротационные;

мембранные.

В поршневом нагнетателе сжатие газа производится возвратно-поступательным движением поршня. Выталкивание газа происходит с момента открытия нагнетательного клапана за счет разности давлений в цилиндре и нагнетательном трубопроводе. Всасывающий клапан открывается при движении поршня от ВМТ к НМТ, когда давление газа в цилиндре будет ниже, чем во всасывающем трубопроводе.

В центробежных нагнетателях или турбокомпрессорах сжатие производится вращающимся рабочим колесом, имеющим специальные лопатки. Газ непрерывно поступает через отверстие, расположенное в центре вращающегося рабочего колеса и на выходе имеет большее давление, чем при входе в колесо. Увеличение давления происходит благодаря действию центробежных сил на увлекаемый во вращение газ, а также вследствие уменьшения скорости в каналах лопастного колеса и направляющего аппарата.

В осевом нагнетателе сжатие происходит при движении газа между лопастями вращающихся колес и при его движении в каналах направляющего аппарата. Сжимаемый газ непрерывно поступает к рабочему колесу вдоль его оси, проходит между лопастями колеса, сжатие происходит за счет сопротивления направляющего аппарата и инерционных сил.

Ротационные пластинчатые нагнетатели производят сжатие газа принудительно выдвижными пластинами ротора, эксцентрично смещенного относительно стартера.

Мембранные нагнетатели производят сжатие газа за счет прогиба мембраны.

В частях ВВС нагнетатели устанавливаются на кислорододобывающих, кислородно-зарядных и аэродромно-компрессорных станциях. В народном хозяйстве применяются поршневые компрессоры производительностью до сотен тысяч м3 в час. Центробежные машины применяются, главным образом, при давлениях от 0,5 до 10 ат и производительности 100 м3 в минуту. Центробежные вентиляторы и воздуходувки применяются для обдува агрегатов с целью их охлаждения, для наддува воздуха в цилиндры двигателей с целью повышения их мощности, а также вентиляции помещений. Центробежные турбокомпрессоры применяются в мощных двигателях, газовых турбинах и кислорододобывающих установках, работающих по циклу низкого давления. Ротационные машины применяются при давлениях не более 15 ат производительностью до 100 м3 в минуту.

Компрессор является основным агрегатом наиболее современного двигателя – газовой турбины. Для проверки герметичности кабин высотных самолетов используются компрессоры низкого давления, они же используются для наполнения воздухом аварийных подъемников.

Небольшие компрессоры установлены на многих марках автомобилей для питания пневматической системы тормозов.

Выплавка чугуна в доменных печах связана с потреблением большого количества воздуха – на 1 т чугуна 4 т воздуха.

В химической промышленности компрессоры используются для синтеза аммиака, мочевины, бензина и других синтетических продуктов. Передача газа на расстояние по газопроводам осуществляется компрессорными станциями, которые устанавливаются по районам газопровода.

Компрессор является основной машиной на установках для получения кислорода и азота в газозарядных станциях.

Широко применяются компрессорные машины в холодильной промышленности для сжатия хладагентов: аммиака, фреона и т.д. Для обеспечения полетов самолетов в больших количествах применяется сжатый воздух под высоким давлением от 160 до 350 ат.

Назначение, принцип работы и структурная схема воздухоразделительных установок.

Воздухоразделительные установки подразделяются по назначению на следующие типы:

для получения газообразного кислорода под атмосферным давлением (в этих установках продукты разделения выводятся из теплообменных аппаратов под атмосферным давлением, после этого в зависимости от требований потребителя кислород может сжиматься в специальных компрессорах);

для получения газообразного кислорода под повышенным давлением (с насосом жидкого кислорода);

для получения жидкого кислорода и жидкого азота;

с получением чистого газообразного азота;

с получением сырого аргона;

с получением первичного криптонового концентрата.

Так как из продуктов разделения воздуха наиболее широкое применение находит кислород, установки в большинстве случаев строятся или только для получения кислорода, или для одновременного получения кислорода и других компонентов воздуха. В отдельных случаях создаются также специальные установки для производства жидкого или газообразного азота без получения или с получением небольших количеств кислорода.

В состав воздухоразделительной установки входит следующее оборудование: машины для сжатия воздуха – компрессоры; теплообменные аппараты для очистки воздуха от двуокиси углерода, влаги, углеводородов и других примесей; ректификационные колонны с конденсаторами-испарителями и переохладителями; машины для расширения воздуха или азота – детандеры; машины для сжатия продуктов разделения – компрессоры или насосы ожиженных газов; коммуникации, арматура и контрольно-измерительные приборы, предназначенные для регулирования нормального технологического режима, для пуска из теплого состояния и для отогрева установки, а также для обеспечения ее безопасной эксплуатации. Схема установки с дросселированием воздуха представлена на рисунке 1.

В установку может быть включено также оборудование внешних холодильных установок (аммиачных, фреоновых, холодильных газовых машин и пр.). Кроме того, для уменьшения потерь холода аппаратами и машинами, работающими при низких температурах, в установках имеются специальные устройства для их изоляции.

Отдельные типы установок могут не иметь того или иного оборудования. Так, в мелких установках часто отсутствуют специальные машины для производства холода, а холодопроизводительность обеспечивается дроссель-эффектом сжатого воздуха. В крупных воздухоразделительных установках в качестве теплообменных аппаратов применяют регенераторы или реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники, в которых одновременно с теплообменом происходит очистка воздуха от влаги и двуокиси углерода.

При рассмотрении воздухоразделительной установки в ней обычно выделяют блок разделения воздуха, который включает перечисленное выше оборудование за исключением компрессоров, детандеров, насосов, аппаратов для очистки воздуха, работающих при температуре окружающей среды, а также оборудования внешних холодильных установок.

Проектирование воздухоразделительной установки начинают с составления ее принципиальной технологической схемы, на которой показаны линии нормального технологического режима установки и обозначены те машины, аппараты и вентили, в которых происходит изменение основных технологических параметров потоков. Часто для упрощения на принципиальную схему не наносят специальные аппараты для очистки воздуха, а отдельные теплообменные аппараты совмещают.

Для анализа принципиальной схемы установки целесообразно выделить в ней две части: первую, включающую ректификационные колонны, конденсаторы и переохладители, называемую разделительным аппаратом; вторую, включающую теплообменные аппараты для охлаждения воздуха и детандеры.

В первой части происходит процесс разделения на компоненты воздуха, охлажденного до низких температур, во второй – охлаждение воздуха выходящими из разделительного аппарата продуктами разделения, обеспечивается необходимая холодопроизводительность установки, а также подача продуктов под повышенным давлением с помощью насосов.

Различные требования могут предъявляться к чистоте продуктов разделения: технический кислород характеризуется содержанием 98,5–99,8 % О2 (в большинстве случаев 99,5 % О2), технологический кислород – содержание 92–98 % О2 (в большинстве случаев 95 % О2); чистый азот – содержанием 0,0001–0,05 % О2; азот промежуточной чистоты 0,1–1,0 % О2.

Очень большое, а во многих случаях решающее значение при построении схемы установки имеет производительность установки, а также соотношение между количествами получаемых продуктов, в частности между количествами чистого азота и технологического кислорода. К установке могут предъявляться и специальные требования – размещение в определенных габаритах и т.п. Схему выбирают на основании сравнения ряда вариантов, отличающихся типом разделительного аппарата, теплообменных аппаратов и холодильного цикла. Следует стремиться к обеспечению максимальной экономичности и простоты эксплуатации установки при удовлетворении всех требований, предъявляемых к ней. Известно, что уменьшение расхода энергии, как правило, связано с усложнением схемы. Простота эксплуатации имеет важное значение для мелких установок, для крупных – фактор экономичности. При построении схемы учитывают и способ очистки воздуха от примесей влаги и двуокиси углерода.

На выбор схемы большое влияние оказывает возможность создания и эффективность работы той или иной машины или аппарата. Так, например, применение холодильного цикла низкого давления зависит от возможности создания и эффективности работы турбомашин для сжатия и расширения воздуха при заданных параметрах.

Кроме указанных выше продуктов разделения, из воздуха извлекается также неоно-гелиевая смесь. Однако получение этого продукта не вносит существенного изменения в построение схемы воздухоразделительной установки в целом.

В процессе эксплуатации воздухоразделительных установок необходимо регулирование различных параметров, с тем чтобы обеспечить нормальную работу установки в целом и ее отдельных частей. Обычно регулированию в блоке разделения подлежат: холодильный баланс установки, режим работы ректификационной колонны, теплообменных аппаратов, а также расширительных машин.