Термодинамические основы процесса сжатия газов. Поршневые, винтовые, ротационные компрессоры, вакуум-насосы

     б) индикаторная диаграмма идеального компрессора с распределением на ней удельных работ сжатия за одинаковые промежутки времени 

     Как уже говорилось, изменением объема полостей сжатия от угла поворота роторов  определится геометрия винтов. Лучший вариант такого расчета при постоянстве  внутренней энергии, переданной газу за одинаковые промежутки времени. Тогда, учитывая, что сжатие газа в винтовом компрессоре происходит за счет сокращения объема рабочей полости, образованной между винтовыми поверхностями  сопряженных впадин роторов, поверхностью расточки корпуса и ее задней торцовой плоскостью, приходим к заключению, что оптимальный винтовой компрессор должен иметь переменную геометрию  винтов.

     Вспомним  тот факт, что еще при разработке первых винтовых компрессоров, с целью  упрощения теории профилирования винтов из-за сложности их аналитических  расчетов и технологии изготовления, были приняты три основных допущения: постоянство осевого шага, неизменяемость геометрии винтов в поперечном сечении  и параллельность осей винтов [1].

     Возможно, что этот подход себя уже начинает исчерпывать, и основные направления  исследований в этой области должны начаться при снятии вышеприведенных  допущений. Это позволит достичь  нужной степени сжатия и производительности при меньшей длине винта.

     Нужно попытаться использовать все вышесказанное, но уже для действительных процессов, происходящих в компрессоре, с учетом изменений массы газа в процессе сжатия и нагнетания, а также трения, протечек, перетечек, переноса газа, потерь во всасывающих и нагнетательных патрубках. Следует определить на стадии предварительного расчета самую  экономичную с точки зрения энергопотребления  зависимость изменения объема рабочих  полостей по времени, а потом решать, каким методом эту зависимость  соблюдать.

     Поэтому пути создания оптимальных профилей винтов и новых типовых конструкций  винтовых компрессорных машин предлагается искать в направлениях создания винтов:

• с изменяемой геометрией в поперечном сечении;
• с переменным осевым шагом;
• с переменными диаметрами по длине;
• с расположением на валах, имеющих непараллельные или скрещивающиеся оси;
• имеющих различные профили для участков сжатия и нагнетания.

     Возможна  также реализация данного подхода  при проектировании двухроторных прямозубых компрессорных машин [5] или других типов компрессоров объемного типа.

     Исследования  в данном направлении открывают  дополнительные возможности для  создания компрессоров с лучшими  массогабаритными показателями и с  более гладкими характеристиками, окажутся ценными как в научном, так  и в практическом отношении, несмотря на сложность изготовления и более  высокую себестоимость винтов.

2.2 Компрессоры и  их виды 

     Компрессор, устройство для сжатия и подачи воздуха  или другого газа под давлением. Степень повышения давления в  Компрессор более 3. Для подачи воздуха  с повышением его давления менее  чем в 2–3 раза применяют воздуходувки, а при напорах до 10 кн/м2 (1000 мм вод. cm.) – вентиляторы. Компрессор впервые стали применяться в середине 19 в., в России строятся с начала 20 в.

     Основы  теории центробежных машин были заложены Л. Эйлером, теория осевых Компрессор и вентиляторов создавалась благодаря трудам Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина и других учёных.

     По  принципу действия и основным конструктивным особенностям различают Компрессор поршневые, ротационные, центробежные, осевые и струйные. Компрессор также  подразделяют по роду сжимаемого газа (воздушные, кислородные и др.), по создаваемому давлению рн (низкого  давления – от 0,3 до 1 Мн/м2, среднего – до 10 Мн/м2 и высокого – выше 10 Мн/м2), по производительности, то есть объёму всасываемого Vвс (или сжатого) газа в единицу времени (обычно в м3/мин) и другим признакам. Компрессор также характеризуются частотой оборотов n и потребляемой мощностью N.

     Поршневой Компрессор в основном состоит из рабочего цилиндра и поршня; имеет  всасывающий и нагнетательный клапаны, расположенные обычно в крышке цилиндра. Для сообщения поршню возвратно-поступательного  движения в большинстве поршневых  Компрессор имеется кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом. Поршневые  Компрессор бывают однои многоцилиндровые, с вертикальным, горизонтальным, Vили W-oбразным и другим расположением  цилиндров, одинарного и двойного действия (когда поршень работает обеими сторонами), а также одноступенчатого или  многоступенчатого сжатия. Действие одноступенчатого воздушного поршневого Компрессор заключается в следующем. При вращении коленчатого вала 1 соединённый с ним шатун 2 сообщает поршню 3 возвратные движения. При этом в рабочем цилиндре 4 из-за, увеличения объёма, заключённого между днищем поршня и крышкой цилиндра 5, возникает разрежение и атмосферный воздух, преодолев своим давлением сопротивление пружины, удерживающей всасывающий клапан 9, открывает его и через воздухозаборник (с фильтром) 8 поступает в рабочий цилиндр. При обратном ходе поршня воздух будет сжиматься, а затем, когда его давление станет больше давления в нагнетательном патрубке на величину, способную преодолеть сопротивление пружины, прижимающей к седлу нагнетательный клапан 7, воздух открывает последний и поступает в трубопровод 6. При сжатии газа в Компрессор его температура значительно повышается. Для предотвращения самовозгорания смазки Компрессор оборудуются водяным (труба 10 для подвода воды) или воздушным охлаждением. При этом процесс сжатия воздуха будет приближаться к изотермическому (с постоянной температурой), который является теоретически наивыгоднейшим (см. Термодинамика). Одноступенчатый Компрессор, исходя из условий безопасности и экономичности его работы, целесообразно применять со степенью повышения давления при сжатии до b = 7–8. При больших сжатиях применяются многоступенчатые Компрессор, в которых, чередуя сжатие с промежуточным охлаждением, можно получать газ очень высоких давлений – выше 10 Мн/м2. В поршневых Компрессор обычно предусматривается автоматическое регулирование производительности в зависимости от расхода сжатого газа для обеспечения постоянного давления в нагнетательном трубопроводе. Существует несколько способов регулирования. Простейший из них – регулирование изменением частоты вращения вала.

     Ротационные Компрессор имеют один или несколько  роторов, которые бывают различных  конструкций. Значительное распространение  получили ротационные пластинчатые Компрессор, имеющие ротор 2 с пазами, в которые свободно входят пластины 3. Ротор расположен в цилиндре корпуса  4 эксцентрично. При его вращении по часовой стрелке пространства, ограниченные пластинами, а также поверхностями ротора и цилиндра корпуса, в левой части Компрессор будут возрастать, что обеспечит всасывание газа через отверстие 1. В правой части Компрессор объёмы этих пространств уменьшаются, находящийся в них газ сжимается и затем подаётся из Компрессор в холодильник 5 или непосредственно в нагнетательный трубопровод. Корпус ротационного Компрессор охлаждается водой, для подвода и отвода которой предусмотрены трубы 6 и 7. Степень повышения давления в одной ступени пластинчатого ротационного Компрессор обычно бывает от 3 до 6. Двухступенчатые пластинчатые ротационного Компрессор с промежуточным охлаждением газа обеспечивают давление до 1,5 Мн/м2. 

     Рис. 1. Поршневой компрессор: 1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – поршень; 4 – рабочий цилиндр; 5 – крышка цилиндра; 6 – нагнетательный трубопровод; 7 – нагнетательный клапан; 9 – воздухозаборник; 9 – всасывающий клапан; 10 – труба для подвода охлаждающей воды. 

     Принципы  действия ротационного и поршневого Компрессор в основном аналогичны и  отличаются лишь тем, что в поршневом  все процессы происходят в одном  и том же месте (рабочем цилиндре), но в разное время (из-за чего и потребовалось предусмотреть клапаны), а в ротационном Компрессор всасывание и нагнетание осуществляются одновременно, но в различных местах, разделенных пластинами ротора. Известны другие конструкции ротационного Компрессор, в том числе винтовые, с двумя роторами в виде винтов. Для удаления воздуха с целью создания разрежения в каком-либо пространстве применяют роторные водокольцевые вакуум-насосы. Регулирование производительности ротационного Компрессор осуществляется обычно изменением частоты вращения их ротора. 

     Рис. 2. Ротационный пластинчатый компрессор: 1 – отверстие для всасывания воздуха; 2 – ротор; 3 – пластина; 4 – корпус; 5 – холодильник; 6 и 7 – трубы для отвода и подвода охлаждающей воды. 

     Центробежный  Компрессор в основном состоит из корпуса и ротора, имеющего вал 1 с симметрично расположенными рабочими колёсами. Центробежный 6-ступенчатый Компрессор разделён на три секции и оборудован двумя промежуточными холодильниками, из которых газ поступает в каналы 12 и 13. Во время работы центробежного Компрессор частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается от оси Компрессор к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость. Сжатие продолжается в кольцевом диффузоре из-за снижения скорости газа, то есть преобразования кинетической энергии в потенциальную. После этого газ по обратному направляющему каналу поступает в другую ступень Компрессор и т.д.

     Получение больших степеней повышения давления газа в одной ступени (более 25–30, а у промышленных Компрессор – 8–12) ограничено главным образом пределом прочности рабочих колёс, допускающих окружные скорости до 280–500 м/сек. Важной особенностью центробежных Компрессор (а также осевых) является зависимость давления сжатого газа, потребляемой мощности, а также кпд от его производительности. Характер этой зависимости для каждой марки Компрессор отражается на графиках, называемых рабочими характеристиками.

     Регулирование работы центробежных Компрессор осуществляется различными способами, в том числе  изменением частоты вращения ротора, дросселированием газа на стороне всасывания и др.

     Осевой  Компрессор имеет ротор 4, состоящий  обычно из нескольких рядов рабочих  лопаток 6. На внутренней стенке корпуса 2 располагаются ряды направляющих лопаток 5. Всасывание газа происходит через канал 3, а нагнетание через  канал 1. Одну ступень осевого Компрессор составляет ряд рабочих и ряд  направляющих лопаток. При работе осевого  Компрессор вращающиеся рабочие  лопатки оказывают на находящиеся  между ними частицы газа силовое  воздействие, заставляя их сжиматься, а также перемещаться параллельно  оси Компрессор (откуда его название) и вращаться. Решётка из неподвижных  направляющих лопаток обеспечивает главным образом изменение направления  скорости частиц газа, необходимое  для эффективного действия следующей  ступени. В некоторых конструкциях осевых Компрессор между направляющими  лопатками происходит и дополнительное повышение давления за счёт уменьшения скорости газа. Степень повышения давления для одной ступени осевого Компрессор обычно равна 1,2–1,3, т.е. значительно ниже, чем у центробежных Компрессор, но кпд у них достигнут самый высокий из всех разновидностей Компрессор 

     Рис. 3. Центробежный компрессор: 1 – вал; 2, 6, 8, 9, 10 и 11 – рабочие колёса; 3 и 7 – кольцевые диффузоры; 4 – обратный направляющий канал; 5 – направляющий аппарат; 12 и 13 – каналы для подвода газа из холодильников; 14 – канал для всасывания газа. 

     Зависимость давления, потребляемой мощности и  кпд от производительности для нескольких постоянных частот вращения ротора при  одинаковой температуре всасываемого газа представляют в виде рабочих  характеристик. Регулирование осевых Компрессор осуществляется так же, как и центробежных. Осевые Компрессор применяют в составе газотурбинных  установок (см. Газотурбинный двигатель).

     Техническое совершенство осевых, а также ротационных, центробежных и поршневых Компрессор оценивают по их механическому кпд  и некоторым относительным параметрам, показывающим, в какой мере действительный процесс сжатия газа приближается к  теоретически наивыгоднейшему в  данных условиях.

     Струйные  Компрессор по устройству и принципу действия аналогичны струйным насосам. К ним относят струйные аппараты для отсасывания или нагнетания газа или парогазовой смеси. Струйные Компрессор обеспечивают более высокую степень сжатия, чем струйные насосы. В качестве рабочей среды часто используют водяной пар. 

     Рис. 4. Осевой компрессор: 1 – канал для подачи сжатого газа; 2 – корпус; 3 – канал для всасывания газа; 4 – ротор; 5 – направляющие лопатки; 6 – рабочие лопатки 

2. Вакуумные насосы

     Все вакуумные насосы можно разделить  на высоковакуумные и низковакуумные, а по физическому принципу действия – на механические, сорбционные, ионные. Среди механических насосов выделяют объёмные и молекулярные, основанные на передаче количества движения молекулам  газа от движущихся поверхностей.

     Насосы  объёмного типа осуществляют откачку  за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. Этот тип вакуумных  насосов появился раньше остальных  и получил широкое применение в различных конструкциях: поршневая, жидкостно-кольцевая и ротационная.

     Среди насосов с передачей количества движения молекулам газа различают: водоструйные, эжекторные, диффузионные и молекулярные. Их характеристики можно рассчитать на основании закономерностей  внутреннего трения в газах.

     Сорбционные явления в вакууме широко используются для откачки газов из вакуумных  систем. На принципе хемосорбции основана работа испарительных насосов. Физическая адсорбция и конденсация используются для откачки газов криосорбционными насосами: адсорбционными и конденсационными.

     Направленное  движение предварительно заряженных молекул  газа под действием электрического поля является основой работы ионных насосов. Принцип ионной откачки  совместно с сорбционным используется в конструкциях ионно-сорбционных  насосов.

     Основными параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.