Перемещение и сжатие газов
Перемещение и сжатие газов
Машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов, называются компрессорными машинами.
Сжатие газов используют для проведения процессов под давлением, для создания вакуума и для перемещения газов. Диапазон давлений, используемых в промышленности - 
атм.
Классификация компрессорных машин производится:
a) По степени сжатия;
b) По принципу действия.
Степень сжатия – отношение конечного давления к давлению всасывания.
По степени сжатия различают:
1. Вентиляторы 
- для перемещения больших количеств газа;
Рекомендуемые материалы
2. Газодувки 
- для перемещения газа при достаточно высоком сопротивлении сети;
3. Компрессоры 
- для создания высоких давлений;
4. Вакуум-насосы 
- для отсасывания газов при давлении ниже атмосферного.
По принципу действия различают:
1. Поршневые – сжатие газа происходит в результате уменьшения объема при возвратно-поступательном движении поршня;
2. Центробежные – сжатие газа происходит под действием инерционных сил, возникающих при вращении рабочего колеса;
3. Ротационные – уменьшение объема происходит при вращении эксцентрично расположенного ротора;
4. Осевые – сжатие газа происходит при движении его вдоль оси рабочего колеса и направляющего аппарата;
5. Струйные – сжатие и отсос газов осуществляется за счет кинетической энергии струи пара.
Особенность вакуум-насосов – всасывание происходит при давлении значительно ниже атмосферного, а нагнетание – несколько выше. Обычно используют поршневые и ротационные машины.
Для небольшого разрежения при больших объемах газа применяют вентиляторы и газодувки большой производительности – эксгаустеры.
Термодинамические основы процесса сжатия
Изменение трех основных параметров (P, V и T) при сжатии до 
10 атм. характеризуется уравнением состояния идеального газа:
;
V – удельный объем;
R – газовая постоянная.
При больших давлениях справедливо уравнение Ван-дер-Ваальса:
;
a, b – величины, постоянные для данного газа.
Обычно при практических расчетах процесса сжатия используют T-S диаграмму, построенную на основе опытных данных (для 1 кг газа).
АКВ – пограничная кривая;
К – критическая точка;
АК – линия полной конденсации пара (исчезновение паровой фазы); х=0 (влажность);
КВ – линия полного испарения жидкости (исчезновение жидкой фазы) и образование сухого пара; влажность пара х=1 (степень сухости).
Под кривой АКВ одновременно существуют 2 фазы – Жидкость и Пар. На диаграмму нанесены изобары 
:
· В области перегретого пара направлены круто вверх;
· В области влажного пара – совпадают с изотермами, так как испарение жидкости при данном давлении происходит при 
.
Изоэнтальпы 
- для реальных газов не совпадает с изотермой.
Процессы сжатия газов
1. Изотермический – все выделяющееся тепло полностью отводится, температура газа после сжатия остается постоянной;
2. Адиабатический – теплообмен с окружающей средой полностью отсутствует, все выделяемое тепло полностью затрачивается на увеличение внутренней энергии газа, то есть повышение его температуры;
3. Политропический – реальный процесс.
АВ – изотермический процесс 
;
AD – адиабатический процесс 
; поскольку 
, то 
;
АС – политропический процесс.
Из диаграммы можно определить количество тепла, выделяющегося при сжатии 1 кг газа (численно равное удельной работе сжатия):
· Для изотермического процесса: 
;
· Для адиабатического процесса: 
;
· Для политропного процесса: 
;
Аналитические формулы
· Для изотермического процесса: 
;
· Для адиабатического процесса: 
;
· Для политропного процесса: 
;
где: 
- показатель адиабаты (для воздуха 
);
- показатель политропы.
Температура газа после сжатия
· Для изотермического процесса: 
;
· Для адиабатического процесса: 
;
· Для политропного процесса: 
;
Теоретическая мощность, затрачиваемая компрессором 
:
;
(кг/сек);
- удельная работа;
.
Наименьшая работа затрачивается при изотермическом сжатии (например, водяном охлаждении).
Для оценки эффективности применяют относительный К.П.Д., основанный на сравнении данной машины с наиболее экономичной машиной того же класса.
Для машин с водяным охлаждением 
изотермический К.П.Д.:
;
Для машин без охлаждения 
адиабатический К.П.Д.:
;
Сжатие газа по адиабате наиболее экономично из класса компрессоров, работающего без охлаждения.
Мощность на валу:
;
- механический К.П.Д.
;
;
;
Мощность двигателя:
;
Установочная мощность:
;
Поршневые компрессоры
Поршневые компрессоры делятся:
a) Одноступенчатые и многоступенчатые;
b) Простого и двойного действия;
c) Вертикальные и горизонтальные.
Одноступенчатые компрессоры
Это компрессоры, в которых газ сжимается до конечного давления в одном цилиндре, или нескольких цилиндрах, работающих параллельно (одна ступень сжатия).
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – кривошип; 7 – маховик; 8 – ползун (крейцкопф).
Схемы одноступенчатых поршневых компрессоров:
а) Одноцилиндровый простого действия (бескрейцкопфный);
б) Одноцилиндровый двойного действия (эти компрессоры более сложны, но вдвое большая производительность);
в) Двухцилиндровый простого действия (привод осуществляется от одного коленчатого вала с кривошипами, сдвинутыми на 
; на линии устанавливается ресивер; стенки цилиндров часто имеют водяную рубашку).
Преимущества вертикальных компрессоров
1. Более быстроходны (300-500 об/мин против 100-240 об/мин).
Из-за меньшего износа поршней и цилиндров, так как поршень не опирается на рабочую поверхность цилиндра, и более равномерная смазка, а также благоприятного для фундамента направления сил инерции);
2. Меньшая производственная площадь.
Индикаторная диаграмма одноступенчатого поршневого компрессора (зависимость 
за один оборот коленчатого вала):
Крайние положения поршня не доходят до стенки цилиндра – относительный объем «мертвого» пространства:
;
;
Рабочий объем цилиндра 
, описываемый поршнем за один ход.
Наличие «мертвого» пространства уменьшает производительность.
При расширении газа давление падает до 
, меньшего давления во всасывающей линии 
.
При 
откроется всасывающий клапан. Объем всасывания: 
, где 
- объемный К.П.Д.
При движении влево – политропическое сжатие газа (линия ВС) до давления, несколько превышающего 
(открывается нагнетательный клапан).
АВ – объем всасывания; СD – объем нагнетания.
По индикаторной диаграмме (с учетом масштаба) можно определить полезную работу и индикаторную мощность:
;
где: 
- площадь индикаторной диаграммы;
- масштаб пружины индикатора.
Производительность компрессора определяется объемом газа, подаваемого в единицу времени в нагнетательный трубопровод и приведенного к условиям всасывания.
Теоретическая производительность – объем, описываемый поршнем в единицу времени:
· Для одностороннего действия:
;
где: - ход поршня, м.
· Для двухстороннего действия:
;
Фактическая производительность:
;
где: 
- коэффициент подачи.
Для многоцилиндровых:
;
где: 
- число цилиндров.
Коэффициент подачи представляет собой отношение:
;
то есть объем нагнетаемого газа, отнесенного к условиям всасывания, к рабочему объему цилиндра.
Коэффициентом подачи учитываются потери производительности за счет:
a) «Мертвого» пространства (уменьшения рабочего объема цилиндров) - 
(объемный коэффициент);
b) Негерметичности в поршневых кольцах, клапанах, сальниках: 
(коэффициент герметичности), 
;
c) Расширения всасываемого газа при соприкосновении с горячими стенками цилиндра: 
(термический коэффициент), 
.
;
Объемный коэффициент:
;
Введем величину 
, откуда:
;
Для процесса расширения газа в мертвом пространстве:
;
откуда:
;
или:
;
Величина объемного коэффициента зависти от относительного объема «мертвого» пространства 
и показателя , то есть от конструкции машин и свойств сжимаемого газа.
С увеличением степени сжатия 
- уменьшается и может стать равным нулю. Это происходит при предельном сжатии (
).
В этом случае газ из «мертвого» пространства, расширяясь, заполнит весь объем цилиндра, 
. На индикаторной диаграмме линии сжатия и расширения сливаются. Практически степень сжатия в одном цилиндре не превышает 5.
Предел сжатия определяется из выражения:
;
;
В действительности компрессоры не работают с 
, соответственно, определяется допускаемая практически степень сжатия:
Кроме того, температура 
(из-за возможности воспламенения паров масла):
- предел сжатия по температуре.
Многоступенчатое сжатие
Применяется для получения высоких давлений путём последовательного прохождения ступеней сжатия с промежуточным охлаждением газа. Объёмы цилиндров последовательно уменьшаются.
а) Однорядный двойного действия со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах. Поршни движутся в одном направлении – поэтому возникают большие инерционные силы.
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – ползун (крейцкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник.
б) Оппозитный двухрядный. С противоположным движением поршней. Это позволяет уравновесить силы инерции. Достигается бОльшая скорость вращения коленвала и, следовательно, становится выше производительность.
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – ползун (крецкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник.
в) Двухступенчатый простого действия с V-образным расположением цилиндров. Имеет ряд достоинств: уменьшение занимаемых производственных площадей; непосредственное соединение с электродвигателем.
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – ползун (крецкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник.
г) Двухступенчатый с дифференциальным поршнем (поршнем переменного сечения). Имеет возможность в одном цилиндре производить две или более ступеней сжатия.
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – ползун (крецкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник.
При числе ступеней сжатия n и степени сжатия в одной ступени 
получаем:
С учётом потерь давления между ступенями 
Обычно степень сжатия в одной ступени 
, чтобы температура газа в конце сжатия не превышала 150-1600C. Производительность многоступенчатого компрессора определяется производительностью первой ступени.
Энтропийная диаграмма (T-S) для многоступенчатого компрессора
Допущения:
1) Газ охлаждается до начальной температуры;
2) Потери давления в холодильнике равны нулю;
3) Мёртвые пространства не учитываются.
Линия BK соответствует изотермическому сжатию от давления P1 до Pк; (в одноступенчатом компрессоре).
Линия AL соответствует политропическому сжатию в одноступенчатом компрессоре.
Процесс многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением более близок к изотермическому.
Если степени сжатия постоянны по ступеням и Tвых=T1, то теоретическая работа многоступенчатой машины
Предельная температура в конце сжатия:
Теоретический объёмный КПД машины:
Ротационные компрессоры и газодувки
а) Пластинчатые компрессоры
Схема ротационного пластинчатого компрессора:
1 – корпус; 2 – ротор; 3 – скользящие пластины.
AB – всасывание; BC – сжатие; CD – нагнетание; DA – расширение газа в «мёртвом» пространстве.
Пластины свободно перемещаются в пазах эксцентрично расположенного ротора. Центробежная сила плотно прижимает пластины к внутренней поверхности.
Давление в одноступенчатом компрессоре 2,5-5 атм.
Давление в двухступенчатом компрессоре 8-15 атм.
б) Водокольцевые компрессоры.
Схема ротационного водокольцевого компрессора:
1 – корпус; 2 – ротор; 3 – всасывающее отверстие; 4 – нагнетательное отверстие.
В корпусе эксцентрично расположен ротор с лопатками плоский формы. Вода отбрасывается при вращении ротора к периферии и образует водяное кольцо, соосно с корпусом компрессора и эксцентрично по отношению к ротору.
Между лопатками и водяным кольцом образуются ячейки, объём которых изменяется.
Водокольцевые компрессоры используются в качестве вакуум-насосов или гузодувок (небольшого избыточного давления).
Они носят ещё название компрессоров с жидкостным поршнем (его роль играет водяное кольцо).
в) Ротационные газодувки
Схема ротационной газодувки:
1 – корпус; 2 – барабан (поршень); 3 – всасывающий патрубок; 4 – нагнетательный патрубок.
На двух параллельных валах вращаются два барабана. Первый вращается от электродвигателя, второй связан с ним зубчатой передачей с n=1.
При вращении поршни плотно прилегают друг к другу, образуя две разобщённые камеры. В одной происходит всасывание, в другой нагнетание.
Центробежные машины
а) Вентиляторы условно делятся на вентиляторы:
· Низкого давления P<100 мм. вод. ст.
· Среднего давления P=100-300 мм. вод. ст.
· Высокого давления P=300-1000 мм. вод. ст.
Схема вентилятора низкого давления:
1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – всасывающий патрубок; 4 – нагнетательный патрубок.
В спиралеобразном корпусе вращается барабан с большим числом лопаток.
Характеристики центробежных вентиляторов аналогичны центробежным насосам. Рабочий режим – точка пересечения характеристики сети и характеристики вентилятора.
Напор вентилятора:
;
Мощность на валу:
;
Q – производительность (м3/с), 
;
б) Турбогазодувки
Схема турбогазодувки:
1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – всасывающий патрубок; 5 – нагнетательный патрубок.
Рабочее колесо с лопатками, подобными центробежному насосу. Колесо помещают внутри неподвижного направляющего аппарата, в котором происходит преобразование кинетической энергии газа в потенциальную энергию давления.
Направляющий аппарат представляет собой два кольцевых диска, соиденённых между собой лопатками с наклоном, противоположным наклону лопаток рабочего колеса.
Многоступенчатые турбогазодувки имеют несколько колёс (3-4).
Схема многоступенчатой турбогазодувки:
1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – обратный канал.
После колеса газ поступает в направляющий аппарат и обратный канал, снабжённый неподвижными направляющими рёбрами.
Ширина колеса с увеличением степени сжатия (уменьшением объёма газа) уменьшается – при постоянном диаметре. Поэтому становится возможным сжатие газов в каждой последующей ступени без изменения скорости вращения и изменения формы лопаток.
Газ в турбогазодувках не охлаждают. Степень сжатия 3-3,5.
в) Турбокомпрессоры. Устройство их аналогично турбогазодувкам. Число рабочих колёс больше и выше скорость вращения (240-270 м/с). Давление нагнетания до 25-30 атм. Изменяется не только ширина, но и диаметр рабочих колёс. Также имеется направляющий аппарат и обратный канал. Между группами колёс часто устанавливают промежуточные холодильники.
Осевые вентиляторы и компрессоры
а) Осевые вентиляторы
Схема осевого вентилятора:
1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – лопатки; 4 – рама.
В корпусе расположено рабочее колесо – пропеллер с лопатками, изогнутыми по винтовой поверхности. Газ перемещается вдоль оси колеса при его вращении.
КПД их выше, чем у центробежных, ниже сопротивление вентилятора, меньше потери на трение газа о лопатки.
Напор в 3-4 раза меньше.
Осевые вентиляторы применяются для перемещения больших количеств газа при незначительном сопротивлении сети. Например, в аппаратах воздушного охлаждения.
б) Осевые компрессоры
Схема осевого компрессора:
1 – корпус; 2 – ротор; 3 – лопатки; 4 – направляющий аппарат.
На роторе размещены лопатки, имеющие форму винтовой поверхности.
Газ захватывается и перемещается вдоль оси ротора, одновременно участвуя во вращательном движении. Для устранения этого явления на стенках корпуса укрепляют неподвижные лопатки, образующие направляющий аппарат.
Осевые компрессоры применяют при больших подачах (расходах) и относительно невысоких степенях сжатия (3,4-4). Они имеют большое число ступеней (10-20) и работают без охлаждения газа.
Вакуум-насосы
Особенность вакуум-насосов - высокая степень сжатия:
По этой причине резко снижается производительность и объёмный коэффициент сжатия. Для более полного использования рабочего объёма стремятся свести к минимуму «мёртвый» объём.
Вакуум-насосы делятся:
а) Поршневые «сухие» (газ) и мокрые (газ с жидкостью);
б) Ротационные – пластинчатые и водокольцевые;
в) Струйные – пароструйные с промежуточной конденсацией.
Особенность сухих и ротационных вакуум-насосов – перепуск газа из мёртвого пространства. В конце сжатия мёртвое пространство соединяется при помощи золотника с камерой всасывания, газ переходит из мёртвого пространства к всасыв. Давление в мёртвом пространстве падает, и сжатие газа начинается в самом начале хода поршня, что увеличивает производительность и объёмный коэффициент сжатия.
Сравнение и области применения компрессорных машин
Наибольшее распространение получили поршневые и центробежные машины.
Поршневые компрессоры
Используют при малых подачах газа (до 10тыс м3/ч) и высоких давлениях (до 1000асм).
Турбокомпрессоры и турбогазодувки
Преимущества:
1. Чистый газ, не загрязнённый смазкой;
2. Компактность, простота устройства;
3. Равномерность подачи, быстроходность;
4. Отсутствие инерционных усилий.
Недостаток: меньший КПД по сравнению с поршневыми.
Они выгодны при больших производительностях с уменьшением капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Используются при Q=10-200тыс м3/ч и P=10-12атм (до 30 атм).
Для получения чистого газа вплоть до 300 атм (многоступенчатые).
Ротационные компрессоры и газодувки
Имеют более высокий КПД, чем турбокомпрессоры. Они применяются при производительности до 6 тыс м3/ч и P<15атм.
Недостаток – сложность изготовления, высокий износ пластин ротора.
Осевые вентиляторы и компрессоры
Компактны, имеют высокий КПД, производительность до 80 тыс м3/ч и P до 6 атм.
Вакуум-насосы
Сухие до 99% абсолютного вакуума.
Мокрые 80-90% абсолютного вакуума.
Пластинчатые 95-98% абсолютного вакуума.
Водокольцевые (наиболее распространены) 95-98% абсолютного вакуума.
Используются в агрессивных средах, взрывоопасные смеси, влажные газы. Вакуум ограничен температурой и видом рабочей жидкости – парциальное давление её паров.
Пароструйные
2 - Категории движения - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
Преимущества:
а) Простота устройства;
б) Отсутствие движущихся частей (агрессивная среда).
Недостатки:
а) Значительный расход пара;
б) Смешение газа с паром.
