Давыдкова Н.С. Стационарные установки шахт (водоотливные,вентиляторные и пневматические установки)

Подождите немного. Документ загружается.

106













−

























−













−γ

−−

Tc1

Нl

нp

нпполн

(2.18)

или с учетом (2.17)

полн

= c

– T

). (2.18')

Графически на диаграмме Т - S (см. рис. 2.2, г) полная внешняя удельная

энергия будет выражаться площадью 6-2-3-4-6. Из сопоставления диаграмм

(рис. 2.2, б и г) нетрудно видеть, что увеличение удельной энергии l

доп

действительном компрессоре по сравнению с идеальным (изоэнтропическим

сжатием) эквивалентно площади 6-2-2'-5-6. Эта площадь в определенном

масштабе изображает работу, которую необходимо затратить в действительном

компрессоре на преодоление внутренних гидравлических сопротивлений l

тр

и на сжатие газа из-за увеличения его объема, вызванного нагреванием газа

теплотой трения.

107

ЛЕКЦИЯ № 12

2.4 Многоступенчатое сжатие

Степень повышения давления в (отношение р

/ р

) воздуха (газа) в одной

ступени компрессора ограничивается конечной температурой сжатого воздуха,

возможностями передачи энергии воздушному потоку рабочим колесом в

турбокомпрессорах, требованиями экономичности и другими факторами.

Согласно Правилам безопасности для угольных и сланцевых шахт, во

избежание взрыва конечная температура сжатого воздуха не должна превышать

170 °С.

Степень повышения давления в одной ступени объемных компрессоров

обычно не превышает ε = 5, а у центробежных компрессоров ε = 1,3-1,5, и

компрессоры выполняются многоступенчатыми. Шахтные объемные

компрессоры с конечным давлением до 0,9 МПа изготовляются

двухступенчатыми, а центробежные турбокомпрессоры -шестиступенчатыми.

Поскольку наиболее экономичным является изотермический процесс, при

работе шахтных и других компрессоров применяется их охлаждение. Хотя в

реальных компрессорах не представляется возможным осуществить

изотермический процесс сжатия, охлаждение способствует снижению

потребляемой мощности. Применяются следующие способы охлаждения

сжимаемого воздуха (газа): в промежуточных и концевых холодильниках (рис.

2.3, а) впрыскиванием в зону сжатия охлаждающей жидкости (воды, масла), за

счет испарения которой при впрыскивании снижается температура сжимаемого

газа; охлаждение поверхностей рабочих органов компрессоров с помощью

охлаждающих рубашек.

108

Рис. 2.3. Схема компрессора с промежуточными холодильниками (а) и диаграммы

многоступенчатого сжатия в координатах p-V (б) и Т-S (в):

1 - рабочие колеса; 2 и 3 - соответственно промежуточный и концевой холодильники

Процесс многоступенчатого сжатия показан на диаграммах в координатах

р -V и Т -S (рис. 2.3, б и в).

При одноступенчатом сжатии без охлаждения сжатие осуществляется по

политропе 1-2'-3', ... При этом по сравнению с изотермическим сжатием

дополнительно затрачивается работа, эквивалентная площади, заключенной

между кривыми 1-2-3, ... (изотермой) и 1-2'-3', ... (политропой).

При многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением газа

процесс будет протекать по ступенчатой линии 1-2'-2-3"-3, ... и будет

приближаться к идеальному изотермическому тем ближе, чем большее число

ступеней будет иметь компрессор.

Следует отметить, что для идеального многоступенчатого компрессора

принимают, что показатели политропы для всех ступеней сжатия одинаковы и

охлаждение газа в промежуточном холодильнике после каждой ступени

производится до температуры всасывания в первую ступень.

При таких допущениях процесс сжатия в первой ступени изобразится

отрезком политропы 1-2', параметры газа с p

, Т

изменятся до р

, Т

, а его V

109

уменьшится до V

’. После сжатия воздух поступает в промежуточный

холодильник, процесс охлаждения газа в котором изобразится отрезком

изобары 2'-2. При этом точка 2 находится на изотерме Т

= const, а объем

уменьшается дополнительно до V

. От точки 2 сжатие продолжается во второй

ступени по политропе 2-3" и т. д., в результате полный процесс сжатия идет по

линии 1-2'-2-3"-3-4", ... Заштрихованная площадь 2-2'-3'-3" эквивалентна

работе, сэкономленной в двухступенчатом компрессоре при наличии

промежуточного охлаждения. Площадь s

’ -2'-2-s

под изобарой 2-2' (см. рис.

2.3, б) эквивалентна отведенному промежуточным холодильником количеству

теплоты после первой ступени.

При постоянном показателе политропы для ступеней удельная работа,

затраченная в двухступенчатом компрессоре, составляет













−













−













−













−

=+=

−−

lll

1121

. (2.19)

Аналогично определяется удельная работа и для компрессора с z

ступенями сжатия. При одинаковых степенях сжатия ε

321

...

... ε======ε=ε=ε

удельные работы на сжатие в каждой ступени одинаковы – l

= l

= … = l

выражение для удельной работы l

, затрачиваемой в многоступенчатом

компрессоре, будет иметь вид

( )













−ε

−

1Vp

i11z

(2.20)

Температура воздуха (газа) в конце сжатия

( )

iнк

ТТ

−

ε= . (2.21)

Принятое распределение давлений ε

= ε

= ... = ε

по ступеням в

многоступенчатом компрессоре является наивыгоднейшим по условию

110

обеспечения минимальной работы сжатия. Степень повышения давления в

одной ступени компрессора определяется выражением

ε=ε , (2.22)

где

=ε - степень повышения давления в компрессоре с z ступенями

сжатия.

2.5 Коэффициенты полезного действия компрессоров

Полный, или эффективный, к. п. д. компрессора равен

мобвнэф

, (2.23)

Внутренний к. п. д. η

вн

характеризует совершенство процесса передачи

газу энергии рабочими органами компрессоров по отношению к теоретическим

процессам:

вн

.з.п

вн

=η , (2.24)

где l

п.з

– полезно затраченная работа; l

вн

-энергия, подводимая

непосредственно к рабочим органам компрессора.

Объемный к. п. д. η

об

, которым учитываются потери энергии в связи с

протечками сжатого воздуха,













−=

−

=η

ут

утт

об

, (16.25)

где Q

ут

- величина утечек, м

/с.

Механический к. п. д. η

характеризует потери энергии в приводе

рабочих органов компрес;ора:

пр

вн

=η , (2.25)

где l

пр

-удельная энергия, подводимая к валу компрессора.

111

Объемный к. п. д. для лопаточных компрессоров высок: η

об

≈ 0,99, и его

обычно не учитывают. Для объемных, в частности поршневых, компрессоров

он ниже, и его необходимо принимать во внимание. Механический к. п. д. η

определяется обычными методами, известными из механики машин

Рассмотрим более подробно внутренний к. п. д. η

вн

компрессоров. В

отличие от насосов и вентиляторов его не представляется возможным оценить

как отношение полезного напора к затраченному, т. е. как отношение

сообщенной газу энергии ко всей подведенной. Этот парадоксальный, на

первый взгляд, факт объясняется невозможностью выделить полезно

затраченную энергию при охлаждении (отводе теплоты) компрессоров. Это

наглядно видно, например, в случае изотермического процесса сжатия, при

котором вся переданная газу работа преобразуется в теплоту, отводимую во

внешнюю среду. К. п. д. компрессора с таким процессом должен был бы

равняться нулю. На самом же деле, как отмечалось уже выше, изотермический

процесс сжатия газа - самый выгодный по затратам энергии, поэтому теплота,

отведенная при охлаждении, не может считаться бесполезно затраченной.

Поэтому совершенство компрессорных процессов принято оценивать при

помощи относительных термодинамических к. п. д. - изотермического η

из

(для

охлаждаемых компрессоров), изоэнтропического (обратимого адиабатного) η

иэ

(для неохлаждаемых):

вн

из

=η ;

вн

иэ

=η . (2.27)

В этих к. п. д. принимается условно в качестве полезной работа,

затрачиваемая в идеальном компрессоре соответственно при изотермическом и

изоэнтропическом, или обратимом адиабатном (поэтому этот к. п. д. называют

также адиабатным), теоретических процессах и определяемая из выражений

(2.11) и (2.13).

Изотермический к. п. д. применяется для оценки совершенства

внутренних процессов компрессоров с интенсивным водяным охлаждением

112

(поршневых и роторных), изоэнтропический к. п. д. – для оценки

неохлаждаемых компрессоров (центробежных и осевых).

С помощью изотермического и изоэнтропического к. п. д. производится

сравнительная оценка совершенства действительного и идеального

компрессоров (идеальный принят за эталон).

Ориентировочно для одноступенчатого поршневого компрессора η

из

=0,5÷0,8; η

иэ

= 0,85, для одной ступени центробежного компрессора η

из

=0,5÷0,7, η

иэ

= 0,75÷0,80.

Мощность на валу компрессора определяется по одному из процессов

сжатия – изотермическому или изоэнтропическому (адиабатному);

изм

из

1000

η⋅η⋅

⋅

= , или

иэм

иэ

1000

η⋅η⋅

⋅

= (2.28)

Номинальную мощность двигателя компрессора принимают на 10-20%

выше расчетной из-за возможного отклонения действительного режима работы

от расчетного в связи с загрязнением холодильника, неплотностью клапанов и

т. п.

113

ЛЕКЦИЯ № 13

3. ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

3.1. Принцип действия и классификация

Поршневые компрессоры - это компрессоры объемного действия: процессы сжатия

газа происходят в замкнутом пространстве, которым является внутренний объем рабочего

цилиндра. Органом, воздействующим на газ с целью изменения его объема, служит поршень,

перемещающийся внутри цилиндра. Цилиндры снабжены регулирующими органами –

всасывающими и нагнетательными клапанами для осуществления всасывания, сжатия и

нагнетания воздуха (газа) в сеть. Последовательное во времени осуществление трех стадий

рабочего процесса – всасывания, сжатия и нагнетания – характерная особенность работы

поршневого компрессора.

Поршневые компрессоры отличаются многообразием конструктивных схем и

исполнений. Дополнительно к общей классификации компрессоров поршневые компрессоры

разделяются по типу цилиндров, их расположению в пространстве и сочетанию.

114

Рис. 3.1. Схемы поршневых компрессоров

По типу цилиндров – компрессоры с цилиндрами простого (рис. 3.1, а) и

двойного (рис. 3.1, б) действия, а также с дифференциальным цилиндром (рис. 3.1, в).

Последний используется только в многоступенчатых компрессорах.

По числу ступеней – одноступенчатые (рис. 3.1, а). двухступенчатые (рис. 3.1, д,

е, ж, з), трехступенчатые и более. В современных компрессорах число ступеней не

превышает обычно семи.

По числу цилиндров – одноцилиндровые (рис. 3.1,а, б), двухцилиндровые (рис.

3.1, е, ж, з, г), трехцилиндровые и более. На рис. 3.1, г изображена схема одноступенчатого

двухцилиндрового компрессора.

По числу рядов, в которых располагаются цилиндры, – одно- (рис, 3.1, ж), двух-

(рис. 3.1, г} и многорядные.

По ориентации цилиндров - горизонтальные, вертикальные и угловые (с углом

между цилиндрами): прямоугольные (рис.3.1, е), V-образные (рис. 3.1, д} и др.

В горной промышленности все большее применение находят горизонтальные

компрессоры, выполненные по оппозитным схемам, со встречным (оппозитным) движением

поршней, обеспечивающим уравновешенность поршневых сил.

В качестве приводов поршней компрессоров обычно применяются кривошипно-

шатунные механизмы, состоящие из штока 1 (см. рис. 3.1, а), крейцкопфа 2, шатуна 3,

кривошипа 4 и предназначенные для преобразования вращательного движения привода в

возвратно-поступательное движение поршня. Приводы небольших компрессоров могут не

иметь крейцкопфа, при этом шатун посредством шарниров непосредственно соединяется с

поршнем.

3. 2. Рабочий процесс поршневого компрессора

Рабочий процесс в идеальном поршневом компрессоре удобно рассматривать,

воспользовавшись диаграммой процесса в системе координат р - V (рис. 3.2, а). Крайнее

правое положение поршня в цилиндре соответствует точке 1 - цилиндр заполнен воздухом

(газом) с параметрами p

, V

и Т

, всасывающий клапан закрыт. При движении влево

поршень сжимает заключенный в цилиндре воздух (газ). Процесс сжатия характеризуется в

общем случае политропой 1-2 и заканчивается в точке 2, в которой газ характеризуется

параметрами р

, V

и Т

. В зависимости от условий сжатие может осуществляться по

115

изотерме 1-2'", политропе 1-2, адиабате 1-2' и политропе 1-2" с большим значением

показателя n.

Рис. 3. 2. Диаграммы одноступенчатого поршневого компрессора:

идеального (а) и реального (б)

В идеальном компрессоре, в котором отсутствует сопротивление нагнетательных

клапанов, момент окончания сжатия совпадает с моментом открывания нагнетательных

клапанов и началом нагнетания газа в напорный трубопровод. При движении поршня от

точки 2 до точки 3 воздух из цилиндра выталкивается в нагнетательный трубопровод, при

этом давление p

и температура Т

не изменяются. Процесс протекает по линии 2-3 (2'-3, 2"-

3, 2'"-3), которая называется линией нагнетания. В крайнем левом положении поршня (точка

3) нагнетательный клапан (клапаны) закрывается. С началом движения поршня вправо

давление в цилиндре падает до давления p

во всасывающем трубопроводе и открывается

всасывающий клапан. При движении поршня вправо происходит процесс заполнения

цилиндра газом (всасывание); линия 4-1 называется линией всасывания. Процесс всасывания

заканчивается в точке 1, и затем цикл повторяется.

Работа, затрачиваемая в цикле компрессора, пропорциональна площади f диаграмм:

работа сжатия

сж

= kf

1-2-6-7

; (3.1)

работа нагнетания

= kf

2-3-5-6

; (3.2)