Сжатие и перемещение газов (компрессоры) в пищевых производствах

2.5. Сжатие и перемещение газов (компрессоры) в пищевых производствах

2.5.1. Классификация компрессоров

Компрессоры представляют собой машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов за счет механической энергии, подводимой от двигателя.

Практически нет ни одной отрасли промышленности, где бы не применялись компрессоры. Около 15 % всей электроэнергии, получаемой электростанциями России, расходуется на привод компрессоров. Очень широко компрессоры представлены и в пищевой промышленности.

Компрессоры классифицируются по принципу действия, конструктивному исполнению, области рабочих давлений и др.

По принципу действия компрессоры делят на объемные (статического действия), лопастные (динамического действия) и термокомпрессоры.

Согласно кинетической теории, давление газа определяется количеством ударов молекул в единицу времени, приходящимся на единицу поверхности, и зависит также от интенсивности этих ударов. Количество ударов зависит от концентрации молекул в единице объема газа. Интенсивность ударов связана со скоростью молекул газа, которая зависит от температуры.

Повышения давления можно добиться увеличением количества ударов молекул на единицу поверхности – сближением молекул друг с другом, т.е. увеличением количества молекул в единице объема; увеличением скорости движения молекул механическим путем с последующим торможением потока; повышением температуры газа.

Сближение молекул можно осуществлять уменьшением объема замкнутого пространства, в котором находится газ, увеличением скорости потока газа и последующим его торможением.

Первый принцип реализован в объемных компрессорах, для которых характерно отсутствие непрерывного потока газа, периодичность рабочих процессов.

Второй принцип реализован в лопастных компрессорах, отличающихся непрерывностью потока газа и рабочих процессов.

Повышение давления за счет увеличения температуры при использовании так называемых термокомпрессоров не нашло широкого применения в промышленности.

По конструктивному выполнению объемные компрессоры делятся на поршневые и роторные, лопастные – на центробежные и осевые компрессоры. В свою очередь поршневые компрессоры - на компрессоры с кривошипно-шатунным механизмом и со свободно движущимися поршнями. Роторные компрессоры – на ротационные пластинчатые, винтовые, жидко-кольцевые, ротационные с катящимся поршнем.

По областям рабочих давлений (степени повышения давления П=р_н/р_вс) компрессоры подразделяются на компрессоры (П=2,5-2500 ), газодувки (П=1,1-4,0), вентиляторы (П=1,0-1,15) и вакуумные насосы (р= 0,1 МПа, П=1-50).

Каждый из рассмотренных типов компрессоров можно классифицировать по отдельным частным признакам: числу ступеней, величине производительности, величине создаваемого давления, конструктивному выполнению, составу сжимаемого газа, приводу и т.п. На рис. 2.32 показаны области применения различных типов компрессоров.

2.5.2. Поршневые компрессоры

Наиболее типичным представителем объемных компрессоров является поршневой. Поршневые компрессоры получили самое широкое распространение. Они отличаются от компрессоров других типов высокой экономичностью, простотой конструкции, обслуживания и ремонта, большой надежностью. По численности поршневые компрессоры составляют более 80 % от всего компрессорного парка страны.

Поршневым называется компрессор объемного действия, в котором изменение объема рабочей полости осуществляется поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательное движение.

Превращение вращательного движения вала приводного двигателя в прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня может осуществляться кривошипно-шатунным, кулисным или кулачковым механизмами. В поршневых компрессорах более всего распространен кривошипно-шатунный механизм.

Р, МПа

Рис. 2.32. Области применения компрессоров в зависимости от давлений

и производительности

Поршневые компрессоры классифицируют по: числу ступеней – одноступенчатые и многоступенчатые (не более семи); производительности – малые до 10 м/мин., средние 10–100 м/мин., крупные более 100 м/мин; величине создаваемого давления – низкого – (р< 2,5 МПа), среднего – 2,5–10,0 МПа, высокого – 10,0 – 35 МПа, сверхвысокого – более 35 МПа; конструктивному исполнению – компрессоры простого и двойного действия; горизонтальные, вертикальные и угловые; однорядные и многорядные; крейцкопфные и бескрейцкопфные; с дисковым, тронковым или дифференциальным поршнем и т.п.; составу сжимаемого газа – воздушные и газовые, кислородные и т.д.

На рис. 2.33 приведены принципиальные схемы поршневых компрессоров одностороннего и двухстороннего действия.

В зависимости от привода – различают поршневые компрессоры с электродвигателем, ДВС, гидроприводом и др.

Поршневые компрессоры дополнительно делят на компрессоры со смазкой и без смазки цилиндров, с водяным и воздушным охлаждением.

Для характеристики поршневых компрессоров пользуются понятиями – объем, описываемый поршнем за один оборот (рабочий объем цилиндра) V_h (м), значение которого для компрессора:

простого действия

;

двойного действия

и объем, описываемый поршнем в единицу времени - /с),

где n - число оборотов коленчатого вала.

Объем, описываемый поршнем компрессора в единицу времени, в конечном итоге определяет производительность и подачу компрессора.

а)

б)

Рис. 2.33. Принципиальные схемы поршневых компрессоров: а) одностороннего действия; б) двухстороннего действия; 1 – поршень с кольцами; 2 – шатун; 3 – кривошип; 4,5 – всасывающий и нагнетательный клапаны; 6 – крейцкопф; 7 – шток

Производительностью компрессора называется объем газа, нагнетаемый в единицу времени и замеренный на выходе, но пересчитанный на условия всасывания, т.е. на давление и температуру перед всасывающим патрубком.

Подачей называется масса газа, подаваемого компрессором потребителю в единицу времени (кг/с).

На производительность компрессора значительное влияние оказывает мертвый (вредный) объем. Мертвый объем - часть объема рабочей полости, из которого поршнем не может быть вытеснен сжимаемый газ. Мертвый объем состоит из объема в зазоре между поршнем и крышкой цилиндра, объемов в каналах, которые служат для сообщения полости цилиндра с запорными элементами клапанов, и объемов различных пустот, каналов и выемок в поршне и цилиндре.

В расчетных зависимостях принято пользоваться безразмерной величиной относительного мертвого объема:

2.5.3. Теоретический рабочий процесс в поршневом компрессоре

Понятие теоретический процесс для поршневого компрессора связано с введением определенных упрощений, которые позволяют рассчитать этот процесс простыми зависимостями, заимствованными из курса технической термодинамики.

Основными из этих допущений и упрощений являются следующие: отсутствует мертвый объем (нет процесса обратного расширения); утечки газа через неплотности рабочей полости равны нулю; нет гидравлических потерь при течении газа в каналах клапанов и трубопроводах; отсутствуют потери энергии на преодоление механического трения.

Как известно из термодинамики, работа в компрессоре затрачивается на сжатие и перемещение газа. Перемещение газа включает в себя движение его во всасывающем трубопроводе, из полости всасывания в цилиндр, из цилиндра в полость нагнетания и затем в нагнетательном трубопроводе.

Удельная работа на сжатие и перемещение газа в ступени равна:

В теории поршневых компрессоров нашли применение несколько видов термодинамических процессов, отличающихся друг от друга процессами сжатия. Это изотермический, адиабатический и политропический процессы.

Удельная работа в изотермическом процессе ( Т= const) равна:

в адиабатическом процессе (dQ =0)

в политропическом процессе

Мощность компрессора равна

Изотермическая мощность

Адиабатическая мощность

Политропическая мощность

2.5.4. Производительность действительного поршневого

компрессора. Коэффициенты производительности

Производительность действительного компрессора меньше производительности теоретического одноступенчатого. Ее уменьшение при этом принято оценивать коэффициентом производительности l:

Коэффициент производительности показывает, какую часть составляет производительность компрессора в действительном процессе от его производительности в теоретическом.

Зависимость для действительной подачи компрессора равна:

Представим подачу компрессора в виде

где и V_вс- массовый расход и объем свежего газа, поступившего в цилиндр; - массовый расход утечек газа из цилиндра; r₁- плотность газа в конце процесса всасывания.

В свою очередь

, .

Теоретическая подача компрессора равна:

тогда окончательно получим

где l_р_.- коэффициент давления, учитывающий потери производительности из-за гидравлических потерь в процессе всасывания; l_Т- температурный коэффициент, учитывающий потери производительности от нагрева газа в процессе всасывания; l_v - объемный коэффициент, учитывающий потери производительности в связи с наличием мертвого пространства; l_г - коэффициент герметичности, учитывающий потери производительности за счет утечек.

В общую зависимость для коэффициента подачи вводят еще и коэффициент влажности для газов l_вл, содержащих влагу.

К таким газам, в частности, относится воздух:

тогда _,

где - относительная влажность воздуха, на всасывании в 1-ую ступень. Таким образом, можно отметить, что уменьшение производительности действительного процесса компрессора обусловлено пятью основными причинами: наличием мертвого объема; гидравлическими сопротивлениями потоку газа на пути от начала всасывающего трубопровода до полости цилиндра; подогревом газа при всасывании; утечками через неплотности рабочей полости; влажностью всасываемого газа.

Расчет и выбор коэффициентов производительности ступеней компрессора в проектных расчетах производится следующим образом:

объемного коэффициента

;

коэффициента герметичности

где - коэффициент утечек, - коэффициент относительных утечек из ступени по соответствующим j- каналам: клапанам - = 0,01 - 0,05; поршневым уплотнениям - = 0,01 - 0,05 - компрессоров одинарного действия; = 0,003 - 0,015- компрессоров двойного действия; сальниковых уплотнений -

Для газов, отличающихся по своим физическим свойствам от воздуха, величина относительных утечек должна быть пересчитана по формуле

;

коэффициент давления

0,95 - 0,98- для первых ступеней; 1,0 - для остальных ступеней, начиная с третьей; температурный коэффициент принимается в пределах

0,93 – 0,97

содержание .. 10 11 12 13 14 15 ..