Охлаждение газа в процессе сжатия

Сжатие газа до высокого давления за одну ступень затруднено из-за чрезмерного повышения, температуры в конце сжатия. В лопастных компрессорах ограничением по давлению, создаваемому одной ступенью, является также прочность материала рабочего колеса. Поэтому следует применять возможно более интенсивное охлаждение газа в процессе его сжатия и производить сжатие в последовательно соединенных ступенях, осуществляя промежуточное охлаждение газа в холодильниках, включенных в поток между ступенями.

Применение ступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением газа дает большую экономию энергии, расходуемой на привод компрессора.

В современных компрессорах применяют следующие способы охлаждения компримируемого газа: внутреннее, выносное и комбинированное. При внутреннем охлаждений холодная вода подается в специально выполненную полость в отливке корпуса. При выносном охлаждении между отдельным ступенями сжатия устанавливаются кожухотрубчатые теплообменники. Комбинированное охлаждение предусматривает как внутреннее; так и выносное охлаждение. Этот способ эффективнее и наиболее широко применяется. В некоторых конструкциях компрессоров используется охлаждение впрыском воды в поток газа. При этом теплота газа частично расходуется на испарение охлаждающей воды. Однако увлажнение газа во многих случаях недопустимо.

Минимум затрат энергии в ступенчатом компрессорном процессе имеет место при равенстве степеней повышения давления во всех ступенях. Поэтому оптимальная степень сжатия одной ступени

(5.8)

где ε - отношение давлений газа на выходе и входе одной ступени; р_к и р_н - конечное и начальное давление компрессора; z - число ступеней сжатия.

На практике, однако, ступени высокого давления имеют несколько меньшую степень сжатия, чем ступени низкого давления:

В лопастных компрессорах ступень сжатия состоит из совокупности венцов рабочих и направляющих лопастей и количество ступеней может быть большим (до 40). В этом случае ступени разбивают на секции и холодильники устанавливают между секциями. В пределах секции ступени не охлаждают.

Центробежные компрессоры

Основными элементами центробежного компрессора (рис. 5.1) являются: подводящее устройство, рабочее колесо 1 с лопастями и диффузор (кольцевой отвод) 3. Газ, находящийся в рабочем колесе между лопастями, при вращении рабочего колеса получает энергию от лопастей и вращается вместе с ними. При этом возникают центробежные силы, под их действием газ выбрасывается из колеса в диффузор, в котором скорость его снижается, а давление увеличивается. Для повышения эффективности работы диффузора по превращению кинетической энергии в потенциальную предназначены лопатки 4, упорядочивающие движение газа. Из диффузора газ, пройдя направляющий аппарат 5, поступает на прием следующей ступени компрессора. Так как под действием центробежных сил газ в рабочем колесе движется от центра к периферии, то в зонах, расположенных у оси вращения, давление снижается и происходит всасывание газа.

Конструктивное исполнение рабочих колес может быть закрытого и полуоткрытого типа. Рабочее колесо закрытого типа состоит из основного и покрывающего (переднего) дисков, между которыми располагаются профилирующие лопасти. У колес полуоткрытого типа отсутствует передний покрывающий диск. Рабочие колеса центробежных компрессоров выполняются с односторонним и двухсторонним входами.

К рабочим колесам центробежных компрессоров предъявляются повышенные требования по точности изготовления и чистоте обработки поверхности. Для изготовления колес используются легированные стали и сплавы титана. Колеса могут изготовляться литыми (максимальная окружная скорость не более 500 м/с), сварными и паянными в вакуумных печах.

В одноступенчатых компрессорах наибольшее распространение получили спиральные отводы, а в многоступенчатых - лопаточные.

В центробежных компрессорах применяются три типа уплотнений: лабиринтное, с плавающими кольцами и торцовое.

Рисунок 5.1 – Схема ступени центробежного компрессора –

Лабиринтное уплотнение (рис.5.2) относится к уплотнениям бесконтактного типа. Оно состоит из нескольких дроссельных участков, между которыми расположены камеры для подвода и отвода запирающего газа. Газ от постороннего источника подается в камеру 1 под давлением, превышающим давление в камере 3. В камеру 3 поступает перекачиваемый газ под давлением, превышающим давление газа р_у в уплотняемой камере.

Рисунок 5.2 – Типы уплотнений:

а - лабиринтное; б - с плавающими кольцами; в - торцовое

Из камер 1 и 3 газы проходят через лабиринтные ходы и, смешиваясь в камере 2, выводятся из уплотнения. Часть запирающего газа через лабиринтные ходы выходит наружу.

Уплотнение с плавающими кольцами k (рис. 5.2 б) также является бесконтактным. Плавающие кольца устанавливаются на валу с минимальным радиальным зазором 0,05-0,1 мм. В камеру между кольцами подается запирающая жидкость. Часть ее через зазор между наружным кольцом и валом вытекает наружу, а часть через зазор между внутренним кольцом и валом попадает в камеру 3. Давление в камере 6 меньше, чем в камере 1, куда подается запирающий газ, поэтому запирающая жидкость не попадает в перекачиваемый газ. Из камеры 6 газожидкостная смесь отводится в автоматический разделитель. Избыток запирающего газа выводится через камеру 5.

Торцовое уплотнение (ТУ) (рис. 5.2 в) относится к типу контактных механических уплотнений. Оно состоит из невращающегося подвижного в осевом направлении графитового кольца и вращающегося металлического кольца, которые прижимаются друг к другу. Для отвода теплоты и смазывания поверхностей трения подводится запирающая жидкость 4 (масло). Для предотвращения попаданий масла в проточную часть компрессора к уплотнению подводится запирающий газ 1.

В большинстве своем центробежные компрессоры выполняются многоступенчатыми. На рис.5.3 показан разрез компрессора, который предназначен для сжатия воздуха производительностью 500 м³/мин. Данный компрессор однокорпусный трехсекционный, каждая секция состоит из двух ступеней. Отечественной промышленностью выпускаются центробежные компрессоры производительностью 115, 250, 500, 750, 905, 1250, 1500 м³/мин с мощностью приводных двигателей от 1000 до 12500 кВт.

Так как принцип работы центробежного компрессора фактически такой же, как и центробежного насоса, то все основные положения применяемые к расчету характеристик центробежных насосов, могут быть использованы и для расчета характеристик центробежных компрессоров с учетом сжимаемости перекачиваемой среды.

Рисунок 5.3 – Продольный разрез шестиступенчатого компрессора К500-61-1