Конструкции поршневых компрессоров

В современной промышленности используются поршневые компрессоры, значительно различающиеся по подаче и давлению. В зависимости от расположения цилиндров различают компрессоры вертикальные, горизонтальные и угловые. К угловым относятся компрессоры с вертикально-горизонтальным и с наклонным расположением цилиндров, т.е. V-образные и Ш-образные, а также вееро- и звездообразные.

В горной промышленности наибольшее распространение получили горизонтальные крейцкопфные компрессоры двухступенчатого сжатия типа 4М10-100/8 (рис. ) и 2М10-50/8. Их технические характеристики приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 –Технические характеристики компрессорных установок 4М10-100/8 и 2М10-50/8

Показатели	4М10-100/8	2М10-50/8
Компрессор:
производительность (при условии всасывания), м3/мин
абсолютное давление, кгс/см2:
всасывания
нагнетания
частота вращения вала, об/мин
ход поршня, мм
число ступеней сжатия
число цилиндров в каждой ступени
диаметр цилиндров, мм:
1-й ступени
2-й ступени
диаметр штока, мм
мощность на валу компрессора, кВт
расход масла для смазки цилин­дров и сальников, г/ч
количество заливаемого в картер масла, л
расход охлаждающей воды, м3/ч	14,1	7,25
основные размеры (без элетродвигателя), мм	3215х4120х1465	4470х 2200х 3030
масса, кг	10 500
Электродвигатель
тип	СДК2-17-26-12К	СДК-14-31-Г2
исполнение	Открытое с само вентиляцией	Открытое с само вентиляцией
мощность, кВт
частота вращения вала, об/мин
ток	Переменный	Переменный
напряжение, В
масса, кг

Рисунок 5.10 – Компрессор 4М10-100/8

Фундаментная рама 1 компрессора 4М10-100/8 (рис. 5.10) — чугунная литая прямоугольной формы коробчатого сечения. В поперечных стенках рамы размещены постели коренных подшипников, к продольным стенкам снаружи прикреплены направляющие крейцкопфа 6. Нижняя часть рамы служит маслосборником.

Цилиндры первой 9 и второй 3 ступеней — чугунные литые двойного действия. Цилиндр первой ступени состоит из корпуса 8 с «мокрой» втулкой, передней 10 и задней 7 конических крышек, в которых размещены прямоточные клапаны разборной конструкции, унифицированные для первой и второй ступеней. Корпус и крышка цилиндра охлаждаются водой. Цилиндр второй ступени с отъемными крышками отлит заодно с водяной охлаждающей рубашкой.

Всасывающие и нагнетательные патрубки расположены по касательной к корпусу цилиндра, что обеспечивает плавный вход и выход газа.

Дисковые скользящие поршни: первой ступени (11) — стальные сварные конической формы, второй ступени (2) — чугунные литые. Штоки 5 выполнены из углеродистой стали с поверхостным упрочнением. Сальники 4 – металлические с плоскими уплотняющими элементами.

Промежуточный холодильник – кожухотрубный горизонтальный – расположен над компрессором. Воздух движется в межтрубном пространстве, вода — по трубам.

Буферные емкости на всасывании первой ступени и нагнетании второй ступени служат для гашения пульсаций газового потока.

Система автоматизации обеспечивает: дистанционный программный пуск и остановку компрессора, дистанционный контроль всех основных параметров, предупреждающую и аварийную сигнализацию, отклонение и блокировку основного электродвигателя при отклонении параметров от установленных, ступенчатое регулирование производительности компрессора свободным перепуском воздуха из каждой рабочей полости во всасывающую с помощью специальных клапанов. Работа системы регулирования производительности компрессорной установки показана ниже.

Смазка механизма движения, цилиндров и сальников компрессора осуществляется от двух автономных, агрегатов смазки. В циркуляционную систему смазки механизма движения входят: насос, система трубопроводов, масляный холодильник, фильтры грубой и тонкой очистки, обратный клапан, запорные вентили, спускной кран, перепускной клапан. Подробные сведения об устройстве, конструкциях и особенностях эксплуатации поршневых и центробежных компрессоров приведены в работе. [25]

Удельная энергия и конечная температура воздуха

Пневмодвигателя

Удельная энергия e, потребляемая пневмодвигателем, представляет изменение полных удельных энергий воздуха (газа) во входном и выходном патрубках пневмодвигателя.

Обычно принято оценивать удельную энергию воздуха по теоретическим процессам. Тогда при изотермическом и адиабатном процессах расширения воздуха в пневмодвигателе уравнение Бернулли соответственно запишется так [3]:

(5.26)

(5.27)

Чаще всего у пневмодвигателей изменения кинетической энергии и энергии положения gz₁ – gz₂ столь малы, что ими можно пренебречь. Кроме того, при изотермическом процессе p₁/ρ₁ = p₂/ρ₂ и ρ₁/ρ₂ = p₁/p₂, а при адиабатном процессе и , что позволяет упростить уравнения (5.25) и (5.26):

(5.28)

(5.26)

Пример 5.1 [3]. Определить удельную энергию воздуха при изотермическом и адиабатном процессах расширения, если начальное абсолютное давление воздуха p₁ = 0,4 МПа, абсолютная температура T₁ = 293 K и конечное абсолютное давление p₂ = 0,1 МПа.

Плотность воздуха при начальных условиях

кг/м³,

где ρ₀ = 1,29 кг/м³ — плотность воздуха при нормальных атмосферных условиях (p₀ » 0,101 МПа; T₀ = 273 K).

Согласно (5.25) и (5.26) удельные энергии воздуха составят:

116 000 Дж/кг;

96 000 Дж/кг.

Как видно из расчета, удельная энергия воздуха при изотермическом процессе больше, чем при адиабатном. Это объясняется тем, что для поддержания постоянства температуры воздуха при изотермическом процессе расширения должна извне подводиться тепловая энергия.

В процессе расширения воздуха его температура в пневмодвигателе уменьшается. Согласно уравнению Клапейрона—Менделеева для начального состояния воздуха и конечного его состояния справедливы соотношения:

где T₁ и T₂ начальная и конечная абсолютные температуры воздуха.

Решая совместно эти уравнения для адиабатного процесса расширения, находим конечную температуру

(5.27)

Пример 5.2 [3]. По данным примера 5.1 определить конечную температуру воздуха при адиабатном процессе расширения.

По уравнению (5.27)

В пневмодвигателях конечная температура воздуха не должна быть ниже минус 40° C (T_{2 min} = 233 K), так как в противном случае может произойти обмерзание выхлопных окон, и двигатель перестанет работать (заглохнет). Поэтому степень расширения воздуха (степень снижения давления) в одной ступени пневмодвигателя не должна быть меньше

(5.28)

Расширение воздуха от начального давления до конечного (давления окружающей среды) называют полным расширением, а расширение до промежуточного давления (p₁ > p_пр > p₂) — неполным (частичным) расширением.

Пример 5.3 [3]. По данным примера 5.1 определить максимальное начальное давление p_{1 max} и минимальное конечное давление p_{2 min}, при которых не будет происходить обмерзания выхлопных окон пневмодвигателя.

Согласно уравнению (5.6)

МПа;

МПа.

Таким образом, при p₁ = 0,4 МПа, двигатель не может работать с полным расширением, а только с неполным при конечном давлении p₂ = p_{2 min} = 1,8 МПа. Полное расширение возможно, если p₁ = p_{1 max} = 0,22 МПа и p₂ = 0,1 МПа.

Поскольку при обычных скоростях подвижных элементов имеет место незначительный теплообмен между воздухом и стенками пневмодвигателей, то их рабочий процесс с достаточной степенью точности можно считать адиабатным. Поэтому принято степень совершенства пневмодвигателей оценивать по адиабатному к. п. д. η_ад, который определяется отношением выходной мощности пневмодвигателя к потребляемой мощности, подсчитанной по адиабатному процессу.