Поршневые компрессоры

Принцип действия поршневого компрессора такой же, как и поршневого насоса. Отличием является только то, что поршень насоса выталкивает жидкость в течение всего нагнетательного хода, а компрессор выталкивает воздух или газ лишь после того, как давление в цилиндре компрессора превысит давление в на­гнетательной линии.

В зависимости от способа действия поршневые компрессоры бывают простого и двойного действия. По расположению цилинд­ров подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с на­клонными цилиндрами; по числу ступеней сжатия подразделяют­ся на одно-, двух- и многоступенчатые, а по способу охлажде­ния — с воздушным (небольшие компрессоры) и водяным охлаж­дением.

По своему назначению различают компрессоры воздушные, кислородные, аммиачные, углекислотные и др. В пищевых пред­приятиях применяются стационарные и передвижные компрес­соры.

По принципу действия (т. е. по способу сообщения энергии) компрессоры разделяют на объемные и дина­мические.

В объемных компрессорах давление газа повышает­ся вследствие уменьшения пространства, в котором на­ходится газ; в идеальном случае это пространство яв­ляется абсолютно герметичным и никаких утечек в процессе повышения давления не происходит. К объем­ным компрессорам относятся поршневые, мембранные и роторные. Последние в свою очередь подразделя­ются на пластические, жидкостно-кольцевые и винто­вые.

К динамическим относятся центробежные и осевые компрессоры. В них давление повышается при непре­рывном движении газа через проточную часть машины за счет энергии, которую сообщают частичкам газа ло­патки вращающегося ротора. При этом кинетическая энергия преобразуется в работу сил давления.

Все компрессоры независимо от принципа действия подразделяются по основным эксплуатационным пара­метрам—давлению и подаче. Компрессоры, сжимаю­щие газ до избыточного давления 0,2—1,0 МПа, назы­вают компрессорами низкого давления, до давления 1,0—10,0 МПа — среднего и до давления 10—100 МПа— компрессорами высокого давления.

К компрессорам предъявляются в основном такие же требования, как и ко всем другим изделиям маши­ностроения. Компрессор должен быть надежным и эко­номичным в эксплуатации, прост в монтаже и обслужи­вании, технологичен в изготовлении; показатели, харак­теризующие его металлоемкость и энергопотребление, должны быть минимально возможными. Очевидно, что обеспечить в равной степени выполнение всех этих тре­бований в одной конструкции практически невозможно. Поэтому каждый тип компрессора имеет свои достоин­ства и недостатки по сравнению с другими, и выбор ти­па и конструкции зависит от конкретных условий.

У поршневых компрессоров проблемы достижения высоких давлений не существует. Йодля повышения по­дачи необходимо увеличивать размеры цилиндра и всех других узлов компрессора. При этом увеличивается мас­са узлов, совершающих возвратно-поступательное дви­жение, и соответственно действующие на них силы инерции. Поэтому при увеличении габаритов поршне­вых компрессоров приходится снижать скорость движе­ния поршня.

На рис. 152 представлена схема поршневого комп­рессора простого действия. В цилиндре расположен пор­шень, который под действием кривошипно-шатунного механизма совершает возвратно-поступательное движе­ние. На крыше цилиндра расположены всасывающий и нагнетательный клапаны. Всасывающий клапан откры­вается в сторону поршня, а нагнетательный в сторону нагнетательного трубопровода. Оба клапана составляют механизм распределения, регулирующий поступление газа в цилиндр и подачу его из цилиндра в нагнетательный трубопровод.

При движении поршня вниз давление в пространстве между цилиндром и поршнем становится меньше, чем во всасывающем патрубке, всасывающий клапан открыва­ется и газ попадает в цилиндр. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, давление в цилиндре и всасывающем трубопроводе практически выравнива­ется и клапан под действием пружины прижимается к седлу и перекрывает отверстие, соединяющее полость цилиндра со всасывающим трубопроводом. В течение всего периода всасывания отверстие нагнетательного клапана закрыто.

При движении поршня вверх происходит сжатие га­за, находящегося в цилиндре, и когда давление его ста­нет больше давления в нагнетательном трубопроводе, нагнетательный клапан откроется и газ втолкнется из цилиндра. Процессы всасывания и нагнетания, совер­шаемые за один оборот коленчатого вала, составляют полный цикл работы компрессора.

Компрессор описанной выше конструкции называет­ся одноступенчатым компрессором простого действия. Очевидным недостатком такого компрессора является то, что его поршень имеет одну рабочую сторону, и по­лезная работа совершается только при движении порш­ня в одном направлении.

Более экономичной и производительной является конструкция компрессора так называемого двойного дей­ствия (рис. 153). Компрессор двойного действия рабо­тает следующим образом. Когда поршень движется вправо, в левой части цилиндра создается разрежение и газ через левый всасывающий клапан поступает в ци­линдр. В это же время в правой части цилиндра про­исходит сжатие газа, вошедшего в рабочее простран­ство в предыдущем цикле, и выталкивание его через правый нагнетательный клапан в нагнетательный тру­бопровод. При движении поршня влево всасывание про­исходит через правый всасывающий клапан, а выталки­вание сжатого газа — через левый нагнетательный клапан. В этом случае обе стороны поршня являются рабо­чими.

Компрессоры простого и двойного действия могут иметь один или несколько цилиндров. Компрессор, ко­торый имеет несколько цилиндров, работающих парал­лельно и выталкивающих сжатый газ в один и тот же нагнетательный коллектор, называется многоцилиндро­вым одноступенчатым компрессором.

Если в компрессоре несколько цилиндров работают последовательно, т. е. сжатый воздух из одного ци­линдра поступает для дальнейшего сжатия в следующий, то такой компрессор называется многоступенча­тым. Если же в каждой рабочей полости компрессора давление повышается от давления во всасывающей по­лости до давления в нагнетательном трубопроводе то независимо от числа цилиндров и рабочих полостей та­кой компрессор является одноступенчатым.

Рассмотрим работу механизма движения компрессо­ра, под действием которого поршень совершает возврат­но-поступательное движение (см. рис. 153). Шатун служит для передачи движения от кривошипа коленча­того вала, при этом вращательное движение вала пре­образуется в возвратно-поступательное.

Крейцкопф — деталь, скользящая в прямолинейных направляющих, жестко связанная со штоком и шарнирно с шатуном. Крейцкопф передает продольное усиле­ние на шток, а поперечное — на направляющие. В бескрейцкопфных компрессорах движение от вала поршню передается шатуном. Шток служит для соединения поршня с крейцкопфом.

Схема поршневых компрессоров зависит от его наз­начения, условий эксплуатации, производительности, ко­нечного давления, числа ступеней и распределения дав­ления между ними. От схемы в значительной степени зависят габариты, масса и динамическая уравновешен­ность машины.

Схема компрессора характеризуется следующими основными элементами: числом ступеней, кратностью подачи, расположением осей цилиндров, расположением цилиндров, конструкцией механизма движения.

По расположению осей цилиндров компрессоры мож­но разделить на три основные группы: вертикальные, горизонтальные и угловые.

В вертикальных компрессорах элементы поршневого уплотнения работают в лучших условиях, чем в гори­зонтальных. Это объясняется тем, что смазка, посту­пающая в цилиндр, равномерно распределяется по всей рабочей поверхности, а попадающие вместе с ней или газом твердые частицы оседают в основном не на цилиндрической, а на торцевой поверхности поршня, которая не соприкасается с внутренней поверхностью цилиндра. Вследствие этого вертикальные компрессоры имеют меньший износ и лучшую герметичность уплот­нений.

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс в вертикальных компрессорах действуют на фундамент вертикально. Это повышает устойчивость маши­ны и позволяет устраивать более легкие фундаменты. Отмеченные преимущества позволяют делать вертикаль­ные компрессоры быстроходными.

Горизонтальные компрессоры лишены преимуществ вертикальных машин, однако их обслуживание более удобно.

Наиболее совершенными в отношении динамической устойчивости являются угловые компрессоры. Их мож­но выполнять высокооборотными на менее тяжелых фун­даментах.

Перечисленные особенности поршневых компрессо­ров предопределяют в основном области их практиче­ского применения. Вертикальная схема наиболее целе­сообразна для высокооборотных компрессоров с малым числом ступеней. Горизонтальная схема применяется в основном для относительно тихоходных стационарных компрессоров большой производительности. Угловая схема часто применяется для передвижных компрессор­ных установок.

По числу рядов цилиндров компрессоры подразде­ляются на однорядные и многорядные. Число рядов цилиндров в компрессоре определяется в основном рас­положением осей цилиндров, число ступеней — произво­дительностью и давлением, развиваемым машиной.

Основное преимущество однорядных компрессоров заключается в их простоте. Многорядные горизонталь­ные компрессоры выполняются в большинстве случаев по однорядной или двухрядной схеме. Компрессоры, имеющие более пяти ступеней, выполняются, как пра­вило, двухрядными.

Регулирование поршневых компрессоров. В тех слу­чаях когда в компрессорах происходит сжатие газа, как правило, требуется поддерживать его постоянное давление в сети, оптимальное для данных условий.

Как следует из основного газового закона, постоян­ство давления может быть обеспечено, если масса на­гнетаемого газа будет соответствовать массовому рас­ходу. Таким образом, при эксплуатации поршневых компрессоров регулирование давления сводится к регу­лированию подачи.

На практике применяют следующие способы регули­рования поршневых компрессоров: периодические остановки компрессора, изменения частоты вращения при­вода, присоединение дополнительного вредного прост­ранства, дросселирование на всосе, отжим клапанов.

Наиболее простым и экономичным способом явля­ются периодические остановки компрессора. Но приме­нение этого способа возможно только тогда, когда по­дача компрессора существенно больше расхода газа. В этом случае при работе компрессора происходит по­вышение давления и накапливание его в системе. При приближении давления к допустимому значению комп­рессор останавливают и расход газа обеспечивается снижением давления и запаса его в системе. Когда дав­ление снизится до минимально допустимого, произво­дится включение компрессора. Остановка и включение компрессора производятся автоматически по командам датчиков давления.

Несмотря на простоту и экономичность, этот способ имеет серьезные недостатки: из-за частых остановок и пусков происходит интенсивный износ деталей компрес­сора и в первую очередь механизма движения. В пуско­вой период резко увеличивается мощность, потребляе­мая электродвигателем, что нарушает нормальную ра­боту системы энергоснабжения предприятия.

Достаточно совершенным является способ регулиро­вания подачи компрессорам путем изменения частоты вращения привода. При этом способе обеспечивается плавное изменение подачи, он не требует изменения конструкции компрессора, КПД компрессорной установ­ки практически не снижается. Но возможности приме­нения описываемого способа довольно ограничены. Его можно использовать для установок с приводом от дви­гателя внутреннего сгорания, паровых или газовых тур­бин, а также для электродвигателя постоянного тока. При использовании наиболее распространенного приво­да от асинхронного трехфазного электродвигателя ре­гулирование подачи изменением частоты вращения при­вода не применяется.

Объемный КПД компрессора уменьшается с увеличением объема вред­ного пространства. Следствием этого является умень­шение подачи поршневого компрессора, так как на ста­дии всасывания газ, сжатый во вредном пространстве до давления нагнетания, расширяется и занимает часть по­лезного объема цилиндра. При значительном увеличении объема вредного пространства подачу компрессора мож­но снизить практически до нуля.

На рис. 154 изображена принципиальная схема при­соединения вредных пространств А—Б—В—Г к цилинд­ру компрессора двойного действия. Присоединение каж­дого из мертвых пространств уменьшает подачу маши­ны на 25%. Подключение дополнительных вредных про­странств производится автоматически при повышении давления в сети.

Для подтверждения обратимся к индикаторной диаг­рамме поршневого компрессора, изображенной на рис. 155. При нормальной работе компрессора, соот­ветствующей полной его подаче, теоретическая диаг­рамма процесса определится на чертеже площадью фи­гуры 1—2—3—4. Если добавить в работу компрессора объем вредного пространства, т. е. вместо V₀ имеем , то точка 3 переместится в положение 3' и расширение этого объема завершится в точке 4'. Объем всасывае­мого газа, равный , определится расстоянием на диаграмме между точками 4'—1.

Наиболее простым способом регулирования подачи является дросселирование на всасывании. При плавном дросселировании задвижкой подача компрессора будет изменяться также плавно от максимальной при пол­ностью открытой задвижке до нулевой при ее закрытии.

Уменьшение объема всасываемого газа V"_B0 в связи с уменьшением давления всасывания с до пока­зано на диаграмме, изображенной на рис. 156.

Способ регулирования подачи отжимом всасываю­щих клапанов заключается в том, что часть газа из рабочей полости цилиндра перепускается во всасываю­щий патрубок вследствие того, что в период нагнетания закрытию самодействующих клапанов препятствует раз­личными устройствами. В этом случае газ, поступивший в цилиндр, при обратном ходе поршня будет вытеснен из цилиндра через тот же всасывающий клапан.

Расход сжатого газа обычно не вполне соответствует расчетному. Он может меняться в значительных пределах в зависимости от характера и условий работы потребителей. Поэтому давление в газосборнике меняется, так как объем его рассчитывается, глав­ным образом, из условий выравнивания неравномерностей по­дачи газа поршнем, движущимся с переменной скоростью.

Только весьма кратковременное несоответствие между пода­чей компрессора и расходом может быть компенсировано возду­хосборником (ресивером), который при возрастании давления принимает избыток газа, а при снижении — его отдает. Обыч­но же с уменьшением расхода газа потребителями давление в газосборнике увеличивается и может превысить пределы допу­стимого. Как известно, при подборе компрессора стремятся к тому, чтобы его номинальная подача немного превышала расход потребителя. Поэтому практически регулирование подачи, т. е. приведение подачи компрессора в соответствие с расходом газа потребителями, сводится к снижению подачи компрессора ниже номинальной.

Наиболее простым и удобным способом регулирования явля­ется изменение частоты вращения приводного вала компрессора. Однако этот способ применим только в том случае, если привод осуществляется от паровой машины или двигателя внутреннего сгорания.

При электроприводе, наиболее распространенном современ­ном способе привода компрессоров, регулирование изменением частоты вращения оказывается неприемлемым как с конструк­тивных, так и с энергетических соображений. Если приводной двигатель работает с постоянной частотой вращения, то регули­рование подачи компрессора может быть осуществлено следую­щими способами.

Регулирование за счет полного или частичного принудитель­ного открытия всасывающих клапанов. Это приводит к полному или частичному переводу компрессора на холостой ход.

При полном открытии всасывающих клапанов сжатие газа в цилиндре не происходит и засасываемый газ снова выталки­вается во всасывающую трубу. Если всасывающие клапаны за­крываются неполностью или только на части хода поршня, то, подача газа уменьшается. В практике предпочтительнее, как из конструктивных, так и энергетических условий, применять пол­ное открытие всасывающих клапанов на части хода поршня.

Регулирование зa счет перепуска газа из нагнетательного тру­бопровода во всасывающий. Такой перепуск может быть свобод­ным или дроссельным. При последнем способе регулирования происходит более плавное изменение подачи компрессора, но без уменьшения потребляемой мощности. Поэтому в практике чаще применяется более простой и более экономичный способ — сво­бодный перепуск с помощью байпасного вентиля.

Регулирование за счет дросселирования во всасывающем тру­бопроводе. Дросселирование вызывает падение давления p₁ при всасывании компрессора. Следовательно, при неизменном давле­нии нагнетания степень сжатия будет увеличиваться, а объемный КПД будет уменьшаться. Естественно, при этом будет уменьшаться и подача компрессора. Вследствие повышения степени сжатия будет увеличиваться расход энергии на каждый килограмм сжатого газа. Поэтому применение указанного способа регулирования является неэкономичным.

Регулирование за счет подключения дополнительного вред­ного пространства. Если крышки цилиндра компрессора сделать пустотелыми и разделить полости на несколько ячеек, подклю­чаемых к вредному пространству, или каким-либо иным путем подключить к вредному пространству некоторый регулируемый объем, то общий объем вредного пространства будет перемен­ным. В этом случае регулирование объема вредного простран­ства будет заключаться в подключении или отключении части или всего дополнительного вредного пространства.

Увеличение объема вредного пространства Е ведет к уменьшению объем­ного КПД и, следовательно, к уменьшению подачи компрессора. Однако при этом удельный расход энергии, как было показа­но ранее, не увеличивается. Такой способ регулирования являет­ся наиболее целесообразным.

Каждый из приведенных способов регулирования подачи ком­прессоров конструктивно разработан и может вводиться в действие вручную или автоматически с помощью различных устройств. В настоящее время автоматические способы регули­рования разработаны с достаточной надежностью и поэтому руч­ное регулирование подачи компрессоров постепенно уступает место автоматическому.

Основные элементы компрессорной установки. Обычная компрессорная установка производственного назначе­ния должна обладать также некоторым вспомогательным обору­дованием, необходимым для нормальной работы компрессора (рис. 157).

Непосредственно за воздушным компрессором обычно уста­навливают газосборник. Его назначение — выравнивать нерав­номерную синусоидальную подачу воздуха поршнем компрессо­ра. Газосборник должен быть оборудован приспособлениями для улавливания масла и отделения сконденсировавшейся вла­ги. Газосборник — это закрытый резервуар 5, чаще всего цилинд­рический, оборудованный предохранительным клапаном 4 и спускным краном 6, а также манометром 3. По правилам тех­ники безопасности газосборник должен устанавливаться вне помещения компрессорной. При нагревании смазки, подаваемой в цилиндр компрессора, наиболее летучие фракции ее испаря­ются и поступают с воздухом в газосборник, в результате чего может образовываться взрывчатая смесь, которая представляет особую опасность при недостаточном охлаждении компрессора.

Между компрессором и газосборником устанавливают обрат­ный клапан 2 для предотвращения обратного течения газа в случае разрыва труб у компрессора. Перед воздушным поршне­вым компрессором обязательно устанавливают фильтр / (обыч­но масляного типа) для очистки всасываемого снаружи воздуха. Попадание в компрессор запыленного загрязненного воздуха приводит к быстрому загоранию и износу цилиндра.

Установки поршневых компрессоров отличаются многооб­разием схем выполнения и компоновки. В значительной степени это обусловлено различием:

а) подачи, которая колеблется в пределах от 1—2 л/мин до 500 м³/мин;

б) давлений, которые изменяются в пределах от сотых долей МПа до 150 МПа;

в) расхода мощности, которая зависит от подачи и давления и меняется от десятых долей киловатт до 7000 кВт и более.

Установки поршневых компрессоров отличаются, кроме того, по своему назначению и условиям эксплуатации. Так, например, воздушные компрессоры не пригодны для сжатия кислорода. Даже компрессоры холодильных установок имеют существенные конструктивные отличия в зависимости от того, на каком хладоагенте они работают: аммиаке или фреоне.

Установки поршневых компрессоров, применяемые в некото­рых технологических схемах пищевых производств и фармацев­тической промышленности, выполняются в виде специальных конструкций, действующих без смазки цилиндров. Смазка ци­линдров минеральным маслом часто оказывается нежелатель­ной или вовсе недопустимой.

Поршневые компрессоры, работающие без смазки цилиндров, выпускаются с графитовым уплотнением, с лабиринтным уплот­нением и мембранного типа.