Ротационно-пластинчатые компрессоры 4 страница

.

(35)

Для кассетных фильтров коэффициент . Для самоочищающихся фильтров коэффициент и пылеемкость определяются размерами ванны.

2,5. Расчет и выбор концевых воздухоохладителей

Сжатие воздуха в компрессоре сопровождается повышением температуры сжимаемого воздуха и значительным выделением теплоты. Воздух, сжимаемый в компрессоре, частично охлаждается в процессе сжатия, однако при выходе из компрессора его температура достигает 160 – 200ºС. При такой температуре вода и масла находятся в сжатом воздухе в парообразном состоянии. Унос паров в последующие устройства и воздухораспределительную сеть является нежелательным по целому ряду причин:

- скопление паров масла в воздухосборнике приводит к образованию пожароопасной, а иногда и взрывоопасной смеси;

- уменьшение сечения трубопроводов за счет отложения на них нагара и конденсации влаги, накапливающейся на отдельных участках трубопроводов, создает опасность гидравлического удара;

- наличие конденсата может привести к замораживанию труб и арматуры в холодное время;

- подаче потребителям сжатого воздуха с большим содержанием масла и влаги понижают производительность пневмоприемников и вызывают их коррозию (для некоторых технологических процессов присутствие влаги и масел в сжатом воздухе недопустимо).

С целью уменьшения работы сжатия в компрессоре применяется промежуточное охлаждение воздуха между ступенями.

Для понижения конечной температуры сжатого воздуха, выходящего из последней ступени компрессора, а также обеспечения наилучшего последующего отделения масла и влаги из воздуха перед нагнетанием его в воздухосборник или коллектор внешней сети воздухопроводов в машинных залах компрессорных станций устанавливаются конечные (концевые) охладители.

Конструкции воздухоохладителей могут быть в зависимости от производительности компрессора, давления охлаждаемого воздуха и охлаждающей среды (вода, рассол или воздух): кожухотрубными элементами, типа «труба в трубе», u – образными, змеевиковыми и радиаторными. Охладители всех типов, кроме змеевиковых и u – образных, могут быть гладкотрубными или ребристыми, с трубами, имеющими поперечные или продольные ребра.

Компрессорные воздухоохладители для низких давлений до 3,0 – 3,5 МПа выполняются преимущественно кожухотрубными или элементами, а для более высоких – кожухотрубными, типа «труба в трубе» и u – образными. Радиаторные воздухоохладители применяются при охлаждении воздухом.

В качестве охлаждающей среды применяют воду или атмосферный воздух. Использование воздуха оправдано только на передвижных компрессорных станциях или в районах с высокой стоимостью воды. Иногда применяется комбинированная схема охлаждения, в которой в качестве промежуточного теплоносителя используется вода. В этом случае вода, обладая высоким значением интенсивности теплообмена, отбирает избыток тепла в рубашке охлаждения компрессора или в воздухоохладителе, что, в свою очередь, снижает габаритные размеры этих устройств.

Определение размеров охладителей или выбор типовых конструкций теплообменников из каталогов производится на основе теплового расчета.

Количество тепла, выделяемое при охлаждении влажного воздуха в теплообменнике можно представить в следующем виде

,

(36)

где – тепловой поток при охлаждении сухого воздуха, Вт;

– дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара, Вт.

Количества тепла, отдаваемое сухим воздухом, определяется по формуле

(37)

Здесь V – производительность компрессора, м³/с;

ρ_в – плотность воздуха при давлении и температуре на всасе компрессора, кг/м³;

с_в – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг×К);

t₁, t₂ – температура воздуха до и после теплообменника, ºС.

Дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара определяется по выражению

,

(38)

где с_р – средняя теплоемкость водяного пара при постоянном давлении, Дж/(кг×К);

r₀ – теплота парообразования при 0ºС, Дж/кг;

k – коэффициент, учитывающий снижение теплоты парообразования с повышением температуры конденсации;

x₁, x₂ – влагосодержание воздуха до и после теплообменника, кг/кг.

Для расчета воздухоохладителей компрессоров теплофизические величины равны: с_р = 1880 Дж/(кг×К); r₀ = Дж/кг; k = 2346.

Влагосодержание воздуха до и после охладителя определяется по формулам:

; (39)

, (40)

где R_в – газовая постоянная воздуха, равная 288 Дж/(кг×К);

R_п – газовая постоянная водяных паров, равная 462 Дж/(кг×К);

p₀ – давление воздуха во всасывающем патрубке ступени перед воздухоохладителем, Па;

p – давление воздуха в охладителе, Па;

p_1нас – давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха во всасывающем патрубке ступени перед воздухоохладителем, Па;

p_2нас – давление насыщенного водяного пара при температуре газа на выходе из воздухоохладителя, Па;

φ₁ – относительная влажность воздуха при всасывании в ступень перед охладителем;

φ₂ – относительная влажность воздуха на выходе из охладителя, равная 1,0, так как зависимость для x₂ справедлива в случае конденсации водяного пара в охладителе (при отсутствии конденсации x₂ = x₁).

Поверхность теплообмена воздухоохладителя определяют по формуле

, (41)

где ∆t – средний температурный напор при противотоке;

ε_∆t – поправка для аппаратов с перекрестным и смешанным током рабочих жидкостей (воздуха и воды);

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К).

Средний температурный напор при противотоке равен

,

(42)

где t_в1, t_в2 – температура охлаждающего теплоносителя на входе и выходе из охладителя, ºС.

Расчет коэффициента теплопередачи воздухоохлаждающих устройств следует проводить по методическим положениям, изложенным в курсе «Тепломассообменное оборудование предприятий».

Коэффициент теплопередачи для ряда водоохлаждающих устройств определяется по формуле:

, (43)

где α_мтр – коэффициент теплопередачи от воздуха к охлаждающей поверхности, Вт/(м²×К);

α_тр – коэффициент теплопередачи от охлаждающего теплоносителя к поверхности теплообмена, Вт/(м²×К);

δ_т – толщина стенки труб теплообменника, м;

λ_т – коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м×К);

R_з – термическое сопротивление загрязнений, (м²×К)/Вт.

Из большого количества конструкций трубчатых теплообменных аппаратов чаще всего применяются кожухотрубные, которые применяются в компрессорах как промежуточные охладители воздуха после каждой ступени сжатия и как конечные охладители.

Принцип работы таких воздухоохладителей одинаков: сжатый воздух, выходящий из последней ступени компрессора, проходит в межтрубном пространстве, а по центральной трубе или пучку труб циркулирует холодная вода. В охладителе сжатый воздух отдает свое тепло охлаждающей воде.

Кожухотрубные воздухоохладители (рис. 25) имеют в межтрубном пространстве поперечные перегородки, что позволяет увеличить скорость воздуха и повысить численное значение коэффициента теплоотдачи α_мтр. Охлаждающий теплоноситель (вода или рассол) направляются в трубное пространство.

Коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждаемого воздуха рассчитывается по критериальным уравнениям [1, 17].

При Re < 1000 для коридорных и шахматных пучков

.

(44)

При Re > 1000 для коридорных пучков

,

(45)

для шахматных пучков

.

(46)

Определяющая температура теплофизических величин в зависимостях (39 – 41) – средняя температура воздуха, определяющий размер – наружный диаметр трубы. Расчетная скорость в межтрубном пространстве определяется по формуле:

,

(47)

где V – расход воздуха, м³/с;

S_в – площадь проходного сечения межтрубного пространства между перегородками, м².

Скорость воздуха, проходящего через самое узкое проходное сечение охладителя, в зависимости от типа охладителя должна быть в пределах от 3 до 15 м/с (в кожухотрубном охладителе 3 – 5 м/с, а охладителе типа «труба в трубе» 8 – 15 м/с).

Скорость воды в кожухотрубном охладителе должна быть равной 0,5 – 1,5 м/с, а в охладителе типа «труба в трубе» 4 – 8 м/с.

Коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждающего теплоносителя при течении его в трубах теплообменника рассчитывается также по критериальным уравнениям.

При Re_тр < значение критерия

, (48)

где

, (49)

d_вн – внутренний диаметр трубок, м;

W_тр – скорость теплоносителя в трубках, м/с;

– средняя температура теплоносителя (воздуха) в межтрубном пространстве, К;

– средняя температура теплоносителя (воды или рассола) в трубном пространстве, К;

β – коэффициент объемного расширения теплоносителя в трубном пространстве, 1/К;

ρ_тр – плотность воды или рассола, кг/м³;

μ_тр – коэффициент динамической вязкости, Па×с.

При Re_тр > используется для расчета уравнение

. (50)

В случае переходного режима < Re_тр <

, (51)

где ε рассчитывается как функции Re_тр путем интерполяции данных [17]:

2,3 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,8 8,0 9,0 10,0

ε 3,6 4,9 7,5 10,0 12,2 16,5 20,0 24,0 27,0 30,0 33,0

Коэффициенты теплоотдачи определяются соответственно

; , (52)

где λ_мтр, λ_тр – коэффициенты теплопроводности теплоносителей соответственно в межтрубном и трубном пространствах, Вт/(м·К).

Расход охлаждающей воды в воздухоохладитель равен

кг/с, (53)

где с_ж – теплоемкость охлаждающей воды, Дж/(кг ·К).

Количество охлаждающей воды в рубашку цилиндра компрессора определяется по справочным данным при выборе типа компрессора. Следовательно, общий расход охлаждающей воды на компрессорную станцию есть сумма количества воды в воздухоохладители и в рубашку цилиндра компрессора. По расходу охлаждающей воды и ее параметрам производится выбор и расчет водоохлаждающего устройства.

12. Расчет и выбор воздухосборника

В сети трубопроводов, транспортирующих сжатый воздух, имеют место заметные колебания давления, которые создаются поршневыми компрессорами, нагнетающими воздух в сеть порциями, образуя в сети пульсирующие потоки.

Колебания давления воздуха в сети вызываются также включениями и отключениями от сети крупных потребителей сжатого воздуха, а также одновременным включением или отключением большого количества пневмоприемников.

Колебания давления воздуха во внешней сети снижают производительность компрессора и повышают на 1,5 – 3 % расход электроэнергии, затрачиваемой на сжатие воздуха, а также отрицательно влияют на работу пневмоприемников. Для исключения этого явления применяют воздухосборники (ресиверы), выравнивающие давление и аккумулирующие сжатый воздух, нагнетаемый компрессором. Кроме того, в воздухосборнике происходит улавливание масла и воды из сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором.

Воздухосборник представляет собой герметический сосуд цилиндрической формы горизонтального или вертикального исполнения (рис. 30).

Воздухосборники для стационарных поршневых компрессоров изготавливаются по ГОСТ 9028-59 и относятся к сосудам, работающим под давлением, поэтому проектирование, изготовление, устройство, освидетельствование, надзор и эксплуатация должны производиться в соответствии с правилами [7].

Рис. 30. Воздухосборник: 1 – впускной патрубок; 2 – патрубок для предохранительных клапанов; 3 – скоба для грузоподъемного крюка; 4 – патрубок выхода сжатого воздуха; 5 – патрубок для манометра; 6 – люк смотровой; 7 – вентиль продувки сосуда

Воздух подводится в среднюю часть воздухосборника через патрубок, обрезанный под углом к горизонту. Отвод воздуха производится через патрубок, расположенный в верхней части воздухосборника. Такое расположение патрубков позволяет максимально удлинить путь движения воздуха и тем самым увеличить время его пребывания в воздухосборнике. Этим достигается лучшее охлаждение и очистка сжатого воздуха от содержащихся в нем масла
и влаги.

В нижней точке, в месте сбора влаги и масла, все воздухосборники оборудованы люками диаметром 50 мм и трубкой с вентилем для удаления конденсата воды и масла.

Воздухосборники в обязательном порядке оборудуются предохранительным клапаном, отрегулированным на предельное давление, превышающее рабочее давление на 10%.

Основной характеристикой воздухосборника является его гидравлическая емкость.

Объем воздухосборника определяется по эмпирической формуле, м³:

, (55)

где – максимальная подача воздуха в воздухосборник, м³/мин.

Высота для вертикального воздухосборника или длина для горизонтального воздухосборника принимается равной:

, (56)

где D – диаметр воздухосборника.

При работе двух и более компрессоров на один воздухосборник емкость воздухосборника должна соответствовать суммарной производительности компрессоров.

В таблице 13 приведены основные размеры к рисунку 30.

Таблица 13

Воздухосборники [1] (к рисунку 30)

Емкость	м3				5,5
Dнар	мм
H	мм
h	мм
S	мм
S1	мм
k	мм
l	мм
e	мм
n	мм
t	мм
m	мм							-	-

Следует учитывать то, что заниженный объем воздухосборника вызывает значительный шум и резкие колебания воздуха в нем, а частые переключения компрессора с автоматическим регулятором давления на холостой ход ведут к быстрому износу регулирующего устройства.

Объем воздухосборника для нестационарного компрессора принимается в 7 – 10 раз меньше, чем для стационарного.

Воздухосборник устанавливается на огороженной площадке вне помещения, в местах, не опасных для прохожих и персонала компрессорной станции. Устанавливать воздухосборники в помещении можно лишь с разрешения технической инспекции и пожарной охраны. Запрещено ставить воздухосборники против окон и дверей помещений.

Ресивер устанавливают на фундаменте за капитальной стеной компрессорной станции на расстоянии не менее 2,5 м от стены здания компрессорной станции до оси воздухосборника, но не более 25 м от нагнетательного патрубка компрессора. Устанавливать воздухосборник следует в теневой стороне, на расстоянии не менее 10 м от проезжей части дорог.

Для уменьшения нагревания воздухосборника от солнечных лучей поверхность окрашивается влагостойкой краской светлого цвета (белый, серый). Горизонтальные воздухосборники защищают навесом.

При очень низких температурах наружного воздуха и высокой температуре сжатого воздуха, выходящего из компрессорной станции, поверхность воздухосборников изолируется негорючими материалами.

В районах с жарким климатом производится дополнительное оросительное охлаждение поверхности ресивера.

Воздухосборники целесообразнее устанавливать вертикально, так как в этом случае они занимают меньшую площадь и в них лучше выделяются из воздуха вода и масло. Горизонтальный воздухосборник должен устанавливаться с уклоном 0,003–0,005 в сторону выпускного вентиля.

Выпускной вентиль соединяется продувочными линиями с продувочным баком, откуда скопившаяся жидкость направляется на очистные сооружения. Выпуск проводится не реже трех раз за смену, а так же перед пуском и после остановки компрессора.

В тех случаях, когда компрессорная станция располагается поблизости от таких потребителей, как воздушные молоты, можно ограничиться установкой воздухосборника лишь возле компрессорной станции.

4. СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

6. Общие сведения

Воздушная компрессорная станция промышленного предприятия, как правило, находится в отдельно стоящем здании, в котором воздушные компрессоры (основное оборудование) устанавливаются в машинном здании. Здание компрессорной станции с поршневыми компрессорами выполняется одноэтажным, и компрессоры устанавливаются на нулевой отметке. Здание компрессорной станции с центробежными компрессорами выполняется двухэтажным. На втором этаже устанавливаются компрессора, и размещается операторная с пультами и щитами управления работой компрессоров. На первом этаже – вспомогательное оборудование (воздушные фильтры, промежуточные и концевые воздухоохладители, влагомаслоотделители) из-за их больших габаритных размеров и электрические трансформаторные подстанции. Воздухосборники (ресиверы) и радиаторные концевые воздухоохладители монтируются вне здания компрессорной станции.

Подача наружного атмосферного воздуха на всас компрессора осуществляется по всасывающему воздухопроводу с помощью заборного устройства и воздушного фильтра (рис. 31).

Воздушные компрессоры через воздушные резервуары, концевые воздухоохладители направляют сжатый воздух в воздухосборники (ресиверы), который по нагнетательному воздухопроводу подается пневмоприемникам. Для учета количества вырабатываемого сжатого воздуха и его расхода пневмоприемниками на нагнетательном воздухопроводе устанавливается расходомер.

На трубопроводах сжатого воздуха после влагомаслоотделителей (перед воздухосборниками) устанавливаются обратные клапаны.

Снабжение технической водой воздушной компрессорной станции выполняется от заводской или местной (локальной) систем оборотного водоснабжения с помощью напорного трубопровода. Техническая вода подается к промежуточным и концевым воздухоохладителям для охлаждения сжатого воздуха, а также в рубашки компрессоров. Сброс технической воды осуществляется через сливные воронки с разрывом струи в самотечный обратный трубопровод, который транспортирует нагретую воду к охлаждающим устройствам системы оборотного водоснабжения.

Вода, используемая для производственных нужд, должна быть чистой, холодной (15 – 30 ºС) и подаваться в компрессорную станцию под давлением 0,15 – 0,25 МПа.

Допустимый нагрев воды (перепад температуры) при охлаждении компрессора должен быть: в промежуточном охладителе воздуха 4 ºС, в охлаждающих рубашках цилиндров низкого и высокого давления 6 ºС, в охлаждающих рубашках крышек цилиндров 4 ºС.

Температура охлаждающей воды на выходе из всех рубашек цилиндров компрессора должна находиться в пределах 20 – 40 ºС, а температура охлаждающей воды из конечного охладителя не должна превышать 35 ºС.

Компрессоры и охладители воздуха должны быть обеспечены пресной водой в количестве, достаточном для охлаждения. Как исключение допускается охлаждение компрессоров морской водой, если в охладителях установлены трубки из цветных металлов или из высоколегированной стали.

Рис. 31. Принципиальная технологическая схема воздушной компрессорной станции: 1 – воздухозаборник и воздушный фильтр; 5– первая ступень компрессора; 3 – промежуточный воздухоохладитель; 4 – вторая ступень компрессора; 5 – рубашка цилиндра; 6 – влагомасло­отделитель; 7 – воздухосборник; 8 – концевой воздухоохладитель; 9 – трубопровод сжатого воздуха; 10 – трубопровод охлаждающей воды

Вода для охлаждения компрессорных установок не должна содержать механических и химических примесей. Вода с большим содержанием солей кальция и магния или механических примесей приводит к быстрому загрязнению охлаждаемых поверхностей слоем отложений и накипи, в результате чего ухудшается теплопередача и нарушается режим работы компрессора или охладителя воздуха.

Жесткость воды, применяющейся для охлаждения компрессоров, должна быть не выше 4,3 мг-экв/л.

Вода, применяемая для охлаждения компрессоров, не должна также содержать органических веществ и механических примесей более 25 мг/л. В охлаждаемой воде, применяющейся в системе оборотного водоснабжения, не должны содержаться вещества, разрушающие древесину и металл.

Не всегда сжатый воздух транспортируется от компрессорной станции до объекта потребления по трубопроводам. В ряде случаев возникает необходимость наполнять сжатым воздухом баллоны и в баллонах подавать его потребителям.

Для наполнения баллонов сжатым воздухом в здании компрессорной станции выделяют помещение, называемое отделением наполнения баллонов. В таком помещении устанавливается наполнительная рампа.

Рампа состоит из двух стальных коллекторов 1 и 5, работающих попеременно. Каждый коллектор рассчитан на одновременное наполнение трех баллонов сжатым воздухом. В то время как на одном из коллекторов происходит наполнение баллонов, на другом коллекторе производится подключение порожних баллонов и подготовка их к наполнению. Баллоны, наполняемые воздухом, должны быть прочно укреплены и плотно присоединены к наполнительной рампе.

Рампа с баллонами должна находиться на расстоянии не менее 1 м от радиаторов отопления и других отопительных приборов.

Наружная поверхность эксплуатируемых баллонов должна быть окрашена в черный цвет масляной, эмалевой или нитрокраской. На баллонах должны быть надписи белым цветом «Сжатый воздух».

Эксплуатация баллонов должна вестись с соблюдением «Правил устройства, обслуживания и освидетельствования баллонов».

Для удаления масла и воды из масловодоотделителей и воздухосборников выполняется система продувки. Каждый масловодоотделитель и воздухосборник соединен через свою продувочную линию с продувочным баком. При открытии вентиля на продувочной линии вода и масло под давлением действующего на них газа вытекают в продувочный бак.

Продувку производят периодически по мере накопления воды и масла. Газ, поступающий вместе с жидкостью в продувочный бак, выводится из него по трубе, которую у воздушных компрессоров сообщают с атмосферой, а у газовых – с всасывающей магистралью первой ступени. Продувочный бак снабжают смотровыми стеклами и сливным краном. В компрессорах для взрывоопасных и токсичных газов на трубе слива из продувочного бака предусматривают гидрозатвор, исключающий опасность прорыва газа в помещение после опорожнения бака.

Для удобства обслуживания все продувочные вентили располагают в машинном зале на щите управления. Помимо продувочного вентиля, на каждой линии устанавливают еще запорный, которым пользуются в случае неисправности продувочного. В случае их отсутствия продувка сопряжена с большой потерей сжатого газа, составляющей в среднем у многоступенчатых компрессоров до 2 % от их производительности.

Для периодического выпуска влаги из масловодоотделителей и ресиверов рекомендуется применять конденсационные горшки или другие автоматически действующие устройства.

Для повышения надежности воздухоснабжения промышленного предприятия обеспечивается контроль работы компрессорной станции.

Контроль ведется не только во время работы компрессорных установок, но и при испытании их с целью определения технического состояния компрессоров: производительности, развиваемого давления, потребляемой мощности, теплового режима сжатия воздуха, удельных расходов воды, электроэнергии и масла, а также режима охлаждения компрессоров и работы охлаждающих устройств.