Системы охлаждения и смазки насосного оборудования.
В поршневых компрессорах (ПК) для нормальной работы узлы трения должны смазываться. Смазка уменьшает работу механического трения и износ деталей. Масла охлаждают поверхности деталей, предохраняют их от коррозии, улучшают герметичность уплотнений, заполняя щели. Смазка в большей части ПК выполняется нефтяными маслами изготавливаемыми синтетическим путем. В тех случаях, когда технологические процессы исключают контакты с маслами, применяют изготовление деталей из самосмазывающих материалов.
В поршневых компрессорах применяют две системы смазки:
1) цилиндров и сальников штоков;
2) узлов трения механизма движения.
Уплотнения поршня и сальников штоков находятся в контакте с горячими газами под повышенным давлением. К маслам, используемых для смазки этих узлов, предъявляется ряд требований:
1) достаточная вязкость при рабочих температурах для создания устойчивой пленки на поверхности трущихся деталей;
2) стабильность, т. е. сохранение свойства не вступать в соединения с сжимаемыми газами и материалами деталей.
Для смазки цилиндров и сальников применяются следующие масла, изготавливаемые из нефти. Индексвязкости ИВ характеризует зависимость вязкости масла от температуры и измеряется в условных единицах. Масла с высоким ИВ (100) мало изменяют вязкость от температуры и потому их применение более предпочтительнее.
Для азотных, азотоводородных и водородных компрессоров рекомендуют для средних давлений легкие, а для высоких тяжелые цилиндровые масла. Эти газы инертны к маслам и не образовывают нагара.
Компрессоры для кислорода и других агрессивных газов смазывать минеральными маслами строго запрещено, так как произойдет взрыв. В этих случаях используются синтетические неуглеводородные масла (фторорганические, полиэтиленгликолевые, полиоргано-силоксановые), мыльно-глицериновые смазки. В этиленовых компрессорах сверхвысокого давления цилиндры и сальники смазываются белым нафтеновым маслом или специальными синтетическими маслами.
Масла для смазки механизма движения. Эти масла при раздельной смазке рекомендуется выбирать с вязкостью 40 - 70 сСт при50 °С. Наибольшее распространение получили машинные масла:«Индустриальное 30», «Индустриальное 45» и «Индустриальное 50».
Последние два применяют для средних и крупных компрессоров. Для смазки механизма движения оппозитных компрессоров рекомендуют индустриальные масла И40А и И50А (ГОСТ 20799—75). Для смазки механизма движения пригодны также масла: компрессорные К12 и К19, и авиационные масла МС-20 и МК-22. В масла, используемые для смазки механизма движения высокооборотных компрессоров, добавляют антипенные присадки (например, ПМС-200А, которую вводят в соотношении 0,003 - 0,005 % к массе масла). Масло в системе смазки механизма движения заменяют, если в нем содержится более 2,5 % воды, если вязкость масла изменилась на 20 - 25 % и если содержание механических примесей составляет более 2 %. Средний срок службы масла около 2500 ч.
Смазка цилиндров поршневых компрессоров осуществляется одним из трех способов: разбрызгиванием масла, залитого в картер; впрыском распыленного масла в поток всасываемого газа; под давлением от специального масляного насоса. Смазка впрыском распыленного масла в поток всасываемого газа используется в бескрейцкопфных компрессорах.
Этот способ имеет ряд недостатков: лишь часть впрыскиваемого во всасывающий патрубок масла попадает на зеркало цилиндра; большая часть масла, не попадая на рабочую поверхность цилиндра, контактирует с горячим газом, что способствует увеличенному нагарообразованию.
Смазка цилиндров разбрызгиванием применяется в бескрейцкопфных компрессорах. Обычно масло разбрызгивается из масляной ванны в картере специальным разбрызгивателем, устанавливаемом на шатуне (рис. 2.2.12). При этом избегают ударов крышки шатуна по маслу, так как это приводит к потерям мощности и излишнему нагреву масла. Количество масла, попадающего на зеркало цилиндра, при этом способе значительно превышает необходимое по нормам. Для снижения количества масла, попадаемого в цилиндровую полость, на поршне устанавливают маслосъемные кольца.
Рисунок 2.2.12 - Смазка разбрызгиванием.
Смазка впрыском распыленного масла в поток всасываемого газа используется в бескрейцкопфных компрессорах. Этот способ имеет ряд недостатков: лишь часть впрыскиваемого во всасывающий патрубок масла попадает на зеркало цилиндра; большая часть масла, не попадая на рабочую поверхность цилиндра, контактирует с горячим газом, что способствует увеличенному нагарообразованию.
Смазка цилиндров и сальников подачей масла под давлением применяется чаще всего в крейцкопфных компрессорах. В цилиндры горизонтальных компрессоров масло подводится в середине хода поршня в верхней точке. При диаметрах цилиндра более 500 мм или при сжатии газов, которые разжижают масло, подвод осуществляют сверху и снизу, а при диаметрах цилиндра более 1000 мм выполняют дополнительно боковые подводы.
При работе компрессора масло нагревается до температуры 150-160°С, соприкасается с непрерывно меняющимися массами сжимаемого воздуха, распределяется тонким слоем на внутренних стенках цилиндра и работает при переменном давлении сжатого воздуха. В этих условиях на масло действует кислород сжатого воздуха, в результате чего оно быстро окисляется. Окисление изменяет физико-химические свойства масел: повышаются вязкость и кислотность, масло темнеет, в нем появляются вещества, выпадающие в виде осадка. Неправильный выбор сорта, марки и расхода масла может быть причиной аварий компрессоров. Недостаточная смазка ведет к повышению температуры и усилению износа трущихся частей. При подаче слишком большого количества масла в цилиндры компрессора увеличивается нагарообразование на клапанах и в коммуникациях, что создает благоприятные условия для самовоспламенения нагара и возникновения взрывов.
У компрессоров средней и большой производительности наиболее распространена смазка цилиндров и сальников под давлением. При этом способе масло подаётся к наиболее целесообразным местам и в строго определённых количествах. Учитывая различные давления воздуха в местах смазки и необходимость регулирования количества масла, подаваемого в каждую точку, для подачи масла применяют многоплунжерные насосы (лубрикаторы), состоящие из ряда одинаковых элементов. Каждый насосный элемент снабжает одну точку смазки и имеет индивидуальную регулировку подачи масла.
Система смазки оппозитного компрессора 4М10-100/8 изображена на рис. 2.2.13. Пунктирными линиями показана система смазки цилиндров и сальников в компрессоре.
Рисунок 2.2.13 - Система смазки оппозитного компрессора 4М10 – 100/8.
Смазка системы осуществляется многоплунжерным насосом (лубрикатором) золотникового типа (рис. 2.2.14).
Рисунок 2.2.14 - Лубрикатор золотникового типа.
Насосные элементы у такого лубрикатора расположены вокруг вертикального вала, на котором находятся два профилированных диска. Верхний диск 1 связан с рабочими плунжерами 3 насосов и спроектирован так, что за один оборот вала лубрикатора рабочий плунжер делает два двойных хода. Нижний диск 4 связан с распределительными плунжерами (золотниками) 2, совершающими за один оборот вала лубрикатора один двойной ход. Золотник во время движения рабочего плунжера вверх соединяет цилиндр его с масляной ванной, и масло по каналу 6 поступает из ванны под плунжер 3 (рис. 2.2.14, а); затем золотник перемещается в верхнее крайнее положение и масло из-под рабочего плунжера вытесняется к точке смазки (рис. 2.2.14, б). При дальнейшем вращении лубрикатора вновь происходит всасывание масла под плунжер 3, т.е. повторяется положение, показанное на рис. 2.2.14, б. После этого золотник 2 перемещается в крайнее нижнее положение и масло из-под рабочего плунжера вытесняется к контрольной капельнице (рис. 2.2.14, в).
Регулирование количества масла, подаваемого к точке смазки, а следовательно, и к контрольной капельнице, осуществляется изменением хода рабочего плунжера с помощью регулированного винта 5. По количеству масла, проходящего через контрольную капельницу каждого элемента, можно судить о подаче его к соответствующей точке.
Масло заливается в лубрикатор только свежее и пополняется по мере расхода. Перед заливкой масла необходимо тщательно промыть резервуар, в который оно заливается. Заливка масла должна производиться через сетчатый фильтр.
Добавление к компрессорному маслу какого-либо другого, даже в незначительном количестве, не допускается. Проверка поступления масла к отдельным точкам производится путем открытия пробных краников обратных клапанов.
Таблица 2.2.2. Ориентировочный расход масла (компрессорное К -19 ) в кг.
| Время | час | сутки | месяц | год |
| Количество | 0,25 | 6,0 |
Температура вспышки 242°С.
Система смазки механизма движения компрессора 4М10-100/8 показана на рис. 92 сплошными линиями и включает в себя смазку коренных подшипников, кривошипные головки шатуна, параллели рам и крейцкопфные головки шатунов. Для смазки механизмов движения в этом компрессоре рекомендуют применять масло индустриальное 50 с температурой вспышки 200°С. Смазка механизма движения – циркуляционная под давлением от шестеренчатого насоса с приводом от вспомогательного электродвигателя. Масло в количестве 180-200л заливается в раму, нижняя часть которой служит маслосборником. Из маслосборника масло подается через фильтр и маслоохладитель к деталям механизма движения. Давление масла в системе смазки механизма движения находится в пределах 0,1-0,4 МПа.
Для регулирования величины давления маслонасос снабжается перепускным клапаном. Регулирование количества масла, поступающего к отдельным точкам, производится установкой дроссельных шайб или кранов. Удельная производительность маслонасоса системы смазки механизма движения составляет 0,05-0,1 л/мин на 1 кВт мощности компрессора. Маслопроводы выполняют таким образом, чтобы обеспечить скорость масла в пределах 1,0-1,5 м/с.
Срок службы масла обычно 2000 – 2500 часов, Масло подлежит немедленной замене, если:
а) содержание воды более 2,5 %;
б) содержание кислотности более 15 %;
в) повышение вязкости более, чем на 25 % от первоначальной;
г) Содержание механических примесей выше 2 %.
Очищенное масло может быть применено при условии сохранения его смазочных свойств. В процессе эксплуатации компрессора необходимо следить за состоянием масляных фильтров, Фильтры должны очищаться по графику, но не реже одного раза в два месяца
Циркуляционная смазка под давлением даёт возможность постоянно очищать масло от механических примесей. Современные системы смазки имеют несколько ступеней очистки. Первая наиболее грубая фильтрация осуществляется при засасывании масла из маслосборника; приёмное устройство имеет сетку, которая предохраняет насос от попадания в него наиболее крупных твёрдых частиц. Вторая ступень фильтрации – пропускание всего количества масла после насоса через фильтр грубой очистки, который задерживает частицы размером более 0,08 – 0,1 мм. В качестве фильтров грубой очистки широкое применение нашли щелевые пластинчатые фильтры. Рекомендуется производить очистку масла от частиц, превышающих размером толщину масляного слоя в подшипниках. Для этого в некоторых компрессорах используют третью ступень очистки и пропускают через фильтр тонкой очистки часть потока масла (5 – 15% от всего количества). После фильтра тонкой очистки масло сбрасывается в маслосборник. При этом всё масло профильтровывается после нескольких циклов обращения. В качестве фильтров тонкой очистки применяют центробежные сепараторы или фильтры с картонными элементами, которые удерживают не только твёрдые частицы размером до 0,001 мм, но и часть продуктов разложения смазочного масла.
В компрессоре 4М10 – 100/8 в системе смазки механизма движения масло охлаждают, пропуская через специальные масляные холодильники или путём погруженного в маслосборник змеевика, в котором протекает охлаждающая вода.
При работе многоступенчатого поршневого компрессора охлаждение воздуха производится в цилиндрах, в промежуточных и концевых воздухоохладителях.
Охлаждение цилиндров может быть воздушным или водяным.
При воздушном охлаждении наружная поверхность цилиндров снабжается ребрами для увеличения теплоотдачи, как, например, у компрессора ЗИФ ШВКС-5. С этой же целью иногда предусматриваются установка специального вентилятора для обдува цилиндра. Теплообмен осуществляется за счет обтекания труб холодильника воздухом.
Воздух нагнетается осевым вентилятором, обеспечивающими большой расход воздуха при малых статических напорах, обусловленных наличием аэродинамического сопротивления секций труб. Обычно допускают разность температур выходящего газа и охлаждаемого воздуха до 11-14°С.
Преимуществом воздушного охлаждения является возможность избежать больших капитальных затрат на сооружение систем водоснабжения и канализации, градирен и насосных станций. Особое значение приобретает применение воздушного охлаждения на комбинатах, удаленных от источника водоснабжения. Целесообразность применения воздушного охлаждения следует подтверждать технико-экономическим расчетом, учитывающим как единовременные капитальные затраты, так и эксплуатационные затраты.
При водяном охлаждении цилиндр компрессора снабжается рубашкой, по которой непрерывно протекает охлаждающая вода. Этот вид охлаждения называют еще внутренним (рубашечным).
Необходимо отметить, что у быстроходных компрессоров влияние охлаждения стенок цилиндра на процесс сжатия незначительно. Охлаждением с помощью рубашек уменьшается температура стенок цилиндра, и это приводит к улучшению условий смазки стенок цилиндра, предотвращению пригорания поршневых колец и нагарообразования в клапанах, повышению коэффициента подачи, так как всасываемый газ менее нагревается от стенок.
Наибольший эффект для снижения конечной температуры достигается в промежуточных холодильниках. Кроме снижения температуры, охлаждение воздуха в цилиндрах и промежуточных холодильниках приводит к увеличению экономичности работы компрессора. Это видно из рис.94, на котором изображен процесс охлаждаемого двухступенчатого компрессора.
В результате внутреннего охлаждения процесс сжатия в первой ступени пойдет по политропе 1-2 и во второй ступени – по политропе 3 - 4. Процесс охлаждения в промежуточном холодильнике изобразится изобарой 2 - 5 (сопротивлением холодильника пренебрегаем).
Конструкция холодильника в первую очередь зависит от охлаждающей среды. Чаще всего сжатый газ охлаждают водой, а у небольших или передвижных компрессоров обычно воздухом.
Наиболее простой конструкцией водяного холодильника является спиральная трубка, через которую протекает сжатый газ; снаружи трубка омывается водой (рис. 2.2.15). Холодильники такого типа получили распространение для небольших компрессоров.
Рисунок 2.2.15 - Змеевиковые холодильники высокого давления.
Современные крупные компрессоры высокого давления часто имеют концевые холодильники типа «труба в трубе» (рис. 2.2.16). Газ в них идет но внутренней толстостенной трубе, вода течёт в зазоре между трубами.
Рисунок 2.2.16 - Холодильник типа «труба в трубе».
При низких давлениях (максимум до 30 атм) у компрессоров средних и больших размеров обычно применяются кожухотрубные холодильники. Поверхность охлаждения образуется пучком прямых труб, развальцованных по концам в двух трубных решетках. По трубам протекает охлаждающая вода, газ проходит по межтрубному пространству. Поток газа направлен вдоль труб (рис. 2.2.17) или перпендикулярно к ним. Газ, обтекая внутренние перегородки, надетые на трубки, несколько раз меняет направление. Пучок трубок размещён в кожухе.
Рисунок 2.2.17 - Кожухотрубный холодильник с потоком воды в трубках.
Рисунок 2.2.18 - Схема холодильника с потоком газа перпендикулярным к трубкам
Сжатый воздух, поступающий к различным механизмам, и имеющий на выходе из компрессора температуру 130 - 160° С, должен быть хорошо очищен от масла и влаги. Для этого в специальных концевых воздухоохладителях его охлаждают до 20 - 40° С (охлаждение воздуха в заводских условиях экономически выгодно).
Концевые воздухоохладители за счет уменьшения удельного объема воздуха снижают сечение трубопроводов для вновь сооружаемых воздушных сетей, а также уменьшают выделение конденсата масла в трубопроводах. Для уже имеющихся воздушных сетей позволяют снижать потерю напора, что приводит к сокращению расхода электроэнергии и улучшению условий работы дальних потребителей сжатого воздуха. Кроме того, наличие воздухоохладителей исключает загорание масла в ресиверах и перегрев последних в летнее время.
По конструкции различны. На рис. 2.2.19 показан вертикальный, многотрубный воздухоохладитель.
Концевые воздухоохладители наиболее просты в изготовлении, хорошо компонуемы по потоку воздуха и требуют небольшую площадь для своего размещения.
Он представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из корпуса с приваренными трубными решетками, нижней и верхней водяной камеры, соединенных между собой посредством фланцев.
Поверхность охлаждения выполнена из стальных трубок диаметром 38´4, укрепленных развальцовкой в трубных решетках.
Рисунок 2.2.19 - Концевые воздухоохладители: 1 – место установки предохранительного клапана; 2 – муфта для воздушного крана; 3 – место установки спускового крана для конденсата; 4 – муфта для подсоединения манометра; 5 – муфта для спускного крана воды.
Охлаждаемый воздух поступает в верхнюю часть межтрубного пространства, омывает трубки в поперечном направлении и охлажденным удаляется через нижний патрубок.
Охлаждающая вода входит в нижнюю водяную камеру и выходит через патрубок верхней водяной камеры.
Аппарат оборудуется манометром, предохранительным клапаном и кранами для выпуска воздуха из верхней водяной камеры для спуска воды из аппарата в нижней водяной камере и удаления конденсата из межтрубного пространства.
Материалы для изготовления основных деталей холодильника – корпуса, труб, трубных решеток, крышек – выбирают, исходя из коррозийных свойств и давлений рабочих сред. В большинстве случаев для изготовления вышеуказанных деталей применяют углеродистую сталь. В случае, когда она не обеспечивает достаточной коррозийной стойкости, применяют цветные металлы и нержавеющую сталь или предусматривают антикоррозийную защиту.
Основные размеры воздухоохладителей такого типа приведены в табл. 2.2.3.
Таблица 2.2.3 – Основные размеры воздухоохладителей.
| Условные обозначения размеров | Производительность по свободному всасу, м³/час | ||||
| D | |||||
| L | |||||
| b | |||||
| b1 | |||||
| s | |||||
| s1 | |||||
| N | |||||
| С | |||||
| K | |||||
| Е | |||||
| И | |||||
| p | |||||
| l | |||||
| z | |||||
| d | |||||
| n | |||||
| y | |||||
| d0 | |||||
| m | |||||
| Р | |||||
| Г | |||||
| Патрубок Л | Ø 108´4 | Ø 108´4 | Ø 133´4 | Ø 159´1,5 | Ø 219´6 |
| Патрубок Б | Ø 89´3,5 | Ø 89´3 | Ø 108´4 | Ø 133´4 | Ø 159´4,5 |
| Патрубок В | Ø 38´2,5 | Ø 45´2,5 | Ø 56´2,5 | Ø 76´4 | Ø 76´3 |
| Поверхность охлаждения в м² | 13,0 | 20,0 | 26,0 | 40,0 | 68,0 |
| Примерный вес, кг | 1998,4 |
Система охлаждения оппозитного компрессора 4М10-100/8 показана на рис.2.2.20.
Рисунок 2.2.20 - Система охлаждения оппозитного компрессора 4М10 – 100/8.
Промежуточный холодильник между І и П ступенями сжатия выполнен в горизонтальном исполнении. Вода подается в промежуточный холодильник и после него в рубашки цилиндров. Для визуального наблюдения наличия воды в трубах имеется общая сливная воронка.
Требования к системе охлаждения компрессоров:
1. Для охлаждения компрессора и аппаратов должна применяться чистая вода из водопроводной сети или из циркуляционной системы с охлаждением оборотной воды.
2. Охлаждающая вода не должна содержать растительных и механических примесей выше 40 мг/л. Карбонатная жесткость воды должна быть не выше 7 мг/экв·л. Не допускается применение кислотной воды без предварительной ее нейтрализации. Не допускается присутствие сероводорода и железа. Химический анализ воды должен производиться не реже одного раза в квартал. В том случае, когда для охлаждения компрессора и аппаратов отсутствует вода необходимого качества, должны быть оборудованы водоочистительные установки.
3. Необходимо периодически производить осмотр и чистку поверхностей теплообмена.
4. Температура охлаждающей воды на выходе должна быть не выше +40°С во избежание отложения солей жесткости на поверхности трубок. При наличии установок электромагнитной обработки воды конечная температура может быть повышена. Давление в рубашках компрессора не более 0,3 МПа. Для контроля за температурой воды на подводящем и отводящих трубопроводах установлены термометры.
5. Регулировка количества подаваемой воды в различные точки производится посредством запорных вентилей. При эксплуатации необходимо внимательно следить за наличием слива воды из каждой охлажденной точки и в случае отсутствия слива немедленно выяснить причину и устранить ее. В противном случае компрессор необходимо остановить.
Расход воды на охлаждение рубашек и крышек цилиндров, промежуточного и концевого холодильников составляет 6 – 7 л/м3 в расчете на 1м3 свободного воздуха.
Теплообменная аппаратура.