2 Свиване и преместване на газове

Свиването и разширяването на газовете се съпровожда с изменение на V , р и T. Тези процеси се подчиняват на законите на термодинамиката и за идеалните газове се характеризират с уравнението:

където р е налягане на газа, Ра;

V - специфичен обем, m³/kg;

8314

M Т - температура на газа, ⁰K.

При свиване се намалява обема на газовете, а нараства налягането и температурата, защото се отделя топлина.

Машините за свиване, преместване и разреждане на газове се наричат с общото наименование компресорни машини.

Според предназначението си те могат да бъдат разделени на :

Машини за свиване на газове – компресори ;

Машини за преместване на газове – вентилатори ;

Машини за разреждане на газове – вакуумпомпи .

Отношението между крайното налягане р₂, създавано от компресора, и началното налягане р₁, при което газа се засмуква, т.е. р₂/р₁, се нарича степен на свиване(компресия). Според степента на компресия(създаваното налягане), компресорните машини биват :

Вентилатори (р₂/р₁ ~ 1 – 1,1) – за преместване на големи количества газове;

Газови духала (р₂/р₁ ~ 1,1 – 3,0) – за преместване на газове при относително големи съпротивления на тръбопроводите;

Компресори (р₂/р₁ > 3,0) – за създаване на високи налягания;

Вакуумни помпи (максимална степен на компресия) – за разреждания на

газове.

В зависимост от принципа на действие биват :

Бутални и ротационни компресори – при които газът се компримира (свива) в затворено пространство вследствие на постъпателно-възвратно или въртеливо движение на бутало, в резултат на което газът се и премества, т.е. обемен принцип;

Турбокомпресори (центробежни компресори) в които въртящ се ротор свива и премества газ под действие на центробежна сила, т.е. динамичен принцип.

Струйни компресори, при които газът изтича през канални отвори и се нагнетява под действие на изменящата се газова скорост, т.е. динамичен принцип.

Бутални компресори
Принципът на действие на тези компресори е обемен, т.е. газът се свива в резултат от намаляване на обема в който е затворен при постъпателно-възвратно движение на бутало.

Буталните компресори биват :

• 
  според характера на действие – с просто и с двойно действие;
  
• 
  според степента на компресия :
  
  • 
    едностъпални бутални компресори – за налягане до 0,8 МРа;
    
  • 
    многостъпални бутални компресори – за налягане над 0,5 – 0,6 МРа;
    
• 
  според производителността си : малки – до 0,1 m³/s, средни – 0,1 – 1,0 m³/s, и големи – над 1,9 m³/s ;
  
• 
  според вида на охлаждането – с въздушно и водно охлаждане;
  
• 
  според разположението на цилиндрите – вертикални, хоризонтални, V- и W–образни, звездообразни и др.
  

По своето устройство тези компресори не се различават принципно от буталните помпи за течности. Необходимостта от голяма херметичност обаче налага по-добро уплътнение между подвижните и неподвижните елементи на компресора – бутални уплътнителни пръстени, салници, усъвършенстване на формата, изработката и разположението на клапаните и др.

На фиг.2.26 е дадена схема на едностъпален бутален компресор с просто действие.

Устройството му е почти същото както на бутална помпа. Но при свиване на газа температурата му се повишава, което неизбежно е свързано с увеличаване на енергийните

4-нагнетателен клапан;5-охлаждаща риза.

разходи. Затова стените на цилиндъра се правят кухи (водни ризи) и в тях се пропуска охлаждаща вода. Според топлообмена на процеса на свиване с околната среда, съществуват три начина на свиване на газа :

Изотермично – свиване с отвеждане на цялото количество отделена топлина при което температурата на газа остава постоянна (идеално охлаждане);

Адиабатно – свиване без топлообмен с околната среда при което температурата на газа нараства (идеална топлинна изолация);

Изменението на налягането на газа при неговото свиване може да се представи графично. Графиката се нарича индикаторна диаграма (фиг.2.27). Както е известно площта a-b-c-d на диаграмата в определен мащаб дава работа, изразходвана за засмукване, свиване и нагнетяване на газа за един цикъл. Естествено, колкото е по-малка тази площ при определена степен на свиване, толкова по-малко работа се изразходва и толкова компресорът е по-икономичен.

Повишаването на налягането в затворения цилиндър зависи от условията на компресията. При адиабатно свиване налягането ще се мени по линията b-c^// (фиг.2), при изотермично – по линията b-c^/, а при политропно – по линията b-c, която лежи между b-c^/ и b-c^//. От диаграмата се вижда, че най-малка е работата при изотермичен режим на работа на компресора.

Практически е невъзможно да се осъществи изотермично свиване и при най-интензивно охлаждане на цилиндъра с вода. На практика чрез добро охлаждане на компресора се получава възможност да се провежда процеса по междинния, т.нар. политропно свиване (линия b–c) , който с понижаване на крайното налягане р₂ и засилване на охлаждането се приближава до изотермичното свиване.

Работният процес в буталния компресор с просто действие също се представя удобно в р-V координатна система като теоретична индикаторна диаграма (фиг.2.28а).

а б

а – теоретична ; б - действителна

От казаното е ясно, че макар буталните компресори да имат аналогично устройство на буталните помпи, работата им е различна. При компресорите най-напред имаме компримиране на газа ( по линията b-c), след което, вече при налягане р₂, става изтласкване на газа.

При работа на компресора по конструктивни причини част от газа остава в цилиндъра при крайно ляво положение на буталото. Това пространство между капака на цилиндъра и буталото в крайно положение се нарича вредно пространство. То зависи не само от разстоянието между буталото и капака, но и от конструкцията и разположението на клапаните.

В него винаги остава част от газа, свит до налягане р₂, който не постъпва в нагнетателния тръбопровод. При ход на буталото надясно намиращият се в него останал газ най-напред се разширява (линия dа) и смукателният вентил се отваря едва тогава, когато налягането на газа в цилиндъра се понижи до налягането на засмукване р₀. По тази причина действителната работна диаграма (фиг.2.28б) се различава от теоретичната. Дори периодите на засмукване и на нагнетяване (линии ав и сd) са криви линии, т.е. налягането на засмукване и на нагнетяване не е постоянно. Причините за това са съпротивлението на клапаните, което се изменя с изменение на скоростта на движение на буталото, закъснението при отваряне на клапаните и др.

Големината на вредното пространство се изразява с части от хода на буталото си и на диаграмата е отразено с отрязъка Vвр. От разглеждането на работния процес в бутален компресор може да се направи следния извод : При реалният работен процес в бутален компресор се засмуква по-малко газ поради наличие на вредно пространство, което намалява производителността и обемния к.п.д на компресора и води нарастване на енергийните загуби. Компресорите с просто действие се правят и многоцилиндрови, за да се увеличи производителността на машината.

В буталния компресор с двойно действие газът се свива и от двете страни на буталото, поради което в цилиндъра са разположени два смукателни и два нагнетателни клапана. Независимо от по-сложното устройство те имат почти двойно по-голяма производителност.

Ако въздухът се свива в едностъпален компресор, то при високо налягане (над 0,5-0,6 МРа) температурата на свития газ се повишава много, а процесът на свивани е неикономичен, тъй като КПД силно се понижава. За намаляване на изразходваната работа при високо отношение на крайното налягане и началното налягане свиването на газа се извършва на степени. Газът, свит в първия цилиндър до някакво налягане, се охлажда и постъпва във втория цилиндър, който има по-малък обем от първия и т.н. По този начин се използват дву-, три- и повече степенни компресори. В съвременните компресори за високо налягане степените на свиване стигат до 7, а крайното налягане – до 100 МРа.

Принципът на многостъпалното свиване се състои в последователно стъпаловидно свиване в няколко стъпала, като всяко стъпало включва свиване до междинно налягане и охлаждане на газа (фиг.2.29).

Предимствата на многостъпалното свиване са :

1) икономия на енергия – изразходва се по-малко работа; 2) понижаване температурата на газа при висока степен на свиване – температурата може да се повиши до няколкостотин градуса, което е недопустимо (допустимата температура на газа при свиването е 150-160⁰С); 3) по-висок обемен КПД.

Пускането на компресора започва с проверяване на смазочната система на триещите се части. След това се подава охлаждащата вода в ризата или охладителите, отварят се смукателния и нагнетателен вентил и се включва електродвигателя.

Регулирането на производителността на компресора може да се осъществи по няколко начина :

- чрез промяна на налягането в ресивера (газосборник за изравняване на налягането и отделяне на капчиците увлечено масло);

- чрез изменение на вредното пространство;

- връщане на газ в смукателния тръбопровод;

- байпасно свързване на нагнетателния и смукателния тръбопровод.

Спирането започва със затваряне на смукателния вентил, изключване на електродвигателя, спиране на охлаждащата вода и затваряне на нагнетателния вентил.

Всеки тип компресор има своите предимства и недостатъци, които определят най-подходящите области на приложението му. Буталните компресори могат да осигурят висока степен на компресия (при неограничена долна граница на производителност). Затова се използват обикновено при необходимост от свиване до високи налягания на различни количества газове при високо к.п.д.

Наред с това обаче те са бавноходни, металоемки, тежки машини със сравнително ниска горна граница на производителността ( 12000 - 15000 m³/s ). Други техни недостатъци са : невъзможност за директно свързване с електродвигател; големи инерционни усилия, които изискват големи фундаменти; замърсяване на газовете със смазочно масло; неравномерно засмукване и подаване на газа; голям брой бързоизносващи се детайли; чувствителни към замърсени газове; висока стойност; сложно устройство и др.

За преодоляване на част от тези недостатъци в компресорните инсталации, непосредствено след компресора, се поставя газов резервоар(ресивер) за изравняване на неравномерното подаване на въздуха от буталния компресор. Към него трябва да има приспособление за улавяне на маслени капки и за кондензиране на влагата.

Ротационните компресори работят също на обемен принцип като буталните компресори, но работния елемент извършва въртеливо движение. При тях обемният принцип на действие се състои в това, че при въртене на един или два ротора с определена форма (ротор с лопатки) периодично се образува затворено пространство, в което се всмуква известен обем газ. При по-нататъшното движение на работния орган това пространство намалява, газът се свива и се изтласква в нагнетателния тръбопровод.

Според вида на ротора биват – пластинкови, винтови, осморкообразни, с воден пръстен и др.

Конструкцията на пластинковия ротационен компресор (фиг.2.30) е аналогична на пластинковата ротационна помпа, но стените на цилиндричното му тяло се охлаждат д вода, минаваща през водна риза. В него ексцентрично се върти ротор 2, прорязан от радиални канали, в които се движат свободно пластинките 3.

Пластинките са изработени от стомана и са на брой 20-30. Потокът на газа през компресора е непрекъснат, което води до по-голяма равномерност в крайното налягане, но дебита е пулсиращ. Пулсациите са толкова по-малки, колкото е по-голям броя на пластините.

Ротационният компресор е чувствителен към замърсяване, затова пред него е необходимо да се поставя филтър. Негов недостатък е сложното изработване и обслужване, бързото износване на пластините, което нарушава херметичността на работните камери, намалява степента на свиване.

О
При тяхното въртене те непрекъснато се допират, като разделят обема на корпуса последователно на отделни камери: смукателна камера 5(под ротора), неутрална камера 7(в ляво или дясно) и нагнетателна камера 6( над ротора). Въздухът се засмуква през смукателен щуцер 2 като изпълва смукателната камера.

При завъртане на ротора попада в неутралната камера без да си променя обема. Налягането на въздуха нараства мигновено при прехвърлянето му в нагнетателната камера, от където се изхвърля през нагнетателния щуцер 3.

Недостатък на този вид компресор е значителното намаляване на неговото к.п.д. при най-малкото увеличаване на отвора между ротора и кожуха и силния шум, който създава при работа.

Ротационните компресори имат следните общи предимства пред буталните : При тях липсват бутало и клапани и са свързани директно с електродвигателя, което води до по-опростена и по-компактна конструкция; имат по-голяма производителност при по-равномерно подаване на газ, което дава възможност за работа с по-големи количества газове; не изискват смазване; работят с малко вредно пространство и са добре балансиране; обслужват се лесно и са добре обезопасени.

Наред с това имат следните недостатъци : Сложно изработване; ограничение в крайното налягане(не повече от 0,8 - 1 МРа при двустъпално свиване) и поради това сравнително ниска степен на компресия; влошен к.п.д. от големите триещи се повърхности.
Турбокомпресорите са центробежни машини за свиване и преместване на газове, в които компримирането на газа става под действие на развиваните от ротора им центробежни сили. Този тип компресори работят, както центробежните помпи, аналогични са и конструктивните им елементи. Разликата е само в изменението на плътността на газа при преминаването му през компресора. За малки налягания до 1,5 МРа се използват едностъпални турбокомпресори, наричани още турбогазови духала.

Фиг.2.32. Схема на едностъпален центробежен компресор

Състои се от няколко последователно монтирани на общ вал работни колела. Газът постъпва по смукателния тръбопровод в работното колело на първото стъпало, изхвърля се от него и по неподвижни направляващи апарати се отправя към центъра на следващото работно колело. По същия начин преминава последователно през всички колела и напуска компресора през нагнетателния щуцер.

Ширината и диаметъра на работните колела намаляват към последното стъпало, което съответства на намаляване на обема на газа в тази посока (за разлика от турбопомпите). За намаляване температурата на газа при свиването се използва вътрешно охлаждане (охлаждащи ризи), външно охлаждане(междинни охладители) или комбинирано охлаждане.

Центробежните турбокомпресори имат следните предимства пред буталните :

• 
  равномерно и непрекъснато подаване на чист газ ( без замърсявания с масло), поради което могат да работят без ресивери;
  
• 
  не е необходимо вътрешно смазване;
  
• 
  липса на инерционни сили;
  
• 
  компактни, поради директното свързване с електродвигател;
  
• 
  висока производителност при средна степен на компресия;
  
• 
  сигурна и дълготрайна работа.
  

Според конструкцията си вентилаторите биват два основни вида :

- центробежни(радиални) - при тях газът се премества и се нагнетява под влияние на центробежни сили и те работят на същия принцип, както центробежните помпи;

- пропелерни(аксиални,осови).

Според създаваното налягане центробежните вентилатори се делят на вентилатори за ниско налягане (до 1кРа), за средно налягане (до 4кРа) и за високо налягане (над 4 кРа).

Тази класификация е условна, защото при промяна на честотата на въртене вентилаторът за ниско налягане може да работи като такъв за средно налягане и обратно.

Центробежни вентилатори. Тези вентилатори са най-широко разпространени. Те се включват към вентилационни инсталации, уредби за пневматичен транспорт и др. Основните съставни части на центробежния вентилатор са работното колело и кожухът(фиг.2.34). Центробежният вентилатор се състои от спираловидно тяло 1, в което се върти работно колело 2. То представлява барабан с голям брой извити лопатки. Газът или въздухът постъпва по оста му през централен щуцер 3, захваща се от лопатките и се изхвърля през страничният нагнетателен щуцер 4 вследствие на придадената му кинетична енергия от въртящия се барабан.


Фиг.2.34. Схема на центробежен вентилатор Фиг.2.35. Схема на осов вентилатор
По начин на работа центробежният вентилатор работи аналогично на центробежната помпа, защото въздухът, постъпващ през смукателния щуцер в центъра на работното колело, вследствие на центробежните сили увеличава своята скорост и движейки се към изхода в това охлювидно пространство, трансформира своята кинетична енергия в потенциална, т.е. за сметка на скоростта увеличава налягането си.

Осовите вентилатори (фиг.2.35). Тези вентилатори се използват, когато трябва да бъдат преместени големи количества въздух при много малки напорни височини (до 25 mm в.ст.). Те се състоят от лопатково колело 1 (брой на лопатките 2-12), наричано пропелер и кожух 2. Пропелерът е монтиран на вала на елекродвигателя 3 и е с аеродинамична форма, придавана от обтекатели 4 и 5.

Лопатките са радиално извити и посрещайки въздуха по д ъгъл, те го изтласкват зад себе си, като по този начин създават въздушен поток, който е успореден на оста на въртене. Лопатките работят на принципа на витлото. Най-съвършена форма имат лопатките със специална асиметрична форма, подобна на самолетните витла.

В осовите вентилатори въздушният поток се движи паралелно на оста, затова периферната скорост практически не се изменя, т.е. за всяка струя въздух v₁=v₂. Тук центробежна сила не се създава и налягането е по-ниско. Затова осовите вентилатори се използват когато трябва да бъдат преместени големи количества въздух при много малки хидравлични съпротивления – главно за проветряване на помещения.

В заключение може да се обобщи, че вентилаторите работят с ниска степен на компресия, като центробежните вентилатори се използват за преместване на по-малки дебити с по-високо налягане от осовите вентилатори.

Вакуумпомпите се отличават от компресорите с високата си степен на компресия и променливата си производителност, което снижава техния к.п.д., затова те се изготвят с възможно малко вредно пространство. Така, ако една вакуумпомпа създава вакуум 90%, т.е. р₁=10 кРа, и го нагнетява в атмосферата, то степента на компресията ще бъде :

p₂/р₁ = 10/0,1 = 11

докато за компресорите степента на свиване не надминава 7-8. Това определя и редица техни конструктивни особености. При тази висока степен на компресия обемният КПД и производителността им намаляват поради голямото влияние на вредното пространство. С увеличаване на вакуума производителността на вакуумпомпата намалява и затова при избор на вакуумпомпа винаги трябва да се държи сметка и за вакуума, при който ще работи.

Според принципа на действие вакуумпомпите биват също : бутални, ротационни и струйни, дифузионни, йонни и др.

Буталните вакуумпомпи почти не се различават по конструктивното си оформление от буталните компресори. Само по-голямата степен на компресия налага вредното пространство в тях да се сведе до минимум 3-5%. Те се делят на сухи и мокри. Сухите вакуумпомпи засмукват и нагнетяват само газове и въздух. Те създават вакуум до 96-99% и са по-бързоходни. Мокрите вакуумпомпи засмукват и нагнетяват газо-течни смеси. Те имат големи вентили, което увеличава вредното им пространство, а това от своя страна се отразява на вакуума (средно 80-85%). Едностъпалните бутални вакуумпомпи създават разреждане до 95%, а двустъпалните – до 99,5%.

Ротационните вакуумпомпи също не се различават от съответните компресори. По-голямата херметичност при вакуумпомпите определя някои техни конструктивни особености.

За създаване на вакуум до 98% се използва ротационна вакуумпомпа с воден пръстен (фиг.2.36). В цилиндричен корпус 1 е поставен ексцентрично роторът 2, който е с неподвижни ребра и има профил на звезда. Корпусът е запълнен наполовина с вода.

1-корпус;

2-ротор;

3-сърповиднопространство;

4-ребра;

5-смукателе щуцер;

6-нагнетателен щуцер;

7-резервоар за вода;

8-смукателен тръбопровод;

9-нагнетателен тръбопровод.

Фиг.2.36. Схема на вакуумпомпа с воден пръстен

Тази вакуумпомпа намира употреба при работа с химически агресивни, взривоопасни, влажни или запрашени газове. Използването на вода осигурява добра херметичност и ефективно охлаждане, но при сравнително нисък к.п.д.

Последните години за поддържане на вакуум в изпарителни, сушилни и кристализационни уредби се използват все повече едностъпални и многостъпални пароструйни помпи (ежектори). Те се налагат благодарение на простото си устройство, голямата си компактност и дълбок вакуум, който създават.

Едностъпалната пароструйна вакуумпомпа има аналогично устройство на струйната помпа за течности (фиг.2.37). Състоят се от смесителна камера, дюза и дифузор.

Парата постъпва в парната дюза 3 и излиза от нея със скорост над 1000 m/s. Тя засмуква газ през смукателния щуцер 2 и се смесва с него в смесителна камера 4. Получената паро-газова смес излиза от помпата през дифузор 5. Сместа обикновено се насочва към барометричен кондензатор за кондензиране. С тази вакуумпомпа може да се достигне до 90% вакуум.

За достигане на висок вакуум се използват многостъпални пароструйни вакуумни помпи (фиг.2.38). Те се състоят от няколко последователно съединени пароструйни помпи 1, между които са поставени барометрични кондензатори 2.

Фиг.2.38. Схема на двустъпална пароструйна вакуумна помпа