Компрессорные и насосные установки
Опишите конструкцию узлов и деталей
центробежного компрессора, корпуса, рабочего колеса, устройств для восприятия
осевого усилия, направляющих аппаратов и обратных канатов
Компрессоры – это устройства для
создания направленного потока газа под давлением. Компрессорные установки
довольно сильно распространены, они широко используются в холодильных
установках, в пневматических устройствах, а также в контрольно-измерительной
аппаратуре.
Компрессоры, упрощенно, состоят:
- Электродвигателя или привода;
- Нагнетающей установки;
- Емкостей для сжатого газа;
- Соединительных шлангов и труб. Центробежный
компрессор в основном состоит из корпуса и ротора, имеющего вал с симметрично
расположенными рабочими колёсами. Центробежный 6-ти ступенчатый компрессор
разделён на три секции и оборудован двумя промежуточными холодильниками, из
которых газ поступает в каналы. Во время работы центробежного компрессора
частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается
вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под
действием этих сил газ перемещается от оси компрессора к периферии рабочего
колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость.
Конструкцию холодильного компрессора
рассмотрим на примере фреонового двухступенчатого компрессора ТКФ-248
(холодильная машина ХТММФ-248-4000).
Корпус (статор) компрессора литой,
чугунный, состоит из двух половин — верхней и нижней, соединенных шпильками. Их
взаимное положение фиксируется коническими штифтами. Для облегчения подъема в
верхней половине предусмотрены отжимные болты уплотнение горизонтального
разъема между половинами корпуса осуществляется паронитовой прокладкой толщиной
0,6 мм, проваренной в глицерине.
Корпус, установленный на литой
фундаментной плите, при нагреве имеет возможность перемещения по шпонке. В
корпусе предусмотрены отверстия для подвода слива масла, а также для присоединения
уравнительных линий. Для подъема и транспортировки компрессора на нижней
половине корпуса имеются грузовые крюки (приливы).
Ротор (вращающаяся часть
турбокомпрессора) состоит из вала, на котором закреплены два рабочих колеса и
разгрузочный поршень (думмис). Ротор - одна из наиболее ответственных частей
компрессора. Его детали испытывают сложные напряжения, вызываемые центробежными
силами, крутящим моментом, знакопеременными нагрузками, вибрацией,
температурной деформацией. Все узлы и детали ротора изготавливают из
высококачественной углеродистой или легированной стали. Каждое колесо
подвергается статической балансировке и разгонным испытаниям, а ротор в сборе —
динамической балансировке. Насадка рабочих колес на вал осуществляется по
горячей посадке на шпонке.
Усилия, действующие на каждое колесо
в осевом направлении, не уравновешены. Это вызвано тем, что на кольцевую
поверхность колеса со стороны входа пара действует давление всасывания, а на
соответствующую ей поверхность с противоположной стороны — давление нагнетания.
В результате создается осевая сила, которая стремится сдвинуть ротор в сторону
всасывания.
Для уменьшения действия осевых сил
используют разгрузочный поршень (думмис). Со стороны колеса на думмис действует
конечное давление нагнетания, а с противоположной стороны — давление
всасывания. При этом возникает результирующая сила, стремящаяся подвинуть ротор
в сторону нагнетания. Она уравновешивает осевую силу, действующую на колесо в
результате увеличения давления при сжатии пара.
Межступенчатые (лабиринтные)
уплотнения применяют гребенчатого типа. Они бывают концевыми и промежуточными.
Концевые уплотнения препятствуют переточкам пара в подшипниковые камеры, а
промежуточные — из одной ступени в другую, минуя проточную часть. В зависимости
от типа уплотнений зазоры составляют от 0,1 до 0,35 мм.
Торцовые уплотнения (сальники)
применяют двух типов: для герметизации выходного конца вала ротора и выходного
конца вала маслонасоса системы смазки.
Торцовое уплотнение вала ротора
представляет собой систему подвижных и неподвижных элементов, обеспечивающих
подвижное уплотнение выходного конца вала ротора как при работе, так и при
стоянке компрессора. В полости уплотнения циркулирует масло, обеспечивая
гидравлический затвор, смазку, трущихся поверхностей и их охлаждение.
Масло в полость сальника подводится в
верхнюю часть корпуса от системы смазки. Слив масла производят через зазор в
плавающем подшипнике.
Входной направляющий аппарат служит
для плавного регулирования производительности. Он состоит из лопаток, которые
могут поворачиваться в корпусе с помощью приводного механизма. На хвостовиках
лопаток закреплены шестерни, находящиеся в зацеплении с общей конической
шестерней, посредством которой поворачиваются лопатки. Приводной валик
механизма уплотнен в корпусе сальником, состоящим из резиновых колец, поджатых
резьбовой втулкой. Изменением угла установки лопаток изменяют
производительность компрессора от 100 до 30% номинального значения.
Компрессор имеет две уравнительные линии:
уравновешивающую давление в масляных полостях компрессора и маслобака с
давлением всасывания и уравновешивающую давление за думмисом с давлением
всасывания. Первая линия служит для предотвращения уноса масла из маслоблока и
подшипниковых полостей в испаритель, вторая — для уменьшения осевой силы,
действующей на ротор.
Ротор вращается в двух подшипниках,
один из которых опорный, другой — опорно-упорный. Корпуса подшипников
посредством крышек прикреплены к корпусу компрессора.
Опорные подшипники воспринимают вес
ротора и динамические переменные усилия, а также фиксируют положение ротора
относительно корпуса в радиальном положении. Подшипник состоит из корпуса и
вкладыша с заливкой из баббита Б-83. Масло подается в нижнюю часть подшипника
через дроссельную шайбу.
Положение вкладыша в подшипнике и
положение ротора относительно корпуса регулируется в радиальном направлении с
помощью прокладок, устанавливаемых под опорными сухарями (подушками),
прикрепленными к нижнему и верхнему вкладышам.
Опорно-упорный подшипник состоит из
опорной и упорной частей. Конструкция опорной части аналогична конструкции
опорного подшипника. Упорная часть подшипника служит для восприятия части
осевого усилия (за вычетом усилия, воспринимаемого думмисом), она —
двусторонняя с шестью упорными колодками с каждой стороны. Колодки упираются в
корпус подшипника через дистанционное кольцо, с помощью которого выдерживается
необходимый осевой зазор между колодками и упорным диском. Упорная часть
колодок залита баббитом Б-83.
Опишите назначение, принцип работы и конструктивное устройство центробежных
вентиляторов. Вычертите схемы отдельных узлов
Центробежные вентиляторы широко
распространены в промышленности и коммунальном хозяйстве для вентиляции зданий
и отсасывания вредных веществ в технологических процессах.
В теплоэнергетических установках
центробежные вентиляторы применяются для подачи воздуха в топочные камеры
котлов, перемещения топливных смесей в системах пылеприготовления, отсасывания
дымовых газов и выброса их в атмосферу. Воздух в вентилятор поступает через
входной патрубок 1 и направляется в рабочее колесо 2, которое состоит
из: ступицы 5, ведущего диска 7, лопастей и (ведомого) покрывного кольцевого
диска 9. Обычно рабочее колесо приводится во вращение при помощи ступицы
5, насаженной на рабочий вал 6, который передает движение непосредственно от
двигателя или с помощью трансмиссионной передачи. На ступице смонтирован
ведущий диск, к которому прикреплены лопасти рабочего колеса. Со стороны входа
на лопастях рабочего колеса крепится покрывной кольцевой диск 9
Вращающееся рабочее колесо помещается
в неподвижный спиральный кожух 8, имеющий на выходе расширяющийся патрубок 4.
Воздух или газ, попадающий через входной патрубок 1 в рабочее колесо 2,
лопастями отбрасывается с большой скоростью к периферии. Передача энергии
воздуху завершается в рабочем колесе. Часть этой энергии вследствие силового
воздействия лопастей рабочего колеса получается в виде потенциальной энергии
давления. Другая часть, в зависимости от степени реактивности рабочего колеса,
получается в виде кинетической энергии (скоростного напора).
Конструктивное устройство центробежного вентилятора
простейшего типа показано на рис. 1.
Рис. 1 – Центробежный вентилятор
1 – ступица; 2 – основной диск; 3 – рабочие
лопатки; 4 – передний диск; 5 – лопастная решетка; 6 – корпус; 7 – шкив; 8 – подшипники; 9 – станина;
10, 11 – фланцы
Рабочее колесо вентилятора состоит из
литой ступицы 7, жестко сопряженной с основным диском 2. Рабочие лопатки 3 крепятся
к основному диску 2 и переднему диску 4, обеспечивающему необходимую жесткость
лопастной решетки 5. Корпус 6 вентилятора крепится к литой или сварной станине 9,
на которой располагаются подшипники 8, несущие вал вентилятора с посаженным на
него рабочим колесом. На корпусе вентилятора установлены фланцы 10 и 11 для
крепления всасывающей и напорной труб.
Центробежные вентиляторы выпускаются
заводами в определенных геометрических сериях. Каждая серия характеризуется
постоянством отношений сходственных размеров; размеры отдельных машин и их
рабочие параметры в серии различны.
Обозначение центробежных вентиляторов
в соответствии с государственными стандартами включает букву Ц, указывающую на
основной признак типа – центробежный, пятикратное значение коэффициента полного
давления в режиме при max,
округленное до целого числа, и значение коэффициента быстроходности в режиме max, также
округленное до целого числа. Обозначение вентилятора включает и его номер,
представляющий собой значение диаметра D2, выраженное в дециметрах.
Например, центробежный вентилятор с диаметром рабочего колеса 400 мм, имеющий при максимальном КПД коэффициент полного давления 0,86 и быстроходность 70,
обозначается Ц4–70–4.
Характерной конструктивной величиной центробежного вентилятора
является отношение выходного и входного диаметров межлопастных каналов рабочего
колеса D2/D1. В обычных конструкциях это отношение
выбирается небольшим (1,2–1,45), радиальная длина лопасти составляет
(0,084–0,16)D2.
Теоретический напор вентилятора
определяется по уравнению Эйлера, которое с учетом радиального входа потока (c1u
= 0) можно записать в следующем виде:
Нт = u2c2u/g
Отсюда теоретическое давление
вентилятора:
рт = u2с2u,
где – средняя плотность перемещаемого газа, кг/м3.
В реальном вентиляторе часть давления теряется в проточной
части.
Если поток газа на входе в вентилятор
имеет параметры p1ст и с1, а на выходе р2ст
и с2, то полное давление, развиваемое вентилятором:
где – статическое давление потока соответственно на
выходе и входе
вентилятора, Па;
с1, с2 –
соответствующие скорости потока, м/с.
Работа вентилятора при заданной
частоте вращения характеризуется объемной подачей Q, полным давлением р, мощностью
N и полным КПД .
Полезная мощность (Вт) вентилятора
определяется по формуле:
Nпол = р·Q,
где Q – объемная подача
(производительность) вентилятора, м3/с.
Мощность на валу (эффективная мощность) N обычно
определяется при испытании вентилятора.
Вентиляторы характеризуются двумя
КПД: полным и статическим, так как в некоторых случаях для вентиляторов
характерно не полное давление, ими развиваемое, а лишь статическая часть его рст
или соответственно статический напор Нст.
Статический КПД дополняет оценку эффективности вентилятора,
так как в полной энергии, сообщаемой потоку газа, существенную долю составляет
кинетическая энергия. Ориентировочно ст меньше на 20–30 %.
Мощность двигателя для привода
вентилятора (кВт) выбирают с запасом на возможные отклонения рабочего режима от
расчетного:
где –
полный КПД вентилятора;
–
КПД передачи.
При непосредственном соединении валов двигателя и вентилятора
= 1, при клиноременной
передаче = 0,92.
Коэффициент быстроходности вентилятора характеризует конструкцию
рабочего колеса, следовательно, способность создавать давление. Если принять
плотность воздуха = 1,2
кг/м3, то
Для каждого типа вентилятора
характерно определенное значение коэффициента быстроходности:
Центробежные высокого давления –
10–30,
Центробежные низкого и среднего
давления с лопатками:
отогнутыми вперед – 30–60
отогнутыми назад – 50–80
Центробежные двустороннего всасывания
– 80–120.
Конструкция вентилятора определяется
его аэродинамической схемой, под которой понимается схематический чертеж его
проточной части с указанием основных размеров в долях наружного диаметра колеса.
Конструктивная форма и размеры
вентилятора определяются его подачей, давлением и частотой вращения.
Формы рабочих колес вентиляторов даны
на рис. 2.
а – барабанная; б – кольцевая, в, г – с
коническими покрывающими дисками;
д, е – соответственно однодисковых и
бездисковых
Формы, показанные: - на рис. 2а, б, свойственны
вентиляторам низкого давления с лопатками, загнутыми вперед; - на рис. 2б–г, характерны
для вентиляторов низкого, среднего и высокого давлений с лопатками, загнутыми
назад;
- на рис. 2г, применяется для колес
большой подачи и находит применение, в частности, для дутьевых вентиляторов и
дымососов ТЭС.
Открытые однодисковые и бездисковые
колеса форм (рис. 2д, е) применяются в пылевых вентиляторах, служащих для
подачи смесей газов с твердыми частицами, например в системах пылеприготовления
ТЭС.
В вентиляторах применяются все три
типа лопастей.
По назначению вентиляторы
подразделяются на следующие группы: вентиляторы общего назначения (Ц); -
вентиляторы дутьевые (БД); - дымососы (Д); - вентиляторы горячего дутья (ВГД); -
вентиляторы мельничные (ВМ); - вентиляторы специального назначения.
По направлению вращения рабочего колеса различают вентиляторы
правого вращения (колесо вращается по направлению движения часовой стрелки,
если смотреть со стороны привода) и левого вращения. По направлению выхода газа
вентиляторы изготовляются с различными положениями корпуса.
Вентиляторы общего назначения по
полному давлению, создаваемому при номинальном режиме, подразделяются на
вентиляторы низкого (до 1 кПа), среднего (от 1 до 3 кПа) и высокого (свыше 3
кПа) давления.
К вентиляторам низкого давления
относятся вентиляторы средней и большой быстроходности. Рабочие колеса этих
вентиляторов имеют широкие листовые лопатки. Окружная скорость вращения колес
составляет менее 50 м/с.
Вентиляторы низкого давления
используются в вентиляционных системах.
Вентиляторы среднего давления имеют
окружную скорость до 80 м/с, лопатки этих вентиляторов выполняются как
загнутыми вперед, так и назад и применяются как в вентиляционных, так и
технологических установках различного назначения.
Вентиляторы высокого давления имеют
окружную скорость свыше 80 м/с, лопатки загнуты назад.
Опишите устройство, объясните принцип
действия и вычертите схему аммиачного турбокомпрессора АТКА
Агрегат типа АТКА имеет привод от
синхронного или асинхронного электродвигателя через мультипликатор, двухэтажную
компоновку. Компрессор, редуктор и электродвигатель устанавливаются на отметке
+4,8 м. Работает установка следующим образом. Парообразный аммиак засасывается
в первую секцию компрессора АТКА-545, где он сжимается до промежуточного давления.
Сжатые пары поступают в промежуточный холодильник, где частично охлаждаются.
Затем в трубопровод по ходу газа впрыскивается жидкий аммиак, который, попадая
в газовый поток низкого давления, испаряется и тем самым охлаждает газообразный
аммиак. Далее охлажденный аммиак проходит отделитель жидкости и всасывается во
вторую секцию 10 компрессора, где сжимается до давления конденсации. Из второй
секции компрессора сжатые пары поступают последовательно в конденсатор,
ресивер, промежуточный сосуд и испаритель (на схеме не показано). Основные
сборочные единицы аммиачных агрегатов типа АТКА унифицированы между собой и с
рядом сборочных единиц других турбоагрегатов. Корпус турбокомпрессора отлит из
чугуна. Средняя часть корпуса выполнена в виде цилиндра с продольными и
кольцевыми ребрами жесткости. Корпус имеет горизонтальный разъем. Верхняя и
нижняя половины корпуса соединяются стяжными шпильками, установленными во
фланце нижней половины. Точность взаимного положения верхней и нижней половин
корпуса фиксируется двумя коническими штифтами с резьбовым хвостовиком,
облегчающим выемку штифтов.
1 - картер; 2 - предохранительный и перепускной
(байпасный) вентиль ступени низкого давления; 3 - манометрический
пульт; 4 - предохранительный и байпасный вентиль ступени высокого
давления; 5 - корпус сальника (передняя крышка); 6 - передний
коренной подшипник; 7 - вентиль для регулирования давления масла;8 -
сальник; 9 - приводная муфта; 10 - маховик; 11 - поплавковый
регулирующей вентиль обратной подачи масла из нагнетательного пространства
ступени высокого давления; 12 - коленчатый вал; 13 -
противовес; 14 и 16 - промежуточные опоры вала; 15 -
шатун; 17 - охладитель масла; 18 - трубки для подачи масла
из нагнетательного пространства низкого давления; 19 - задний
коренной подшипник; 20 - щелевой фильтр; 21 - патрубок для
выпуска масляных загрязнений; 22- патрубок для спуска масла: 23-
патрубок для слива воды; 24 - привод масляного насоса; 25-масляный
насос; 26 - задняя крышка картера; 27 - рубашка для
охлаждающей воды; 28 -крышка цилиндра; 29 - нагнетательный
клапан; 30 - всасывающий клапан; 31 - уплотнительное
кольцо; 32 - поршень; 33 - поршневой палец; 34- маслосъемное
кольцо; 35-втулка цилиндра; 36 и 37 - указатели уровня
масла; 38 - вентиль для отсоса картера.
Сформулируйте II закон термодинамики. Приведите
примеры применения этого закона в технике
Второй закон термодинамики исключает
возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько
различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона. - Постулат
Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи
теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не
может перейти от холодного тела к горячему без каких либо других изменений в
системе. Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии. - Постулат Кельвина.
Процесс, при котором работа переходит
в теплоту без каких либо других изменений в системе, является необратимым, то
есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с
однородной температурой, не проводя других изменений в системе.
Реакторную установку можно
представить в виде тепловой машины, в которой осуществляется некий
термодинамический цикл.
Пароводяная смесь, образовавшаяся в
результате передачи тепловой энергии воде в активной зоне поступает в Барабан –
сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в паровую
турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины отработавший
пар направляется в конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде,
проходящей через конденсатор. Вследствие этого пар полностью конденсируется.
Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается
и направляется вновь в барабан сепаратор.
Конденсатор играет двоякую роль в
установке:
Во-первых, он имеет паровое и водяное
пространство разделенные поверхностью, через которую происходит теплообмен между
отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть
использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей.
Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения
удельного объема пара при его превращении в капельножидкое состояние наступает
вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки,
позволяет пару расширяться в турбине еще на одну атмосферу (Рк около 0,04 -
0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу.
Опишите основные виды теплопередачи, дайте понятие
теплопроводности, вычертите схемы
Существуют три основных вида теплопередачи:
- теплопроводность
- конвекция
- лучистый теплообмен. Теплопроводность
- это процесс распространения теплоты между соприкасающимися телами или частями
одного тела с разной температурой.
Температурное поле - совокупность
температур во всех точках тела для данного момента времени. Стационарное
температурное поле, или стационарный температурный режим, характеризуется
постоянством температуры с течением времени. Для перехода от нестационарного
режима (нагрев или охлаждение тела) к стационарному необходимо время для
достижения постоянной температуры Если внутри тела имеется разность температур,
то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной.
Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями
молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в
твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального
стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по
стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется
свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное). Интенсивность
теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е.
отношения DТ/Dx разности температур на концах стержня к расстоянию между ними.
Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м2) и коэффициента
теплопроводности материала.
где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а A
– площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом
теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота
передается в направлении, обратном градиенту температуры. Из закона Фурье
следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из
величин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент
температуры.
Для здания в зимних условиях последние величины практически
постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается
уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию. В таблице
представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и материалов.
Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо
лучше других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем воздух
и пористые материалы.
Теплопроводность некоторых веществ и материалов
Вещества и материалы
|
Теплопроводность,
Вт/(мD К)
|
Металлы
|
Алюминий
|
205
|
Бронза
|
105
|
Висмут
|
84
|
Вольфрам
|
159
|
Железо
|
67
|
Золото
|
287
|
Кадмий
|
96
|
Магний
|
155
|
Медь
|
389
|
Мышьяк
|
188
|
Никель
|
58
|
Платина
|
70
|
Ртуть
|
7
|
Свинец
|
35
|
Цинк
|
113
|
Асбест
|
0,08
|
Бетон
|
0,59
|
Воздух
|
0,024
|
Гагачий пух (неплотный)
|
0,008
|
Дерево (орех)
|
0,209
|
Магнезия (MgO)
|
0,10
|
Опилки
|
0,059
|
Резина (губчатая)
|
0,038
|
Слюда
|
0,42
|
Стекло
|
0,75
|
Углерод (графит)
|
15,6
|
Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями
кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов
(называемых иногда электронным газом). Движение электронов ответственно и за
электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники
тепла (например, серебро или медь) являются также хорошими проводниками
электричества. Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко
уменьшается при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K).
Это явление,
называемое сверхпроводимостью, используется для повышения
эффективности работы многих устройств – от приборов микроэлектроники до линий
электропередачи и больших электромагнитов.
Рассмотрим стационарный процесс теплопроводности через
цилиндрическую стенку длиной L,
внутренним радиусом r1, наружным радиусом r2 , с
температурой внутренней поверхности t'ст и наружной t '' ст.
Коэффициент теплопроводности материала стенки (рис.4.1).
Рисунок 4.1 - Схема теплопроводности
Для рассматриваемого случая температура меняется только по
толщине
стенки, т.е. в направлении радиуса (внутренняя и наружная
стенки имеют разную, но постоянную температуру по всей стенке, т.е. являются изотермными).
Используемая литература
1. Рахмилевич 3.3. Радзин И.М., Холодильные
компрессоры. Справочник, М., 1981
2. Киселев Г.Ф., Компрессорные установки в химической
промышленности, М., 1977
3. Скворцов Л.C., Рачинский В.А. и др. Компрессорные и насосные установки.
-М.: Машиностроение
4. Земанский М. Температуры очень высокие и очень
низкие. М., 1968
Смородинский Я.А. Температура. М., 1981
5. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. –
М.: Энергоатомиздат, 1984.