Классификация и применение газодувных машин
Содержание
Введение
. Классификация газодувных машин
. Вентиляторы
.1 Основные характеристики вентиляторов
.1.1 Объемный расход воздуха
.1.2 Давление
.1.3 Коэффициент полезного действия вентилятора
.1.4 Уровень звукового давления
.2 Классификация вентиляторов и их применение
. Газодувки
. Нагнетатели
.1 Области применения и принципиальные схемы основных видов нагнетателей
. Компрессоры
.1 Классификация компрессоров
.1.1 По принципу действия
.1.2 По способу установки и расположению рабочих органов
.1.3 По развиваемой производительности
. Применение газодувных машин на ТЭС и АЭС
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Компрессорами называются машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов. Потребление газов вообще, а сжатых в особенности, в настоящее время достаточно велико.
В качестве нижней границы давления нагнетания для компрессоров обычно принимают уровень порядка 1,5..3,0 атм (150..300 кПа) по абсолютному или 0,5..2,0 атм. (50..200 кПа) по избыточному давлению. Оборудование с более низким давлением нагнетания относят к воздуходувкам, а создающее перепад давлений менее 15 кПа - к вентиляторам. Граница между компрессорами и воздуходувными машинами не определена четко.
Применение газодувок в промышленности идет в направлении достижения различных целей[6].
.Сжатый газ является аккумулятором энергии, которая может расходоваться для привода в движение различных машин и механизмов. Таково применение сжатого газа (воздуха) в пневматических молотах, для привода пневматических инструментов в горном и строительном деле, для привода в движение механических пневматических тормозов. Примером использования сжатых газов как энергоносителя является применение его в эжекторах для перемещения различных жидкостей, а также для создания разрежения в технологических аппаратах. Газодувки, предназначенные для этой цели, должны поддерживать давление в воздухораспределительной сети на определенном заданном уровне.
2.Газодувки используются для перемещения газов по трубопроводам. Обычно применение газодувных машин, создающих небольшое давление, связано с необходимостью только перемещения газа.
Газодувки, используемые для транспортировки газов, должны удовлетворять условиям, обеспечивающим необходимую подачу.
.В технологических производствах, связанных с процессами, протекающими в газовых средах, газодувные машины должны создавать необходимое давление в системах и развивать подачу определенного количества газа, являющегося сырьем[2].
По принципу действия можно выделить ротационные (двухроторные) машины и турбовоздуходувки.
Наиболее распространенным типом газодувных и воздуходувных машин являются ротационные двухроторные объемного действия. В сравнении с газодувными машинами других типов двухроторные отличаются компактностью. Принцип действия такой машины показан ниже. Аналогичным образом работают и двухроторные вакуумные насосы[6].
1. Классификация газодувных машин
По значению развиваемого давления газодувные машины подразделяются на:
1.вентиляторы, характеризующиеся отношением давлений
ɛ=рk=рк/pн=1ч1,1.
Вентиляторы, перемещающие дымовые газы, называются дымососами. При анализе работы вентиляторов можно пренебречь влиянием сжимаемости, так как при изменении давления на 10% плотность среды меняется незначительно;
2.газодувки (воздуходувки, нагнетатели), характеризующиеся отношением давлений ɛ=1,06ч4,0. Воздуходувки, создающие разрежение, называются эксгаустерами;
3.компрессоры, характеризующиеся отношением давлений ɛ>4;
4.компрессоры (вакуум-насосы), создающие разрежение;
Вентиляторами могут быть только лопастные машины, газодувками и компрессорами-газодувные машины всех типов[1].
2. Вентиляторы
.1 Основные характеристики вентиляторов
.1.1 Объемный расход воздуха
Объемный расход воздуха вентилятора L - величина объема воздуха V, подаваемого вентилятором через некоторую поверхность S за единицу времени t.
(2.1)
Массовый расход воздуха, создаваемый вентилятором, определяется по формуле:
(2.2)
где с - плотность воздуха, кг/м3.
Это уравнение является следствием из закона сохранения массы. Из уравнения видно, что в течение некоторого промежутка времени возрастание массы, находящейся в данном объеме, должно быть равно массе среды, поступающей в этот объем, то есть
(2.3)
При этом следует помнить, что если рассматривается поток в воздуховоде, то V является средней скоростью, так как вдоль стенок воздуховода скорость равна нулю (пограничный слой), затем она возрастает и достигает максимума на линии оси симметрии потока.
Это утверждение не относится к сжимаемым средам, например, газам или парам в процессе сжатия или расширения.
.1.2 Давление
Давление (напор) - энергия, которую приобретает единица объема газа, проходящая через вентилятор. В соответствии с законом сохранения энергии, полная механическая энергия идеальной несжимаемой среды в стационарном течении сохраняется постоянной. На основании этого закона
Бернулли (швейцарский математик, 1700-1782) выведено уравнение:
, (2.4)
где Pn - полное давление, Па;
Рст - статическое давление, Па;
с - плотность (газа), кг/м3;- средняя скорость газа, м/с;
- скоростной напор или динамическое давление, Па.
На (рис. 1) показано распределение давления в воздуховодах с избыточным давлением и разряжением. Измерение этих давлений производится трубками Пито или Прандля.
Рис. 1. Распределение давлений в воздуховодах: а - с избыточным давлением; б - с разрежением
Рассмотрим воздушный поток, двигающийся по воздуховоду со скоростью V. Если один вход дифференциального манометра подключить к трубке отбора давления, ось которой находится на стенке воздуховода и перпендикулярна вектору скорости воздушного потока, а второй вход сообщен с атмосферой, то дифференциальный манометр, измеряющий разность давлений, покажет величину статического давления Рст.
Если трубку отбора давления поместить в центре потока, повернув отверстие трубки навстречу потоку, то дифференциальный манометр покажет полное давление Рп.
Если отверстие трубки отбора давления поместить в центре потока, а второй вход подключить к стенке воздуховода, то на входном конце будет полное давление, а на выходном - статическое. Разность этих давлений есть скоростной напор или динамическое давление. Исходя из уравнения Бернулли,
(2.5)
Для воздуха, приняв с = 1,2 кг/м3 получим
,
.1.3 Коэффициент полезного действия вентилятора
Если каждой единице объема воздуха, прошедшей через вентилятор, сообщается давление , то полезная мощность воздуха, выходящего из вентилятора, составит:
Электродвигатель вентилятора потребляет электрическую мощность Nэ. Эта мощность преобразуется в механическую мощность на валу электродвигателя Nв. Мощность на валу меньше потребляемой мощности и зависит от КПД электродвигателя зз:
(2.7)
Часть мощности на валу передается потоку воздуха, проходящему через вентилятор, и является полезной мощностью.
Полезная мощность вентилятора меньше чем мощность на валу на величину потерь мощности в вентиляторе. Потери мощности в вентиляторе включают потери при различных видах трения в рабочем органе вентилятора (механические потери), потери из-за утечек и перетоков воздуха из области высокого давления в область низкого давления (объемные потери), потери из-за аэродинамических сопротивлений в рабочем колесе, в деталях привода и подачи воздуха. Эти потери учитываются КПД нагнетателя зн:
(2.8)
Таким образом, полезная мощность вентилятора равна:
(2.9)
Для однофазных электродвигателей:
(2.10)
Для трехфазных электродвигателей:
, (2.11)
где Iф, Uф - фазные ток и напряжение;
- косинус ц электродвигателя.
Для уменьшения аэродинамических потерь при установке вентилятора необходимо предусматривать прямые участки стабилизации воздушного потока l с обеих сторон от вентилятора (l > 6D, D - диаметр вентилятора). Минимальные длины стабилизирующих участков должны составлять 1,5 диаметра колеса со стороны всасывания и 3 диаметра - со стороны нагнетания.
.1.4 Уровень звукового давления
Различают уровни звукового давления в воздуховоде со стороны всасывания, со стороны нагнетания и уровни звукового давления, передаваемые в окружающую среду.
Звуковое давление (шум) является важной характеристикой вентилятора. У всех вентиляторов уровень шума увеличивается с возрастанием окружной скорости рабочего колеса. Поэтому при одном и том же числе оборотов шумы вентилятора больших размеров могут увеличиваться. С уменьшением КПД шум вентилятора также увеличивается.
При установке вентиляторов в зонах, где работают люди, используют специальные вентиляторы шумозащищенного исполнения. Иногда все же приходится принимать дополнительные меры для подавления шумов, такие как выбор оптимального режима работы, повышение КПД, уменьшение частоты вращения, улучшение аэродинамических характеристик сети, установка шумоглушителей, облицовка корпуса звукоизолирующим материалом[3].
2.2 Классификация вентиляторов и их применение
Вентилятором называется устройство, предназначенное для создания избыточного давления воздуха или другого газа (до 15 кПа) при организации воздухообмена, транспортировании аэросмесей по трубопроводам.
Осевым вентилятором называется вентилятор, в котором воздух (или газ) перемещается вдоль оси рабочего колеса, приводимого в движение электродвигателем.
Рис.2. Схема осевого вентилятора: 1 - корпус; 2 - рабочее колесо; 3 - обтекатель
В центробежных вентиляторах перемещение воздуха происходит под воздействием центробежных сил, которые возникают при вращении рабочего колеса. Преобразование кинетической энергии воздуха в потенциальную, то есть повышение давления воздуха при уменьшении скорости, обеспечивается расширяющейся частью корпуса - диффузором.
Вентиляторы соединяются с электродвигателем непосредственно (жесткое соединение, эластичная муфта) или через передачу (клиноременная, механическая регулируемая).
Центробежный вентилятор состоит из спирального кожуха и рабочего колеса с лопатками. При вращении рабочего колеса воздух попадает в каналы между его лопатками и вытесняется ими к периферии колеса. Под действием центробежных сил воздух отбрасывается в спиральный кожух и далее направляется в нагнетательное отверстие.
Конструктивное устройство центробежного вентилятора простейшего типа представлен на (рис. 3).
Рис. 3. Трехзаходный винтовой компрессор: Рабочее колесо: 1 - ступица, 2 - основной диск, 3- рабочие лопатки, 4 - передний диск, 5 - лопастные решетки; 6 - шкив привода вентилятора; 7- корпус; 8 - станина; 9 - подшипники; 10 и 11 - фланцы крепления всасывающей и напорной труб.
Конструктивная форма и размеры вентилятора определяются его подачей, давлением и частотой вращения
Изготавливаются вентиляторы одностороннего и двухстороннего всасывания, правого и левого вращения.
Рис. 4. Схемы конструкций рабочих колес центробежных вентиляторов
Формы конструкций рабочих колес вентиляторов указаны на (рис. 4).
Барабанная (а) и кольцевая (б) формы свойственны вентиляторам низкого давления с лопатками, загнутыми вперед; формы б, в и г характерны для вентиляторов низкого, среднего и высокого давлений с лопатками, загнутыми назад.
Центробежные вентиляторы по создаваемой разности полных давлений (при плотности воздуха на входе с=1,2 кг/м3) можно разделить на три группы:
·низкого давления - с разностью полных давлений до 100 Па;
·среднего давления - до 300 Па;
·высокого давления - до 1500 Па.
Центробежные вентиляторы также могут быть:
·общего назначения;
·специального назначения.
Вентиляторы общего назначения предназначены для перемещения воздуха и других газовых смесей, агрессивность которых по отношению к углеродистым сталям обычного качества не превышает агрессивность воздуха с температурой до 80°С. Кроме этого, переносимые воздух и газовые смеси не должны содержать пыль и другие твердые примеси в количестве, превышающем 100 мг/м3, а также липкие вещества и волокнистые материалы. Для вентиляторов двухстороннего всасывания с расположением ременной передачи в перемещаемой среде температура перемещаемой среды не должна превышать 60°С.
Рис. 5. Стандартные положения корпусов вентиляторов общепромышленного назначения
Радиальные вентиляторы имеют диаметр колес от 0,25 до 2,0 м. Колесу присваивается номер, выраженный в дециметрах (2,5-20), который численно равняется диаметру колеса.
Рис. 6. Радиальный вентилятор
Вентиляторы специального назначения применяются для работы в агрессивных средах: для перемещения газа с высокой температурой, газопаровоздушных, взрывоопасных смесей и др. По назначению эти вентиляторы подразделяются на пылевые, коррозионно-стойкие, искрозащищенные, тягодутьевые, шахтные, мельничные и др.
Вентиляторы, предназначенные для перемещения невзрывоопасных неабразивных пылегазовоздушных смесей с различными механическими примесями, называются пылевыми.
В обозначении этих вентиляторов добавляется буква П. Пылевые вентиляторы применяются для удаления древесных стружек, металлической пыли от станков, пневмотранспорта для зерна и в других целях. Чтобы транспортируемые материалы не застревали в рабочем колесе и корпусе, число лопаток делается небольшим и увеличивается зазор между входным патрубком и колесом. Вследствие этого КПД пылевых вентиляторов низкий.
В конструкциях коррозионно-стойких вентиляторов, предназначенных для перемещения агрессивных смесей, применяются материалы, устойчивые к воздействию этих смесей (нержавеющая сталь, титановые сплавы, винипласт, полипропилен).
Искрозащищенные вентиляторы подразделяются на вентиляторы с повышенной защитой от искрообразования и искробезопасные вентиляторы. В вентиляторах с повышенной защитой от искрообразования предусмотрены меры, обеспечивающие защиту от возникновения опасных искр только в режимах нормальной работы вентилятора. Такие вентиляторы изготавливаются из алюминиевых сплавов или разнородных металлов. В искробезопасных вентиляторах предусмотрены меры защиты от искрообразования как при нормальной работе, так и при возможном кратковременном трении рабочего колеса о корпус вентилятора. Эти вентиляторы выполнены на основе алюминиевых сплавов с антистатическим пластмассовым покрытием (графитонаполненный полиэтилен или графитонаполненный пентопласт). Электропривод имеет взрывозащищенное исполнение.
Тягодутьевые вентиляторы различают двух видов: дымососы и дутьевые.
Дымососы применяют для отсасывания дымовых газов с температурой до 200°С. Поскольку газы содержат твердые частицы золы, вызывающие износ деталей дымососа, лопатки рабочего колеса делают утолщенными, а внутреннюю поверхность обечайки корпуса покрывают
броневыми листами. Ходовая часть дымососов имеет охлаждающий элемент в виде термомуфты или змеевика охлаждения масла в узле подшипников. Поэтому корпусы подшипников ходовой части дымососов изготавливают в виде литых или сварных коробок, внутри которых находится масло. В обозначении дымососа, например DH-15, используются следующие индексы: D - дымосос, Н - лопатки рабочего колеса загнуты назад, 15 - диаметр рабочего колеса в дециметрах.
Дутьевые вентиляторы предназначены для подачи воздуха в топочные камеры котельных установок. Изготавливаются дутьевые вентиляторы номеров 8-36.
Рис. 7. Дутьевой вентилятор
Вентиляторы горячего дутья типа ВГД и ГД предназначены для подачи первичного воздуха с температурой до 400°С. Устанавливать дутьевые вентиляторы можно только после аппаратов очистки. До вентиляторов и после них необходимо устанавливать тепловые компенсаторы расширения проводящих и отводящих участков сети.
Мельничные вентиляторы предназначены для пневматического транспортирования неагрессивной угольной пыли в системах пылеприготовления котлоагрегатов.
Шахтные вентиляторы используют в вентиляционных системах рудников для обеспечения больших расходов и давлений воздуха.
Диаметральный вентилятор имеет рабочее колесо барабанного типа и несимметричный коленообразный корпус. Несимметричное расположение рабочего колеса обеспечивает образование потока воздуха в сторону меньшего сечения. Диаметральные вентиляторы с широкими колесами могут подсоединяться непосредственно к воздуховодам, имеющим сечение в форме вытянутого прямоугольника. Диаметральные вентиляторы могут создавать значительные давления даже при невысоких окружных скоростях рабочих колес, поскольку поток воздуха дважды пересекает лопаточное колесо. Однако диаметральные вентиляторы имеют низкий КПД. По этой
причине они применяются в установках, в которых требуется плоский равномерный поток воздуха одинаковой ширины, а именно в воздушных завесах, фанкойлах, внутренних блоках сплит-систем.
Рис.8. Вентилятор диаметрального сечения
Рис.11. Прохождение воздушного потока через диаметральный вентилятор.
Осевые вентиляторы применяются в системах приточно-вытяжной вентиляции при суммарных потерях полного давления вентиляционной сети до 35 Па. Максимальная окружная скорость рабочего колеса - до 60 м/с[4].
3. Газодувки
вентилятор нагнетатель компрессор газодувный
Высокое давление газа очень востребовано во многих отраслях промышленности. Газодувка - вид нагнетательной машины, которая приводится в действие приводным двигателем через упругую муфту. По давлению нагнетаемого воздуха или газа данное устройство находится между компрессором и вентилятором.
Газодувки широко используются в промышленности для работы с воздухом и практически с любыми технологическими газами - как с инертными, так с агрессивными и ядовитыми. Газодувки могут эксплуатироваться в любых условиях, даже в самых тяжелых. Так, они находят активное применение при подаче газов в нефтеперерабатывающей промышленности, при подаче технологического газа при производстве стали, при откачке метана из угольных шахт, на цементных и известковых заводах, в установках очистки сточных вод и т.д.
По принципу действия газодувки делятся на 2 типа: ротационные (см. рис. 12) и турбовоздуходувки (см. рис. 13). В промышленности наибольшее распространение получили ротационные двухроторные газодувки, предназначенные для безмасляного сжатия газа. В рабочей камере устройства находится пара роторов, соединенных между собой с помощью синхропередачи и выполняющих функцию вращающихся поршней. Их синхронное вращение обеспечивает поперечный перенос газа от входного (всасывающего) патрубка к выходному (нагнетательному), в котором и происходит его сжатие. Подавать масло в рабочие камеры нет необходимости, поскольку конструкция газодувок обеспечивает работу при бесконтактной работе роторов. Подобные агрегаты имеют на выходе датчик давления и температуры. Комплектация газодувок устройствами управления и контроля повышает эффективность их работы и облегчает труд оператора.
Конструкция газодувок обеспечивает следующие их особенности:
·компактность конструкции не мешает обеспечению высокой производительности;
·устройство обеспечивает надежную работу в течение длительного времени, малочувствительно к запыленности;
·отсутствие смазки в рабочей камере обеспечивает возможность применения газодувок для технологических процессов, в которых необходим сжатый воздух (газ) без примесей масла;
·в соответствии с желанием заказчика газодувки комплектуются необходимым дополнительным оборудованием;
·газодувки просты в техническом обслуживании, что значительно облегчает работу оператора[7].
Рис.12. Ротационная газодувка
Рис.13. Общий вид турбовоздуходувки: 1 - промежуточная часть корпуса турбины (нижняя), 2 - часть корпуса турбины с газопроводящими каналами, 3 - часть корпуса турбины с воздушными каналами, 4 - канал для подвода газа к турбине, 5 - подвод воздуха к насосу, 6 - кольцо сопловых камер, 7 - улитка воздушного насоса, 8 - колесо центробежного воздушного насоса, 9 - сменная стальная втулка на конце вала, 10 - маслосбрасывающее кольцо, 11 - выход сжатого воздуха
4. Нагнетатели
Нагнетатели - нагнетательные машины для перемещения капельных жидкостей называются насосами, а газов - вентиляторами и компрессорами. По развиваемому давлению область применения насосов и компрессоров практически не ограничена, а вентиляторов в соответствии с рекомендациями СЭВ ограничивается 30 кПа, а в соответствии с нашими ГОСТами - 15 кПа. Компрессоры для небольших давлений, когда не требуется охлаждать сжимаемый газ, часто называют воздуходувками.
По принципу действия нагнетатели разделяются на объемные (см. рис. 14) и лопастные (см. рис. 15).
Объемные нагнетатели, работающие при поступательном движении рабочего органа, - это поршневые, при вращательном - пластинчатые и зубчатые. По принципу действия нагнетатели разделяются на объемные (см. рис.14) и лопастные (см. рис.15).
Рис.14. Объемный нагнетатель.
Все лопастные нагнетатели, работающие при вращательном движении рабочего органа (колеса), - центробежные (радиальные), осевые, вихревые. Центробежные насосы так и продолжают называться центробежными, а центробежные вентиляторы теперь стали называться радиальными.
Центробежные (радиальные) нагнетатели, главным образом в применении для газов, бывают прямоточные, смерчевые, дисковые и несколько условно - диаметральные.
Давление в объемных нагнетателях повышается за счет непосредственного сжатия жидкости, а в лопастных - при ее закручивании.
Рис.15. Схема работы лопастного нагнетателя.
Нагнетатели классифицируются также по целому ряду других признаков - например, в зависимости от привода - электрические, пневматические, паровые, ручные; вида соединения - одноступенчатые, многоступенчатые, параллельные (двойного всасывания); особенностей расположения - насосы вертикальные, погруженные (артезианские), вентиляторы - крышные; используемые для перемещения нагретых жидкостей - насосы сетевые и конденсатные, вентиляторы-дымососы; для перемещения жидкостей с твердыми примесями - насосы фекальные (канализационные), баттерные (гидрозолоудаление), песковые, землесосные, шламовые, вентиляторы - пылевые, смерчевые, мельничные (для пылевидного топлива); для перемещения агрессивных жидкостей - насосы кислотные, бензиновые; вентиляторы, защищенные от взрыва, коррозии и др.
4.1 Области применения и принципиальные схемы основных видов нагнетателей
Поршневые (см. рис. 16). В цилиндрическом корпусе плотно размещается поршень, при движении которого в одну сторону жидкость через клапан засасывается, а при движении обратно через другой клапан нагнетается. Достоинством поршневых нагнетателей является высокий КПД, возможность создания больших давлений и практическая независимость производительности от противодавления. Недостатки - громоздкость и затруднительность непосредственного соединения с электродвигателем, сложность регулирования, неравномерность подачи из-за наличия клапанов. Поршневые нагнетатели используются в качестве насосов и компрессоров.
Рис.16. Схема поршневого нагнетателя: 1 - цилиндр; 2 - открытый торец; 3 - поршень; 4 - нагнетательная емкость; 5- входное отверстие; 6 - нагнетательный патрубок; 7 - зазор; 8 - зазор
Пластинчатые или шиберные (см. рис. 17). В цилиндрическом корпусе эксцентрично расположен ротор с выскальзывающими при вращении под действием пружин или возникающих центробежных сил из пазов пластин, которые, прижимаясь к внутренней поверхности корпуса, вытесняют жидкость через нагнетательный патрубок, одновременно производя засасывание через другой патрубок. Обратное перетекание жидкости предотвращается ввиду минимального зазора между корпусом и расположенным в нем ротором.
Воздействие на жидкость в поршневом и пластинчатом нагнетателях аналогично, но здесь имеет место более удобное вращательное движение и не требуются клапаны.
К недостаткам следует отнести сравнительно низкий КПД ввиду потерь через торцевые зазоры и трения пластин, которые быстро изнашиваются и при загрязнении жидкости твердыми примесями могут заклиниваться.
Обычно эти нагнетатели используются в качестве компрессоров, но в специальном исполнении, когда жидкость пластинами не сжимается, а только переносится, и в качестве насосов[8].
Рис.17. Схема шиберного нагнетателя
Зубчатые или шестеренные (см. рис. 18). В открытом с двух сторон плоском корпусе располагается с минимальным торцевым зазором пара сцепленных между собой шестерен. Зубья шестерен при вращении захватывают жидкость и переносят ее со стороны всасывания в сторону нагнетания, не пропуская ее обратно через сцепление зубьев. Эти нагнетатели конструктивно достаточно просты, компактны, нет клапанов, но имеют малую производительность и недостаточно высокий КПД ввиду потерь через торцевые зазоры и трения в сцеплении шестерен. Они используются преимущественно в качестве насосов, причем особенно успешно для перекачки таких вязких жидкостей, как масло. В двузубчатом исполнении они используются и в качестве компрессоров[9].
Рис.18. Схема нагнетателя восьмерочного типа: 1 - корпус; 2 - рабочее колесо
Вихревые (см. рис. 19). В цилиндрическом корпусе с присоединенными по касательной двумя патрубками располагается ротор с радиально выступающими лопастями. Между концами лопастей и внутренней поверхностью корпуса образуется кольцеобразная полость, перекрываемая между патрубками перемычкой. При вращении ротора поступающая через один из патрубков жидкость увлекается и переносится по окружности к другому патрубку, сжимаясь при этом ввиду неоднократного перетекания из полости на лопасти и обратно. У этих нагнетателей невысокий КПД, но они реверсивны и создают значительные давления при ограниченных подачах. Успешно используются в качестве насосов.
Рис.19. Вихревой нагнетатель
Осевые (см. рис. 20). В цилиндрическом корпусе (обечайке) по его оси располагается с минимальным зазором рабочее колесо в виде втулки с радиальными профилированными лопастями, при вращении которого образуется перемещение жидкости в направлении оси вращения. Они развивают небольшие давления, но имеют высокий КПД, реверсивны и используются в качестве насосов и вентиляторов, а для газов при многоступенчатом соединении и в качестве компрессоров[8].
Рис.20. Одноступенчатый осевой нагнетатель с сопловым устройством
5. Компрессоры
Компрессор - это устройство сжатия и подачи воздуха под давлением.
.1 Классификация компрессоров
.1.1 По принципу действия
Поршневые компрессоры
Принцип действия основан на сжатии газа в замкнутом пространстве при уменьшении его объема. Изменение объема происходит вследствие возвратно-поступательного движения поршня в полости цилиндра.
Поршневые компрессоры применяют преимущественно на сравнительно небольшие подачи и большие давления. Подача их лежит в диапазоне от 1 л/мин до 500 м 3/мин и давление до 150 МПа (1500 кгс/см 2) и больше.
Поршневые компрессоры используют во многих отраслях техники и народного хозяйства, особенно в химической, пищевой и фармацевтической промышленности. Большое применение находят поршневые компрессоры для различного пневматического инструмента. Важным преимуществом поршневых компрессоров перед лопастными машинами является независимость создаваемого ими давления от подачи. К их недостаткам следует отнести громоздкость, сложность конструкции, а также наличие специальных ресиверов, масло и влагоотделителей.
Рис.21. Конструктивная схема поршневого компрессора: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - рубашка для охлаждения цилиндра; 4 - шатун; 5 - кривошип коленчатого вала; 6 - станина-картер; 7 - всасывающий клапан; 8 - всасывающий патрубок; 9 - нагнетательный патрубок; 10 - нагнетательный клапан; 11 - рубашка для охлаждения крышки; 12 - крышка цилиндра
Классификация поршневых компрессоров:
1.По принципу действия - компрессоры с цилиндрами простого (см. рис. 21), двойного (рис. 22) действия, с дифференциальным цилиндром (см. рис. 23).
Рис. 22. Схема горизонтального поршневого компрессора двойного действия
На (рис. 22) приведена схема поршневого компрессора двойного действия. Основными узлами компрессора, как видно из схемы являются цилиндр 1, поршень 2, нагнетательный патрубок 3, нагнетательный клапан 4, задняя крышка цилиндра 5, сальник 6, шток 7, крейцкопф 8, шатун 9, кривошип коленчатого вала 10, коленчатый вал 11, станина 12, рубашка для охлаждения задней крышки 13, всасывающий патрубок 14, всасывающие клапаны 15, передняя крышка цилиндра 16, рубашка передней крышки 17, рубашка для охлаждения цилиндра 18.
Рис. 23. Схема поршневого компрессора с дифференциальным цилиндром
2.По числу ступеней сжатия - одноступенчатые (см. рис. 24), двухступенчатые (см. рис. 24а, 24б, 24в, 24г), трехступенчатые (см. рис. 25) и более. В современных компрессорах число ступеней не превышает обычно семи.
Рис.24. Схемы поршневых двухступенчатых компрессоров
Рис.25. Схема поршневого трехступенчатого компрессора
Примечание. Сплошные линии указывают движение газа, происходящее в компрессоре в данный момент, штриховые линии - движение газа при обратное ходе поршня. Римскими цифрами обозначены номера ступеней.
3.По числу цилиндров - одноцилиндровые (рис. 23), двухцилиндровые (рис. 25, рис. 24б, рис. 24в, рис.2 4г), трехцилиндровые (рис. 24а) и более.
4.По числу рядов, в которых располагаются цилиндры, - однорядные (см. рис. 24в), двухрядные (рис. 26) и многорядные.
Рис. 26. Схема одноступенчатого двухцилиндрового компрессора
5.По ориентации цилиндров в плоскости - угловые (см. рис. 24б) и компрессоры, включающие U-образное расположение цилиндров (см.рис. 24а).
6.Компрессоры со встречным (оппозитным) движением поршней (см. рис. 24г).
.По подаче (малой, когда Q до 10 м3/мин, средней Q=10-15 м3/мин, большой Q=50-500 м3/мин).
Кроме того известны компрессоры с водяным и воздушным охлаждением. Водяное охлаждение применяется в основном на компрессорах большой производительности.
Центробежные компрессоры
Центробежные компрессорные машины в зависимости от степени повышения давления принято именовать: вентиляторами, когда степень повышения давления е <1,1, нагнетателями (воздуходувками или газодувками) при е > 1,1, работающими без охлаждения, и собственно компрессорами, когда степень повышения давления е > 1,1 при наличии охлаждения сжимаемого газа. Центробежные компрессоры применяются для больших подач газа и сравнительно небольших давлений. Используются: в газотурбинных установках, металлургической, горнодобывающей, нефтяной промышленности, при транспортировке природного газа и т. д.
Центробежный компрессор относится к группе лопастных машин и по своему конструктивному оформлению имеет много общего с центробежным насосом. Некоторые отличия их от насосов заключены в конструкциях рабочих колес, неподвижных элементах ступени, вызванные сжимаемостью перекачиваемой среды.
На (рис. 27) изображен продольный разрез центробежного компрессора Невского завода им. Ленина. Основными деталями проточной части компрессора являются подводящие и отводящие устройства, корпус, рабочие колеса и неподвижные элементы, расположенные перед и за рабочими колесами.
Повышение энергии потока газа осуществляется только на рабочем колесе. Неподвижные элементы компрессора предназначены для подвода газа к рабочему колесу, преобразования его кинетической энергии в потенциальную (скоростной напор в давление), сбора газа, выходящего из рабочего колеса, подвода газа к следующей ступени и отвода его с заданными параметрами в напорный трубопровод.
Рис. 27. Центробежный компрессор
Центробежные компрессоры могут быть как одноступенчатыми, так и много ступенчатыми. В последних сжатие газа производится в несколько
последовательных стадий (ступеней), которые могут быть промежуточными и концевыми. Сжатый газ из промежуточной ступени поступает в следующую ступень без предварительного охлаждения.
При вращении рабочего колеса в зонах, расположенных у оси вращения, давление газа уменьшается по сравнению с давлением во всасывающем трубопроводе, за счет чего образуется непрерывный поток, перемещающийся через проточную часть колеса.
При работе одного колеса и диффузора, образующих ступень центробежного компрессора, степень сжатия газа е = 1,6. ..2,0. Величина е зависит от размеров и формы колеса и диффузора, а также от частоты вращения.
Ступени, из которых газ поступает в промежуточный или в конечный охладитель перед подачей в напорную систему, называются концевыми.
На рис. 28 представлена схема промежуточной и концевой ступеней центробежного компрессора; Газ из рабочего колеса 1 промежуточной ступени поступает в диффузор 2, затем в обратный направляющий аппарат 3, откуда забирается рабочим колесом 5 последующей ступени и через диффузор 4 попадает в нагнетательную камеру (улитку). Комплекс рабочее колесо - диффузор - обратный направляющий аппарат и является ступенью центробежного компрессора.
Рис. 28. Схема промежуточной и концевой ступеней центробежного компрессора
В центробежных компрессорах создание напора и перемещение газов производятся при воздействии лопаток вращающегося колеса на частицы газа, находящиеся в корпусе машины. В процессе вращения колеса и перемещения газа от центра к периферии (улитке) колеса происходит процесс сжатия, т. Е. процесс непрерывного изменения термодинамических параметров состояния р и Т.
Для охлаждения газа предусмотрено внутреннее и внешнее охлаждение. При внешнем охлаждении газ, прежде чем попасть дает в следующую ступень, проходит через холодильник, а при внутреннем охлаждении корпус холодильника имеет "рубашку", через которую прокачивается охлаждающая вода.
Ротационные компрессоры
Роторные компрессорные машины (РКМ) так же, как и поршневые, относятся к классу объемных машин. В отличие от поршневых у них рабочие органы имеют не возвратно-поступательное, а вращательное движение. Принцип их действия основан на изменении рабочего объема корпуса машины вращающимися рабочими органами. В них допускаются большие скорости, в связи с этим они значительно меньше поршневых по габаритам и их подача практически равномерна. Роторные
Ротационно-пластинчатый компрессор изображен на рисунке 29.
Рис. 29. Ротационный пластинчатый компрессор
Газ поступает в компрессор через всасывающий патрубок 1. При вращении ротора 2 рабочие пластины 4 отбрасываются центробежной силой, выдвигаются из пазов б и скользят по поршневым кольцам 6. Сжатие газа
происходит в отсеках а, ограниченных двумя пластинами и поверхностями ротора и корпуса 3. Как видно из схемы, в этом случае при вращении ротора пластины вдвигаются в его пазы, обеспечивая непрерывное уменьшение рабочего объема. В нагнетательный трубопровод сжатый газ поступает через патрубок 5. В зоне г пластины полностью утоплены в пазы ротора, который прижат к корпусу, что должно исключать прорыв газов со стороны нагнетания при всасывании. В ротационно-пластинчатых компрессорах предусмотрены водяные рубашки охлаждения в.
Жидкостно-кольцевые компрессоры
Жидкостно-кольцевые компрессоры (рис. 30) являются разновидностью ротационно-пластинчатых компрессоров.
Рис.30. Схема жидкостно-кольцевого компрессора
В этом случае при вращении эксцентрично размещенного в корпусе 2 рабочего колеса (ротора) с лопатками 1 и подаче жидкости образуется жидкостное кольцо 5.
Подобно ротационно-пластинчатым машинам в жидкостно-кольцевом компрессоре сжатие газа, поступающего в компрессор ив патрубка 3, осуществляется в отсеках а, образуемых поверхностями жидкостного кольца и ротора, расположенного по отношению к корпусу 2 с эксцентриситетом е, и ограниченных лопатками рабочего колеса. В зоне всасывания происходит увеличение объема отсеков и заполнение их газом, в зоне нагнетания - уменьшение объема отсеков, сжатие газа и выхлоп в нагнетательный патрубок 4.
Количество жидкости в компрессорах должно быть достаточным для исключения зазора между цилиндрической частью ротора и жидкостным кольцом в промежуточной зоне б. Лопатки ротора не касаются цилиндра компрессора, в результате чего исключается значительная доля потерь на механическое трение и износ лопаток. В этом и заключается смысл применения в компрессоре жидкости, которая служит также для уплотнения зазоров, охлаждает газ и осуществляет смазку трущихся деталей.
Недостаток компрессоров этого вида низкий общий к. п. д. составляющий около 0,05.
Высокий объемный к. п. д. вследствие хорошего уплотнения зазоров жидкостью обусловил применение компрессоров этого вида в качестве вакуумных для создания разрежения.
В этом случае ротационные жидкостно-кольцевые компрессоры известны под названном вакуум-насосов, что неточно определяет их назначение и характер процессов, протекающих в них.
Конструкции машин для вышеуказанного применения позволяют достигать разрежение в 98%. Для повышения к. п. д. лопасти выполняют загнутыми назад, а корпус виде эллипса.
Рис.31. Схема водокольцевого компрессора двустороннего действия
Винтовые компрессоры
Винтовые компрессоры являются дальнейшей ступенью развития роторных компрессоров, сочетающих в себе положительные качества центробежных и поршневых машин. Винтовой компрессор двухроторный. В поперечном сечении роторы представляют собой взаимосопряженную зубчатую пару (рис. 32). Ведущий ротор может иметь трех- или четырехзаходную нарезку, ведомый - пяти- или шестизаходную. Имеются винтовые роторы, у которых ведущий и ведомый имеют трехзаходные нарезки. Форма профиля зуба сложная, выполнена по специальным циклоидальным кривым. Роторы при вращении взаимно не соприкасаются. Вращение ведомого ротора осуществляется самим перемещаемым газом. Синхронизирующие шестерни воспринимают лишь небольшую долю крутящего момента, поэтому в таких компрессорах практически отсутствует износ корпуса и роторов.
Вход и выход газа из компрессора, как показано на (рис. 32) располагают по диагонали. Цикл работы компрессора осуществляется следующим образом. Газ через всасывающий патрубок (расположенный в нижней части торца компрессора) поступает в межвинтовые впадины, образованные выходящими из зацепления винтовыми парами. При дальнейшем вращении впадины замыкаются между поверхностями роторов и корпуса, зуб одного ротора будет входить во впадину другого. Таким образом, с одновременным перемещением газа вдоль оси компрессора осуществляется и его сжатие.
Рис.32. Трехзаходный винтовой компрессор: а - поперечное сечение (1 - ведущий ротор; 2 - ведомый ротор); б - продольное сечение (1 - всасывающий патрубок, 2 - корпус, 3 - ведущий ротор, 4 - ведомый ротор; 5 - подшипник, 6 - синхронизирующие шестерни, 7 - напорный патрубок)
Достоинства винтовых компрессоров
·длительный ресурс работы;
·высокая надежность;
·простота монтажа и подключения;
·возможность непрерывного круглосуточного функционирования;
·низкий уровень шума;
·наличие системы автоматического управления;
·сравнительно небольшие эксплуатационные затраты.
Однако конечное давление в современных ротационных компрессорах не превышает 1,2 МН/м2, что несколько ограничивает диапазон их применения. Кроме того, большие потери на трение и в связи с
этим повышенный износ в ротационных компрессорах некоторых типов приводят к определенным трудностям в организации их ремонта: небольшие сроки межремонтного пробега, необходимость наличия запасных деталей и т.д.
Несмотря на это, ротационные компрессоры находят все более широкое применение в технологиях нефтехимических, химических и газовых производств, в холодильном деле и вакуумной технике.
.1.2 По способу установки и расположению рабочих органов
По способу установки - стационарные и передвижные компрессоры. На предприятиях нефтехимии используются в основном стационарные компрессоры, установленные на фундаментных основаниях.
По расположению рабочих органов (штоков, поршней, валов рабочих колес и др.) - горизонтальные, вертикальные и наклон - .. 1ые компрессоры. Центробежные и осевые компрессоры, как правило, горизонтальные. Наклонные рабочие органы (цилиндры) встречаются у некоторых поршневых компрессоров, имеющих несколько цилиндров (например, 2 - 4 цилиндра).
В настоящее время применяют компрессоры (поршневые), которые имеют вертикальные и горизонтальные цилиндры (так называемые угловые компрессоры), а также компрессоры с встречным движением поршней (оппозитное расположение цилиндров).
.1.3 По развиваемой производительности
·Малые компрессоры производительностью до 0,015 м3/с;
·Средние компрессоры производительностью от 0,015 до 1,5 м3/с;
·Крупные компрессоры производительностью 1,5 м2/с.
Следует отметить, что поршневые компрессоры, как правило, относятся к разряду только мелких и средних компрессорных машин, а вентиляторы - к разряду средних и крупных машин. Созданы конструкции осевых вентиляторов, производительность которых составляет 22 - 15 м 3/с[2].
6. Применение газодувных машин на ТЭС и АЭС
Газодувная машина предназначена для осуществления циркуляции теплоносителя. Исходя из ее назначения и особенностей эксплуатации газовых реакторов к газодувной машине предъявляются следующие требования. Она должна иметь определенную степень сжатия при номинальной объемной производительности; нормально работать в заданном интервале по производительности; исключать возможность утечки теплоносителя из контура и не допускать нагечки в контур атмосферного воздуха; не загрязнять контур посторонними примесями (смазочно-охлаждающими жидкостями, продуктами износа вращающихся частей и др.); быть ремонтопригодной с учетом реального расположения, доступности и радиационной обстановки при ремонте и не требовать местного обслуживания, так как она размещается в помещениях, недоступных для посещения при работе реактора.
В табл. 1 приведены характеристики некоторых газодувных машин, применяемых на различных АЭС.
Табл.1. Основные характеристики газодувных машин
В качестве привода для газодувной машины используются электродвигатели или трубопроводы. Привод может быть как выносным, так и встроенным. Тип привода оказывает наиболее существенное влияние на конструкцию газодувной машины. Кроме того, на конструкцию газодувки влияют также требуемый напор и компоновка в реакторе.
В случае применения выносного привода газодувка соединяется с ним с помощью муфты. В случае встроенного привода рабочие органы газодувки и привода крепятся на общем валу и размещаются в общем корпусе, что позволяет создать герметичную газодувную машину.
Применение выносных приводов требует наличия в конструкции газодувки специальной сложной системы уплотнения вала, выходящего в атмосферу, которое должно надежно герметизировать газовый контур во всех режимах работы реактора и газодувки, предотвращая как утечки теплоносителя, так и натекание в контур атмосферного воздуха. Условия работы выносного привода более благоприятны, чем встроенного. Применение выносных приводов оправдано при больших мощностях газодувных машин (более 8 МВт).
По расположению существуют три типа газодувок: горизонтальное, вертикальное снизу реактора и вертикальное сверху реактора (см. рис. 34). Во всех случаях газодувку желательно размещать на "холодной" ветке, т. е. после теплообменного аппарата (парогенератора или технологического теплообменника).
Рис.34. Варианты расположения газодувок: а - горизонтальное; б - вертикальное внизу реактора; в - вертикальное сбоку; 1 - активная зона; 2 - парогенератор; 3 - газодувка
Вертикальное расположение газодувки снизу реактора менее опасно с точки зрения загрязнения контура смазочно-охлаждающей жидкостью с газодувки. Вместе с тем такое расположение усложняет монтаж и демонтаж газодувной машины. При вертикальном расположении газодувной машины сверху реактора создаются благоприятные условия для монтажа и демонтажа, но возникает повышенная опасность загрязнения контура смазочно-охлаждающими жидкостями из газодувок.
Выбор варианта расположения газодувной машины определяется в основном соображениями компоновки реактора.
Газодувки для газовых реакторов - быстроходные машины. Исходя из габаритных ограничений и условий обеспечения высокого КПД следует признать, что нижний предел по частоте вращения находится в районе 3000 об/мин. При такой частоте вращения габариты газодувных машин достигают больших значений (диаметр рабочего колеса около 1,5 м). Предел частоты вращения ограничивается прочностью вращающихся частей. В случае применения электропривода верхний предел по частоте ограничен значением 6000 об/мин. Для турбопривода верхний предел по частоте вращения находится в области 9000 об/мин[5].
Заключение
В данной работе рассмотрены различные виды газодувных машин: вентиляторы, газодувки, компрессоры. Их классификация, устройство, принцип действия, достоинства и недостатки.
В зависимости от особенностей конструкции и характеристик эти машины находят широкое применение во всех отраслях промышленности.
Газодувными машинами снабжаются реакторы АЭС для циркуляции теплоносителя, дымососы и дутьевые вентиляторы используются на тепловых электростанциях и АЭС.
Поршневые компрессоры получили широкое распространение в машиностроении, химической и холодильной промышленности, текстильном производстве. Популярность поршневых компрессоров обусловлена невысокой стоимостью, небольшими габаритами, простотой эксплуатации и ремонта, широким диапазоном воспроизводимого давления способным удовлетворить потребности практически любого предприятия.
Список используемой литературы
.Григорьев В.А., Зорин В.М. "Тепловые и атомные электростанции" - М.: Изд-во: Энергоатомиздат 1989.- 608с
2.Абдурашитов С.А., Тупиченков А.А., Вершинин И.М., Тененгольц С.М. "Насосы и компрессоры". - М.; "Недра", 1974. 296с.
.Шерстюк А.Н. "Компрессоры" М.: Госэнергоиздат, 1959. - 191 с.
.Дурнов П.И. "Насосы и компрессорные машины" учеб. пособие / П.И. Дурнов; доп. Мин. высш. и средн. спец. образ. УССР. - М.; Киев: Машгиз, 1960. - 281 с
.Будов В.М., Фарафонов В.А. "Конструирование основного оборудования АЭС."; Учебное пособие для вузов.-М.; Энергоатомиздат, 1985.-264 с.,ил.
.Газодувки и воздуходувки (обзор) // Электронный журнал энергосервисной компании "Экологические системы" // ЭСКО Портал об энергосбережении. - Режим доступа: http://www.journal.esco.co.ua/2005_6/art225.htm, свободный. - Загл. с экрана.
.Газодувки и нагнетатели // Компрессоры // Оборудование // Elde E.C. (ООО Эльде И Си). - Режим доступа: http://eldeprocess.ru/oborudovanie/kompressory/gazoduvka/, свободный. - Загл. с экрана.
.Классификация и характеристики нагнетателей // Насосы и вентиляторы // Строительный информационный портал // http://www.stroitelstvo-new.ru. - Режим доступа: http://www.stroitelstvo-new.ru/nagnetateli/klassifikacia.shtml, свободный. - Загл. с экрана.
.Шестеренные насосы // Насосы и насосное оборудование // Отраслевой информационно-аналитический портал // Allpumps.ru. - Режим доступа: http://allpumps.ru/catalog/maamar_06.htm, свободный. - Загл. с экрана.