4. Оборудование для трансформаторов теплоты.

4.1. Компрессоры.

Компрессоры по принципу работы подразделяются на машины объёмного и кинетического действия.

Компрессоры объёмного действия делятся на поршневые, мембранные, ротационные и винтовые.

К машинам кинетического действия относятся турбокомпрессоры.

Поршневые компрессоры наиболее распространены. Их основные достоинства в возможности создания более высоких давлений, чем в турбокомпрессорах, широкий диапазон по производительности, технологичность изготовления и обслуживания. Недостатки: значительные инерционные усилия, загрязнение рабочего тела маслом.

Объемная производительность поршневых компрессоров ограничена размерами цилиндров и частотой вращения вала.

Мембранные компрессоры могут быть выполнены с полностью герметичным рабочим пространством, отделенным как от приводного механизма и смазки, так и от окружаю­щей среды. Их применение целесо­образно при малых расходах рабо­чего тела.

Ротационные компрессоры по сравнению с поршневыми имеют меньшую относительную массу на единицу производительности, так как окружные скорости их роторов в 10—20 раз превышают средние скорости поршня компрессора. Во многих случаях в ротационном ком­прессоре удается осуществить про­цесс сжатия без смазки.

Поршневые компрессоры.

Процесс сжатия в поршневых компрес­сорах осуществляется в цилиндре в результате возвратно-поступа­тельного движения поршня. Современные- поршневые компрессоры, за исключением самых малых, как правило, представляют собой двух- или многоцилиндровые машины. Клапаны поршневых компрессоров самодействующие: они открываются и закрываются под действием разности давлений в соответствующей полости (всасывающей или нагнетания) и цилиндре компрессора.

В зависимости от организации процесса сжатия в цилиндре поршневые компрессоры подразделяются на компрессоры простого и двойного действия, а также на компрессоры прямоточные и непрямоточные (рис. 42).

Рис. 42. Схемы поршневых компрессоров:

а) непрямоточный простого действия; б) непрямоточный двойного действия;

в) прямоточный простого действия

В компрессоре простого действия (рис. 42 а и в) цилиндр имеет только одну полость сжатия – над поршнем, а подпоршневое пространство обычно соединяется с картером машины и нахо­дится под давлением всасывания.

В компрессоре двойного действия (рис. 42 6) обе полости (над и под поршнем) - рабочие. При дви­жении поршня вверх в полости над поршнем происходит сжатие, а в полости под поршнем - всасывание, и наоборот. Такая кон­струкция позволяет более полно ис­пользовать объем цилиндра и уве­личить производительность на единицу объема. Однако машина при этом усложняется, так как требуются клапаны в каждой полости, саль­ник для герметизации подпоршневой полости и более сложный меха­низм движения с крейцкопфом и штоком. Поэтому компрессоры двойного действия применяются только в машинах большой произво­дительности, где размеры цилиндров позволяют разместить клапаны в обеих полостях, а указанные выше не имеют большого значения.

По конструкции механизма дви­жения поршневые компрессоры раз­деляются на крейцкопфные и бескрейцкопфные.

В крейцкопфных машинах (рис. 43а) поршень приводится в движение от коленчатого вала через кривошипно-шатунный механизм, крейцкопф (ползун) и шток. В бескрейцкопфных машинах (рис. 43б) последние два элемента отсутствуют. В этих машинах пор­шень приводится в движение непо­средственно через кривошипно-шатунный механизм.

Крейцкопфные машины - это, как правило, непрямоточные маши­ны большой производительности с цилиндрами двойного действия. Они выпускаются как с вертикальным (вертикальные компрессоры), так и с горизонтальным (го­ризонтальные компрессоры) расположением цилиндров.

Рис. 43. Схемы крейцкопфных (а) и бескрейцкопфных (б) поршневых компрессоров

Бескрейцкопфные компрессоры, как правило, строятся как быстро­ходные машины (до 3000 об/мин) с вертикальным или угловым рас­положением цилиндров. Это легкие, компактные, хорошо уравновешенные машины. Число цилиндров у бескрейцкопфных ма­шин обычно не превышает 8, однако известны машины, у которых число цилиндров достигает 16.

В зависимости от числа ступеней сжатия компрессоры подразделяют­ся на одно- и многоступенчатые. В компрессорах холодильных уста­новок число ступеней сжатия обыч­но не превышает двух, у криоген­ных— четырех.

По типу привода поршневые компрессоры подразделяются на ма­шины с внешним приводом и маши­ны со встроенным электродвигате­лем.

У первого типа машин вал выве­ден из картера наружу через саль­ник. Вал компрессора соединяется с электродвигателем через клиноременную передачу или через муфту. У машин со встроенным электро­двигателем его ротор насажен не­посредственно на вал компрессора, а статор запрессован в корпус (кар­тер). Вал не выходит из картера, вследствие чего сальник в такой ма­шине .отсутствует (бессальниковые компрессоры). Электродвигатель находится в среде хладоагента, что обусловливает его интенсивное ох­лаждение.

В настоящее время переходят к бессальниковым компрессорам как к более прогрессивному типу машин.

Мембранные компрессоры.

В мембранном компрессоре объем рабочего тела меняется вследствие перемещения в полости сжатия гибкой мембраны, зажатой по периметру между профилирован­ными дисками и приводимой в дви­жение с помощью гидропривода или непосредственно от кривошипно-шатунного механизма.

Процесс сжатия в мембранном компрессоре по сравне­нию с поршневым определяется большей относительной поверхно­стью охлаждения полости сжатия. Тепло от рабочего тела отводится через мембраны, что приближает процесс сжатия к изотермическому и позволяет увеличить отношение давлений в одной ступени до 10-15. В тo же время относительно большое влияние мертвого прост­ранства вследствие малого объема полости сжатия приводит к более низким коэффициентам подачи.

В мембранном компрессоре по­лость сжатия герметично отделена от внешней среды и от смазки, что позволяет применять эти машины для сжатия таких тазов, как кисло­род, фтор, хлор, закись азота, а также в случае жестких требова­ний по чистоте сжимаемого газа. Вследствие ограничений разме­ров полости сжатия, мембранные компрессоры имеют меньшую (по сравнению с поршневыми) производительность, но и меньшее число сту­пеней.

Ротационные компрессоры.

Рота­ционными (рис. 44) называются компрессоры, в которых изменение объема совер­шается при вращении поршня (ротора).

По принципу действия они сход­ны с поршневыми, но роль поршня в них выполняют либо непосредст­венно вращающийся ротор (в малых машинах), либо пластины, располо­женные в роторе и вращающиеся в виде винтов (в винтовом компрес­соре).

Рис. 44. Схема и конструкция ротационного компрессора.

Обозначения: 1- всасывающий патрубок; 2- нагнетательный патрубок; 3- пружина; 4- пластина; 5- ротор; 6- корпус.

Ротационные компрессоры име­ют ряд преимуществ перед поршне­выми:

а) сравнительно малую массу (вследствие более высокой частоты вращения она в несколько раз меньше, чем у поршневого компрессора, при равных производительностях);

б) меньшие габариты (на единицу производительности);

в) отсутствие поступательно движущихся частей, что обеспечивает большую уравновешенность; ротационные компрессоры не требуют каких-либо специальных фундаментов и могут устанавливаться на простых сварных рамах;

г) отсутствие всасывающих и на­гнетательных клапанов (исключение составляют малые однопластинчатые компрессоры, у которых имеет­ся нагнетательный клапан). В сред­них и крупных многопластинчатых компрессорах вместо нагнетательно­го клапана за компрессором на ли­нии нагнетания устанавливается об­ратный клапан, препятствующий пе­ретеканию хладоагента во всасыва­ющую линию при остановке маши­ны.

Рабочая (серповидная) полость компрессора образуется стенками цилиндрического корпуса и экс­центрично сидящим на валу рото­ром. Пластина разделяет ра­бочую полость да две части: всасы­вающую и нагнетательную. При вращении вала в направлении, указанном стрелкой, ротор обходит рабочую полость, сжимая в ней ра­бочее тело и выталкивая его через нагнетательный патрубок. Одно­временно через всасывающий па­трубок рабочее тело поступает из всасывающей линии. Постоянное прижатие лопасти к ротору обеспе­чивается пружиной.

Винтовые компрессоры

Преимущества этого типа ма­шин обусловлены большой часто­той вращения (до 1000 об/мин), ма­лыми габаритами и массой. Габариты винтовых компрессоров в 2 - 10 раз, а масса в 10 - 100 раз меньше, чем у поршневых той же производитель­ности. Кроме того, они имеют широкий диапазон объем­ных производительностей (от 25 до 30 000 м³/ч); отсутствие клапанного распределения и трения деталей в полости сжатия и как следствие вы­сокую эксплуатационную надёж­ность.

Сжатие рабочего тела (пара или газа) в винтовом компрессоре (рис. 45) происходит в полости, образуемой цилиндрической и торцевыми стенками корпуса и винтовыми впадинами роторов. Рабочее тело поступает в рабочую полость из камеры всасывания через окно всасывания, расположенное с торца винтов. Окно нагнетания расположено частично на торцевой стенке корпуса, а частично на его цилиндрической поверхности. Расположение окон всасывания и нагнетания диагональное.

Рис. 45. Конструкция винтового компрессора.

Обозначения: 1- корпус; 2- ведущий ротор; 3- ведомый ротор; 4- синхронизирующие шестерни; 5- подшипники; 6- сальники.

При вращении роторов винтовые впадины соединяются с окном вса­сывания и заполняются рабочим те­лом. При дальнейшем вращении впадины отсекаются от полости вса­сывания, и происходит внедрение зубьев одного ротора во впадины другого, приводящее к сжатию и распространяющееся в направлении к нагнетательному окну.

Турбокомпрессоры

Объёмная производительность турбокомпрессоров значительно больше производительности машин объем­ного действия и достигает 500 тыс. м³/ч. При очень ма­лых значениях производительностей применение турбокомпрессоров ста­новится проблематичным из-за не­обходимости увеличивать частоту вращения ротора и неизбежного па­дения КПД машины, связанного с уменьшением размеров проточной части.

Отношение давлений в одной ступени турбокомпрессора ограниче­но максимально допустимыми зна­чениями окружных скоростей; по­этому машины на большие отноше­ния давлений выполняют многосту­пенчатыми. Для большинства применяемых турбокомпрессоров от­ношение давлений составляет 10—20.

По сравнению с машинами объ­емного действия турбокомпрессоры имеют ряд преимуществ:

• отсутствие загрязнения рабочего тела маслом;

• уравновешенность инерционных уси­лий;

• равномерная и непрерывная подача газа;

• возможность непосред­ственного соединения с быстроход­ным приводным двигателем;

• мень­шие масса и габариты на единицу производительности;

• больший ре­сурс;

• возможность экономичного ре­гулирования в широком диапазоне параметров изменением частоты вращения.

К недостаткам турбокомпрессоров, кроме отмеченного выше огра­ничения по отношению давлений, следует отнести также свойственное этим машинам явление неустойчи­вой работы в зоне повышенных дав­лений и малых производительно­стей, называемое помпажем. Кро­ме того, турбокомпрессоры плохо работают на легких и маловязких газах, таких как гелий и водород.

Принцип работы турбокомпрес­сора состоит в последовательном прохождении рабочего тела по межлопаточным каналам вращаю­щегося рабочего колеса и неподвиж­ного диффузора. В каналах колеса возрастает кинетическая энергия вследствие подвода работы извне (при этом может возрастать и дав­ление рабочего тела). В неподвиж­ных каналах скорость падает, а дав­ление повышается.

По направлению движения рабо­чего тела турбокомпрессоры разде­ляются на радиальные (центробеж­ные) и осевые.

Схема одной ступени радиального турбокомпрессора и треугольники скоростей приведены на рис. 46.

Рис. 46. Конструкция и треугольники скоростей центробежного турбокомпрессора

I- колесо; II- диффузор; III- обратный направляющий канал.

При вращении колеса I рабочее тело всасывается колесом, в котором происходит увеличение скорости движения рабочего тела за счёт цетробежных сил вращения. В диффузоре II кинетическая энергия рабочего тела преобразуется в потенциальную энергию давления. Далее по обратному каналу III рабочее тело направляется в следующую ступень.