Бутални компресори

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2010

Бутални компресориБутални компресориБутални компресори

Част II. Охлаждане и критерии за класификация на буталните компресори


 В настоящия брой на Инженеринг ревю продължаваме откритата в миналия брой на списанието тема за буталните компресори. Обект на разглеждане са охлаждането и видовете конструкции бутални компресори.
Охлаждане се налага при компресори с по-висока степен на сгъстяване, както и при сгъстяването на газове с по-високи стойности на показателя на адиабатата к. Причините, налагащи охлаждане на газа в компресора, са две.
Първата причина е свързана с необходимостта от намаляване на крайната температура на газа до допустима за експлоатацията стойност. Ако степента на сгъстяване е голяма и се осъществява в един цилиндър, крайната температура на процеса може да достигне недопустимо голяма стойност, при което се влошават условията за мазане на стените на цилиндъра, защото маслото започва да се изпарява. Освен това парите на маслото и на въздуха образуват взривоопасна смес. Обикновено компресорните масла имат температура на запалване 500 - 530 К. Например при степен на сгъстяване e = 8 и начална температура на въздух 293 К, ако се приеме адиабатно сгъстяване, т. е. неохлаждаем компресор, то при n = k = 1.4 се получава крайна температура 530 К, което очевидно е недопустимо.
Втората причина се състои във факта, че с охлаждане на газа в компресора се намалява необходимата работа за сгъстяването му – фиг. 1.
При буталните компресори намират приложение няколко начина на охлаждане. При вътрешното водно охлаждане се реализира охлаждане на стените и капаците на цилиндъра чрез подходящи кухини и канали, в които циркулира охлаждаща течност. По този начин се осигурява достатъчно интензивен топлообмен. Процесите на сгъстяване и разширяване са политропни, със средни стойности на показателя n = 1.2 - 1.3. Системите за подобно охлаждане са от затворен тип и се състоят от резервоар, циркулационна помпа и топлообменник. Охлаждащата течност най-често представлява 50% воден разтвор на етиленкгликол. Трябва да се има предвид, че при прекалено интензивно охлаждане температурата може да се понижи под точката на оросяване и да започне кондензация на водните пари, което би довело до корозия. За избягване на този ефект охлаждащата система трябва да включва и температурен контрол, например чрез термостат. В някои приложения по-високата температура на напускащия компресора газ може да се използва допълнително, например за подгряване в топлообменници тип “ребойлер”. При по-ниски степени на сгъстяване, когато температурата не достига 100 °С, не се налага принудителна циркулация и се реализира т. нар. термосифонно охлаждане
В този случай течността, запълваща кухините, спомага за равномерно разпределяне на топлината около цилиндъра. След това топлината се отдава чрез топлообмен от външните стени към околната среда. Такова е охлаждането на компресора от фиг. 4.
Въздушното охлаждане на цилиндъра е значително по-неефективно и сгъстителният процес е близък до адиабатен.

Външното охлаждане
се използва в компресорите с многостъпално сгъстяване. Между две последователни стъпала газът преминава през междинни охладители, разположени извън работната зона – фиг. 2. Охладителите обикновено са от кожухотръбен тип – в кожуха на охладителя са монтирани тръби, в които циркулира охлаждащата вода.
На фиг. 3 е показан двустъпален сгъстителен процес. Той започва от състояние 1, отговарящо на входното налягане p1 и на входната температура T1. Газът се сгъстява в първото стъпало по политропа (приема се, че липсва охлаждане на цилиндъра) до налягане p2 на входа на охладителя - състояние 2. В охладителя се извършва охлаждане на газа при постоянно налягане p2 = const до първоначалната му температура T1 - състояние А. След това газът се сгъстява отново по политропа във второто стъпало, до състояние В, преди да се нагнети в ресивера с налягане pB. Ако сгъстяването се извърши в едно стъпало линията на процеса ще мине през състояния 1, 2 и 3. Тъй като площта, ограничена от p - V диаграмата представя в определен мащаб работата за осъществяването на процеса, затъмнената площ от фигурата е разликата в работите при едно- и двустъпален процес. Очевидно двустъпалното сгъстяване е по-ефективно. Въвеждането на многостъпално сгъстяване с междинно охлаждане доближава стъпаловидно процеса до изотермичен, като този ефект нараства с увеличаване на броя на стъпалата.
При някои опростяващи допускания е възможно да се докаже теоретично, че оптималното решение представлява равенство на степените на сгъстяване в отделните стъпала, като степента на сгъстяване на едно стъпало eS е свързана с броя на стъпалата s и общата степен на сгъстяване на компресора e по израза: eS = sЦe.

Видове и конструкции бутални компресори
Съществува голямо разнообразие от видове, схемни решения и конструкции бутални компресори. На фиг. 4 е показана част от типичен индустриален компресор, в който могат да се видят всички по-важни негови елементи, включително: цилиндър, бутало, клапани и т. н.
Двойнодействащите бутални компресори притежават втори комплект клапани, разположени в другия край на цилиндъра. Комплектът клапани също е затворен херметично. По този начин сгъстяването и нагнетяването на газа се извършва и от двете страни на буталото. За един оборот на коляновия вал се извършват два нагнетателни хода, т. е. осигурява се по-голям и по-равномерен дебит. Алтернативно едната страна на буталото може да се използва за първо стъпало, а другата – за второ стъпало на двустъпален компресор.
Буталните компресори се задвижват най-често от коляно-мотовилкови механизми. В зависимост от начина на предаване на движението към буталото компресорите се разделят на безкръстоглави и кръстоглави.
При безкръстоглавите компресори мотовилката е свързана директно към буталото - фиг. 2. Подобно задвижване очевидно би могло да се използва само при еднодействащите компресори и е характерно за по-малки машини с мощности до 50 - 60 kW. Сред предимствата му са елементарната конструкция, малките габарити и маса, които правят компресорите много подходящи за приложение в подвижните компресорни станции и в транспортните средства. Основен недостатък се явява натоварването на стените на цилиндъра с нормалната съставляваща на буталната сила, което води до повишено износване и нарастване на протечките на газ през буталното уплътнение към картера. Този тип компресори имат обща мазилна система за цилиндрите и задвижващия механизъм. Това налага използването на компресорни масла, които притежават подходящ вискозитет за високите температури на цилиндрите, но са прекалено вискозни за задвижващия механизъм, а това води до повишени загуби от триене. При сгъстяване на токсични и взривоопасни газове трябва да се използва херметично уплътнен картер.
В кръстоглавите компресори, фиг. 4, буталото се задвижва от бутален прът, добре уплътнен през цилиндровия блок и свързан с кръстоглава. Буталният прът, от своя страна, се задвижва от коляно-мотовилковия механизъм и поема страничните натоварвания. При тази конструкция цилиндърът е изолиран от картера и е възможно да се реализира двустранното му действие, което е характерно за повечето индустриални компресори.
Едноцилиндровите компресори са със сравнително малка производителност и значителна неравномерност на дебита и пулсациите на налягането, което изисква съответно по-голям обем на ресивера.
Многоцилиндровите компресори се изпълняват по различни схеми - фиг. 5. Когато всички цилиндри работят успоредно (в паралел), компресорът е многоцилиндров едностъпален. Повечето конструкции многостъпални компресори са и многоцилиндрови. От своя страна, всяко стъпало може да е съставено от няколко работещи в синхрон цилиндъра.
Съществува голямо разнообразие по отношение разположението на цилиндрите в пространството. В зависимост от този критерий се говори за вертикални, хоризонтални и ъглови компресори
От ъгловите най-разпространени са V-образните, W-образните и L-образните.
Вертикалните компресори са изградени от един или няколко разположени в ред цилиндри. Отличават се с по-малко и по-равномерно износване на буталата и цилиндрите, заемат по-малка площ в сравнение с всички останали схеми, характеризират се с удобно техническо обслужване. Не се нуждаят от допълнителна опора на цилиндрите. Инерционните сили действат вертикално и се гасят добре от фундамента, който може да бъде по-лек. Преимущества на вертикалното изпълнение са особено важни за компресорите с непълноценно мазане на цилиндрите. Това е най-разпространената схема за безкръстоглави компресори.
Недостатък е, че машините с голяма производителност са със значителна височина и са сложни за обслужване.
Хоризонталните компресори като правило са кръстоглави, със средна и висока производителност. Широко разпространение са получили хоризонталните компресори с цилиндри, разположени от двете страни на вала. Става въпрос за т. нар. опозитни компресори, които имат съществени предимства пред другите видове. Едно от важните е, че при тях лесно може да се постигне добро уравновесяване на подвижните части. Това намалява значително триенето и износването на вала. Също така дава възможност да се повиши честотата на въртене два до три пъти, което от своя страна позволява да се намалят размерите на цилиндрите и компресора като цяло. При висока честота на въртене масата на ротора на двигателя се оказва достатъчна да осигури необходимия махов момент без допълнителен маховик.
От ъгловите компресори най-разпространени са V-образните, W-образните и L-образните. Основните им предимства са: достатъчно добре уравновесяват инерционните сили чрез противотежести; цилиндрите са значително отдалечени един от друг и в пространството между тях могат да се разположат междинните охладители; елементарна конструкция и малка дължина на вала, което дава възможност да се използват търкалящи лагери; компактност и удобство за монтаж. Това е най-доброто решение за безкръстоглави компресори с малка производителност.

Многостъпалните компресори
се изпълняват в два основни варианта: с диференциални бутала и няколко стъпала на сгъстяване в един цилиндър или със стъпала на сгъстяване в отделни цилиндри.
На фиг. 6a е показана схема на двустъпален двойнодействащ компресор с диференциално бутало. Сгъстеният газ в пространство I, представляващо първото стъпало, се подава през охладител към пространство II, където се реализира второто стъпало. В компресорите от този тип процесите на сгъстяване в стъпалата се осъществяват при различни ходове на буталото и затова дебитът и усилията върху ходовите елементи се разпределят сравнително равномерно.
На фиг. 6б може да се види схема на двустъпален еднодействащ компресор с диференциално бутало. Особеността на този тип компресори е, че първото и второто стъпало са разположени от едната страна на буталото, така че засмукването и нагнетяването се извършва в двете стъпала едновременно. Охладителят изпълнява и функцията на ресивер, приемащ газа от първото стъпало.
Чрез бутало с променлив диаметър могат да се създадат компресори с голям брой стъпала.
На фиг. 5 а, б и в са показани трите най-разпространени схеми на двустъпални бутални компресори с отделни цилиндри за всяко стъпало.

Задвижване на буталните компресори
За задвижване на буталните компресори се използват основно електродвигатели и двигатели с вътрешно горене. В редки случаи те се задвижват от парна турбина или хидрозадвижване. Компресорите със сравнително малка мощност се оборудват с асинхронни двигатели. При мощности от 100 до 1000 kW се използват асинхронни и синхронни машини. За задвижване на големите опозитни компресори се използват специални синхронни високооборотни двигатели с мощност до 6000 kW. Основно преимущество на синхронните двигатели е способността им да работят с cosj = 1 и да подобряват cosj на мрежата, което оправдава тяхното използване, независимо от по-високата цена, трудностите при пускане и необходимостта от по-квалифицирано обслужване. При мощност на задвижването до 200 kW е целесъобразно използването на фланцови двигатели, статорът на които се закрепва посредством фланец към корпуса на компресора, а роторът се присъединява към удължения край на коляновия вал. Такова изпълнение значително опростява конструкцията на електродвигателя и облекчава съществено монтажа. При компресорите с голяма мощност статорът на електродвигателя се монтира на обща или на отделна от компресора фундаментна плоча. В първия случай се използва твърд, а във втория - еластичен съединител. Ако е необходимо, частта на съединителя към страната на компресора се конструира и като маховик. При честота на въртене на компресора, по-малка от тази на двигателя, връзката се осъществява чрез клиноремъчна предавка, като ремъчната шайба към двигателя може да изпълнява функцията на маховик. В момента на пускане електродвигателят консумира ток, превишаващ няколко пъти номиналния, затова компресорът се разтоварва например чрез свободно изпускане на газа след последното и някои от междинните стъпала към смукателната част на първото стъпало. Асинхронните двигатели с накъсо съединен ротор при малка мощност допускат непосредствено включване към мрежата. За двигатели със средна мощност се използва пускане с превключване от звезда на триъгълник, а при двигатели с голяма мощност - пусков трансформатор или последователно включване на статорните намотки. Роторът на синхронните електродвигатели се оборудва с допълнителна пускова (асинхронна) намотка. Възбудителният ток към ротора се включва след като той достигне честота на въртене, близка до синхронната. В подвижните компресорни станции се използват двигатели с вътрешно горене, които могат да са отделна единица или да са конструктивно обединени с компресорната част, с общ колянов вал.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top