Мощни ротационни въздушни компресори

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2009

Винтовите компресори - сред най-разпространените в индустрията

 

   Сгъстеният въздух е важен източник на енергия в промишлеността. Той е четвъртият основен ресурс, наред с електричеството, водата и природния газ, който се използва в почти всички индустриални предприятия – от малки цехове и сервизи до огромни пречиствателни станции за отпадни води, в нефтопреработвателни, циментови, химически, рудодобивни и металургични предприятия. Системите за сгъстен въздух покриват много широк мощностен диапазон: от няколко kW до над 40 000 kW. Не са едно и две предприятията, в които компресорите консумират повече електроенергия отколкото всеки друг тип оборудване. Изследвания на организации, специализирани в извършване на услуги в областта на енергийната ефективност, показват, че за производството на сгъстен въздух се консумира около 20% от общото количество електроенергия за промишлени нужди.
Всяка компресорна уредба обхваща няколко подсистеми и много голям брой компоненти. Главните подсистеми са: компресор, основно задвижване, система за управление и регулиране, оборудване за обработка на въздуха и въздухоразпределителна система. Повечето съвременни промишлени компресори се доставят като готов агрегат, състоящ се от самия компресор, задвижващия го двигател и много от допълнителните устройства, обединени в общ блок, което облекчава монтажа и експлоатацията на съоръжението.

Основните параметри
характеризиращи компресорите са:
l производителност (обемен дебит), m3/h;
l налягане при изхода, bar;
l степен на сгъстяване, представляваща отношението на абсолютното налягане на изхода към абсолютното налягане на входа на компресора;
l консумирана мощност, kW.
Тъй като въздухът (газът) е свиваем флуид, в спецификацията се дава действителният дебит на входа на компресора. По-рядко се използва и т. нар. стандартен дебит, представляващ дебита, приведен към температура 20 градуса Целзий и налягане 101 325 Ра.

Обемни и турбокомпресори
Въпреки голямото разнообразие от използвани конструкции, компресорите могат да се разделят на два основни типа, различаващи се по принципа на действие и вида на работните характеристики - обемни и турбокомпресори.
При обемните компресори (positive-displacement compressors) определено количество газ се затваря в работна камера, извършваща праволинейно или въртеливо движение. Обемът на камерата се намалява механически, което предизвиква съответно нарастване на налягането на газа и преместването му от входа до изхода на машината. Обикновено газът се премества с променлива скорост и течението на изхода е пулсиращо. Спецификата е особено ясно изразена при буталните машини.
Принципът на действие на турбокомпресорите (dynamic compressors) се основава на динамичното взаимодействие между лопатките на работното колело и транспортирания газ. Работното колело извършва въртеливо движение, с висока и практически постоянна честота на въртене, и предава енергия на газа. В резултат на това налягането на газа се увеличава още в работното колело. Същевременно нараства и кинетичната му енергия, част от която впоследствие се преобразува в допълнително увеличение на налягането в неподвижните елементи след работното колело (дифузор, спирално тяло). Течението на газа е непрекъснато от входа до изхода, което обяснява отсъствието на пулсации.
Към турбокомпресорите се отнасят центробежните и осовите компресори. Въпреки че в тях се извършва ротационно движение, турбокомпресорите не са обект на настоящата статия.
Най-съществената разлика между двата основни типа машини се проявява в
зависимостта на налягането от дебита
При постоянна скорост на задвижване, дебитът в обемните компресори остава практически постоянен и не зависи от налягането. При динамичните компресори, изменението на налягането е съпроводено с изменение на дебита. Конкретният вид на тази зависимост се определя от геометрията на работното колело и най-вече от формата на лопатките.
От своя страна, групата на обемните компресори се разделя на две подгрупи – бутални (reciprocating) и ротационни (rotary) компресори.
В таблица 1 са дадени обобщени данни за дебита, налягането и максималната температура на различните видове компресори, които са от определящо значение за областта им на приложение по отношение на газодинамичните параметри. При избора на компресор, освен изброените величини, следва да се имат предвид още допълнителни фактори:
l ефективност при пълно, частично и нулево натоварване;
l ниво на шум; размери и тегло;
l наличие на мазилни вещества във въздуха след компресора;
l вибрации; цена както на машината, така и на поддръжката и експлоатацията й.
Групата на ротационните компресори е представена от голям брой различни конструкции. От тях в статията ще бъдат разгледани само тези, които намират широко приложение в промишлените системи за сгъстен въздух, характеризиращи се със значителна инсталирана мощност.
Имат елементарна конструкция
Независимо от съществените разлики в конструкцията, ротационните компресори се отличават с редица общи характерни черти. Сред най-важните са - отсъствието на клапани, характерни за буталните машини, и равномерен дебит с пренебрежимо малки пулсации. Тъй като ротационните компресори са значително по-леки и в процеса на работата им не възникват инерционни сили, към фундаментите им не се налагат строги изисквания. Могат да се инсталират върху всяка повърхност, която би могла да издържи теглото им.
Въпреки че ротационните компресори имат относително елементарно устройство, физически, отделните конструкции се различават много. Съществуват едно- и многороторни (най-често с два ротора) конструкции. Конструкцията на ротора е сред най-съществените разлики между отделните подвидове. Други съществени разлики са начинът на смазване, използваните уплътнения и системата за охлаждане.

Винтови компресори
От всички видове ротационни компресори най-широко приложение в различни области на индустрията в момента имат винтовите машини (Screw compressors). Те покриват широк диапазон от мощности - от 2 до 700 kW. Представляват идеалния компресор за приложения, изискващи ниски налягания и голям дебит, при висока ефективност на процеса – адиабатният КПД достига 85%. Според диапазона на дебита те заемат междинно положение между буталните и центробежни компресори. Основно техническа тенденция е насочена към непрекъснатото им усъвършенстване и повишаване на максималното им налягане. В редица приложения те почти изцяло са изместили буталните машини. Въпреки че принципът им на действие е известен от повече от столетие, са били необходими много години докато се създадат технологични предпоставки за промишленото им производство. По-масово започват да навлизат в употреба през четиридесетте години на миналия век, като първо са разработени безмаслените винтови компресори. Широкото им приложение се обуславя от голямата надеждност и дългия експлоатационен живот, компактността, елементарната експлоатация и удобството за транспортиране и монтаж. Сред предимствата им е относително ниската цена, както и възможността да се използват и със замърсени газове с променлива плътност.

Двуроторните машини - най-разпространени
От различните видове ротационни компресори най-разпространени са двуроторните машини. Двата винта с циклоидно зацепване са разположени плътно в корпуса на компресора. Водещият ротор е с изпъкнали зъби, а водимият – с вдлъбнати. Работата им се илюстрира на фиг. 1. Между роторите и кожуха се образуват редица изолирани една от друга работни камери, които при въртеливото движение на винтовете се преместват постъпателно в осова посока от входящата (приемната) към изходящата страна на машината. Камерите, намиращи се в отворено положение в приемната страна, се запълват с газ и в резултат на продължаващото въртене се затварят, преместват се към изхода и вследствие на намаляването на обема им газът се сгъстява.
Компресирането продължава докато така образуваното затворено пространство достигне до нагнетателната страна, през която сгъстеният газ се отвежда. Поради непрекъснатото развитие на винтовите повърхнини дебитът е равномерен. Най-често броят на зъбите е 4, а на каналите 6, но се срещат още схеми 4+4, 5+7 и др. В зависимост от изискванията по отношение чистотата на въздуха съществуват и се прилагат безмаслени (сухи) и маслени винтови компресори.

Статията продължава в следващ брой на списание Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top