Мощни ротационни въздушни компресори

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2009

Мощни ротационни въздушни компресориМощни ротационни въздушни компресори

Част II. Характеристики на маслени и безмаслени винтови компресори

 

 Уважаеми читатели, в миналия брой на сп. Инженеринг ревю бе поместена първата част на статията, посветена на ротационните компресори. Тъй като групата им е представена от голям брой конструкции, в статиите се разглеждат само тези, намиращи приложение в промишлените системи за сгъстен въздух. В материала, публикуван в предишния брой, бяха изброени основните параметри на компресорите. Разгледани бяха и двата основни вида - обемни и турбокомпресори, като бе обърнато специално внимание на съществените разлики в конструкцията им.
Подчертано бе, че от всички видове ротационни компресори най-широко приложение в различни области на индустрията в момента имат винтовите (Screw compressors). Те покриват широк диапазон от мощности - от 2 до 700 kW. Приемат се като идеален компресор за приложения, изискващи ниско налягане и голям дебит, при висока ефективност на процеса - адиабатният им КПД достига 85%.
В настоящия брой продължаваме статията с

Маслените винтови компресори
(oil-flooded screw compressors). Те се използват преимуществено в различни промишлени приложения. Характерно за тях е, че в областта на компресирането се впръсква лубрикант, който е в количество около 0.5% от измествания обем на машината. Лубрикантът изпълнява три основни функции. Първата е, че той смазва зацепващите се ротори и техните лагери. Втората функция се състои в отнемане на голяма част от топлината, получена в процеса на сгъстяване на газа. Третата функция се изразява в уплътняване на хлабините между роторите, както и между роторите и статора. Тук е мястото да се отбележи, че терминът "лубрикант" вече се е наложил в терминологията на компаниите - произвеждащи и предлагащи индустриални масла. Смисълът му е по-общ от влагания в термина масло. Съвременните смазочни продукти са подходящи за широк диапазон на температури.
Маслените компресори се произвеждат във вид на
компактни агрегати със затворена циркулация на лубриканта. Преди години ефективното разделяне на течността от газа е бил основен конструктивен проблем. Съвременните маслени компресори са оборудвани с високоефективни сепариращи устройства. На фиг. 1 е показана принципна схема на маслен винтов агрегат, обхващаща най-важните му елементи. Въздухът се засмуква през филтъра (1), с индикатор за замърсяване (2) и минавайки през входящия регулатор (3), постъпва в компресорното стъпало (4), където се сгъстява. Лубрикантът с температура около 50 °С се впръсква дозирано и непрекъснато. В подходящо конструирания комбиниран въздушно-течностен резервоар (5) сгъстеният въздух и лубрикантът се разделят механически, като сепариращият ефект достига до 95%. Отделянето на течната фаза продължава в сепаратора (6). В крайна сметка, съдържанието на лубриканта във въздуха се намалява до около 10 - 15 mg/m3.
С използването на допълнителни филтри от фибростъкло е възможно да се постигне още по-голяма степен на сепариране. Подпорният обратен клапан (7) осигурява минималното необходимо налягане, което би предпазило сепариращия елемент от прекалено високи скорости на протичане при пускане на компресора, преди да се достигне нормалното налягане в системата. След сепаратора, въздухът постъпва в крайния охладител (aftercooler) (8), който най-често е въздушен. След това през спирателната арматура (9) се подава в инсталацията. Отделеният лубрикант се охлажда в охладителя (10) и се връща обратно. В течния контур са включени още филтърът (12) за пречистване на лубриканта и регулиращият термостатичен вентил (11). Охлаждащият вентилатор обикновено разполага със собствен двигател или се задвижва от двигателя на компресорния блок. В повечето маслени винтови компресори за циркулация на лубриканта през филтъра и охладителя, както и с оглед осигуряване на оптимално впръскване в компресорното стъпало, се използва енергията на вече сгъстения въздух. В някои конструкции за тези цели се използва отделна помпа. Най-големите компресори са снабдени със системи за водно охлаждане.
С цел повишаване на ефективността или постигане на по-високи налягания са разработени
многостъпални винтови компресори
Роторите на отделните стъпала се разполагат в отделни статори или в общ корпус - фиг. 2. Между отделните стъпала в конструкцията им се предвижда междинен охладител (intercooler) и сепарация.
Добре е да се знае, че двустъпален компресор (в сравнение с едностъпален) при едни и същи дебит и налягане консумира от 10 до 15% по-малка мощност. Причините са две. При този начин на сгъстяване - теоретично, а и на практика, се намалява необходимата работа за компресия на единица количество газ. Другата причина е, че намаляването на диференциалното налягане за всяка степен води до ограничаване на вътрешните пропуски (утечки) през хлабините, което повишава КПД. Освен това се намалява силовото натоварване на лагерите и роторите, което увеличава надеждността и експлоатационния срок на машината.
Масово произвежданите маслени винтови компресори са с дебити от 20 до 10 000 m3/h, налягания от 4 до 20 bar и мощности от 2 до 650 kW.
Другият вид винтови машини, а именно:

Безмаслените винтови компресори
(Oil-Free Screw Compressors) се използват в приложения, към които са поставени повишени изисквания към чистотата на въздуха. Типични примери за области, в които те се прилагат, са: фармацевтичната промишленост, хранително-вкусовата индустрия, електрониката, текстилната промишленост, медицината, някои области на машиностроенето, автомобилната индустрия и др. Използват се и когато транспортираният газ оказва агресивно въздействие върху лубриканта, което е характерно за редица приложения в химическата, нефто- и газопреработвателната промишленост, в хладилната техника и др.
Съществуват два типа безмаслени компресори: сухи и с водно впръскване.
В сухите компресори (dry screw compressors), където отсъства смазване, за да се предотврати износването, роторите се синхронизират и задвижват чрез зъбна предавка, разположена извън работното пространство. Тъй като липсва лубрикант, който отнема и топлината от компресията на газа, повечето конструкции използват двустепенно свиване с междинно охлаждане и краен охладител след второто стъпало. Отсъствието на уплътнителна течност изисква и значително по-висока честота на въртене - около три пъти по-висока от тази на маслените компресори, което е причина те да са малко по-шумни.
Сухите безмаслени компресори покриват мощности от 20 до 3 000 kW и дебити от 150 до 35 000 m3/h. Едностъпалните агрегати работят най-често с налягания до 5 bar. С двустъпални машини се постигат налягания до около 15 bar.
Във винтовите компресори с водно впръскване, за синхронизация на роторите се използва също външна зъбна предавка, но в работното пространство се впръсква вода, която уплътнява хлабините и отнема топлина в процеса на сгъстяване. По този начин се постигат налягания до 10 bar - само с едно стъпало. Впръсканата вода заедно с кондензиралата влага от атмосферния въздух се отстранява чрез конвенционални влагоотделители. Водата осигурява по-добро охлаждане, в сравнение с другите лубриканти, което води до по-висока ефективност на сгъстителния процес, както и по-малко износване на винтовите елементи. Диапазонът от мощности е от 10 до 200 kW.

Разлики между ротационните и буталните компресори
Въпреки че ротационните и буталните компресори се отнасят към групата на обемните машини, по отношение на сгъстителния процес, между тях съществува важна разлика.
В буталните компресори, през нагнетателния ход, налягането в цилиндъра нараства, докато достигне големината на налягането в инсталацията. След това нагнетателният клапан се отваря и обемът газ постъпва в системата. Следователно, степента на сгъстяване в работната камера (цилиндъра) не зависи от конструкцията и геометричните размери, а се определя от външни фактори, и съответно за различните инсталации е различна. Степента на сгъстяване може да се изрази чрез обемите на работната камера в началото и края на сгъстителния процес.
При винтовите компресори, съгласно описания принцип на действие, сгъстяването продължава, докато работната камера, ограничена от винтовете и корпуса, достигне до изходящия отвор, където се свързва с външната среда. Следователно, степента на сгъстяване не зависи от налягането в системата, а се определя от геометричните размери и разположението на изходящия отвор. Или степента на сгъстяване на ротационните компресори е конструктивно определена и постоянна величина. Тя е различна от степента на сгъстяване, определена с работното налягане в системата, измерено при изходящия фланец на машината.

Икономията на енергия при безстепенното регулиране - до 30%
За да се постигне максимална ефективност, е необходимо налягането, генерирано в работните камери към момента на тяхното отваряне, да е равно на налягането в нагнетателния тръбопровод. Всяко несъответствие между вътрешното и системното налягане води до недостатъчна или свръхкомпресия. И в двата случая това резултира в допълнителни вътрешни загуби, повишаване на консумираната мощност и шума, намаляване на КПД. Възможно е свръхкомпресията да повреди компресора. В случай че условията на работа се променят рядко, може да се използва компресор с фиксирана конструктивна степен на сгъстяване. Обикновено производителите предлагат компресорите с три или четири възможни степени на сгъстяване, като чрез подходящи втулки се променят размерите на изходящия отвор, но това изисква спиране и частично разглобяване. Разработени са и други конструкции, в които степента на сгъстяване може да се изменя безстепенно и по време на работа, което позволява да се поддържа винаги оптималният режим, в зависимост от системното налягане. Производители заявяват, че икономиите на енергия при това регулиране могат да достигнат до 30%.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top