Ротационни компресори

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2009

Компресори на Рут, пластинкови компресори, компресори с течен пръстен, регулиране на производителността

 

    В настоящата статия продължаваме темата за ротационните компресори, която разгледахме в два предишни броя на сп. Инженеринг ревю. В статията бихте могли да намерите информация за конструкцията, принципите на работа и приложната област на някои видове компресори, както и за съществуващите методи за регулиране на производителността им.

Осморкообразните компресори
се наричат още компресори на Рут. Английското им наименование е Lobe (Roots) compressors. Тези компресори създават сравнително ниско налягане, затова понякога се определят като въздуходувки (blowers). Покриват дебити до 70 000 m3/h при налягания до 1 bar за едностъпални машини и 1.5 bar за двустъпални машини. Типичните им области на приложение са в системи за пневмотранспорт на насипни и гранулирани материали, сушилни инсталации, аериране на течности и др.
Конструкцията и принципа на действие на осморкообразните компресори са показани на фиг. 1. Двата ротора извършват въртеливо движение в противоположни посоки, като се задвижват от външна зъбна предавка. При работа въздухът се засмуква в смукателната страна. В процеса на въртене ограниченият между роторите и корпуса обем се премества към изхода без да се променя. Процесът на компресия протича в самия край на цикъла, при свързване на затворения обем с нагнетателната страна. Роторите не се допират помежду си и с корпуса. Отсъствието на смазочни вещества и вътрешно охлаждане дава основания компресорите на Рут да се определят като сухи безмаслени.
За един оборот на задвижващия вал към нагнетателната линия се подават четири обема газ. В момента на свързване на затворения обем с изхода се получават пулсации на налягането. Честотата на тези пулсации е очевидно равна на четири пъти честотата на въртене. Пулсациите на налягането са основна причина за по-големия шум и вибрации, характерни за осморкообразните компресори в сравнение с винтовите машини. За предпазване на системата често се използват демпфериращи устройства и шумозаглушители. В заключение може да се обобщи, че компресорите на Рут се отличават с елементарна конструкция и лесно обслужване, но за сметка на сравнително големите обемни загуби и високото ниво на шум.

Пластинкови компресори
В англоезичната техническа литература са познати като sliding vane compressors. Схема на съвременен пластинков компресорен агрегат е показана на фиг. 2. Роторът В и поставените в него пластини са ексцентрично разположени в цилиндричния статор. При въртене на ротора, под действието на центробежните сили пластините се водят и уплътняват по вътрешната повърхност на статора. В някои конструкции се предвиждат и допълнителни пружини за усилване на притискането. При преминаване на пластините покрай смукателния отвор, обем от газ се затваря в пространството, ограничено от ротора, статора и две съседни пластини. Както е видно, при последващо въртене, поради ексцентричната конструкция, този обем намалява, т. е. извършва се сгъстяване на газа, което продължава до достигане на изходящия отвор. Подобно на винтовите компресори, тук също се използва лубрикант за смазване, уплътняване и охлаждане. Циркулацията на лубриканта най-често е за сметка на разликата в наляганията в картера G и мястото на подаване С. Въздухът се засмуква през входящия клапан А с хидравлично задвижване Н. Отделянето на лубриканта започва в канала D, веднага след изходящия отвор. Финото пречистване на въздуха се извършва в сепаратора Е. Лубрикантът и въздухът се охлаждат в крайния охладител F. Съществуват и конструкции с допълнително водно охлаждане, чрез циркулация на охладителя през канали в стените на корпуса.
Пластинковите компресори покриват дебити от 20 до 10 000 m3/h и налягания до 5 bar за едностъпалните и 8 – 10 bar за двустъпални машини. Могат да се използват успешно и като вакуумпомпи, създаващи вакуум до около 720 mmHg. Машините от този тип се отличават с ниски нива на шум и вибрации и компактни размери, което ги прави много подходящи за мобилни приложения, малки пулсации на дебита, сигурна и надеждна работа.

Компресори с течен пръстен
(Liquid ring compressors). Принципът им на действие е илюстриран на фиг. 3. В статора е разположен ексцентрично ротор с лопатки, най-често радиални. В работното пространство се намира известно количество течност (вода, масло и др.). Лопатките увличат течността във въртеливо движение и в резултат на центробежното ускорение се формира един цилиндричен пръстен от течност. Между течния пръстен и лопатките се формира серия от камери, които поради ексцентричното разположение променят обема си. Смукателният канал е разположен в областта, в която обемът на камерите нараства. При намаляване на обема на камерите газът се свива до достигане на нагнетателния отвор.
Тези компресори покриват широк диапазон дебити - от 5 до 25 000 m3/h. Наляганията са от 1.5 bar за едностъпалните машини до 15 bar при многостъпално изпълнение на машините. В ролята на уплътнителна би могла да се използва всяка течност, която е съвместима с транспортирания газ, но с най-широко приложение са вода и масло. Тъй като течността е неразделна част от компресора, попадането на течности в засмуквания въздух не оказва влияние върху работата на компресора, за разлика от други видове машини. Поради интензивния контакт между течността и газа се наблюдава ефективно отнемане на топлината, вследствие от компресията и работният процес е почти изотермичен. Затова компресорите с течен пръстен са доказано техническо решение при работа с взривоопасни и леснозапалими газове. На практика те могат да транспортират почти всички газове и пари, които имат приложение в индустрията. В процеса на работа част от течността се извлича заедно с въздуха. Освен това в течността преминават твърди частици от засмуквания газ, който така се пречиства, но при по-голяма концентрация се наблюдава интензивно износване на машината. Затова компресорният агрегат включва допълнителни устройства – въздушни и водни (маслени) филтри, сепаратори, охладители и др. Машини от този тип намират голямо приложение като вакуумпомпи. В действителност компресорите с течен пръстен са с много широко приложение в различни индустриални производства.

Регулиране на производителността
Обемните машини и в частност ротационните компресори, при постоянна честота на въртене и неизменна геометрия на работните органи, реализират практически постоянен обемен дебит на засмукване, независещ от налягането в системата. За изравняване на краткотрайните несъответствия между производителността на компресора и разхода на газ се използват акумулиращи обеми – т.нар. ресивери. В приложения със съществено променлива консумация се налага регулиране на производителността и начинът, по който се осъществява това има много голяма роля за постигане на енергийна ефективност на системата. Съществуват няколко основни метода, които в следващата част на статията ще бъдат разгледани накратко, по реда на нарастване качеството на регулиране.

Байпасирането
представлява прехвърляне на газ от нагнетателния в смукателния тръбопровод чрез използването на съединителен тръбопровод и съответен затварящ елемент. В системата трябва да се предвиди и допълнителен охладител за връщания газ. Реално това прехвърляне се използва за скъпи и отровни газове, докато въздухът обикновено се изпуска в атмосферата. Байпасирането се приема като най-неикономичния метод и се използва предимно като допълнително средство за регулиране.

Периодичното спиране
на компресора се осъществява чрез спиране на двигателя или чрез отсъединяване на компресора. Спирането прекъсва дебита, икономично е, но увеличава износването на двигателя и компресора, при често включване и изключване. Използва се при по-малките машини. Отсъединяването на компресора се реализира чрез електромагнитни и хидросъединители. Периодичното спиране е рядко използван начин на регулиране.

Чрез
дроселиране в смукателната страна
се намалява налягането на засмукване, от там - плътността на газа и съответно масовият дебит. За целта се използват специални регулатори, които се задействат от налягането в нагнетателния тръбопровод. При достигане на предварително зададено максимално налягане се задвижва дроселен елемент, който притваря смукателното гърло до достигане на абсолютно налягане около 0.15 bar. Същевременно компресорът се отсъединява от нагнетателния тръбопровод чрез автоматичен възвратен клапан. При този метод не трябва да се надхвърля максималната степен на сгъстяване, което може да доведе до механични повреди и прегряване.
Производителността се променя ефективно и икономически изгодно чрез
промяна на работния обем т. е. на обема изтласкан за един пълен оборот. Реализацията му е свързана с промяна на геометрията на работното пространство. При различните видове машини се осъществява по различен начин, в зависимост от конкретната конструкция. Методът се прилага най-широко при маслените винтови компресори.
Чрез специална плъзгаща се преграда - шибър, представляваща подвижен сегмент от корпуса, която се движи успоредно спрямо роторите може да се намали ефективната дължина на винтовете, като част от газа се връща към входа. Съществуват различни конструкции и начини на управление на шибърния елемент. Една от възможните конструкции е показана на фиг. 4 - при малко отваряне и при максимално разтоварване. Задвижването се осъществява чрез вграден в машината хидроцилиндър. Коректното функциониране изисква добро смазване, затова решението се използва много рядко при сухите компресори. Конструкцията позволява безстепенно регулиране в диапазон на производителността - от 10% до 100%. Съществуват конструкции, в които се използват няколко повдигащи се клапана за връщане на газа – фиг. 5. Показаното решение осигурява единствено определен брой фиксирани стойности на производителността.

Като оптимално се приема решението:

регулиране чрез промяна на честотата на въртене
(Variable Speed Drive - VSD). Чрез този метод на регулиране се постигат икономии на енергия от порядъка на 30 % и достатъчно бърза възвращаемост на по-голямата начална инвестиция. Честотата на въртене може да се променя по различни начини. Например, ако за задвижване се използва парна, газова турбина или двигател с вътрешно горене; чрез хидротрансформатор, който по хидравличен път може да промени честотата на изходящия вал. В момента най-широко се използват електродвигатели с вградено честотно управление. Долната граница на намаляването на честотата на въртене се определя единствено от изискванията за адекватно смазване на лагерите и роторите при ниска честота на въртене и достатъчно добро охлаждане. Методът е особено подходящ за сухите компресори, при които отсъства смазване и уплътнение на роторите.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top