Лекция №4

Изменение производительности путем отключения (перекрытия) всасывания

При этом способе регулирующий орган сразу и полностью перекрывает всасывающую линию, причем компрессор переходит на работу вхолостую. Характер регулирования производительности – прерывистый.

Прекращение подачи газа после перекрытия всасывающей трубы происходит не мгновенно. Подача, постепенно уменьшаясь, продолжается еще несколько оборотов за счет газа, отсасываемого из пространства между всасывающим клапаном и регулирующим органом. С понижением давления всасывания уменьшается объемный коэффициент. Когда он достигнет нуля, подача прекратится. Диаграмма компрессора показывает, что при нулевой производительности линии расширения и сжатия почти сливаются. Индикаторная мощность не превышает 2-3% номинальной.

а) без перезапуска

О тключение всасывания сопровождается кратковременным, но значительным ростом температуры нагнетания, который вызывается увеличением Е. После прекращения подачи температура в конце сжатия снижается, так как в цилиндре компрессора остается только небольшое количество газа и стенки цилиндра достаточно эффективно отводят от него тепло. Но при недостаточно плотном регулирующем органе происходит подсос газа. При этом нагнетание прекращается не полностью и происходит с большим повышением температуры газа.

Для снижения температуры, уменьшения работы холостого хода и в особенности для облегчения запуска компрессора регулирование отключением всасывания в большинстве случаев сочетают с перепуском с нагнетания на всасывание. При этом индикаторная диаграмма получает следующий вид.

б) с перезапуском

Газ по пропускной линии выходит из нагнетательного и входит во всасывающую линию, причем местом выхода является участок между компрессором и обратным клапаном, а входа (с целью исключить циркуляцию перепускного газа) – участок до регулирующего органа, отключающего всасывание.

Регулирующие органы, осуществляющие отключение всасывания и перепуск с нагнетания на всасывание, обычно выполняют в общем исполнительном устройстве (В-300-2К).

При переходах на холостой ход теряется энергия, затрачиваемая на сжатие газа, выпускаемого с нагнетания на всасывание. Эту потерю можно уменьшить, если выпускать сжатый газ не из нагнетательной машины, а из полости цилиндра последней ступени, применяя при этом специальные устройства.

Обычно отключение всасывания производится давлением газа, а возобновление – давлением пружины.

В компрессорах бескрейцконфного типа отключение всасывания вызывает вследствие образующегося в цилиндре вакуума нежелательный подсос масла из картера в цилиндр.

При регулировании перекрытием всасывающей трубы регулирующей орган следует располагать близ цилиндра I ступени с тем, чтобы заключенный между ними объем был по возможности мал.

Изменение производительности путем перепуска с нагнетания на всасывание.

Существует свободный и дросселированный перепуск.

Первый способ осуществляется полным открытием перепускного вентиля или клапана с переводом компрессора на холостой ход.

При втором способе перепуск сжатого газа производится через частично открытый вентиль, чем достигается плавное изменение производительности.

Перепуск производят через байпас – трубопровод, снабженный перепускным вентилем или клапаном, который сообщает нагнетательную линию компрессора со всасывающей или установлен между нагнетательным и всасывающим коллектором цеха.

При наличии байпаса на нагнетательной линии необходим обратный клапан. У воздушных компрессоров перепуск на всасывание часто заменяют выпуском в атмосферу.

Свободный перепуск.

Он служит как для регулирования, так и для осуществления холостого хода и применяется в крупных компрессорах для разгрузки компрессора при пуске.

При полностью открытом байпасном вентиле или клапане газ вместо подачи в нагнетательную магистраль возвращается во всасывающую линию, циркулируя по замкнутому циклу через цилиндры компрессора и его трубопроводы. Давление нагнетания при байпасе достаточного сечения устанавливается почти равным давлению всасывания.

Вследствие значительного сопротивления клапанов и трубопроводов у многоступенчатых компрессоров устраивают 2 или 3 байпаса в зависимости от числа ступеней. Крупные шестиступенчатые компрессоры имеют байпасы после I и VI или I,III,VI ступеней. При недостаточном числе байпасов или малом их сечении холостой ход требует значительной затраты мощности.

1. цилиндр I ст.

2. холодильник I ст.

3. цилиндр II ст.

4. холодильник концевой

5. байпас последней ступени

6. байпас первой ступени

Следует иметь в виду, что только дорогие или ядовитые газы возвращают обратно по байпасу в полость всасывания.

Наряду с применением свободного перепуска как самостоятельного способа прерывистого регулирования им пользуются и в сочетании с другими способами.

В комбинированных системах, где перепуск с нагнетания на всасывание сочетается с отключением всасывания, исключена циркуляция потока газа через цилиндры, клапаны и трубопроводы компрессора и отсутствуют связанные с этим потери энергии. Но присущее этим системам образование в цилиндрах вакуума во многих случаях нежелательно.

Дроссельный перепуск

Он обеспечивает плавное снижение производительности, но без уменьшения потребляемой компрессором мощности и, следовательно, является неэкономичным способом регулирования.

При регулировании дроссельным перепуском с последней ступени на всасывание первой индикаторные диаграммы, давления и температуры газа по ступеням остаются неизменными, как и при номинальном режиме работы. Не нарушается и равномерность хода. Поэтому плавное снижение производительности возможно в диапазоне от 100 до 0%. Работа, затрачиваемая на сжатие газа, перетекающего в полость всасывания, полностью теряется.

Простота конструкции байпаса и возможность пользоваться тем же устройством, которое служит для разгрузки компрессора при пуске, оправдывают такой способ регулирования для кратковременного или нечастого применения. Он служит иногда дополнительным средством регулирования, если основное осуществляется ступенчато или в узком диапазоне.

Потеря энергии при этом способе регулирования может быть снижена в несколько раз, если перепуск сжатого газа осуществить не после последней, а после I ступени. Тогда лишний раз придется сжимать не во всех ступенях, а только в I ступени. В этом случае происходит перераспределение давлений по ступеням такое же, как в случае присоединения дополнительного мертвого пространства к I ступени. На I ступени степень повышения давления EI понижается, на промежуточных – остается прежним, а на последней ступени – увеличивается, возрастая обратно пропорционально производительности . Соответственно росту E` на последней ступени повышается температура нагнетания, что ограничивает предел возможного снижения производительности. Предельно допустимая температура нагнетания в зависимости от назначения компрессора, марки масла, применяемого для смазки цилиндров, и взрывоопасности масляных паров в сжимаемом газе колеблется в пределах 150-200◦С. Пределы регулирования могут быть расширены, если при полной производительности у последней ступени E велико.

К устройству байпаса для дроссельного перепуска после I ступени прибегают иногда в тех случаях, когда в компрессоре не было предустановленно регулирование, но в процессе эксплуатации выяснилась его необходимость. Устройство байпаса не вызывает затруднений, так как проходное сечение вентиля и трубы, рассчитываемое на перепуск избытка газа при критической скорости, получается небольшим.

При регулировании дроссельным перепуском после I ступени уменьшение производительности сопровождается снижением межступенчатых давлений, что позволяет судить о производительности компрессора по показателям манометров.

При устройстве дроссельного перепуска байпасную линию, как правило, следует начинать после холодильника и во всасывающую линию подводить уже охлажденный газ.

Поскольку регулирование дроссельным перепуском рассчитано на эпизодическое действие, его часто производят вручную, но в автоматизированных устройствах применяют дроссели с дистанционным управлением.

Изменение производительности компрессоров отжимом всасывающих клапанов.

Если воспрепятствовать закрытию самодействующего всасывающего клапана, то газ, поступивший в цилиндр при ходе всасывания, при обратном ходе поршня будет вытеснен из цилиндра через тот же всасывающий клапан. На этом основаны все разновидности регулирования воздействием на всасывающие клапаны, а именно: полный отжим клапанов, частичный отжим клапанов и отжим клапанов на части хода. При первом способе сжатие в полости цилиндра прекратится полностью и производительность становится равной нулю. Другие два способа дают возможность постепенно изменять производительность, т.е. осуществлять плавное регулирование.

Напишем упрощенное уравнение движения закрывающего органа самодействующих клапанов.

,

где m – масса подвижных частей клапана;

- их ускорение;

f_c – площадь для прохода газа в седле клапана;

Δр – разность давлений в цилиндре и во всасывающем патрубке;

Р_пр – сила действия пружины клапана на закрывающий орган.

Величина Δр может быть определена уравнением

.

Скорость газа в щели клапана W_к может быть выражена как функция скорости движения поршня

, (1)

где F_n – площадь поршня;

С_n – скорость поршня;

f_к – площадь щели клапана.

Скорость поршня зависит от угла поворота кривошипа γ. Эта зависимость для бесконечно длинных шатунов определяется уравнением

. (2)

Выразим потери давления Δp в клапане компрессора в зависимости от угла γ, используя (1) и (2).

;

; (3)

Как видно из уравнения (3), величина Δр зависит от угла поворота кривошипа γ.

Максимальная величина ее будет при γ = П / 2, минимальная при γ = 0 и γ = П.

Приложим к пластине клапана силу N, препятствующую закрытию клапана.

Тогда уравнение движения примет вид

; (4)

Из уравнения (4) следует, что пластина клапана будет закрываться только в том случае, если

. (5)

Если при всех значениях γ неравенство (5) для всасывающего клапана не будет соблюдено, то клапан не закроется. Производительность в этом случае будет равна нулю, так как весь газ, поступивший в цилиндр, будет вытеснен поршнем обратно во всасывающий патрубок.

Полный отжим всасывающих клапанов.

Его осуществляют либо вручную, либо автоматически. Лучное управление используют преимущественно у крупных компрессоров для разгрузки при пуске, а автоматическое – у компрессоров небольшой и средней производительности для ступенчатого регулирования.

Рассмотрим индикаторную диаграмму при регулировании полным отжимом клапанов, в том числе и нагнетательных.

1. отжат всасывающий клапан в течение всего хода поршня.

2. Отжат нагнетательный клапан в течение всего хода поршня.

3. Номинальная работа компрессора.

К ривая 2 соответствует индикаторной диаграмме компрессора при отжатых в течение всего хода поршня нагнетательных клапанах. В этом случае производительность компрессора так же равна нулю. Сопротивление клапана пропорционально плотности протекающего газа. Следовательно, работа, затрачиваемая на всасывание и вытекание газа из цилиндра в полость нагнетания, будет больше, чем при отжиме всасывающих клапанов. Поэтому отжим нагнетательных клапанов для регулирования не применяется . (и конструктивно его осуществить трубно).

Рассмотрим схему возможного устройства для отжима всасывающих клапанов.

При достижении в системе максимально допустимого давления, газ из ресивера поступает через перепускные устройства регулятора по трубке 1 в камеру 2. Сжатый газ давит на поршень отжимного устройства 3 и, преодолевая сопротивление пружины 4, перемещает его. На стыке поршня 3 укреплена вилка 5, пальцы которой упираются в закрытый орган 6. При перемещении поршня вниз вилка отжимает закрывающий орган, не давая ему закрыться. При падении давления в ресивере вилка 5 под действием пружины 4 перемещается вверх, освобождая пластину клапана.

Если полость цилиндра выполнена с несколькими всасывающими клапанами, предусматривают их одновременный отжим. При многоступенчатом сжатии отжимают всасывающие клапаны всех ступеней.

Удары вилки, часто повторяющиеся, влияют отрицательно на срок службы клапанных пластин и плотность клапана.

В компрессорах, имеющих цилиндры всех ступеней двойного действия, при росте давления сигнала срабатывает одна ступень регулирования и производится отжим всасывающих клапанов одной полости каждого из цилиндров. Производительность при этом снижается до 50%. При дальнейшем росте конечного давления срабатывает II ступень регулирования, производится отжим всасывающих клапанов 2й полости цилиндров и компрессор переводится на холостой ход. При снижении конечного давления включение полостей цилиндров происходит в обратной последовательности.

Следует учитывать, что при отжиме всех всасывающих клапанов с полным прекращением подачи происходит повышение температуры газа, внутренняя энергия которого растет в связи с работой, затрачиваемой на проталкивание через клапаны. У воздушных компрессоров повышение температуры во всасывающем патрубке достигает 150◦С и более.

Поэтому регулирование отжима всасывающих клапанов следует осуществлять только на одной из полостей цилиндров двойного действия или на обоих, но пользоваться им кратковременно.

В случае двухступенчатого однорядного компрессора (при последовательном расположении цилиндров в ряду) или оппозитного (цилиндра в противолежащих рядах) с цилиндрами двойного действия. Одну ступень регулирования осуществляют воздействием на клапаны полости I ступени со стороны вала и II ступени со стороны крышки, а другую – воздействием на клапаны противоположных полостей. Тогда при половинной производительности степень неравномерности вращения компрессора не возрастает.

При отжиме клапанов в течение всего хода поршня в многоступенчатых компрессорах это необходимо производить одновременно во всех ступенях. При отжиме клапанов только на 1^й ступени резко возрастает степень повышения давления в последней ступени, так как в этом случае компрессор будет работать как машина с числом ступеней на единицу меньше, и всю тяжесть работы примет последняя ступень.

При отжиме клапанов в течение всего хода поршня производительность компрессора равна нулю, а на преодоление механических трений и перемещений газа через всасывающие клапаны затрачивается около 20-25% мощности, потребляемой компрессором при номинальном режиме работы.

Регулирование производительности отжимного всасывающих клапанов нашло широкое применение ввиду его простоты. Отжимные устройства используются так же для разгрузки машины при ее пуске.