Тема 7. Компрессоры динамического принципа действия.

Лекция 1. Центробежные и осевые компрессоры. Особенности процесса сжатия. Устройство, принцип действия, области применения.

Процессы сжатия в компрессорах динамического принципа действия проходят непрерывно в потоке движущегося вещества. Рабочими органами таких компрессоров являются колеса с расположенными на них рабочими лопатками. От вращающихся лопаток механическая энергия непрерывно передается веществу. При этом в рабочем колесе происходит увеличение кинетической и потенциальной энергии, то есть скорость и давление возрастают, главным образом за счет использования сил инерции.

К этому классу относятся центробежные, осевые, вихревые компрессоры. В холодильной технике наибольшее применение получили центробежные компрессоры. Осевые применяются реже и в основном в газовых холодильных машинах, вихревые компрессоры применения пока не находят из-за низкого КПД.

Компрессоры динамического принципа действия имеют ряд преимуществ перед объемными:

1. Меньшие размеры и массу по сравнению с объемными компрессорами той же производительности;

2. Надежность в работе, малый износ при работе на незагрязненных рабочих веществах;

3. Отсутствие возвратно-поступательного движения;

4. Равномерность подачи рабочего вещества;

5. Отсутствие загрязнения вещества смазочным маслом;

6. Возможность получения значительно большей производительности 4000÷5000кВт;

7. Возможность непосредственного соединения с высокооборотным приводом (газовой или паровой турбиной, высокочастотным электродвигателем).

Недостатки компрессоров динамического принципа действия:

1. Трудность выполнения их для получения малой производительности (необходима очень высокая частота вращения);

2. Сравнительно узкий диапазон устойчивой работы при изменении производительности (возникает пульсация);

3. Трудность получения высоких отношений давлений свыше 30÷40;

4. Существенная зависимость характеристик компрессора от физических свойств рабочего вещества (скорость звука в нем и значение показателя политропы).

Холодильные машины с компрессорами динамического действия применяются в следующих областях:

1. В химической и нефтеперерабатывающей промышленности, при производстве синтетических спиртов, каучука, полиэтилена, для сжижения газов, при производстве парафина масел и так далее;

2. Для систем кондиционирования воздуха в цехах, зданиях, шахтах;

3. В пищевой промышленности для охлаждения, замораживания, хранения пищевых продуктов;

4. В судовых холодильных установках, на судах-рефрижераторах для переработки и транспортировки скоропортящихся продуктов;

5. В тепловых насосах для обогрева зданий и сооружений, нагрева воды и воздуха;

6. Для замораживания грунтов в горном деле при проходке шахт, в строительстве, для охлаждения больших масс бетона;

7. При экспериментальных исследованиях, связанных с применением низких температур.

Центробежные компрессоры.

Ступень центробежного компрессора рис. 19, состоит из рабочего колеса, диффузора и неподвижных элементов, с помощью которых сжатое рабочее вещество выводится за пределы ступени. По конструкции различают промежуточную и концевую ступени. В промежуточной ступени за диффузором установлен обратно направляющий аппарат. С его помощью рабочее вещество подводится к колесу последней ступени. За диффузором концевой ступени расположено концевое устройство (улитка), с помощью которого рабочее вещество выводится за пределы корпуса машины.

Рис. 19. Двухступенчатый фреоновый центробежный компрессор с мультипликатором:

1—уплотнение вала; 2—планетарный мультипликатор; 3—ротор;

4—пакет диафрагм; 5—кожух; 6 — вход­ной регулирующий аппарат; 7 — радиальный подшипник; 8 — радиально-упорный подшипник.

Характеристикой центробежного компрессора называется зависимость его основных рабочих параметров: отношение давлений , внутренняя мощность N_i, политропный КПД η_пол, коэффициент эффективной работы ψ, коэффициент теоретической работы φ₂₄ от параметра, характеризующего производительность компрессора при различных фиксированных значениях безразмерной окружной скорости. Для обеспечения нормальной работы холодильной машины применяют различные способы регулирования центробежных компрессоров:

1. Регулирование перепуском или байпасированием;

2. Дросселирование на нагнетании (устанавливается дроссельное устройство между компрессором и конденсатором);

3. Изменением частоты вращения;

4. Дросселированием на всасывании - дроссельное устройство располагают перед входом в компрессор, (лучше, чем на нагнетании, но хуже чем регулирование частотой вращения);

5. Закруткой потока при входе в колесо (с помощью входного регулирующего аппарата ВРА);

6. Поворотом лопаток диффузора (на 5÷10 %);

7. Комбинированное регулирование производительности (получаем наилучшие показатели работы машины).

Лекция 2. Осевые компрессоры.

В холодильной технике осевые компрессоры применяются в газовых (воздушных) холодильных машинах.

Преимущества осевых компрессоров:

1. Меньшие радиальные размеры, чем у центробежных компрессоров той же объемной производительности;

2. Более высокие КПД, чем у центробежных компрессоров, из-за лучшей организации потока в осевых лопаточных аппаратах и как следствие газодинамических потерь в них.

Использование этих преимуществ позволит повысить энергетическую эффективность и уменьшит размеры и металлоемкость холодильных компрессоров. Эти же факторы обусловили применение осевых компрессоров в тех отраслях, где требуются большие объемные производительности в одном агрегате (доменные воздуходувки, стационарные газотурбинные двигатели, авиационная техника).

Возможность получения больших объемных производительностей делает осевые компрессоры перспективным типом машин для пароводяных тепловых насосов, использующих в качестве источника низкой температуры теплые водосбросы крупных промышленных предприятий.

Недостатки осевых компрессоров:

1. Крутые газодинамические характеристики малой протяженности по расходу;

2. Повышенная чувствительность к помпажу, который может вызвать поломку лопаток рабочих колес.

Эти недостатки можно устранить за счет применения эффективных методов регулирования, повышенного уровня автоматизации и культуры эксплуатации.

Рис. 20. Осевой компрессор

Осевой компрессор рис. 20, состоит из входного устройства 1, с помощью которого газ подводится к входному направляющему аппарату (ВНА) 2. Входной направляющий аппарат организует поток и придает ему необходимое направление движения, после чего он поступает на рабочее колесо (РК) 3. Из рабочего колеса газ поступает в направляющий аппарат (НА) 6, в котором изменение его давления и скорости зависти от коэффициента реактивности Ω, как и при прохождении через РК. При выходе из последней ступени газ проходит спремляющий аппарат (СА) 4, который придает выходной скорости осевое направление. Обычно СА выполняют совмещенным с НА последней ступени. Из СА сжатый газ поступает в выходное устройство 5, которое по конструкции представляет собой обращенное выходное устройство.

Высота лопаток при входе и выходе РК и НА изменяется, уменьшаясь от входного сечения к выходному. Это объясняется тем, что по мере сжатия плотность газа растет, его объемный расход уменьшается, и при мало меняющейся осевой расходной составляющей скорости потока в ступени, высота лопаток уменьшается.

Окружная скорость на среднем диаметре:

(72)

Коэффициент расхода:

(73)

Число Маха:

(74)

где C_Z – осевая скорость газа;

а₁ – скорость звука в газе.

Коэффициент теоретической работы:

(75)

где l_Э – работа элементарной ступени.