Гл. IV. Перемещение и сжатие газов (компрессорные машины)

цилиндре по винтовой линии. На роторе 2 имеются углубления, также расположенные-по винтовой линии и соответствующие по форме зубьям ротора 1. При вращении ротора 1 винтовые зубья входят в зацеплегие с углублениями на роторе 2 и вытесняют газ, находящийся в полостях,

ограниченных поверхностями роторов и кор- пуса, перемещая его в продольном направ- лении.

Двухступенчатые винтовые компрессоры изготовляются на давление до 8 ат\ ско- рость вращения роторов этих машин дости- гает 10 ООО об!мин. При давлениях более

2. ат винтовые машины имеют к. п. д. больший, чем машины других типов. Их достоинствами являются компактность и быстроходность, а также чистота подавае- мого газа. К недостаткам винтовых ком- прессоров следует отнести сложность изго- товления винтовых роторов и высокий уро- вень шума при работе этих машин.

7. Вакуум-насосы

Особенностью вакуум-насосов, опреде- ляющей их конструктивное отличие от ком- прессоров, является высокая степень сжатия. Так, например, если вакуум-насос отсасы-

вает газ (воздух) при давлении 0,05 ат (разрежение 95%) и сжимает его до 1,1 ат на выходе из насоса (избыточное давление 0,1 ат необ- ходимо для преодоления сопротивления нагнетательного клапана и трубопровода), то степень сжатия составляет

Рис. 1\'-18. Схема винтового компрессора:

1,2 — роторы; 3 — корпус.

£%.

Рі

_Ы_

0,05

22

в то время как для одноступенчатых поршневых компрессоров степень сжатия не превышает 8.

При столь высоких степенях сжатия объемный коэффициент и произ­водительность вакуум-насоса резко снижаются. Поэтому для более пол­ного использования рабочего объема насоса стремятся свести к минимуму объем мертвого пространства в нем. Для этой цели в вакуум-насосах многих типов, например поршневых и ротационных пластинчатых, ис­пользуют прием выравливания давления (см. ниже), повышая этим коэф­фициент подачи вакуум-насосов до Ху — 0,8—0,9.

Поршневые вакуум-насосы. Эти машины делятся на сухие и мокрые. Сухие вакуум-насосы применяют для откачки только газа, мокрые — для откачки газа и жидкости одновременно, например в конденсаторах сме­шения (стр. 338).

Сухие вакуум-насосы конструктивно не отличаются от поршневых компрессоров. Для увеличения объёмного коэффициента некоторые из этих машин снабжены золотниковым распределительным механизмом. С помощью золотника мертвое пространство насоса в конце периода сжа­тия соединяется с камерой всасывания, в которой давление в данный момент равно давлению всасывания р{. Сжатый до давления р₂ газ из мертвого пространства переходит в камеру с давлением р{. Поэтому давление газа в мертвом пространстве падает (происходит выравнивание давлений р_г и р₂) и всасывание газа начинается почти в самом начале хода всасывания поршня вакуум-насоса, что увеличивает его производитель­ность.

173

Мокрые вакуум-насосы не имеют механизма золотникового рас- пределения, а всасывающий и нагнетательный клапаны их несколько увеличены в связи с необходимостью отвода значительного количества жидкости, скорость течения которой через клапаны должна быть меньше, чем скорость движения газа. Поэтому мокрые вакуум-насосы имеют уве- личенный объем мертвого пространства и создают разрежение значительно меньшее, чем сухие вакуум-насосы.

Двигатели для сухих поршневых вакуум-насосов подбирают с учетом производительности насоса по величине максимальной работы сжатия, соответствующей остаточному давлению = 0,33 ат (при условии, что давление нагнетания р_г равно 1 ат).

Поскольку теплопроводность разреженного газа очень мала и теплообмен со стенками цилиндра практически отсутствует, сжатие газа в сухих вакуум-насосах прс исходит адиаба- тически. Как следует из уравнения (IV,8), удельная работа адиабатического сжатия /_зд = = 0 при р₂1р\ — 1, т. е. в начальный момент, когда р₂ = р₁ = 1 ат, и при дости че. ии абсолютного вакуума (когда нагнетание прекращается из-за отсутствия газа). Таким обра- зом, функция /_ад = / (р_г) имеет два одинаковых значения в интервале (0 ^ ^ 1), что указывает на наличие экстремума функции в этом интервале. Продифференцировав урав- нение (IV,8) и приравняв производную нулю, получим

1-£ к— 1 \-р_х* р₂* -1

= 0 (1\’.41)

к

£-=**"* (1\\41а)

Р1

Взяв вторую производную, убедимся, что она имеет отрицательное значение, так как величины к, р_х и р₂, входящие в выражение для второй производной, положительны:

= - 4" р1 ~ *р1~ * < ⁰ (1^у.⁴²)

ар{ ^я

Следовательно, функция /_ад = [ (р_г) на участке 0 I проходит через максимум.

Подставив в уравнение (IV,41а) значение показателя адиабаты к = 1,4 для воздуха,

определим степень сжатия , при которой работа вакуум-насоса максимальна:

Р\

М. = 1.4³'⁵ = 3,3 Р\

Из последнего выражения следует, что при р₂ = 1 ат давление в сосуде, которому отвечает максимальная работа сжатия, равно р_г — 0,33 ат.

В мокрых вакуум-насосах процесс изменения состояния газа является практически изотермическим вследствие интенсивного теплообмена I аза со всасываемой жидкостью, обладающей, по сравнению с газом, значи­тельной теплоемкостью.

Работа сжатия 1_ЯЗ (дж/кг) для мокрого вакуум-насоса может быть определена с по­мощью уравнения

1т = РЛ 1п Р-К-Г.Я* (1У.43)

Р1

где р₀ — парциальное давление пара в конденсаторе, которое зависит только от темпера­туры, н1м²\ р_г — парциальное давление газа в конденсаторе, н!м?\ — удельный объем газа при условиях всасывания, м³!кг; р₂— давление нагнетания, н!м^г.

Мощность на валу Ы_е (вт) мокрого вакуум-насоса складывается из мощ­ности, затрачиваемой на откачивание жидкости, и мощности изотермического сжатия:

Гор + 1п

Ы_е = & (IV,44)

И П. ИЗ

где - объем откачиваемой жидкости, м^г!сек\ р — полное давление, развиваемое ва­

куум-насосом, я/м²; У₁—объем откачиваемого газа при условиях всасывания, м³1сек; %. из — "ПизЛмех — полный изотермический к. п. д. насоса.

Гл. IV. Перемещение и сжатие газов (компрессорные машины)

Ротационные пластинчатые и водокольцевые вакуум-насосы. Эти на­сосы конструктивно подобны соответствующим компрессорам Сем. рис. 1У-8 и 1У-9). В ротационных насосах с выравниванием давления перепуск газа осуществляется при помощи специального канала, соеди­няющего мертвое пространство с камерой наименьшего давления. Таким путем достигается существенное увеличение объемного коэффициента вакуум-насоса. Разрежение, создаваемое водокольцевым вакуум-насосом, тем меньше, чем выше температура и парциальное давление рабочей жидкости, заливаемой в насос. Поэтому водокольцевые вакуум-насосы заливают жидкостью с возможно более низкой температурой.

Струйные вакуум-насосы. По принципу действия эти вакуум-насосы аналогичны струйным насосам для перекачивания жидкостей (см. стр. 149). Как правило, в качестве рабочей жидкости в струйных вакуум-насосах используется пар. Пароструйные насосы, изготовленные из химически стойких материалов, широко применяются для отсасывания кислых паров.

Разрежение, создаваемое одноступенчатым пароструйным насосом, не превышает 90% абсолютного. Для получения более глубокого вакуума применяют многоступенчатые пароструйные вакуум-насосы с конденса­цией отработанного пара между ступенями, состоящие из нескольких последовательно соединенных пароструйных насосов, между которыми установлены конденсаторы смешения. Конденсация отработанного пара между ступенями устраняет необходимость в сжатии отработанного пара в каждой последующей ступени и снижает тем самым общий расход энергии.

8. Сравнение и области применения компрессорных машин различных типов

В химической промышленности наибольшее распространение полу­чили поршневые и центробежные компрессорные машины.

Турбокомпрессоры и турбогазодувки отличаются компактностью, простотой устройства, равномерностью подачи. Существенным достоин­ством их является чистота подаваемого газа, не загрязненного смазкой, что часто определяет выбор типа компрессора. Отсутствие инерционных усилий и быстроходность позволяют монтировать турбокомпрессоры на более легких фундаментах с непосредственным присоединением к приводу (как правило, к газовой или паровой турбине) или через повышающую число оборотов передачу — к электродвигателю, так как скорость вра­щения электродвигателя часто недостаточна.

По значению к. п. д. турбокомпрессоры уступают поршневым. Однако турбокомпрессоры производительностью 6000 м³!ч и выше часто эконо­мически более выгодны в связи с уменьшением капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Поэтому турбокомпрессоры обычно при­меняются в производствах, где требуется подача значительных количеств газа (10 000—200 000 м³/ч и более) при давлениях до 30 ат (в среднем 10—12 ат). Современные многоступенчатые турбокомпрессоры позволяют получать давления до 300 ат; турбокомпрессоры, эффективно используют в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к чистоте подаваемого газа.

В области меньших подач (до 10 000 м³1ч) в широком интервале дав­лений (до 1000 ат) применяют почти исключительно поршневые компрес­соры.

Ротационные и винтовые компрессоры, обладая достоинствами центро­бежных, имеют более высокий к. п. д., чем турбокомпрессоры, и при­меняются при производительностях обычно не более 6000 м³/ч и давле­ниях не выше 15 ат (двухступенчатые пластинчатые ротационные ком­прессоры). Недостатками ротационных компрессоров являются слож­ность изготовления и обслуживания, а также высокий износ пластин

ротора, из-за чего часто нарушается герметичность рабочих камер и про­исходит уменьшение степени сжатия.

Осевые компрессоры, отличающиеся компактностью и высоким к. п. д., используются при высоких подачах (80 ООО м³/ч и более) и небольших давлениях (до 6 ат).

Область применения вакуум-насосов определяется величиной созда­ваемого ими вакуума.

Мокрые поршневые вакуум-насосы создают разрежение 80—85% абсолютного, а наиболее совершенные конструкции этих машин — 93— 97%. Сухие поршневые вакуум-насосы с выравниванием давления могут обеспечивать разрежение, равное 99,9%. Предельный вакуум, создавае­мый ротационными пластинчатыми вакуум-насосами с выравниванием давления, составляет 98—99%, без выравнивания 95—96%.

Для получения умеренного разрежения (до 90—95%) и перемещения агрессивных, взрывоопасных и влажных газов и паров на химических предприятиях широкое применение нашли водокольцевые вакуум-насосы, обладающие по сравнению с поршневыми всеми достоинствами и преиму­ществами центробежных машин, но имеющие более низкий к. п. д. Созда­ваемое водокольцевыми вакуум-насосами разрежение ограничено вели­чиной парциального давления пара рабочей жидкости, зависящего от температуры.

Для получения остаточного давления не более 0,05—0,1 мм рт. ст. используют специальные конструкции ротационных вакуум-насосов. Такие двухступенчатые машины обеспечивают остаточное давление дс

1. 005 мм рт. ст., а трехступенчатые — до 0,001 мм рт. ст.

Разрежение 95—99,8% достигается с помощью многоступенчаты? пароструйных вакуум-насосов. К достоинствам этих насосов следуеч отнести простоту устройства и отсутствие движущихся частей, в связг с чем они с успехом могут применяться для отсасывания химически актив ных газов. Для установки пароструйных насосов не требуются ни привод ни фундаменты, поэтому их можно установить практически в любом месте Недостатки пароструйных вакуум-насосов: значительный расход пар; и возможность смешения отсасываемого газа с паром.