книги из ГПНТБ / Вьюшин, В. Д. Эксплуатация компрессорных установок
.pdfПри постоянной температуре всасывания конечная температура воздуха является функцией степени сжатия т и показателя политропы сжатия п, зависящих от конечного давления и качества охлаждения цикла. Из менение показателя политропы сжатия и температуры всасывания при постоянной степени сжатия влияет на потребляемую компрессором работу, поскольку формула удельной работы имеет следующий вид:
|
П |
/1-1 |
/пол — R Ты |
п --- 1 |
|
|
П ~ |
1 |
г — |
|
/пол — R' Твс* С . |
при L ~ n _ l |
|
Влияние показателя политропы сжатия тем сильнее, чем выше степень сжатия (рис. 24). С изменением тем пературы всасывания изменяется не только работасжатия, но и удельный объем всасываемого воздуха, так как
Я в е- Vac — R' Г в с
Рис. 24. Зависимость работы С (сплошная линия) н температуры сжатого воздуха h (пунктирная линия) от степени сжатия т, показателя политропы п и температуры наружного воздуха t\.
5* |
67 |
Таким образом, изменение внутреннего охлаждения влияет на параметры воздуха и количество затраченной работы на его сжатие в данной ступени, а наружного — на понижение температуры воздуха перед ступенью и после компрессора, а также изменяет весовую произво дительность компрессора и работу сжатия в последую щей ступени.
НАРУЖНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
Всасывание охлаждаемого воздуха повышает весовую производительность компрессора обратно пропорцио нально изменению абсолютной температуры воздуха. При постоянном давлении всасывания и уменьшении температуры всасываемого воздуха на 3° С производи тельность компрессора увеличивается примерно на 1%. Следовательно, за счет охлаждения воздуха, поступаю щего в компрессор, можно повысить его производитель ность.
При наличии достаточно холодной (артезианской) воды на предприятии и высокой температуры всасывае мого воздуха для его охлаждения можно установить перед компрессором поверхностный холодильник или, что более эффективно, орошать воздух мелкораспылен ной водой, т. е. применить мокрые воздухоохладители (см. рис. 13). При этом увеличивается относительная влажность воздуха.
При охлаждении абсолютное количество паров воды в воздухе не увеличивается, а уменьшается, поэтому такой способ не является опасным. Например, если компрессор всасывает воздух с температурой +30° С и относительной влажностью 70%, то каждый килограмм такого воздуха содержит 18,4 г водяных паров. При охлаждении воздуха до+15°С и 100%-ной относительной влажности в каждом килограмме будет содержаться 10,5 г влаги. Остальное количество влаги выпадает в виде капель воды, которые необходимо своевременно отделить до поступления воздуха в компрессор (без при менения влажного сжатия). Чем глубже охлаждение, тем меньше абсолютная влажность всасываемого воздуха.
Промежуточное охлаждение сжимаемого воздуха осуществляется между ступенями в промежуточных хо лодильниках и после компрессора в конечных холодиль
никах. Из диаграммы TS (рис. 25) следует, что количе ство тепла, отводимое охлаждающей водой в холодиль никах, пропорционально площадям, ограниченным точ
ками: в промежуточном холодильнике в—2 '—2"—с—в,
в конечном d—2—3—е—d. Оно выражается формулами:
(1пром-= С'от ( Ц ~ ' Vcp ’
1:он. = С 'рт ( ^ ~ Т ,) • ^ср ,
1. Основной причиной возникновения взрыва являет ся самовозгорание нагаромасляных отложений.
Из анализа обстоятельств взрывов в компрессорных установках известно, что местом возникновения загораний является не компрессор, а нагнетательный тракт между компрессором и воздухосборником. Если компрессор и получает повреждения, то происходит это от взрывной волны в сторону компрессора. Необходимым условием взрыва является образование в ограниченном простран стве трубопровода смеси мелко распыленного масла и продуктов его разложения с воздухом в определенной концентрации, импульса в виде искры или резкого повы шения температуры. Нижний предел воспламенения
смеси составляет около 45 мг масла на литр воздуха |
и, |
|
следовательно, при хорошем состоянии поршневых |
ко |
|
лец, клапанов и паспортной подаче |
в цилиндр масла |
|
опасные концентрации создаваться не могут. |
|
|
Выделяющееся в процессе сжатия |
тепло частично |
|
отводится охлаждающей водой, а частично потоком сжа того воздуха, который нагревает стенки трубопровода и имеющиеся на нем маслоотложения. Процесс окисления маслоотложений на стенках трубопровода при темпера туре выше 150° С имеет экзотермический характер. До тех пор пока выделяющееся и отводимое тепло количест венно равны, система находится в тепловом равновесии. При избытке выделяющегося тепла начинается процесс саморазогрева слоя маслоотложений.
Исследования, проведенные в Институте химической физики АН СССР, показали, что самовозгорание нага ромасляных отложений при обдуве их горячим воздухом, выходящим из компрессора, в условиях каталитического действия окиси железа возможно при температуре выше 140° С, а тепловой очаг в гетерогенной фазе может обра зовать диффузионное пламя в объеме при t~> 150° С, что приведет к резкому ускорению испарения масла из мас ляных отложений в трубопроводе и возникновению уско ряющегося турбулентного пламени с образованием удар ных волн.
Ударные волны, срывая тончайшую пленку масла со стенок труб, увеличивают количество паров масла в воз духе, что может привести к детонационному горению (взрыву). Подобные явления были зафиксированы на некоторых предприятиях и имели тяжелые последствия.
70
При высокой температуре сжатого воздуха и боль шом количестве парскв масла воспламенение могут выз вать различные кусочки металла, попавшие в цилиндр или трубопровод. Попадая с потоком воздуха в трубо провод и ударяясь о его стенки, они могут образовать ис кру, а затем и пламя при наличии необходимой концент рации паров масла в месте образования искры. Кусочек пластины толщиной 2,0—2,5 мм, оказавшись у крышки цилиндра, от удара по нему поршнем может также обра зовать искру. Во избежание таких явлений следует при менять прямоточные клапаны, имеющие жесткое закреп ление пластин.
2. Существует предположение, что с применением конечного холодильника устраняется опасность скопле ния масла и влаги в магистралях.
В концевой холодильник поступает сжатый воздух с температурой 100—130° С и давлением 6,5—7,5 бар. Ниж ний температурный предел соответствует зимнему перио ду эксплуатации компрессоров и малому содержанию влаги в атмосферном воздухе и, несмотря на то что тем пература воздуха после конечного холодильника равна 40—45° С, вся влага уходит в магистральный трубопро вод завода.
В летний период при увеличенной влажности темпе ратура сжатого воздуха после конечного холодильника равняется 50—60° С. Если предельное влагосодержание сжатого воздуха при этом окажется меньше атмосфер ного, то произойдет конденсации и выпадение некоторого количества воды, если больше, то конденсация не прои зойдет.
3. Поскольку большинство коммуникаций сжатого воздуха расположено в помещениях с температурой выше 0°С, вода в трубопроводах не замерзает.
Таким образом, конечные холодильники можно не устанавливать, поскольку давление в сети равно 6,5— 7,5 бар и при правильной эксплуатации компрессоров опасная температура сжатого воздуха не достигается, а отделения влаги в них почти не происходит.
Использование концевого холодильника и влагоотделителя создает лишь дополнительные условия для об разования взрывоопасных смесей, так как емкости акку мулируют эти смеси в застойных зонах.
При включении конечного холодильника вследствие увеличения конечного давления за компрессором и цир-
71
куляции дополнительного количества охлаждающей во ды увеличивается удельный расход электрической энер гии на выработку сжатого воздуха. Кроме того, понижая температуру воздуха перед пневматическим инструмен том, использующим кинетическую энергию вытекающей струи, увеличиваем его весовой расход, так как работо способность воздуха определяется по формуле:
/ |
ft—1 R •Ti |
l - |
Pi' |
Pa |
|||
v •dP = |
|
|
k - \ -
k ,
а объемное количество воздуха, проходящее через ин струмент при различной температуре, постоянно.
Поскольку воздух охлаждается в конечном холодиль нике при постоянном давлении; его удельный объем из меняется прямо пропорционально изменению абсолют ной температуры:
3 . = Jj_
т3 '
Пользуясь отношением О = — , можно вывести
V
формулу уменьшения расхода воздуха:
О з - С а = О з ( 1 - - £ )
При увеличении температуры сжатого воздуха, по ступающего в приемники, на 10—15° С его весовой рас ход уменьшается на 3—5%. Однако чрезмерное повыше ние температуры воздуха после компрессора может привести к самовоспламенению нагаромасляных отложе ний и паров масла в воздухе. Поэтому повышать темпе ратуру воздуха в сети можно только до определенной величины, сохраняя безопасные условия эксплуатации энергетического оборудования и коммуникаций сжатого воздуха.
Изменяя количество промежуточного и конечного охлаждения сжимаемого воздуха, необходимо контроли ровать количество находящейся .в нем влаги перед пнев матическим оборудованием и инструментом.
Таким образом, анализируя и обобщая статистичес кие данные климатических и производственных условий
72
работы компрессоров, а также результаты эксперимен тальных работ, можно сделать следующие выводы.
1. Охлаждение воздуха перед компрессором целесо образнее применять в южных районах страны. В средней полосе количество дней с температурой выше 25—30°С незначительно, и охлаждение воздуха перед компрессо
ром |
заметного |
эффекта не |
дает. |
условия |
2. |
Создавая |
определенные |
температурные |
|
перед первой и второй ступенями компрессора, |
можно |
|||
обеспечить конечную температуру сжатого воздуха после первой ступени ниже той, при которой создаются условия для самовоспламенения паров масла и нагаромасляных отложений, а также обеспечить конечную температуру воздуха после компрессора, при которой можно рабо тать без применения конечного холодильника.
3.Чем сильнее понижаем температуру воздуха перед следующей ступенью, тем больше и экономический эф фект от промежуточного охлаждения. При полном ох лаждении воздуха (до первоначальной температуры) и равномерном распределении работы между ступенями экономия получается наибольшей.
4.При работе поршневых двухступенчатых компрес
соров с |
давлениями |
Явс=1, |
Р пр=3,5 |
и / >КОн=6)0— |
7,0 бар |
и температуре |
воздуха |
после |
промежуточного |
холодильника, равной 32—40° С, выпадение влаги в ко нечном холодильнике произойдет при охлаждении воз духа в нем ниже 50° С. Такого режима работы в летних условиях почти не бывает. Следовательно, конечный хо
лодильник не выполняет функции |
осушителя сжатого |
|
воздуха, а лишь приближает зону |
конденсации |
влаги |
в трубопроводе к компрессорной станции. |
масла |
|
5. Конденсация некоторого количества паров |
||
в конечном холодильнике ухудшает его работу, в то же время не влияя на чистоту внутренних поверхностей трубопроводов.
6. При наличии незначительной пленки (следа) мас ла на внутренней поверхности труб значительно умень шается их коррозия, качество подаваемого воздуха не ухудшается, а при низкой температуре в сети не повыша ется и степень опасности самовозгорания паров масла. При правильной расстановке и эксплуатации влагоотде
73
лителей вода в пневматический инструмент и оборудова ние не попадает.
7. На компрессорных станциях целесообразно уста навливать конечные холодильники при температуре сжа того воздуха выше 140° С.
ОХЛАЖДЕНИЕ ВОЗДУХА В ПРОЦЕССЕ СЖАТИЯ
При заданном давлении нагнетания изменение качест ва охлаждения процесса влияет на параметры воздуха в цилиндре, следовательно, и на режим работы ступени компрессора. Изменения режима работы можно добить ся интенсивным поверхностным охлаждением или впрыс ком воды в цилиндр компрессора. Анализируя работу компрессоров с внутренним рубашечным охлаждением, можно сказать, что показатель политропы сжатия ко леблется в пределах 1,35—1,39 и незначительно отлича ется от показателя адиабаты /(=1,4. Это свидетельст вует о том, что при рубашечном охлаждении полностью отводится тепло трения и незначительно тепло, выде ляемое в процессе сжатия.
Количество тепла, отводимое в процессе сжатия, за висит от самого процесса. Согласно диаграмме TS (см. рис. 25) оно пропорционально площадям, ограниченным точками:
I ступень а — 1 — 2' — b — а,
IIступень с — 2"— 2 — d — с
ивыражается формулами:
n’ —k |
С;.- {Т.,,- Т[), |
п' —1 |
|
где Су—средняя весовая теплоемкость воздуха при постоянном объеме;
Т — температура начала и конца процесса сжатия, °С. Таким образом, с повышением охлаждающего эффек та существенно увеличивается отвод тепла и снижается
74
г
Рис. 26. Схема впрыска воды в цилиндр компрессора с двусто ронним всасыванием:
/ — термометр; |
2, 6— всасывающий и |
нагнетательный патрубки; 3 — манометр; |
||
4 — индикатор; |
5 — датчик давления для осциллографа; 7 — цилиндр; 8 — бал |
|||
лон |
с газом; 9—13 — вентиль для залива и слива |
конденсата: 10 — трубопро |
||
вод |
для впрыска воды; / / — предохранительный |
клапан; 12 — емйость для |
||
|
|
конденсата; |
14 — редуктор. |
|
температура процесса. Повысить охлаждающий эффект за счет дополнительного охлаждения цилиндра не уда ется из-за невозможности увеличения его поверхности.
Вопрос о снижении температуры сжимаемого возду ха или рабочей смеси впрыском воды в цилиндры изуча ется сравнительно давно. Этот вопрос имел актуальное значение при разработке мероприятий по снижению тре бований к детонационной стойкости топлива авиацион ных и автотракторных двигателей, повышению экономич ности двигателя внутреннего сгорания за счет увеличе ния его литровой мощности, уменьшению нагаромасля ных образований в цилиндрах и уменьшению износа их деталей, форсажу реактивных двигателей за счет увели чения давления наддува. Проводились работы по впрыс ку воды в цилиндры поршневых компрессоров. Во всех случаях впрыск воды создавал более благоприятные ус ловия для работы двигателей и компрессоров, давал возможность обходиться более дешевым топливом, умень-
75
Рис. 27. Зависимость параметров работы компрессора от количества впрыскиваемой воды при различной температуре наружного воздуха, всасываемого компрессором:
) — изменение диаметра |
капли |
от давления |
впрыскиваемой |
воды; 2 — относи |
|||
тельное |
изменение |
производительности компрессора; 3 — относительное |
изме |
||||
нение |
температуры |
воздуха |
в цилиндре; |
4 — линия ^эф ; |
5 — максимальная |
||
производительность |
компрессора (G mukcq). |
^ к — средний |
диаметр |
капли |
|||
впрыскиваемой воды, |
— Й. |
—относительное изменение производительности |
|||||
G = £ |
|||||||
компрессора; G0; G |
— весовая |
производительность компрессора без впрыска и |
|||||
свпрыском воды при одинаковых остальных параметрах воздуха и охлаждаю-
—Г
щей воды, кг1мин,Т—т —относительное изменение температуры сжатого
*о
воздуха; 7'0; Т — абсолютная температура сжатого воздуха без впрыска н с впрыском воды в компрессор, К.
шал динамические нагрузки на детали двигателей внутреннего сгорания, снижал температуру процесса. Поэто му применение впрыска воды в цилиндр компрессора является перспективным методом увеличения экономич ности в работе компрессоров. Впрыскивая воду в ци линдр компрессора (рис. 6,26), можно до минимума сни жать конечную температуру сжимаемого воздуха или до максимума увеличивать производительность компрес сора (рис, 27).
76