Регулирование подачи поршневых компрессоров

Расход сжатого газа обычно не вполне соответствует расчетному. Он может меняться в значительных пределах в зависимости от характера и условий работы потребителей. Поэтому давление в газосборнике меняется, так как объем его рассчитывается, глав­ным образом, из условий выравнивания неравномерностей по­дачи газа поршнем, движущимся с переменной скоростью.

Только весьма кратковременное несоответствие между пода­чей компрессора и расходом может быть компенсировано возду­хосборником (рессивером), который при возрастании давления принимает избыток газа, а при снижении — его отдает. Обыч­но же с уменьшением расхода газа потребителями давление в газосборнике увеличивается и может превысить пределы допу­стимого. Как известно, при подборе компрессора стремятся к тому, чтобы его номинальная подача немного превышала расход потребителя. Поэтому практически регулирование подачи, т. е. приведение подачи компрессора в соответствие с расходом газа потребителями, сводится к снижению подачи компрессора ниже номинальной.

Наиболее простым и удобным способом регулирования явля­ется изменение частоты вращения приводного вала компрессора. Однако этот способ применим только в том случае, если привод осуществляется от паровой машины или двигателя внутреннего сгорания.

При электроприводе, наиболее распространенном современ­ном способе привода компрессоров, регулирование изменением частоты вращения оказывается неприемлемым как с конструк­тивных, так и с энергетических соображений. Если приводной двигатель работает с постоянной частотой вращения, то регулирование подачи компрессора может быть осуществлено следую­щими способами.

Регулирование за счет полного или частичного принудитель­ного открытия всасывающих клапанов. Это приводит к полному или частичному переводу компрессора на холостой ход.

При полном открытии всасывающих клапанов сжатие газа в цилиндре не происходит и засасываемый газ снова выталки­вается во всасывающую трубу. Если всасывающие клапаны за­крываются неполностью или только на части хода поршня, то, подача газа уменьшается. В практике предпочтительнее, как из конструктивных, так и энергетических условий, применять пол­ное открытие всасывающих клапанов на части хода поршня.

Регулирование за счет перепуска газа из нагнетательного тру­бопровода во всасывающий. Такой перепуск может быть свобод­ным или дроссельным. При последнем способе регулирования происходит более плавное изменение подачи компрессора, но без уменьшения потребляемой мощности. Поэтому в практике чаще применяется более простой и более экономичный способ — сво­бодный перепуск с помощью байпасного вентиля.

Регулирование за счет дросселирования во всасывающем тру­бопроводе. Дросселирование вызывает падение давления P ₁при всасывании компрессора. Следовательно, при неизменном давле­нии нагнетания степень сжатия  будет увеличиваться, а объемный КПД будет уменьшаться. Естественно, при этом будет уменьшаться и подача компрессора. Но в соответствии с зави­симостями (94) и (95) вследствие повышения степени сжа­тия  будет увеличиваться расход энергии на каждый килограмм сжатого газа. Поэтому применение указанного способа регулирования является неэкономичным.

Регулирование за счет подключения дополнительного вред­ного пространства. Если крышки цилиндра компрессора сделать пустотелыми и разделить полости на несколько ячеек, подклю­чаемых к вредному пространству, или каким-либо иным путем подключить к вредному пространству некоторый регулируемый объем, то общий объем вредного пространства будет перемен­ным. В этом случае регулирование объема вредного простран­ства будет заключаться в подключении или отключении части или всего дополнительного вредного пространства.

Увеличение объема вредного пространства Е, как это видно из зависимостей (100) и (101), ведет к уменьшению объем­ного КПД и, следовательно, к уменьшению подачи компрессора. Однако при этом удельный расход энергии, как было показа­но ранее, не увеличивается. Такой способ регулирования являет­ся наиболее целесообразным.

Каждый из приведенных способов регулирования подачи ком­прессоров конструктивно разработан и может вводиться в действие вручную или автоматически с помощью различных устройств. В настоящее время автоматические способы регули­рования разработаны с достаточной надежностью и поэтому руч­ное регулирование подачи компрессоров постепенно уступает место автоматическому.

Турбокомпрессоры

Турбокомпрессоры — это центробежные компрессорные машины, работающие по такой же схеме, как центробежные насосы. При­меняют их преимущественно при подаче относительно больших количеств газа или воздуха под небольшим давлением (0,15— 1,0 МПа).

Основное уравнение турбовоздуходувок и турбокомпрессоров аналогично уравнению (30), полученному для центробежных насосов при :

где Н _т — напор, развиваемый турбокомпрессором.

Ввиду того, что плотность воздуха значительно меньше плот­ности капельных жидкостей, степень сжатия P ₂ /P ₁в одной сту­пени турбокомпрессора не превышает значений 1,2—1,3 при обычно применяемых окружных скоростях на ободе рабочих колес u ₂ = 150—200 м/с.

Для получения более высоких степеней сжатия 1,6—1,8 не­обходимо довести окружную скорость до 400 м/с, что связано с применением стали высокого качества для изготовления рабочих колес. Часто для увеличения степени сжатия воздуха применя­ют многоступенчатые машины с сохранением обычных окружных скоростей.

В многоступенчатых машинах устанавливают на одном валу несколько последовательно работающих колес, разделенных диафрагмами. Число ступеней турбовоздуходувки или турбоком­прессора можно определить из следующих соображений.

Пусть степень сжатия газа во всех ступенях одинакова. Тогда

,

где р _к— конечное давление после последней ступени;  ε₁ — степень сжатия в одной ступени.

Перемножив полученные отношения, найдем полную степень повышения давления

,                                        (102)

где z — число ступеней.

Логарифмируя это выражение, получим ,откуда

или  .                      (103)

Центробежные компрессорные машины, сжимающие газ до 0,3 МПа, называют турбовоздуходувками. Число ступеней в та­ких машинах не превышает z = 3—4. Специальное охлаждение турбовоздуходувок обычно не применяют. Машины, служащие для создания более высокого давления, называют турбокомпрес­сорами. Число ступеней в них достигает десяти, а иногда и боль­ше. В турбокомпрессорах при достижении сжатия более четырех целесообразно применять промежуточное охлаждение. Охлажде­ние газа дает возможность увеличить его плотность при том же напоре и увеличить конечное давление сжатого газа. Кроме того, уменьшается расход энергии вследствие приближения процесса сжатия к изотермическому.

Вследствие того, что воздуходувки работают без охлаждения, можно считать, что процесс сжатия в них происходит по адиаба­те. Принято считать, что и в турбокомпрессорах при обычно не­совершенном способе отвода тепла, происходит адиабатическое сжатие газа, так как интенсивное выделение тепла при сжатии усугубляется дополнительным выделением тепла от интенсивно­го трения рабочих колес, вращающихся с большой скоростью в атмосфере газа. Поэтому мощность на валу турбовоздуходувки или турбокомпрессора определяется, исходя из адиабатического процесса

,                    (104)

где υ₁ — подача по всасываемому газу, м³/с; ε — степень сжатия компрессора; η _ад — полный адиабатический КПД, представляющий собой отношение адиабатической работы сжатия к работе на валу компрессора.