Нужен сжатый воздух. Использование сжатого воздуха. Краткая история развития компрессоров
Технологические цехи металлургического завода являются потребителями большого количества сжатого воздуха. Сжатый воздух используют для дутья в доменные печи, для работы пневматических машин и пневмоинструмента, для сжигания топлива в обжиговых, нагревательных и термических печах.
Расход сжатого воздуха в доменных цехах значительно превышает расход воздуха в каких-либо других производствах. Так, для получения 1т чугуна необходимо около 3000 м3 воздуха при нормальных условиях. Для дутья в доменные печи необходим воздух давлением 0,3-0,4 МПа, он вырабатывается на паровоздуходувных станциях ПВС, обычно совмещенных с ТЭЦ (ТЭЦ-ПВС).
Воздуходувные агрегаты, предназначенные для подачи воздуха в доменные печи, устанавливают на воздуходувных станциях.
Эти станции бывают разного исполнения:
паровоздуходувные (ПВС), включающие котлоагрегаты, паровые турбины и агрегаты доменного дутья;
комбинированные, паровоздуходувные и электрические (ПВС в составе ТЭЦ-ПВС), состоящие из агрегатов доменного дутья и паровых турбин;
ПВС или ТЭЦ-ПВС, имеющие в своем составе компрессоры доменного дутья с электроприводом;
воздуходувные станции, включающие только компрессоры воздушного дутья с электроприводом (ЭВС).
Воздуходувные станции оборудованы многоступенчатыми центробежными воздуходувными машинами. Количество ступеней определяется величиной требуемого давления. Основным элементом центробежных воздуходувных машин является рабочее колесо с лопатками, отбрасывающими воздух при вращении колеса за счет центробежных сил от центра к периферии, при этом воздуху сообщается энергия, повышающая его давление. Из-за значительного нагрева воздуха компрессоры снабжают водяным охлаждением.
Основной тип привода доменных воздуходувок - паровая турбина. Турбины, используемые для этих целей, работают на паре давлением 3,5 МПа или 9 МПа с температурой, соответственно, 435 0 С или 535 0 С. Иногда применяют приводы других типов. Перед подачей в доменную печь воздух после сжатия нагревают до температуры около 1000 0 С в доменных воздухонагревателях (кауперах).
Основной производитель центробежных компрессорных машин, используемых в качестве вохдуходувных агрегатов, Невский машиностроительный завод, г. Санкт-Петербург. Производительность выпускаемых этим предприятием машин от 2500 до 6900 м 3 /мин, давление воздуха 0,45-0,53 Мпа, привод – паровая конденсационная турбина мощностью 12-30МВт.
Для привода пневмомашин и пневмоинструмента используют воздух давлением 0,6-1,0 МПа. Сжатый воздух таких давлений получают централизованно на компрессорных станциях с помощью поршневых и центробежных компрессоров. Центробежные компрессоры предпочтительней, так как обеспечивают непрерывную подачу газа, надёжны и просты в обслуживании, не загрязняют сжатый воздух маслом. Поршневые компрессоры обеспечивают большую степень сжатия газа при одинаковых габаритах с центробежными компрессорами, но имеют меньшую производительность и менее надежны. В связи с этим современные компрессорные станции, как правило, оборудуют центробежными компрессорными машинами. Невский машиностроительный завод выпускает компрессоры производительностью от 345 до 3200 м 3 /мин, давление воздуха до 1,4 МПа.
Сжатый воздух к потребителям транспортируют с помощью развитой сети воздухопроводов, с воздуходувной и компрессорной станций раздельно. Воздухопроводы к доменной печи теплоизолированы, так как температура воздуха после сжатия повышается до 200 0 С. Эти воздухопроводы имеют диаметры, достигающие 2500 мм.
Для сжигания топлива в обжиговых, нагревательных и термических печах используют сжатый воздух давлением 0,003-0,01 МПа, подаваемый центробежными нагнетателями (вентиляторами), устанавливаемыми в непосредственной близости от потребителя.
Общее требование для сжатого воздуха - отсутствие механических примесей, влаги, паров масла. Очистка от механических примесей осуществляется с помощью фильтров, а от влаги и паров масла - путём охлаждения сжатого воздуха. Однако при этом не вся влага конденсируется, и её наличие в трубопроводах может привести к образованию зимой ледяных пробок.
Получение сжатого воздуха требует значительных затрат (так, стоимость доменного дутья - 30% стоимости чугуна).
>>Применение сжатого воздуха
Сжатый воздух может занимать значительно меньше места, чем при обычных условиях. Поэтому при хранении и перевозке воздух сжимают. При этом давление воздуха повышается, и поэтому приходится использовать специальные, достаточно прочные стальные баллоны (рис. 91). В таких баллонах, например, содержат сжатый воздух в подводных лодках, а также кислород, используемый при сварке металлов.
Рисунок 91. Стальные баллоны.
На применении сжатого воздуха основано действие различных пневматических устройств
(от латинского слова "пневматикос" - воздушный). К ним относятся, например, отбойный молоток и пневматический тормоз.
Устройство отбойного молотка
показано на рисунке 92. По шлангу 1 подается сжатый воздух. Устройство 2, называемое золотником, направляет его поочередно то в верхнюю, то в нижнюю часть цилиндра. Под действием этого воздуха боек 3 начинает быстро перемешаться то в одну, то в другую сторону, периодически (с частотой 1000-1500 ударов в минуту) воздействуя на пику 4. Удары последней используют для разрыхления мерзлых грунтов, откалывания от массива кусков горных пород, угля и т. д.
Рисунок 92. Отбойный молоток.
На рисунке 93 показано устройство пневматического тормоза
железнодорожного вагона. Магистраль 1, тормозной цилиндр 4 и резервуар 3 заполняют сжатым воздухом. При открывании стоп-крана сжатый воздух выходит из магистральной трубы, и давление в правой части тормозного цилиндра становится меньше, чем в левой (из которой сжатый воздух благодаря клапану 2 выйти не может). В результате этого поршень тормозного цилиндра перемещается вправо и прижимает тормозную колодку 5 к ободу колеса 6, которое при этом затормаживается.
Рисунок 93. Пневматический тормоз.
Давление сжатого воздуха используется и при добыче нефти
. На рисунке 94 показаны два способа ее добычи: а - нефть фонтанирует под давлением подземных газов и вод; б - нефть идет из скважины под давлением сжатого воздуха, накачиваемого в нефтеносный пласт.
Рисунок 94. Применение сжатого воздуха при добыче нефти.
Вопросы.
1. Почему сжатые газы содержат в специальных стальных баллонах?
2. Как действует отбойный молоток?
3. Опишите принцип действия пневматического тормоза.
4. Расскажите о способах добычи нефти из скважины
Отослано читателями из интернет-сайтов
Вся физика онлайн , курсы физики для учителей и школьников, онлайн рефераты , все материалы школьнику для подготовки к урокам физики, готовые домашние задания, календарно тематический план по физике
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки
ЧАСТЬ 1
ПРИНЦИПЫ СЖАТИЯ ВОЗДУХАТеоретические основы сжатия воздуха.
Краткая история развития компрессоров.
Но что представляет собой сжатый воздух?
Уравнение состояния идеального газа
Что такое давление?
Единицы измерения
Производство сжатого воздуха.
Типы компрессоров
1.2. Поршневые компрессоры
1.3 Винтовые компрессоры
Маслозаполненные винтовые компрессоры
Рекуперация тепла
Безмасляные компрессоры
Винтовые компрессоры сухого сжатия
Водозаполненные винтовые компрессоры
Дизельные винтовые компрессоры
1.4. Описание турбокомпрессора и элементов конструкции
2. Организация сжатия воздуха.
2.1 Классификация по степени сжатия и области применения.
2.2 Организация управления компрессором.
Блок управления пуском/остановкой
Блок управления нагрузкой
Блок управления задержкой холостого хода
Применение блоков управления на практике
Блоки управления для многоагрегатных систем
Удаленное (дистанционное) управление воздушными компрессорами.
Plant Control V – Визуализация
Plant Control T - Телемониторинг
2.3 Звукоизоляция.
Уровень акустической мощности звука
Уровень звукового давления
3.1. Осушение сжатого воздуха
Рефрижераторный осушитель
Адсорбционный осушитель
Выбор адсорбционного осушителя
Точка росы под давлением
Температура сжатого воздуха на входе в осушитель
3.2. Основные правила выбора подходящего типа адсорбционного осушителя
Адсорбционные осушители с холодной регенерацией
Адсорбционные осушители с горячей регенерацией
Основные правила корректного выбора блоков управления
Размещение осушителя
3.3. Фильтрация сжатого воздуха
3.4. Как собрать все компоненты вместе?
3.5. Этап проектирования 3, решения 2 и 3, критерии: качество и безопасность
3.6. Компрессорное помещение
Правила установки компрессора и характеристики компрессорного помещения
Вентиляция и аэрация компрессорного помещения
Естественная аэрация с закрывающейся заслонкой
Естественная аэрация с рекуперацией тёплого воздуха
Использование аэрационных воздуховодов для обогрева помещения тёплым воздухом
Искусственная аэрация в качестве воздуховодной вентиляции
Использование дополнительного вентилятора :
3.7. Пневмоаудит сетей сжатого воздуха предприятия.
Измерение расхода сжатого воздуха
Проведения замеров с помощью погружного расходомера Vortek.
5. Приложения.
Часть 1
Теоретические основы технологии сжатия воздуха
Сжатый воздух настолько широко используется в промышленности, что любой перечень его использования будет неполным. Ни одно промышленное или единичное производство не может обойтись без сжатого воздуха; ни одна больница, отель, электростанция или корабль не могут функционировать без него. Он используется в горнодобывающей промышленности, лабораториях, аэропортах и портах. Сжатый воздух необходим как для производства пищевых продуктов, так и для производства цемента, стекла, бумаги и тканей, в лесоперерабатывающей и фармацевтической промышленности.
Сжатый воздух используют: все типы машин и устройств имеющие пневматический привод и управление. Пневматический инструмент используется для растяжения, распыления, полирования и затачивания, для штамповки, продувки, очистки, сверления и перемещения. Бесчисленные химические, технические и физические процессы и технологии управляются с использованием сжатого воздуха.
Неиспользование сжатого воздуха в качестве источника энергии невозможно в нашем высокотехнологическом мире.
Краткая история развития компрессоров.
Изобретение поршневого воздушного насоса принадлежит физику О. Герике (Германия 1640 г), доказавшему с помощью построенной им машины существование давления атмосферы.
Центробежный принцип для создания давления жидкости практически был обоснован инженером Ледемуром (Франция) в 1732 г, предложившим оригинальную конструкцию центробежного водоподъемника.
В 1805 г. Ньюкомен построил поршневой насос с паровым конденсационным приводом.
В России инженер построил в 1832 г центробежный вентилятор.
Многоступенчатый поршневой компрессор с охладителями между ступенями сжатия предложен в 1849 г Ратеном (Германия).
В 50-х годах XIX в. Вортингтон (США) создал поршневой паровой автоматически действующий насос.
О. Рейнольдс (Англия), знаменитый исследователь режимов течения жидкостей, ввел в конструкцию многоступенчатого насоса направляющие аппараты и в 1875 г получил патент на конструкцию насоса, аналогичную современным насосам с несколькими ступенями сжатия.
Конструкция винтового компрессора запатентована в 1934 году. Надежность в работе, малая металлоемкость и габаритные размеры предопределили их широкое распространение.
Инициатором производства центробежных компрессоров в России является Невский машиностроительный завод (Невский литейно-механический завод, основанный в 1857 г).
Но что представляет собой сжатый воздух?
Сжатый воздух – это сжатый атмосферный воздух. Атмосферный воздух – это воздух, которым мы дышим. Это смесь различных газов:
21% кислород и
1% другие газы.
Состояние газа описывается тремя параметрами:
давление р
температура Т
удельный объём Vудел
Уравнение состояния идеального газа
Свойства воздуха подобны идеальному газу в широких диапазонах давления и температуры. Следовательно, линейная корреляция (уравнение состояния идеального газа) существует между тремя параметрами р, Т и Vудел., что описывается соотношением, называемым уравнением идеального газа:
Атмосферный воздух, со всеми входящими в его состав газами, состоит из молекул. Если тепловое движение молекул воздуха затруднено, например при его сжатии в сосуде, они соударяются со стенками сосуда, создавая давление р. Сила, создающая давление р на плоской поверхности площадью А, рассчитывается по формуле:
Что такое давление?
Мы постоянно находимся под воздействием атмосферного давления, в качестве подтверждения этого достаточно просто взглянуть на показания барометра . Многочисленные возможные диапазоны давлений подразделяются на следующие:
Атмосферное давление воздуха = Ратм
Избыточное давление = Ризб
Вакуумметрическое давление = - Ризб
Абсолютное давление = Рабс
(см. рис. 1)
Вакуум-метрическое
давление
Атмосферное
давление
Избыточное давление
Рис. 1. Диапазоны давлений.
Единицы измерения:
Рекомендованная единица измерения давления, которая была введена в 1978 году Международной Системой Измерений (система СИ), это Паскаль (Па):
Дополнительная единица измерения давления – бар :
1 бар = 101,325 kПа = 0,1 МПа
В технологии сжатия воздуха, рабочее давление (давление сжатия) выражается в барах. Ранее использовавшиеся единицы измерения давления, такие как атмосфера (1 атм = 0,981 бар), больше не используются.
По системе СИ, единица измерения температуры – градус Кельвина (ºК) . Его соотношение с градусом Цельсия (ºС), который традиционно используется в измерениях, следующее:
Т(ºК) = t(ºС) + 273,15
Объём V используется в технологии сжатия воздуха особенно широко, например, для определения размеров ресиверов. Он также используется для определения достаточного количества машин, производящих или потребляющих сжатый воздух, объёмного расхода воздуха Vэф (равного объёму воздуха производимого или расходуемого в единицу времени). В случае если поток сжатого воздуха течёт со скоростью v по трубе с площадью поперечного сечения А, объёмный расход Vэф вычисляется по формуле:
Единицы измерения объёмного расхода следующие:
В практических применениях, для определения объёмного расхода поршневых компрессоров, используется единица измерения л/мин; в случае использования
винтовых компрессоров используется м3/мин.
При помощи Объёмный расход позволяет определить потребление машиной сжатого воздуха. Объёмные расходы могут сравниваться только в том случае, если они определены при одинаковом давлении и одинаковой температуре.
В современной технологии сжатия воздуха объёмный расход используется только для определения производительности воздушных компрессоров. Методики измерения показателей, определяющих объёмный расход, указаны в стандартах: DIN 1945 и ISO 1217.
Стандартные и наиболее часто используемые значения для давления и температуры воздуха:
Ро = 1,013 бар и То = 20ºС Приведение к стандартным условиям.
Ро = 1,013 бар и То = 0ºС Приведение к нормальным условиям.
Объёмный расход часто определяется в нормальных кубических метрах в час (Нм3/час). Нормальный кубический метр равен, согласно стандарту DIN, объёму 1 м3 при давлении Р = 1,013 бар (101,325 кПа) и температуре Т = 0ºС.
Производительность компрессоров по ISO 1217 (от 1996 App. C) показывает, какое количество сжатого воздуха компрессор подает в пневмосеть в единицу времени при давлении на всасе 1 бар и Т= 20ºС. Производительность ВСЕГДА указывается при параметрах газа на всасе в компрессор (если всасывание происходит из атмосферы в "не сжатых" кубах). Указание производительности при любых других параметрах перекачиваемого газа, абсолютно не корректно с технической точки зрения и приводит к неверному подбору компрессора.
В процессе сравнения объёмных расходов компрессоров расположение точек замера также оказывает значительное влияние на полученный результат, который также зависит от окружающих условий, при которых проводились замеры на входе или на выходе из компрессора, или, например, от нагрузки компрессорного агрегата. Объёмные расходы могут сравниваться только в том случае, если они замерены при одинаковом давлении и температуре и в одних и тех же точках, в условии равной загрузки и при прочих равных параметрах.
Еще одна единица измерения, заслуживающая внимания при сравнении компрессоров, – удельная потребляемая мощность Руд . Она выражается в кВт (киловатт) и определяет количество энергии необходимой для производства сжатого воздуха с объёмным расходом 1 м3/мин. Удельная потребляемая мощность складывается из реально потребляемой мощности двигателя компрессора (она отличается от установленной мощности двигателя) и мощности потребляемой вентиляторами и другим электрооборудованием компрессора.
Например, если компрессор имеет объёмный расход 6,95 м3/мин и потребляемую мощность 42,9 кВт, то его удельная потребляемая мощность составляет
Удельная потребляемая мощность, является наиболее важным параметром для сравнения различных компрессоров и определения показателя качества их конструкции. Он даёт информацию о количестве полученного сжатого воздуха на затраченную единицу энергии. В качестве критерия сравнения его можно использовать только в случае, если сравниваемые компрессоры имеют одинаковое рабочее давление.
При сравнении компрессоров следует также обратить внимание на следующие параметры:
При каком конечном давлении были замерены значения,
Какая мощность принимается в расчет - на входном автомате, на клеммах электродвигателя, на выходном валу приводного электродвигателя или мощность на валу компрессорного блока.
Наконец, эффективность приводного электродвигателя и всевозможных имеющихся ременных или зубчатых передач должна также приниматься в расчёт.
1.1. Производство сжатого воздуха
Что представляют собой компрессоры?
Компрессоры – это машины для сжатия газа и перегретого пара. В этих машинах ступень сжатия обеспечивает компрессию рабочего тела.
Типы компрессоров
Можно выделить две основные группы компрессоров: объемного сжатия и динамического.
В первой группе компрессоров воздух сжимается вследствие принудительного уменьшения занимаемого им объема. Основными представителями этих компрессоров являются поршневые и ротационные компрессора.
Динамический компрессор – машина с непрерывным потоком, в котором при протекании газа происходит рост давления. Вращающиеся лопатки приводят к ускорению газа до высокой скорости, после чего скорость газа при торможении о лопатки диффузора преобразуется в давление. Турбокомпрессора являются примером реализации этого типа сжатия.
Рисунок, который находится ниже, даёт общее представление о классификации типов компрессоров.
Компрессоры
Поршневые Турбокомпрессоры
Ротационные С возвратно-поступательным движением рабочего органа
Винтовые Поршневые Радиальные
Пластинчатые Крейцкопфные
Водокольцевые Плунжерные
Типа Рутс Мембранные Аксиальные
Рис. 2: Обзор основных типов компрессоров.
Турбокомпрессоры
Винтовые компрессоры
Объём всасываемого воздуха в м3/час
Поршневые компрессоры
Рис. 3: Область использования основных типов компрессоров.
Рисунок 3 наглядно показывает область использования основных типов компрессоров.
В технологии сжатия воздуха наибольшее распространение получили поршневые, винтовые и турбокомпрессоры. В этом разделе мы ограничимся рассмотрением этих трех типов.
1.2. Поршневые компрессоры
В поршневых компрессорах поршни совершают возвратно-поступательные движения в цилиндрах. Поршни, как правило, приводятся в движение при помощи кривошипно - шатунного механизма. На одном колене коленчатого вала могут располагаться до пяти шатунов. Всасыванием и выпуском воздуха управляют автономно открывающиеся и закрывающиеся клапаны.
Существуют поршневые компрессоры с одним или несколькими цилиндрами, оппозитные, с V, W-образным или с L-образным расположением цилиндров, с одной или несколькими ступенями сжатия.
Рассмотрим различия между одной и двумя ступенями сжатия при использовании, например, 2-х цилиндрового компрессора с V-образным расположением цилиндров (см. рис. 4).
Рис. 4: Две ступени сжатия в поршневом компрессоре.
1: Фильтр на всасывании
2: Впускной клапан
3: Выпускной клапан
4: Первая ступень сжатия
5: Промежуточный охладитель
6: Вторая ступень сжатия
7: Коленчатый вал.
Одноступенчатый тип: цилиндры одинакового размера. Оба всасывают воздух, сжимают его и вытесняют в линию нагнетания.
Двухступенчатый тип: в первой ступени воздух сжимается до промежуточного давления. После промежуточного охлаждения он сжимается до конечного давления во второй ступени. Отношение диаметров цилиндров устанавливается конструктивно в зависимости от величины промежуточного давления. Рабочий объём поршня второй ступени значительно меньше рабочего объёма поршня первой ступени, так как предварительно сжатый воздух, поступающий на вход второй ступени, имеет значительно меньший объём. Автономные компактные клапаны управляют всасыванием и выпуском воздуха. Отношение давлений в ступенях устанавливается таким образом, чтобы в обеих ступенях совершался примерно одинаковый уровень работы. V-образное расположение цилиндров и равный вес поршней первой и второй ступеней, способствует уравновешенному вращению коленчатого вала и хорошему балансу масс.
Двухступенчатые поршневые компрессоры требуют меньшей мощности привода на м3 производимого сжатого воздуха по сравнению с одноступенчатыми машинами. Благодаря промежуточному охлаждению сжатого воздуха после первой ступени происходит уменьшение его объёма и соответственно квази-изотермическое сжатие. Производительность двух ступенчатого компрессора, по сравнению с одноступенчатым компрессором, при одинаковой мощности привода, увеличивается на 20% при давлении 10 бар. К тому же преимуществом многоступенчатого сжатия является понижение температуры воздуха в промежуточном охладителе. По этой причине такая конструкция очень надежна при использовании в больших агрегатах давлением до 15 бар.
Важной особенностью поршневых компрессоров является отвод тепла. Если не обеспечить отвод тепла, головка цилиндра не успевает охлаждаться. Последствия представить несложно: температура смазываемых узлов возрастает выше допустимого уровня, полностью выбираются тепловые зазоры, горячее масло, подаваемое к парам трения разбрызгиванием, не держит «масляный клин». В «лучшем» случае это грозит ускоренным износом механизма компрессора, в худшем – немедленным выходом из строя в результате заклинивания.
Это учитывается при проектировании компрессора. Для обеспечения теплосъема применяют принудительное охлаждение головки цилиндра – обдув воздухом. В качестве нагнетателя обычно используется вентилятор электродвигателя или шкив коленчатого вала компрессора. Чтобы повысить эффективность охлаждения, корпус головки изготавливают из сплавов с высокой теплопроводностью и делают оребренным, а для компрессоров больших мощностей применяется водяное охлаждение.
Поршневые компрессоры приводятся в действие, как правило, электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. Привод коленвала компрессора осуществляется напрямую, через муфту, либо при помощи ременной передачи.
Принцип действия
Сжатие происходит по следующему циклу (см. рис. 5).
Когда поршень начинает перемещение из верхней мёртвой точки – давление в цилиндре снижается ниже давления всасывания (точка 4). Впускной клапан открывается, и воздух из всасывающей области, поступает в цилиндр.
Давление
всасывания
Обратное расширение
Давление
Движение поршня
всасывание
Расширение
давление
Рис. 5: Цикл сжатия воздуха.
Поршень проходит нижнюю точку и начинает перемещаться вверх, давление в цилиндре начинает расти. Как только оно превысит давление всасывания, впускной клапан закрывается (точка 1).
Давление продолжает расти до тех пор, пока не превысит давления нагнетания (точка 2). Выпускной клапан открывается, и сжатый воздух поступает в линию нагнетания вплоть до достижения поршнем верхней мёртвой точки. давление в цилиндре очень быстро понижается, и выпускной клапан закрывается (точка 3).
Повышение температуры при сжатии
Повышение температуры связано с повышением давления; это может быть выражено при помощи следующего равенства:
, где К = 1,38÷1,4
Для маслозаполненных воздушных компрессоров максимально допустимое повышение давления в ступени сжатия ограничивается максимально допустимым значением температуры сжатого воздуха на выходе из компрессора. Верхний предел температур, в зависимости от режима работы, в соответствии с Германскими Правилами Безопасной Эксплуатации (UVV, VBG 16), составляет от 160 до 220ºС. В результате этих ограничений верхнего предела температуры, возможно определение необходимого числа ступеней сжатия для достижения необходимого конечного давления сжатия (см. табл. 1):
Конечное давление сжатия
Число ступеней сжатия
20 – 250 бар
120 – 350 бар
200 – 450 бар
Табл. 1: Число ступеней сжатия в зависимости от рабочего давления.
Воздух, нагреваемый в процессе сжатия, охлаждается в охладителях, в которые он поступает после каждой ступени сжатия. В силу физических факторов, часть энергии привода, необходимой для работы компрессора, преобразуется в тепло, которое должно быть удалено. В поршневых компрессорах эту функцию выполняет воздушное или водяное охлаждение. Вследствие простоты конструкции поршневые компрессоры с воздушным охлаждением являются наиболее распространённым типом.
1.3. Винтовые компрессоры
Винтовые компрессоры относятся к классу ротационных компрессоров. В этих компрессорах понижение давления, необходимое для всасывания воздуха, достигается за счёт вращения винтов. Одно - и двухступенчатые ротационные компрессоры наиболее распространены на рынке. Значительным преимуществом большинства компрессоров этого класса является балансировка вращающихся масс, позволяющая устанавливать их без использования специального фундамента, вследствие незначительного уровня вибрации.
Конструкция винтового блока компрессора состоит из двух роторов, расположенных параллельно. Один из них имеет выпуклый профиль винта, а другой - вогнутый винтовой профиль. Эти профили вращаются в зацеплении. При вращении воздух сжимается между профилями и корпусом блока вследствие различного числа зубьев ротора в соответствии с принципом вытеснения.
Этот процесс может быть разделен на четыре фазы (см. рис. 6):
Рис. 6: Фазы сжатия винтовых компрессоров.
Воздух поступает в компрессорный блок через входное отверстие. Полости между зубьями роторов заполняются воздухом, что в какой-то степени напоминает такт впуска поршневого компрессора.
2-я и 3-я фазы:
Когда роторы, вращаясь перекрывают впускное отверстие, они образуют замкнутый объём между зубьями винтов и корпусом компрессорного блока. Замкнутая область уменьшается в объёме вследствие вращения роторов; воздух сжимается в замкнутом объёме.
Сжатие в замкнутом объёме продолжается до тех пор, пока замкнутая область, постепенно уменьшающаяся в размере, не соединится с выпускным отверстием.
Сжатый воздух вытесняется из компрессорного блока в линию нагнетания.
Маслозаполненные винтовые компрессоры
В маслозаполненных винтовых компрессорах, как правило, ведущим является один ротор. Так как винты входят в зацепление друг с другом, ведомый ротор автоматически вращается при вращении ведущего ротора. Масло, которое постоянно впрыскивается в винтовой блок, предотвращает металлический контакт между роторами. Кроме смазки винтового блока, масло выполняет ещё две важные функции: оно уплотняет зазоры между роторами, между роторами и корпусом компрессорного блока, а также отводит тепло, образовавшееся в процессе сжатия.
Количество масла, впрыскиваемого в компрессорный блок во время второй фазы, составляет 1 литр в минуту на киловатт мощности привода. Масло поступает вместе с воздухом в винтовой блок где происходит сжатие воздушно-маслянной смеси. Вследствие очень высокого содержания масла, Правила Безопасной Эксплуатации СЕ, не допускают повышение температуры сжатия выше 120ºС.
Современные маслозаполненные компрессоры, как правило, не оборудованы масляными насосами. Циркуляция масла осуществляется за счет разницы давлений в зоне всасывания винтового блока и в масляном резервуаре. Кратность циркуляции масла, безусловно, зависит от величины этого перепада, следовательно, от режима работы компрессора. Когда компрессор находится в режиме холостого хода, давление в резервуаре не превышает 1,0 – 1,3 бар, что достаточно для обеспечения смазки вращающихся винтов. Как только компрессор переходит в режим нагнетания, потребность винтового блока в масле резко увеличивается. Увеличение кратности циркуляции обеспечивается ростом давления воздушно – масляной смеси в масляном резервуаре.
Система клапанов включает в себя клапан минимального давления и обратный клапан.
Клапан минимального давления предохраняет компрессор от резкого снижения кратности циркуляции масла и выхода винтового блока из строя из-за перегрева при падении давления в масляном резервуаре. Такое падение давления может произойти при резком увеличении расхода сжатого воздуха в пневмосети по сравнению с производительностью компрессора, либо при заполнении воздухом пустой пневмосети в начале рабочего дня на предприятии. Клапан минимального давления перекрывает выход воздуха из масляного резервуара при падении давления в нем ниже 4,5 бар. Обратный клапан не позволяет сжатому воздуху из пневмосети поступать в компрессор, когда тот находится в режиме холостого хода или остановлен.
Клапан минимального давления, так же обеспечивает и условия работы масляного сепаратора. Не позволяя снижать давление в масляном резервуаре ниже 4,5 бар клапан, тем самым, ограничивает скорость протекания воздуха через фильтрующий элемент сепаратора и обеспечивает необходимую степень очистки сжатого воздуха, выходящего из компрессора от аэрозолей масла.
Масловоздушная смесь сначала подаётся в масляный резервуар, являющийся первой ступенью сепарации. Там воздух отделяется от масла. Масло, которое поглотило часть выделившейся тепловой энергии , затем охлаждается в масляном радиаторе и может снова впрыскиваться в компрессорный блок.
Любые оставшиеся частицы масла затем удаляются из сжатого воздуха в масляном сепараторе, расположенном на выходе из резервуара, перед подачей воздуха на выход из компрессора.
Конструкция винтового компрессора
1 – винтовой блок – здесь происходит сжатие воздуха
2 – электродвигатель – приводит винтовой блок во вращение через систему привода
3 – воздушный фильтр – служит для очистки воздуха, поступающего на сжатие в винтовой блок
4 - Регулятор всасывания – обеспечивает работу компрессора в рабочем режиме и в режиме холостого хода
5 – Масляный резервуар – первичная ступень сепарации масла
6 – Масляный сепаратор – финальная очистка воздуха от масла
7 – Клапан минимального давления - служит для защиты компрессора от падения давления в масляном резервуаре, обратный клапан – предохраняет компрессор от обратного движения воздуха
8 – воздушный радиатор – служит для охлаждения воздуха после сжатия, масляный радиатор – служит для отвода от масла тепла, образовавшегося при сжатии воздуха
9 – термостатический клапан – автоматически поддерживает температуру компрессорного масла на оптимальном уровне
10 – масляный фильтр – служит для очистки масла от загрязнений перед подачей его в винтовой блок
11 - напорный вентилятор – служит для принудительной подачи охлаждающего воздуха в корпус компрессора
12 – система управления компрессора Air Control - обеспечивает автоматическое взаимодействие вышеперечисленных компонентов.
Маслозаполненные винтовые компрессоры имеют давления сжатия на выходе от 4 до 15 бар. Объёмные расходы – от 0,5 до 70 м3/мин, они достигаются при помощи приводных двигателей мощностью от 4 до 500 КВт. Уровень шума при использовании шумоизоляции составляет от 63 до 80 Дб.
Вследствие их работы с низким уровнем вибрации винтовые компрессоры могут устанавливаться непосредственно на пол, без использования специального фундамента; благодаря хорошей шумоизоляции они также могут устанавливаться в рабочих помещениях. При установке обращайте внимание на Правила Безопасности.
Рекуперация тепла
Винтовые компрессоры зачастую используются при максимальной рабочей нагрузке (эксплуатация при 100% нагрузке). Так как около 80% тепла, выделяемом при работе маслозаполненного компрессора, поглощается маслом (температура масла составляет 85ºС), эта энергия может быть использована для нагрева воды (до 70ºС).
Безмасляные компрессоры
Безмасляные компрессоры нашли широкое применение в химической, фармацевтической и пищевой промышленности , где есть потребность в экологически чистом, лишенном примесей масла воздухе. Эти компрессоры делятся на следующие типы: безмасляные поршневые компрессоры, винтовые компрессоры сухого сжатия, компрессоры типа Рутс и многие другие. В некоторых областях, в качестве альтернативы безмасляным компрессорам, используются компрессоры, заполненные парафиновым маслом, так как оно, в отличие от минерального, нетоксично.
Винтовые компрессоры сухого сжатия
В винтовых компрессорах сухого сжатия применяются синхронизирующие шестерни для привода обоих роторов, чтобы предотвратить металлический контакт между ними. Однако из-за этого привода значительно возрастает стоимость винтового блока, отсутствует отвод тепла маслом, в результате степень сжатия в одной ступени составляет только 3,5 бар. Промежуточный охладитель и применение второй ступени позволяют увеличить степень сжатия до 10 бар. Компрессоры сухого сжатия имеют значительно меньшую производительность по сравнению с маслозаполненными агрегатами.
Водозаполненные винтовые компрессоры
Водозаполненные винтовые компрессоры являются достижением современной науки и сочетают преимущества маслозаполненных и безмасляных компрессоров: безмасляное сжатие воздуха при степени повышения давления в одной ступени до 13 бар с оптимальной производительностью.
Основной особенностью компрессоров нового поколения является замена компрессорного масла на натуральную, более экологически чистую и одновременно менее дорогостоящую жидкость – воду. Вода известна своей высокой удельной теплоёмкостью и теплопроводностью. Особенно при использовании дозированного впрыска в зону сжатия, температура в процессе сжатия не повышается более чем на 12ºС независимо от конечного давления сжатия. Последующее охлаждение произведённого сжатого воздуха больше не требуется. Циркуляционная вода должна охлаждаться в теплообменнике примерно до температуры окружающей среды. Влага, которая содержалась в сжатом воздухе, конденсируется в рефрижераторном осушителе. Если в маслозаполненных компрессорах конденсат был источником загрязнения окружающей среды , то водозаполненные компрессоры с такими же производительностями используют конденсат для пополнения контура циркуляции воды (при непрерывной эксплуатации при нормальных условиях окружающей среды). Эта непрерывная регенерация практически исключает накопление микроорганизмов в водяном контуре компрессора.
Процесс сжатия в водозаполненных винтовых компрессорах приближен к идеальному “изотермическому” сжатию. По сравнению с обычными компрессорами сухого сжатия, они способны повысить энергосбережение до 20%! К тому же тепловая нагрузка на узлы и детали компрессора минимизирована. Следовательно, система впрыска воды гарантирует высокую безопасность и надёжность в эксплуатации, что особенно важно в тяжёлых условиях работы. Кроме того исключается использование масла, образование маслосодержащего конденсата, масляных фильтров и емкостей для сбора отработанного масла – соответственно и издержки на них устраняются.
Водозаполненные винтовые блоки компрессоров производятся с использованием запатентованных поликерамических материалов и новейшего высокоточного технологического процесса. Новая система впрыска воды, также запатентованная, оптимально распыляет воду. Это гарантирует практически полный отвод тепла, образовавшегося в процессе сжатия воздуха аэрозолью воды.
Атмосферный воздух – смесь газов, не вступающих в реакцию при обычных условиях. В основном это азот и кислород. Поэтому все свойства, характерные для кислорода и азота, присущи и воздуху.
Азот – это газ, близкий по своему воздействию к нейтральным газам, и не требует применения каких-то защитных мер или специальных материалов для объектов, контактирующих с ним. Однако он оказывает неблагоприятное воздействие на человека, длительно пребывающего в среде с повышенным содержанием азота.
Кислород, наоборот, активный окислитель. Поэтому конструкция машин и аппаратов для этого газа должна учитывать корозийность, особенно влажного воздуха, возможность возгорания горючих материалов в среде воздуха, возможность самовоспламенения и взрыва в газовых коммуникациях при наличии отложений нагара, паров или капель масла (свыше 100 атм.).
Воздух растворяется в смазочных маслах, способствует их преждевременному окислению, коксованию, понижению температуры вспышки.
Воздействие на человека
При понижении давления до 140 мм Нg появляются признаки кислородного голодания, а при 110 мм Нg – гипоксия, до 50 – 60мм – уже опасно для жизни.
Увеличение парциального давления N2 в воздухе вызывает наркотические действия.
Высокая концентрация СО2 вызывает асфиксию , а при
14 – 15% его наступает смерть. В жилых помещениях содержание углекислого газа не должно быть выше 0,1%.
4.2 Значение воздуха в развитии человечества
4.2.1 Развитие технологий применения сжатого воздуха
Ещё 3000 лет назад дутьё воздуха мехами применялось для выплавки металлов и вентиляции шахт (есть др. египетские рисунки).
Герон Александрийский ввел понятие «пневматика» - использование сжатого воздуха.
В средние века начали применять привод мехов от водяного колеса.
В средине XVIII века изобретена паровая машина и сходный с ней поршневой компрессор, создавший давление до 0,2 МПа (2 атм).
В 1741г. Гелье построил примитивный вентилятор с вращающимися на оси лопатками – воздуходувку.
Затем появились пневмопочта, водолазный костюм, кессоны.
В начале XIX в. уже могли сжимать воздух до давления 0,5 – 0,6 МПа, и начали передавать его на расстоянии. Началось широкое применение сжатого воздуха в различных технических устройствах.
В 1845г. изобретена пневмомашина, а в 1872 г. – пневмотормоз.
В 1857г. появился пневмоинструмент – бурильный молоток – для прокладки тоннеля в Альпах.
Вскоре появились первые КС – в Париже N
=1470 кВт,
p
= 0,6 МПа, протяженностью сети до 48 км – обеспечения для фабрик и заводов. Позже довели мощность до 18500 кВт – с паровым приводом.
4.2.2 Назначение сжатого воздуха
Сегодня ни одно промышленное предприятие не может обойтись без применения сжатого воздуха, который является доступным и дешевым источником как сырьевым, так и энергетическим. Особенно широко сжатый воздух используется в промышленности и строительстве. Источниками сжатого воздуха служат как небольшие мобильные установки, так и крупные стационарные компрессорные станции, связанные с потребителями через сеть воздухопроводов, что в совокупности образует систему воздухоснабжения промышленного предприятия.
Системы воздухоснабжения предназначены для выработки сжатого воздуха требуемых параметров и бесперебойного обеспечения им технологических нужд предприятия.
В зависимости от профиля предприятия, производства сжатый воздух сегодня используется для:
Осуществления основных технологических процессов (как компонент химической технологии, например, для получения кислорода и азота, для дутья в металлургии и т. п.);
Энергетического применения, связанного с использованием воздуха как окислителя при сжигании различных топлив или как теплоносителя для нагрева или охлаждения газов и жидкостей;
Как рабочее тело в двигателях ДВС, ГТУ;
Обеспечения работы пневмоинструмента и пневмоприводов, питания машин литейных и кузнечных производств, строительных машин и механизмов, выполнения обдувных, пескоструйных, покрасочных и других работ на производственных предприятиях различного профиля деятельности;
Обеспечение работы технологических комплексов и устройств (конвейеров, систем пневмотранспорта, буровых станков и т. п.);
Обеспечения работы пневматических систем, систем КИП и А и многое другое в технике.
Заметим, что на некоторых производствах, например на химических комбинатах, сжатый воздух для основных технологических процессов имеет параметры, отличные от параметров системы воздухоснабжения, и вырабатывается специальными компрессорами, входящими в состав оборудования технологических линий.
В курсе «Компрессорные станции» рассматривается применение сжатого воздуха в качестве энергоносителя в различных производствах. Это его применение трудно переоценить. Но есть и другие применения. Наиболее значительные из них – использование воздуха в качестве реагентов в металлургии и химии, а также пневмотранспорте.
4.3 Применение сжатого воздуха в металлургии
Здесь воздух применяется в качестве реагента, содержащего О2. Главная функция – дутьё, т. е. подача сжатого воздуха в различные агрегаты – домны, мартены, конверторы. Это крайне необходимо для горения во всех металлургических процессах.
Обогащение руды – (1-й процесс) – повышение содержания железа или другого металла в руде и понижение вредных примесей. Один из способов обогащения – флотация.
Сжатый воздух продувают через пульпу. При пенной флотации частицы полезного минерала не смачиваются водой и поднимаются вместе с пузырьками воздуха, а другие смачиваются и оседают на дно – это пустая порода (рис. 4.4).
Широко используется для обогащения руд цветных металлов (% низкий), но и для железа тоже.
Агломерация" href="/text/category/aglomeratciya/" rel="bookmark">агломерационной машине (рис. 4.5).
Кокс начинает гореть, руда разогревается и превращается в прочную пористую массу – «слипается» – это и есть агломерат, что позволяет потом в домне осуществить более эффективный процесс выплавки чугуна.
Рисунок 4.5 – Схема агломерации
Доменный процесс (рис. 4.6). Железо в руде находится в виде окислов. Поэтому нужно освободить железо от связанного с ним О2 – восстановление.
Рисунок 4.6 – Доменный процесс
Кислород, содержащийся во вдуваемом в печь горячем воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, образуя СО2. Он поднимается выше, взаимодействует с коксом, образуя СО, она отбирает у окислов железа руды кислород и связывает его. А освободившееся железо взаимодействует с углеродом, образуя чугун. На 1т чугуна необходимо 2500 – 3500 м3 воздуха, т. е. V =8000 м3/мин. Чтобы воздух не охлаждал печь, его предварительно подогревают до 1100 – 1300ºC в кауперах.
Насадку греют, сжигая топливо. Затем подачу топлива прекращают и прокачивают воздух. Чтобы процесс подачи был непрерывный, устанавливают несколько кауперов. Заметим, что в воздухе 4/5 азота, т. е. 80% энергии затрачивается впустую, т. к. для горения используется только 20% кислорода.
Очевидно, что выгоднее воздух обогащать кислородом. Но это стало возможным лишь в 30 – 40-х годах XX века с появлением мощных разделительных установок.
Конверторный способ варки стали (бессемеровский). Расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и содержащийся в нем О2 соединяется с углеродом, кремнием и марганцем (рис. 4.7 а). Этот процесс обратный доменному процессу – окислительный. Таким образом, связывают ненужные компоненты в окислы и удаляют.
При продувке воздухом углерод быстро выгорает и из чугуна образуется сталь. А Si и Mn при соединении с О2 выделяют тепло для поддержки реакции, т. е. конвертор – «печь без топлива» (Менделеев). Недостатки – насыщение стали азотом – хрупкость стали, склонность к старению. Оставались и вредные примеси S и P . Чугун для этого годился не всякий, а только с Si и Mn. Металлолом в конверторе нельзя переплавлять.
Поэтому лучше – мартеновский способ – для переработки чугуна и лома (рис. 4.8).
Здесь тепло для процесса плавления необходимо подводить за счет сжигания мазута, коксового газа, калашникового газа. Смесь газа и воздуха подогревается в регенераторах за счёт тепла, уходящих из печи продуктов сгорания. Нагреваются насадки. Аппараты периодического действия. Поэтому их ставят парами и переключают через 15 – 20 мин. Производительность мартена – 100 т стали в час. Этот способ более прогрессивный.
