Технічна кріогеніка - курс

Вступ

Загальне призначення компресора полягає у транспортуванні та/або збільшенні тиску потоку газу. Гази протікають по трубах від високого до низького тиску, тому витіснення або транспортування газу вимагає, щоб його початковий тиск був вищим за кінцевий. Гази також стискаються для полегшення улюблених хімічних реакцій при високому тиску. Існує два основних типи стиснення: динамічне стиснення та об'ємне стиснення. Динамічне стиснення генерує тиск, перетворюючи кінетичну енергію потоку газу в тиск. Об'ємне стиснення створює тиск шляхом постійного зменшення об'єму, доступного потоку газу.

Принципи стиснення газів

При стисненні газу, від вхідного тиску P1 до вихідного тиску P2, об'єм зменшується від V1 до V2, а температура зростає від T1 до T2 (Рисунок 1).

У звичайному газовому компресорі об'єм зменшується (що повинно спричинити невелике зниження температури), а тиск збільшується (що повинно спричинити значне підвищення температури). Оскільки підвищення тиску має більший вплив на температуру, ніж зменшення обсягу, газ повинен виходити з компресора при більш високій температурі. Отримане підвищення температури називається нагріванням при стисненні.

Функція компресора полягає у збільшенні тиску повітря або газу.

Тип стиснення

Існує два основних типи компресорів:

Об'ємні компресори

Динамічні компресори

Класифікація компресорів

ОБ'ЄМНИЙ	КОМПРЕСОРИ	ДИНАМІЧНИЙ
АЛЬТЕРНАТИВА	МЕМБРАННИЙ ПОРШЕНЬ	ЦЕНТРИФУГАЛЬНИЙ АКСІАЛЬНИЙ ЕЖЕКТОР
РОТАЦІЯ	РІДКИЙ КОЛЬЦО ЛЕЗА ФІЛЕ

Об'ємне стиснення

Поршневий/поршневий компресор є об'ємним компресором. Всмоктування, стиснення та відведення рідини (газу) досягається переміщенням поршнів та роботою регулюючих клапанів. Ці компресори зазвичай використовуються для високого гідростатичного тиску/низьких витрат. На рисунку 6 показані одноступінчастий компресор та двоступеневий компресор.

Під час фази впуску клапани регулювання впуску відкриваються, а поршень опускається. Під час фази стиснення всі регулюючі клапани закриті, а поршень піднімається. У фазі вихлопу відкриваються клапани управління вихлопом.

Поршневі компресори - це компресори з позитивним переміщенням, у яких стискаючим і витісняючим елементом є поршневий поршень (коливається "вперед-назад") всередині циліндра. Цей тип компресора характеризується своїми самохідними поршнями, що приводиться в дію сполучними тягами (приводними тягами) колінчастого вала, при цьому стиснення відбувається у верхній частині поршня при кожному обертанні колінчастого вала. Поршневий компресор забезпечує пульсуючий потік газу. Імпульсні демпфери зазвичай можуть усунути цей недолік (рис. 2).

Розташування циліндрів

У більшості стандартних проектів використовується стиль W, вертикальний V, рядний або напіврадіальний циліндр (рисунок 3).

Опис технології та обладнання

клапани

Вхідні та вихідні клапани для одноступінчатих компресорів мають автоматичний тип тиску, які відкриваються та закриваються при малому перепаді тиску. Для забезпечення швидкої дії елементи клапана мають невелику вагу та пропорційні низькому тиску. Коли клапани відкриваються, зростаючий тиск у пружині мінімізує сили удару на елементи клапана, а також знижує рівень шуму. Кожен клапан повинен відкриватися і закриватися один раз для кожного обертання колінчастого вала. Клапани в компресорі, що працюють при 700 об/хв, відкриватимуться і закриватимуться 42 000 разів на годину, понад 1 000 000 разів на день і 367 920 000 разів на рік. Клапани мають менше 1/10 секунди, щоб відкритись і пропустити газ, а потім закрити. Кожен клапан повинен робити це з мінімальним опором, інакше потужність буде втрачена.
Існує чотири основних конструкції клапанів, що використовуються в різних компресорах. Це:

кнопковий клапан,
Зворотній клапан,
канальний клапан,
кільцевий кільцевий клапан.

Кнопковий клапан

Накатний клапан (з каналом)

Зворотний клапан/заслінка

Циркулярний кільцевий або дисковий клапан

Системи ущільнення поршневих компресорів

Принцип роботи лабіринту стосується надзвичайно малого вільного простору між ущільнювальним елементом і протилежною стороною, що створює незначне механічне тертя. Циліндр або циліндри компресора розташовані вертикально над коленвалом. Стиснення відбувається в безмасляному середовищі.

Техніка ущільнення лабіринту застосовується у випадках, коли мастила заборонені в балоні і де абразивні частинки в технологічному газі не приймаються. Це справедливо для стиснення кисню, де безпека є першорядною.

На малюнках 6 і 7 показано, як працює ущільнення лабіринту. На рисунку 6 показано безмасляний сектор компресора.

Лабіринтне ущільнення (рис. 7) має велику кількість точок удушення (закриття) [3] та об’ємних камер [4], розташованих послідовно. Кожна точка задушення [3] діє як надзвичайно мале отвір, в якому енергія тиску перетворюється на кінетичну. Послідовні об'ємні камери [4] зменшують швидкість газу і перетворюють кінетичну енергію в теплову та вихрову.

Ротаційні компресори з рідинним кільцем це машини, в яких вода або інша рідина використовується в обертовому елементі для переміщення рідини (Рисунок 7).
Термодинамічна ефективність компресора цього типу низька. Більша частина необхідної енергії витрачається на циркуляцію води. З цієї причини ці машини використовуються лише для небезпечних газів або зменшених потоків, у тих випадках, коли споживання енергії є другорядним.

Лопатеві компресори або лопатеві компресори - це машини, у яких поздовжні лопаті ковзають у радіальному напрямку в роторі, вісь якого від центру (ексцентрична) відносно осі циліндра.
Кожен компресор має ексцентрично встановлений ротор всередині сорочки охолодження. Ротор забезпечений лопатями, які вільно переміщуються радіально всередину і поза гніздами (канавками). Лопаті відцентровою силою штовхаються до стінки циліндра і рідина (газ) стискається при обертанні ротора.

Коріння роторних компресорів - це машини, в яких два лопатеві ротори, адаптовані між собою, обертаються в циліндрі. Даний об'єм рідини вводиться в пункт 1. Цей об'єм переноситься в пункт 2 без стиснення. Коли об'єм рідини переноситься в точку 3, колонка рідини зі стоку компресора стискає рідину.

Важливо розуміти, що стискає не компресор, а дія рідини, розташованої на виході з компресора.

Лопатеві компресори, як правило, обмежені програмами з низьким потоком.

Динамічне стиснення

Існує два основних типи динамічних компресорів:

відцентровий компресор і
осьовий компресор потоку.

Відцентровий або радіальний компресор він складається з одного або декількох роторів, встановлених на одному валу або декількох валах.

Ротори оснащені зворотними лопатями, порівняно з напрямком обертання. У цих колесах рідина збільшує швидкість руху від центру до країв за рахунок збільшення обертання/радіуса колеса. Рідина переходить у дифузор (де об’єм розширюється). Дифузор - це той, що визначає зменшення швидкості рідини, перетворюючи її у збільшення тиску, з хорошою ефективністю. Після дифузора рідина надходить до наступного ротора або до проміжного охолоджувача.

Хороший спосіб зрозуміти це - прив’язати камінь до нитки. Якщо ви почнете розгойдувати камінь струною, над головою, камінь спробує вирватися з місця, де він прив’язаний до струни (радіальна швидкість). Якщо камінь щось вдарить, енергія руху, яку він має, перетвориться на енергію тиску. Саме це відбувається в відцентровому компресорі. Лопаті на роторі збільшують швидкість частинок газу і віддаляються від валу, досягаючи радіальної швидкості. Потім газ контактує з кількома нерухомими структурами компресора, які називаються дифузорами або діафрагмами, які уповільнюють частинки газу, що спричинює збільшення тиску. Потім корпус компресора збирає газ з дифузора і направляє його на вихід. Це також допомагає трансформувати енергію швидкості в тиск.

Відцентрові компресори можуть складатися з одного або декількох поверхів. Двоступеневий відцентровий компресор просто означає два послідовно розташовані колеса компресора. На першому етапі стиснення повітряного компресора досягається його прагнення з атмосфери. Його евакуація є прагненням до другого етапу. Якщо бажано більше кроків, кожен наступний крок буде прагнути до попередньої евакуації.

Відцентрові компресори можуть бути двох типів:

багатоступеневий відцентровий компресор, де кожен поверх, розміщений на різному валу, може мати різну швидкість, або
всі ротори можуть бути на одному валу і мати однакову швидкість для кожного поверху, як показано на малюнку 10.

зчеплення

Муфта встановлена між валом-шестірнею компресора і приводом компресора (двигун/турбіна). Крутний момент призначений для регулювання на незначні відхилення від співвісності, які можуть виникнути під час роботи компресора. Муфти можуть бути декількох типів (із зубцями, жорсткі, напівгнучкі або мембранні).

Основними вимогами до високоефективних муфт є високий крутний момент і висока швидкість, низька вага і невеликі розміри, короткий момент консолі (момент зависання) і низький залишковий дисбаланс. Муфта повинна мати можливість передавати будівельний крутний момент системи на максимальній безперервній швидкості протягом тривалих періодів. Повинен мати можливість обробляти моменти переходу швидкості та навантаження в умовах відхилення від співвісності/паралельності та з мінімальним впливом на систему приводу (Рисунок 7).