Об'ємні компресори

Більшість холодильних компресорів об ємного стиснення є поршневі компресори. Поршневі компресоринайбільш поширені і багатообразні по конструктивному виконанню, схемам і компоновкам. Їх розрізняють по пристрою кривошипно-шатунного механізму, пристрою циліндрів, числу циліндрів, розташуванню циліндрів та числу ступенів стиснення.

Характерними особливостями поршневих компресорів є зворотно-поступальний рух поршня, примусове виштовхування газу шляхом переміщення поршня, переривчаста подача робочого тілу.

По пристрою кривошипно-шатунного механізму компресори розрізняють на безкрейцкопфні (рис.2.1, а і крейцкопфні (рис.2.1, б); по пристрою цилиндрів–с циліндрами простої (рис.2.1, а) і подвійної (рис.2, 1, б) дії. Крейцкопфні компресори можуть бути як з циліндрами подвійної дії, так і з циліндрами простої дії. Безкрейцкопфні компресори можуть бути виконані тільки з циліндрами простої дії.

 

Рис. 2. 1. Схеми одноступінчатого поршневого компресора:

а) – горизонтальний безкрейцкопфний простої дії, б) – горизонтальний крейцкопфний подвійної дії, в) – V-образний, г) – W-образний, д) – кутовий, е) – вертикальний, ж) – оппозітний; 1 –коленчатий вал, 2 – шатун, 3 і 5 – клапани нагнітальний і всмоктуючий, 4 і 6 – нагнітальний і всмоктуючий патрубки, 7 – поршень, 8 – циліндр, 9 – шток, 10 – крейцкопф, 11 – що направляють крейцкопфа

 

Рухи поршня обумовлені кривошипно-шатуним механізмом, з яким пов'язаний поршень. Кривошипно-шатуний механізм, до якого відносяться шатун 2, колінчастий вал 1, поршневий палець, перетворить обертальний рух колінчастого валу 1 в зворотьо-поступальний рух поршня 7. При русі поршня від крайнього верхнього положення, званого верхньою мертвою точкою (в. м. т.), в циліндрі створюється розрідження. Під дією різниці тиску всмоктуючий клапан 5 відкривається і робоче тіло починає поступати в циліндр.і продовжується до тих пір, поки поршень не прийде в крайнє нижнє положення. Таке положення поршня називається нижньою мертвою точкою(н.м.т..). У цей момент клапан 5 закривається. Такий процес називається всмоктуванням.

При русі поршня до в. м. т починає зменшуватися робоча порожнина циліндра і підвищуватися тиск в циліндрі. Цей процес називається стисненням.

Коли тиск в циліндрі перевищить тиск за нагнітальним клапаном 3, останній під дією різниці тиску відкривається і відбувається нагнітання робочого тіла в нагнітальний патрубок. Цей процес називається нагнітанням, він відбувається до тих пір, поки поршень не прийде в крайнє верхнє положення. Об'єм робочого тіла в циліндрі компресора в цьому положенні мінімальний – це мертвий об'єм, іноді його називають шкідливим об'ємом. Робоче тіло знаходиться в мертвому об'ємі під тиском, і, коли відбувається рух поршня від в. м.т. до н. м. т., воно розширюється, займаючи якусь частку робочого об'єму циліндра і заважаючи увійти свіжій порції робочого тіла. Процес розширення з мертвого об'єму називається процесом розширення.

Таким чином, в циліндрі компресора при одному ході поршня (одному такті) відбуваються розширення і всмоктування робочого тіл, а при другом – стиснення і нагнітання. Такий компресор називається компресором з циліндрами простої дії. По такій схемі виконують компресори малої продуктивності. Ця схема відрізняється простотою, але порожнина циліндра, звернена до картера, залишається неробочою. Отже, збільшуються діаметри циліндрів, ростуть втрати енергії на механічне тертя в циліндрах і механізмі руху, зростають витоки через поршневі кільця.

У принципі можливо використовувати порожнину циліндра з боку картера. Для цього використовують схему крейцкопфного компресора (рис 2.1, б ) ізштоком. Циліндри, у яких робочі процеси відбуваються по обидві сторони поршня, називаються циліндрами подвійної дії, а компресори – компресорами з циліндрами подвійної дії. Робочі процеси в циліндрах подвійної дії відбуваються одночасно в обох площинах, але процеси зміщені за часом на тривалість ходу поршня. Передача руху від кривошипно-шатунного механізму до поршня здійснюється через шток 9 і крейцкопф (повзун) 10, який рухається в тих, що спеціально направляють 11.

Компресори, що мають крейцкопф, називаються крейцкопфними, але як холодильні компресорі практично не використовуються.

Компресори розрізняють також по числу циліндрів: одно-, двух-, трьохциліндроих і т.п. Циліндри можуть мати однакове та різне положення по відношенню один до одного.

По розташуванню циліндрів компресори підрозділяють на вертикальні, горизонтальні і кутові. До вертикальних відносяться машини з циліндрами, розташованими вертикально щодо фундаменту (рис 2.1, е), до горизонтальних – з циліндрами, розташованими горизонтально (рис 2.1, а, б, ж). При горизонтальному розташуванні циліндри можуть бути розміщені по одну сторону колінчастого валу (мал. 2.1, а, б)- такі компресори називаються горизонтальними з одностороннім розташуванням циліндрів; і по обидві сторони валу (рис 2.1, ж). Останні називають горизонтальними опозітними або просто опозітними.

До кутових компресорів відносяться машини з циліндрами, розташованими в одних рядах вертикально, в інших – горизонтально (рис 2.1, д). Такі компресори називаються кутовими прямокутними. До кутових компресорів відносять машини з похилими циліндрами, встановленими V-образно (рис 2.1, в) і W-образно (рис 2.1, г) (Такі компресори називаються відповідно V- і W-образними).

По числу ступенів стиснення компресори розрізняють на одно і двоступінчасті. Багатоступінчасте стиснення у холодильних компресорах практично не використовується. Щоб обмежити температуру газу, що нагнітається, збільшують число ступенів стиснення.

Рис. 2.2. Схема багатоступінчастого компресора:

1 – циліндри, 2 – охолоджувачі; І – ІІІ – ступені стиснення і охолоджування

 

Наприклад, в багатоступінчастому компресорі (рис. 2.2) в циліндрі І ступені газ стискається від тиску всмоктування до деякого проміжного тиску, потім проходить міжступінчастий охолоджувач 2 ступені І, у якому його температура знижується від температури нагнітання (150–200° З) до температури всмоктування і прямує в циліндр ІІ ступені. Тут газ стискається до вищого тиску, проходить наступний міжступінчастий холодильник і прямує в циліндр ІІІ ступені і т.д. При збільшенні числа ступенів стиснення зменшуються витрати енергії на стиснення, збільшуються продуктивність і надійність машини.

Роторні компресори. Пластинчастий компресор(рис2.3)складаєтьсяз циліндрового корпусу 1, закритого торцевими кришками. Корпус має всмоктуючий 7 і нагнітальний 5 патрубки. Усередині корпусу 1 ексцентрично розташований ротор 2, в пази якого вставлені з невеликим зазором пластини 3.

При обертанні ротора пластини 3 під дією відцентрової сили виходять з пазів, притискаються до циліндрової поверхні корпусу 1 і розділяють робочий простір між ротором і внутрішньою поверхнею циліндра на окремі камери 8 різних об'ємів. Камери, розташовані зліва від вертикальної площини, яка проходить через вісь циліндра, сполучаються зі всмоктуючим патрубком 7. При обертанні їх об'єм збільшується і заповнюється газом. Так здійснюється процес всмоктування.

Рис 2.3. Схема ротаційного пластинчастого компресора:

1 – корпус, 2 – ротор, 3– пластини, 4– сорочки, 5 і 7 нагнітальний і всмоктуючий патрубки, і 6 – клапан, 8 – камера стиснення.

 

Досягши максимального об'єму камера роз'єднується зі всмоктуючим патрубком. При подальшому русі тепер уже ізольованої камери об'єм її зменшується, а тиск газу в ній збільшується. Відбувається процес стиснення до тих пір, поки передня пластина камери не пройде кромку нагнітального вікна циліндра.

Коли камера з’єднується з нагнітальним патрубком 5 –здійснюється процес нагнітання. Якщо об'єм камери досягає мінімальної величини, вона виявляється роз'єднаною з нагнітальним патрубком. Подальший рух камери в ліву половину циліндра приводить її до з’єднання зі всмоктуючим патрубком, і процеси всмоктування, стиснення і нагнітання повторюються.

У корпусі виконана порожнина 4 для охолоджування і зворотний клапан 6.

Рис. 2.4. Гвинтовий компресор:

1 і 2 – відомий і провідний ротори, 3 – що синхронізують шестерні, 4 – корпус

 

Гвинтовий компресор (рис.2.4). Основні елементи компресора — пара роторів із зубами спеціального профілю: провідний ротор 2 з опуклими і відомий ротор1 з увігнутими бічними поверхнями зубів.

Ротори обертаються в протилежних напрямах, не стикаючись один з одним. Їм не дає стикатися пара синхронізуючих шестерень 3: зазор в зачепленні синхронізуючих шестерень менший, ніж між зубами роторів. Приводний двигун приєднаний до відомого ротора І компресора.

Гвинтові поверхні роторів і стінок корпусу 4 утворюють робочі камери. При обертанні роторів об'єм камер збільшується, оскільки виступи роторів віддаляються від западин, — відбувається процес всмоктування. Коли об'єм камери досягне максимуму, процес всмоктування закінчується і камера виявляється з ізольованими стінками корпусу і кришок від всмоктуючого і нагнітального патрубків.

При подальшому обертанні в западину провідного ротора починає упроваджуватися зв'язаний зуб відомого ротора. Впровадження починається у переднього торця і поступово розповсюджується до нагнітального вікна. Потім відбувається впровадження зуба провідного ротора в западину відомого. З деякого моменту обидві гвинтові западини об'єднуються в загальну порожнину, об'єм якої безперервно зменшується завдяки поступальному переміщенню лінії контакту зв'язаних зубів у напрямі до нагнітального вікна. Подальше обертання роторів приводить до витіснення газу з порожнини в нагнітальний патрубок.

З огляду на те, що частота обертання роторів значна і одночасно існує декілька камер, компресор створює рівномірний потік газу.

2.2. Турбокомпресори (лопатеві компресори)

Радіальні (відцентрові) компресори в порівнянні з поршневими мають наступні основні достоїнства: малі габарити і масу, що доводяться на одиницю продуктивності; відсутність поступально рухомих частин і, отже, відсутність інерційних зусиль, що передаються на фундамент; стиснення газу без забруднення його маслом, оскільки в зоні стиснення немає пар, що труться, до яких необхідно було б підводити мастило.

Через конструктивні особливості відцентровий компресор економічний при великих продуктивностях (більше 1 м³/с).

Рис. 2.5. Схема відцентрового компресора:

1 – всмоктуючий отвір, 2 – ротор, 3 – робоче колесо

4 – дифузор, 5 – направляючий апарат, 6 – корпус (равлик),

7 – підшипник

На рис 2.5 показана принципова схема радіального (відцентрового) компресора. Відцентрові компресори мають декілька ступенів, число яких залежить від кінцевого тиску. Під ступенем відцентрового компресора розуміють поєднання робочого колеса 3, дифузора 4 і зворотного направляючого апарату 5. При обертанні робочого колеса 3 на стороні входу в нього утворюється розрідження, унаслідок чого газ поступає по всмоктуючому отвору 1 в канал між лопатками робочого колеса 3. У робочому колесі газ під дією відцентрової сили відкидається від центру до периферії, відбувається підвищення щільності і збільшення швидкості газу. Потрапивши з робочого колеса в дифузор 4, газ значно знижує свою швидкість, але зростає його тиск.

У наступний ступінь газ вже підвищеного тиску потрапляє по зворотному направляючому апарату 5. Пройшовши всі ступені, газ потрапляє у вихідний корпус (равлик) 6 і прямує в нагнітальний трубопровід.

Ротор 2 компресору встановлений на підшипниках 7.

 

Рис. 2.6. Схема осьового компресора:

1 і 9 – патрубки. 2 – конфузор, 3 – вхідний направляючий апарат, 4 – робоче колесо, 5 – що направляє апарат, 6 – випрямляючий апарат; 7 – дифузор, 8 – підшипник,

10– лопатки

 

Осьові компресори (рис 2.6). Повітря або газ входить паралельно осі ротора, далі переміщається в корпусі поступально від лопатки 10 до лопатки, одночасно одержуючи обертальний рух разом з лопаткою, і виходить також паралельно осі.

Осьовий компресор складається з вхідного патрубка 1, конфузора 2, вхідного направляючого апарату 3, групи ступенів, випрямляючого апарату 6, дифузора 7 і патрубка 9. Робочі колеса 4 ступенів разом з валом, на якому вони насаджені, утворюють ротор з направляючм апаратом 5 разом з корпусом, в якому вони закріплені, – статор. Ротор осьового компресора спирається на підшипники 8, які звичайно виконують у вигляді підшипників ковзання.

Вхідний патрубок служить для рівномірного підведення газу з трубопроводу, до кільцевого конфузора, який призначений для прискорення потоку перед вхідним направляючим апаратом і створення рівномірного поля швидкостей і тиску.

Вхідний апарат 3 направляє потік газу в заданому напрямі.

У ступенях газ стискається за рахунок механічної енергії, що підводиться. Випрямляючий апарат 6 додає газу на вході в дифузор осьовий напрям і стискає його. У дифузорі в зв'язку із збільшенням прохідних перетинів газ продовжує стискатися за рахунок втрати швидкості. Вихідний патрубок подає газ від дифузора до нагнітального трубопроводу.

Ступінь осьового компресора є поєднанням вінця лопаток 10 робочого колеса 4 і наступного за ним направляючого апарату 5.