СПЕЦІАЛЬНІ КОМПРЕСОРИ

2.1.. Мембранний компресор

2.1.1. Загальна характеристика мембранних компресорів (МКМ)

Ці спеціальні компресори МКМ застосовуються у хімічній промисловості, у харчовій промисловості, в акваріумах, тобто там, де потрібно чисте стиснуте повітря, а також для стиску кисню, шкідливих, вибухонебезпечних газів, коли необхідно ізолювати об`єм стиску від механізму руху [5]. МКМ має високий ступінь стиску, забезпечує тиск нагнітання: у I-й щаблі - до 15-ти бар, у III-х щаблях до 3000 бар. Мембранний компресор має продуктивність до 1, 5 м³/год, високий ступінь стиску - до 15-20-ти в одній ступіні, невелике число обертів вала - до 500 oб/хв, малий ресурс (від 500 до 2000 годин).

Компресор внутрішнього стиску, з перемінним ступенем внутрішнього підвищення тиску.

2.1.2. Переваги і недоліки мембранногокомпресору

Переваги МКМ

1. Високий ступінь стиску, високий тиск нагнітання, особливо при двох - і триступінчастому стиску.

2. Ідеальна чистота газу в порожнині стиску.

3. Коефіцієнт протічок

4. Високий коефіцієнт подачі, ( близький до 1).

5. Процес стиску близький до ізотермічного ( =1, 05 ÷ 1, 1).

6. Простота конструкції.

Недоліки МКМ.

1. Мала продуктивність.

2. Обмежене число обертів валу (до 500 об/хв).

3. Невеликий ресурс, від 500 до 2000 годин.

4. Можливість з'єднання об`єму стиску з об`ємом картера при ушкодженні мембрани.

 

 

2.1.3. Конструкції і принцип дії мембранних компресорів

Існує два типи мембранних компресорів [5].

Перший тип - з механічним приводом мембрани (рис.32). За допомогою эксцентрикового вала і жорсткого з'єднання шатуна з мембраною здійснюється її коливання і робочий процес компресора. Мембрана може бути виготовлена з прогумованої тканини. Ресурс КМ до 500 годин.

 

Рис. 32. Схематична конструкція мембраного компресора з механічним приводом.

Другий тип - з гідравлічним приводом мембрани (схема і принцип дії).

Схема конструкції мембранного компресора з гідравлічним приводом зображена на рис. 33.

Хід мембрани невеликий, він дорівнює f₁ + f_max,

f_max = 0, 025 r;

де f₁ = 0, 8 f_max;

r - радіус закладення мембрани.

Рис. 33. Конструкція мембраного компресора з гідравлічним приводом:

1. Обмежувальний диск; 2. Мембрана (металева, багатошарова);

3. Розподільний диск; 4. Корпус; 5. Гідроциліндр; 6. Поршень;

 

У мембранному компресорі цього типу привід мембрани здійснюється гідравлічним стовпом рідини, який переміщається поршнем, що здійснює зворотно-поступальний рух у гідроциліндрі і приводиться в рух від двигуна за допомогою вала з кривошипно-шатунним механізмом. Найважливіша умова нормальної роботи такого компресора - нерозривність рідинного стовпа. Тому що при роботі механізму гідроприводу неминучі протечки рідини через зазор між поршнем і циліндром у картер гідроциліндра, що відбуваються переважно при русі поршня нагору, система гідроприводу забезпечується спеціальним компенсаційним насосом, що подає в гідроциліндр невеликі порції рідини в період руху поршня вниз. Тому що подаваєма компенсаційним насосом у циліндр кількість рідини завжди трохи більше кількості протечек, надлишок рідини скидається через спеціальний отвір у корпусі зі зворотним клапаном у картер компенсаційного насоса. Скидання зайвої рідини з гідроциліндра відбувається наприкінці процесу стиску, після того, як мембрана цілком притискається до обмежувального диска і процес виштовхування газу з робочого об`єму мембранного компресора цілком завершується. Мембрана, що приводиться в рух гідростовпом, робить коливальний рух, обмежений розподільним і обмежувальним дисками, забезпечуючи робочий процес компресора.

2.1.4. Індикаторна діаграма мембранного компресора

Рис. 34. Теоретична індикаторна діаграма мембранного компресора:

1-2 – всмоктування; 2-3 – стиск; 3-4 – нагнітання.

Теоретична індикаторна діаграма показана на рис. 34. Низький показник політропи стиску МКМ (1, 05 ÷ 1, 1) забезпечує процес стиску близький до ізотермічного (з добрим охолодженням) газу.

Описаний об’єм мембранного компресора менше, ніж гідроциліндра:

V_hмк = V_hгц – V_hкн · ,

де V_hмк - описаний об`єм мембранного компресора;

V_hгц - описаний об`єм гідроциліндра;

V_hкн - описаний об`єм компенсаційного насоса;

- ккд компенсаційного насоса.

Теоретична робота МКМ l _m:

Дійсна індикаторна діаграма МКМ

Дійсна індикаторна діаграма показана на рис. 35.

Рис. 35. Дійсна індикаторна діаграма мембранного компресора.

 

Відносний мертвий об`єм с = 1-2%;

Депресія на всмоктуванні Δ Р_всм :

Депресія росте швидше, ніж продуктивність

Т_вс вище, ніж Т₁ через підігрів усмоктуваного газу в робочому обсязі компресора.

= _с · _др · · _щ,

_щ = 1.

За один оборот вала описується об`єм:

Теоретична продуктивність МКМ V_m:

Дійсна продуктивність МКМ V _д:

Дійсна продуктивність гідроциліндра V _дгц

де D – діаметр гідроциліндра;

s – хiд поршня гідроциліндра.

Товщина мембрани 0, 2 ÷ 0, 3 мм. Мембрани виконують багатошаровими.

 

Індикаторна діаграма гідроциліндра (рис. 36).

Рис. 36. Індикаторна діаграма гідроциліндра мембранного компресора:

1 - 2 - усмоктування КМ; 2 - 3 - стиск KM; 3 - 4 - нагнітання KM;

4 - 5 - стрибок тиску в гідроциліндрі; 5-6 – скидання залишку рідини з гідроциліндра через клапан надлишкового тиску в картер компенсаційного насоса.

∆ Р – вибирається експериментально, ця величина значна - складає десятки бар.

Потужність компресора мембранного типу.

Індикаторна потужність МКМ N_i:

Ефективна потужність МКМ N_e:

 

де η _заг – загальний ккд МКМ:

= (0, 4 ÷ 0, 55);

Електрична потужність МКМ N_ел:

 

N_ел = (1, 25 ÷ 1, 50) N_e

 

2.1.5.Кінематичні схеми мембранних компресорів

Кінематичні схеми мембранних компресорів можуть бути різноманітними [5]. Розрахунок їхніх динамічних характеристик і врівноваження може виконуватися аналогічно зі звичайними поршневими компресорами. При цьому, однак, варто мати на увазі, що для рівномірного розподілу тиску рідини гідроприводу по площі мембрани мембранного компресора з гідроприводом необхідно забезпечити збіг по напрямку векторів рівнодіючих двох сил: тиску, викликаного рухом поршня гідроприводу, і гідростатичного тиску стовпа рідини в гідросистемі. Для забезпечення збігу ліній дії цих двох векторів мембранний компресор повинний виконуватися з вертикальним розташуванням осі компресора і циліндра. У цьому випадку гарантується рівномірний розподіл сумарного робочого тиску, що діє на мембрану при роботі компресора, і забезпечується однорідний характер руху мембрани по всій її площі.

Тому найкращим є конструктивне виконання мембранного компресора з гідроприводом з вертикальним розташуванням циліндрів. Особливе значення ця рекомендація має для компресорів з великими діаметрами мембран, де вплив гідростатичного тиску стовпа рідини на рівномірність розподілу робочого тиску по площі мембрани стає особливо істотним.

2.2. Дизель-компресор з поршнями, що вільно рухаються (ВРДК)

2.2.1. Загальна характеристика ВРДК

Одна із значних проблем у справі механізації допоміжних виробничих процесів різноманітних підприємств складається в труднощі енергоживлення простіших механізмів і машин. Для цих цілей широко застосовується стиснене повітря, що дозволяє використовувати дешеві, надійні і безпечні механізми.

Однак одержання стисненого повітря є непростою технічною задачею. Для вирішення цієї задачі широко застосовуються пересувні компресорні станції. Пересувні компресорні станції з приводом від двигуна внутрішнього згоряння - досить громіздкі, складні і дорогі агрегати, що витрачають багато рідкого палива.

В даний час широко впроваджуються в життя компресори нового типу - дизель-компресори з поршнями, що вільно рухаються [6]. Широке впровадження цих компресорів при механізації допоміжних трудомістких процесів допоможе різко скоротити застосування ручної праці.

Дизель - компресори з поршнями, що вільно рухаються, мають значні термодинамічні, конструктивні, технологічні й експлуатаційні переваги в порівнянні з приводними компресорами. Так, наприклад, витрати на виробництво стисненого повітря за допомогою ВРДК в 1, 5 ÷ 2, 5 рази нижче, ніж при використанні компресора з приводом від ДВЗ; витрати палива на одиницю продуктивності в 1, 5 ÷ 2 рази менші, маса і габаритні розміри агрегату в 2-3 рази менші.

У дизель - компресорі з поршнями, що вільно рухаються, теплова енергія рідкого палива перетворюється в енергію стиснутого повітря без обертального руху механізмів, шляхом безпосередньої передачі потужності від поршнів двигуна до поршнів компресора, що рухаються прямолінійно.

Відомо, що аналогічне перетворення енергії в приводній компресорній установці відбувається за допомогою двох видів руху: поступального руху поршнів двигуна й обертального руху колінчатого вала, що потім перетворюється в поступальний рух поршнів компресора. В обох випадках для перетворення поступального руху в обертальний і навпаки служать шатунно - кривошипні механізми.

По засобу повернення поршнів до верхньої мертвої крапки (ВМК) розрізняють дві основні принципові схеми симетричних ВРДК (симетричними називаються такі ВРДК, у яких праворуч і ліворуч від осі симетрії, співпадаючої з віссю форсунки, розташовується однакова кількість компресорних і буферних циліндрів, відповідно рівних розмірів). У ВРДК поворотний хід поршнів до ВМК відбувається під дією енергії стисненого повітря, що заповнює спеціально збільшені мертві простори компресорних порожнин, або під тиском повітря, стисненого в буферних порожнинах (у цьому випадку тиск повітря, що знаходиться в невеликих мертвих просторах компресорних порожнин, не робить великого впливу на поворотний хід поршнів).

 

2.2.2. Схема та принцип дії ВРДК

Розглянемо схему та принцип дії ВРДК на прикладі симетричного, безбуферного компресора (рис. 37).

Перед пуском ВРДК поршневі групи розводять до нижньої мертвої крапки (НМК). У цьому положенні вони утримуються спеціальним механізмом. Після цього циліндри компресора заповнюють стиснутим повітрям, отриманним з пускового балона чи від спеціального пускового компресора.

При досягненні заданого пускового тиску в циліндрах компресору механізм, що утримує поршні, звільняє їх.

 

 

Рис. 37.Принципова схема ВРДК:

1 – нагнітальний клапан компресора; 2 – всмоктувальний клапан компресора; 3 – полость компресора; 4 – поршень компресора и продувного насоса; 5 – поршень двигуна; 6 – полость продувного насоса; 7 - впускний клапан продувного насоса; 8 – випускний клапан продувного насоса; 9 – ресивер продувного повітря; 10 – впускні вікна двигуна; 11 – форсунка для розпилення палива; 12 – циліндр двигуна; 13 – трубопровод опрацьованого газу; 14 – випускні вікна двигуна; 15 – клапан підтримки тиску в системі нагнітання; 16 – патрубок до ресивера; 17 – повітряносбірна труба.

 

Під тиском повітря в циліндрах поршні рухаються назустріч один одному, перекривають впускні і випускні вікна в циліндрі дизеля і стискають повітря, що міститься в ньому. Одночасно компресорні поршні нагнітають повітря в ресивер продувного повітря, утворений стінками корпуса ДК, створюючи в ньому необхідний тиск повітря для продувки циліндра двигуна під час наступного ходу поршнів до НМК. При підході поршнів до ВМК через форсунку в дизельний циліндр упорскується паливо, що запалюється і згоряє унаслідок високої температури стиснутого повітря.

Під тиском продуктів згоряння в дизельному циліндрі поршні рухаються до НМК. При цьому компресорні поршні нагнітають повітря через повітряносбірну трубу в ресивер і одночасно засмоктують повітря в порожнини продувного насоса. Під час руху поршнів до НМК спочатку один з них відкриває випускні вікна, прорізані в стінках дизельного циліндра, і випускає гази, що відпрацювали, в атмосферу. Потім інший поршень відкриває впускні вікна, через які в дизельний циліндр з ресивера продувного повітря спрямовується стиснуте повітря, воно витискає продукти згоряння, що залишилися в циліндрі, і заповнює циліндр; таким чином відбувається продувка і зарядка дизельного циліндра свіжим повітрям. Після того, як поршні приходять до НМК, стиснуте повітря, що залишилося в мертвих просторах циліндрів компресора, знову штовхає поршні назустріч один одному і робочий процес ВРДК повторюється. Підвищений, необхідний для повернення поршнів у ВМК, тиск повітря в мертвих просторах компресора забезпечується за допомогою клапана підтримки тиску; якщо тиск у збірній трубі стає нижче розрахункового, клапан закриває вихід повітря зі збірної труби.

 

2.2.3. Індикаторні діаграми роботи компресора, дизеля та продувного насоса

На рис. 38 зображено індикаторні діаграми різних елементів ВРДК, які синхронізовано по осі абсцис. Розгляд цих діаграм дає добре уявлення о робочих процесах компресора дизеля та продувного насоса.

Рис. 38. Індикаторні діаграми ВРДК:

а – індікаторна діаграма компресора:

1-2- примусове підвищення тиску в циліндрі перед пуском КМ;

2-3- розширення повітря, яке поступило в мертвий простір КМ;

3-4- всмоктування; 4-5- стиск; 5-6- нагнітання; 6-7- розширення повітря, залишившегося в мертвому просторі;

б – індікаторна діаграма дизеля:

1-2-3- рух поршня при відкритих вихлопних вікнах;

3-4- стиск; 4-5- вприск палива та його горіння; 5-6- розширення газів в циліндрі; 6- вихлоп; 7-1- продувка циліндра;

в – індікаторна діаграма продувного насосу (1-2-3-4-1):

1-2- початок стиску продувного насосу; 2- відкриття нагнітальних клапанів; 2-3- стиск повітря в обсязі продувного насосу та ресивера продувного повітря; 3-4- розширення повітря, залишившегося в мертвому обсязі насосу; 4-1- всмоктування; 3-5- постійний тиск в обсязі ресивера продувного повітря; 5-6- продувка циліндра дизеля; 6-7- рух поршня при відкритих впускних вікнах (3-5-6-7- зміна тиску в ресивері продувного повітря).

 

 

2.2.4. Переваги і недоліки ВРДК

Переваги ВРДК

1. Простота в конструктивному і технологічному відношеннях, у результаті - низька собівартість і трудомісткість виготовлення.

2. Відсутність колінчатого вала з підшипниками, кривошипно-шатунного механізму, системи примусового газорозподілу і ряду інших деталей, характерних для комбінованої установки виробництва стиснутого повітря.

3. Невеликі матеріалоємність і габаритні розміри.

4. Повна динамічна урівноваженість газових сил і сил інерції поршневих груп, що рухаються.

5. Відсутність вібрації і необхідності в фундаменті чи масивній рамі.

6. Високе значення ефективного ККД (до 0, 40-0, 45 при 0, 25 - у комбінованій поршневій установці з дизелем).

7. Низька питома витрата палива на виробництво 1м³ стисненого повітря (у 1, 5-2 рази нижче, ніж у комбінованої установки).

8. Відносно низькі витрати на експлуатацію й обслуговування, невеликі витрати палива і мастил, у результаті - низька собівартість стисненого повітря (у 1, 5-2, 5 рази нижче, ніж у комбінованої установки).

Недоліки ВРДК

1. Висока робоча температура і теплова напруженість поршнів, поршневих кілець і гільзи дизельного циліндра.

2. Підвищені вимоги до конструктивного виконання і технологічній обробки названих вище деталей, міцності і жаростійкості матеріалів і мастил.

3. Наявність пускового механізму і необхідність у стиснутому повітрі для здійснення пуску.

4. Значний мертвий обсяг, низькі значення і , а значить і λ компресора.

 

Література

1. Хлумский В. Ротационные компрессоры и вакуумнасосы. – М.: Машиностроение, 1971.– 128 с.

2. Яминский В. Роторные компрессоры. – М.: Машгиз, 1960.

3. Тетерюков В.И. Ротационные вакуумнасосы и компрессоры с жидкостным поршнем. – М.: Машгиз, 1960. – 251 с.

4. Сакун И.А. Винтовые компрессоры. – М.: Машгиз, 1960

5. Алтухов С.М., Румянцев В.А. Мембранные компрессоры. – М.: Машиностроение, 1967 – 127 с.

6. Пульманов Н.В. Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями. – М.: Машгиз, 1959 – 284 с.