Охлаждение в турбокомпрессорах

 

Охлаждение сжимаемого газа в компрессорах имеет положительные и отрицательные стороны, поэтому решение вопроса о целесообразности охлаждения и выбор его параметров требует проведения технико-экономического анализа.

Положительные стороны охлаждения:

1) уменьшение политропной работы сжатия ;

2) понижение конечной температуры газа, что снижает гидравлические потери за счет уменьшения объема транспортируемого газа.

Отрицательные стороны охлаждения:

3) усложнение и удорожание конструкции компрессора и компрессорной станции;

4) увеличение эксплуатационных затрат (обслуживание теплообменных аппаратов, затраты на циркуляцию охлаждающей воды);

5) дополнительные гидравлические потери в газоохладителях и коммуникациях.

Оценка экономической эффективности введения охлаждения должна производиться с учетом перечисленных факторов, причем снижение работы сжатия тем существеннее, чем больше степень повышения давления, выше показатель изоэнтропы и ниже КПД.

Применяющиеся в конструкциях турбокомпрессоров виды охлаждения представлены на схеме. Ниже рассмотрим особенности этих видов охлаждения.

 

Цилиндровое охлаждение

Цилиндровое охлаждение осуществляется непосредственно в процессе сжатия газа в проточной части и конструктивно реализуется либо размещением теплообменных поверхностей в элементах проточной части, либо выполнением корпусных элементов с полостями под «рубашки» охлаждения (рис. 14.14).

Цилиндровое охлаждение в турбокомпрессорах теоретически эффективно, т.к. газ движется с большими скоростями, а, следовательно, можно отвести большее количество теплоты, чем в компрессорах объемного действия. Однако для отвода такого количества теплоты необходима большая поверхность теплообмена, а значит и увеличение габаритов, что противоречит общей тенденции компрессоростроения к снижению металлоемкости. Кроме того, очистка теплообменных поверхностей от солевых отложений и ржавчины в таких конструкциях чрезвычайно затруднена.

Такой способ охлаждения используется при необходимости строгого поддержания температуры газа в заданном диапазоне.

Рис. 14.14. Цилиндровое охлаждение

Промежуточное охлаждение

Промежуточное охлаждение осуществляется в межсекционных газоохладителях вне проточной части компрессора.

Теоретически процесс охлаждения идет без потерь давления (Р = const) и без недоохлаждения (т.е. температура газа в газоохладителе снижается до первоначальной), однако практически, вследствие гидравлических потерь в газоохладителях и коммуникациях, происходит некоторое снижение давления на величину Δ Р_х и температура на входе в каждую последующую секцию выше начальной.

Сравним затраты работы на сжатие газа для односекционного компрессора без охлаждения и для компрессора с двумя промежуточными охлаждениями (рис. 14.15) в P-v и T-S диаграммах (рис. 14.16). В неохлаждаемом компрессоре газ сжимается от давления Р ₁ до давления Р ₂ по линии например, изоэнтропного процесса (n = k) от точки 1 до точки 2΄. В компрессоре с двумя промежуточными охлаждениями газ сжимается сначала в первой секции по изоэнтропе 1-2, затем охлаждается в промежуточном газоохладителе 2-3 (), сжимается изоэнтропно во второй секции 3-4, далее опять охлаждается 4-5 и сжимается до конечного давления в третьей секции.

Поскольку нет недоохлаждения, то точки 1, 3, 5 лежат на одной изотерме, соответствующей первоначальной температуре газа ().

Выигрыш в работе, затрачиваемой на сжатие будет определяться площадью .

Теоретически из диаграмм P-v и T-S следует, что чем больше число охлаждений, тем больше экономия в затрате работе. Однако прирост экономии в полезной работе при установке каждого следующего холодильника снижается, а затраты возрастают. Это наглядно показано на рис. 14.17.

а) б)

Рис. 14.15. Схема промежуточного охлаждения:
а) схема без охлаждения (одна секция, Y =1);
б) схема с двумя охлаждениями (три секции Y =3)

 

Рис. 14.16. К определению эффективности промежуточного охлаждения
в P-v и T-S – диаграммах

Рис. 14.17. Экономия работы сжатия соответственно при одном,
двух и трех промежуточных охлаждениях

 

Приближенная оценка выигрыша в работе, затрачиваемой на сжатие газа при промежуточном охлаждении, выполняется по величине относительной экономии

,

где – затраченная работа неохлаждаемого компрессора; Т_н – начальная температура на входе в компрессор.

Внутренний напор (затраченная работа) компрессора с охлаждением равна сумме работ по секциям с учетом потерь давления в коммуникациях и недоохлаждения

,

,

где j – номер секции; Т_нсj – начальная температура на входе в следующую секцию .

Потери давления в межсекционных газоохладителях учитываются коэффициентом e > 1

,

значение которого, рассчитывается в зависимости от числа охлаждений по формулам [5, 10]:

- при одном охлаждении ;

- при двух охлаждениях ;

- при трех охлаждениях ,

где Р_н – начальное давление на входе в компрессор.

Относительными потерями давления при предварительных расчетах обычно задаются в пределах , причем можно считать, что

.

Тогда отношение давлений в секции с учетом недоохлаждения и потерь давления [5, 10]:

- в первой секции ;

- во всех остальных секциях, кроме последней ;

- в последней секции .

Анализ формул для расчета величины Э показывает, что эффективность охлаждения зависит от пяти величин:

- отношения давлений в компрессоре π _к;

- недоохлаждения ;

- относительных потерь давления

- показателя изоэнтропы k;

- политропного КПД η_п.

Влияние показателя изоэнтропы на экономию при однократном охлаждении показано на рис. 14.18а (при π _к = 4; ; ; η_п. = 0,83).

В компрессорах, сжимающих воздух, одно охлаждение (Y =2) применяется при , два или три охлаждения (Y =3-4) при .

Более четырех охлаждений в турбокомпрессорах применяется редко, поскольку прирост экономии ΔЭ от установки каждого следующего холодильника падает (рис. 14.18б).

 

а)	б)
Рис. 14.18. Влияние на экономию: а) показателя адиабаты при однократном охлаждении; б) числа секций при показателе адиабаты k =1,4

С учетом перечисленных факторов рекомендованы [16] минимальные значения экономии Э_min (табл. 14.2) от введения охлаждения, ниже которого промежуточное охлаждение применять не следует, а при превышении этого значения вопрос об охлаждении может быть рассмотрен с учетом дополнительных факторов.

Таблица 14.2

Минимальные предельные значения Э при 1-м промежуточном охлаждении

k	1,4	1,34	1,32	1,3	1,22	1,13
Газ	Воздух, азот, кислород	Хлор	Аммиак, углекислота	Метан, водяной пар	Этан, этилен,	Пропилен
Эmin, %	4,9	5,5	5,7	5,9	6,6	6,9

Испарительное охлаждение

Испарительное охлаждение осуществляется впрыском распыленной жидкости внутрь проточной части машины, в результате чего жидкость при контакте с нагретым газом испаряется, отнимая от него тепло, а газ охлаждается (рис. 14.19).

Впрыскивая 1 % (по массе) воды в воздух температура его понизится примерно на 25 °С:

.

Впрыск жидкости имеет отрицательные стороны:

1. Необходимость осушки газа после компрессора.

2. Возможность конденсации влаги при высоких давлениях в последующих ступенях компрессора и эрозионного износа.

Поэтому испарительное охлаждение не эффективно для воздушных компрессоров при и в зимнее время.

а) б)

Рис. 14.19. Испарительное охлаждение: а) схема расположения в проточной части; б) изображение в Р-v диаграмме

Предварительное охлаждение

Охлаждение газа производится до поступления его во всасывающий патрубок компрессора (рис. 14.20). При этом, т.к. температура на входе в компрессор Т ₁ < T_н, работа, затрачиваемая на сжатие газа будет снижаться:

.

Рис. 14.20. Схема предварительного охлаждения

Однако вследствие газодинамических сопротивлений в теплообменнике в нем происходит падение давления и фактическое давление всасывания оказывается ниже, чем оно было бы без теплообменника Р ₁ < Р_н, а т.к. обычно Р_к = const и Р_н = const, то происходит некоторое увеличение отношения давлений в компрессоре , а значит увеличивается и работа Н_i.

Поскольку температура охлаждающей воды обычно не намного отличается от температуры окружающего воздуха, то использование данного способа охлаждения для воздушных компрессоров, всасывающих воздух из атмосферы, не целесообразно. Для воздушных компрессоров оно может использоваться в случае наличия дешевого хладоносителя (например, артезианская вода).

Для газовых компрессоров, работающих по циркуляционной схеме с высокой температурой всасывания, применение предварительного охлаждения может принести ощутимые преимущества.

 

Концевое охлаждение

В некоторых компрессорных установках применяют установку газоохладителей после компрессора (рис. 14.21). Хотя концевое охлаждение не приводит к выигрышу в работе сжатия, а наоборот вносит дополнительные потери давления в концевом холодильнике, оно используется в тех случаях:

1) когда требуется поддержание постоянной температуры на выходе из компрессора;

2) стремятся к снижению затрат при транспортировке газа;

3) газ после компрессора подлежит осушке (установка холодильной машины позволяет выморозить влагу).

 

Рис. 14.21. Схема концевого охлаждения