Компрессорные и насосные установки
Опишите конструкцию узлов и деталей центробежного компрессора, корпуса, рабочего колеса, устройств для восприятия осевого усилия, направляющих аппаратов и обратных канатов
Компрессоры – это устройства для создания направленного потока газа под давлением. Компрессорные установки довольно сильно распространены, они широко используются в холодильных установках, в пневматических устройствах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре.
Компрессоры, упрощенно, состоят:
- Электродвигателя или привода;
- Нагнетающей установки;
- Емкостей для сжатого газа;
- Соединительных шлангов и труб. Центробежный компрессор в основном состоит из корпуса и ротора, имеющего вал с симметрично расположенными рабочими колёсами. Центробежный 6-ти ступенчатый компрессор разделён на три секции и оборудован двумя промежуточными холодильниками, из которых газ поступает в каналы. Во время работы центробежного компрессора частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается от оси компрессора к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость.
Конструкцию холодильного компрессора рассмотрим на примере фреонового двухступенчатого компрессора ТКФ-248 (холодильная машина ХТММФ-248-4000).
Корпус (статор) компрессора литой, чугунный, состоит из двух половин — верхней и нижней, соединенных шпильками. Их взаимное положение фиксируется коническими штифтами. Для облегчения подъема в верхней половине предусмотрены отжимные болты уплотнение горизонтального разъема между половинами корпуса осуществляется паронитовой прокладкой толщиной 0,6 мм, проваренной в глицерине.
Корпус, установленный на литой фундаментной плите, при нагреве имеет возможность перемещения по шпонке. В корпусе предусмотрены отверстия для подвода слива масла, а также для присоединения уравнительных линий. Для подъема и транспортировки компрессора на нижней половине корпуса имеются грузовые крюки (приливы).
Ротор (вращающаяся часть турбокомпрессора) состоит из вала, на котором закреплены два рабочих колеса и разгрузочный поршень (думмис). Ротор - одна из наиболее ответственных частей компрессора. Его детали испытывают сложные напряжения, вызываемые центробежными силами, крутящим моментом, знакопеременными нагрузками, вибрацией, температурной деформацией. Все узлы и детали ротора изготавливают из высококачественной углеродистой или легированной стали. Каждое колесо подвергается статической балансировке и разгонным испытаниям, а ротор в сборе — динамической балансировке. Насадка рабочих колес на вал осуществляется по горячей посадке на шпонке.
Усилия, действующие на каждое колесо в осевом направлении, не уравновешены. Это вызвано тем, что на кольцевую поверхность колеса со стороны входа пара действует давление всасывания, а на соответствующую ей поверхность с противоположной стороны — давление нагнетания. В результате создается осевая сила, которая стремится сдвинуть ротор в сторону всасывания.
Для уменьшения действия осевых сил используют разгрузочный поршень (думмис). Со стороны колеса на думмис действует конечное давление нагнетания, а с противоположной стороны — давление всасывания. При этом возникает результирующая сила, стремящаяся подвинуть ротор в сторону нагнетания. Она уравновешивает осевую силу, действующую на колесо в результате увеличения давления при сжатии пара.
Межступенчатые (лабиринтные) уплотнения применяют гребенчатого типа. Они бывают концевыми и промежуточными. Концевые уплотнения препятствуют переточкам пара в подшипниковые камеры, а промежуточные — из одной ступени в другую, минуя проточную часть. В зависимости от типа уплотнений зазоры составляют от 0,1 до 0,35 мм.
Торцовые уплотнения (сальники) применяют двух типов: для герметизации выходного конца вала ротора и выходного конца вала маслонасоса системы смазки.
Торцовое уплотнение вала ротора представляет собой систему подвижных и неподвижных элементов, обеспечивающих подвижное уплотнение выходного конца вала ротора как при работе, так и при стоянке компрессора. В полости уплотнения циркулирует масло, обеспечивая гидравлический затвор, смазку, трущихся поверхностей и их охлаждение.
Масло в полость сальника подводится в верхнюю часть корпуса от системы смазки. Слив масла производят через зазор в плавающем подшипнике.
Входной направляющий аппарат служит для плавного регулирования производительности. Он состоит из лопаток, которые могут поворачиваться в корпусе с помощью приводного механизма. На хвостовиках лопаток закреплены шестерни, находящиеся в зацеплении с общей конической шестерней, посредством которой поворачиваются лопатки. Приводной валик механизма уплотнен в корпусе сальником, состоящим из резиновых колец, поджатых резьбовой втулкой. Изменением угла установки лопаток изменяют производительность компрессора от 100 до 30% номинального значения.
Компрессор имеет две уравнительные линии: уравновешивающую давление в масляных полостях компрессора и маслобака с давлением всасывания и уравновешивающую давление за думмисом с давлением всасывания. Первая линия служит для предотвращения уноса масла из маслоблока и подшипниковых полостей в испаритель, вторая — для уменьшения осевой силы, действующей на ротор.
Ротор вращается в двух подшипниках, один из которых опорный, другой — опорно-упорный. Корпуса подшипников посредством крышек прикреплены к корпусу компрессора.
Опорные подшипники воспринимают вес ротора и динамические переменные усилия, а также фиксируют положение ротора относительно корпуса в радиальном положении. Подшипник состоит из корпуса и вкладыша с заливкой из баббита Б-83. Масло подается в нижнюю часть подшипника через дроссельную шайбу.
Положение вкладыша в подшипнике и положение ротора относительно корпуса регулируется в радиальном направлении с помощью прокладок, устанавливаемых под опорными сухарями (подушками), прикрепленными к нижнему и верхнему вкладышам.
Опорно-упорный подшипник состоит из опорной и упорной частей. Конструкция опорной части аналогична конструкции опорного подшипника. Упорная часть подшипника служит для восприятия части осевого усилия (за вычетом усилия, воспринимаемого думмисом), она — двусторонняя с шестью упорными колодками с каждой стороны. Колодки упираются в корпус подшипника через дистанционное кольцо, с помощью которого выдерживается необходимый осевой зазор между колодками и упорным диском. Упорная часть колодок залита баббитом Б-83.
Опишите назначение, принцип работы и конструктивное устройство центробежных вентиляторов. Вычертите схемы отдельных узлов
Центробежные вентиляторы широко распространены в промышленности и коммунальном хозяйстве для вентиляции зданий и отсасывания вредных веществ в технологических процессах.
В теплоэнергетических установках центробежные вентиляторы применяются для подачи воздуха в топочные камеры котлов, перемещения топливных смесей в системах пылеприготовления, отсасывания дымовых газов и выброса их в атмосферу. Воздух в вентилятор поступает через входной патрубок 1 и направляется в рабочее колесо 2, которое состоит из: ступицы 5, ведущего диска 7, лопастей и (ведомого) покрывного кольцевого диска 9. Обычно рабочее колесо приводится во вращение при помощи ступицы 5, насаженной на рабочий вал 6, который передает движение непосредственно от двигателя или с помощью трансмиссионной передачи. На ступице смонтирован ведущий диск, к которому прикреплены лопасти рабочего колеса. Со стороны входа на лопастях рабочего колеса крепится покрывной кольцевой диск 9
Вращающееся рабочее колесо помещается в неподвижный спиральный кожух 8, имеющий на выходе расширяющийся патрубок 4. Воздух или газ, попадающий через входной патрубок 1 в рабочее колесо 2, лопастями отбрасывается с большой скоростью к периферии. Передача энергии воздуху завершается в рабочем колесе. Часть этой энергии вследствие силового воздействия лопастей рабочего колеса получается в виде потенциальной энергии давления. Другая часть, в зависимости от степени реактивности рабочего колеса, получается в виде кинетической энергии (скоростного напора).
Конструктивное устройство центробежного вентилятора простейшего типа показано на рис. 1.
Рис. 1 – Центробежный вентилятор
1 – ступица; 2 – основной диск; 3 – рабочие лопатки; 4 – передний диск; 5 – лопастная решетка; 6 – корпус; 7 – шкив; 8 – подшипники; 9 – станина; 10, 11 – фланцы
Рабочее колесо вентилятора состоит из литой ступицы 7, жестко сопряженной с основным диском 2. Рабочие лопатки 3 крепятся к основному диску 2 и переднему диску 4, обеспечивающему необходимую жесткость лопастной решетки 5. Корпус 6 вентилятора крепится к литой или сварной станине 9, на которой располагаются подшипники 8, несущие вал вентилятора с посаженным на него рабочим колесом. На корпусе вентилятора установлены фланцы 10 и 11 для крепления всасывающей и напорной труб.
Центробежные вентиляторы выпускаются заводами в определенных геометрических сериях. Каждая серия характеризуется постоянством отношений сходственных размеров; размеры отдельных машин и их рабочие параметры в серии различны.
Обозначение центробежных
вентиляторов в соответствии с
государственными стандартами включает
букву Ц, указывающую на основной признак
типа – центробежный, пятикратное
значение коэффициента полного давления
в режиме при
>max>,
округленное до целого числа, и значение
коэффициента быстроходности в режиме
>max>,
также округленное до целого числа.
Обозначение вентилятора включает и его
номер, представляющий собой значение
диаметра D>2>,
выраженное в дециметрах.
Например, центробежный вентилятор с
диаметром рабочего колеса 400 мм, имеющий
при максимальном КПД коэффициент полного
давления 0,86 и быстроходность 70,
обозначается Ц4–70–4.
Характерной конструктивной величиной центробежного вентилятора является отношение выходного и входного диаметров межлопастных каналов рабочего колеса D>2>/D>1>. В обычных конструкциях это отношение выбирается небольшим (1,2–1,45), радиальная длина лопасти составляет (0,084–0,16)D>2>.
Теоретический напор вентилятора определяется по уравнению Эйлера, которое с учетом радиального входа потока (c>1u> = 0) можно записать в следующем виде:
Н>т> = u>2>c>2u>/g
Отсюда теоретическое давление вентилятора:
р>т>
=
u>2>с>2u>,
где
– средняя плотность перемещаемого
газа, кг/м3.
В реальном вентиляторе часть давления теряется в проточной части.
Если поток газа на входе в вентилятор имеет параметры p>1ст> и с>1>, а на выходе р>2ст> и с>2>, то полное давление, развиваемое вентилятором:
где
–
статическое давление потока соответственно
на выходе и входе
вентилятора, Па;
с>1>, с>2> – соответствующие скорости потока, м/с.
Работа вентилятора при заданной
частоте вращения характеризуется
объемной подачей Q, полным
давлением р, мощностью
N и полным КПД
.
Полезная мощность (Вт) вентилятора определяется по формуле:
Nпол = р·Q,
где Q – объемная подача (производительность) вентилятора, м3/с.
Мощность на валу (эффективная мощность) N обычно определяется при испытании вентилятора.
Вентиляторы характеризуются двумя КПД: полным и статическим, так как в некоторых случаях для вентиляторов характерно не полное давление, ими развиваемое, а лишь статическая часть его р>ст> или соответственно статический напор Н>ст>.
Статический
КПД дополняет оценку эффективности
вентилятора, так как в полной энергии,
сообщаемой потоку газа, существенную
долю составляет кинетическая энергия.
Ориентировочно
>ст>
меньше
на
20–30 %.
Мощность двигателя для привода вентилятора (кВт) выбирают с запасом на возможные отклонения рабочего режима от расчетного:
где
– полный КПД вентилятора;
– КПД передачи.
При
непосредственном соединении валов
двигателя и вентилятора
=
1, при клиноременной передаче
=
0,92.
Коэффициент быстроходности
вентилятора характеризует
конструкцию рабочего колеса, следовательно,
способность создавать давление. Если
принять плотность воздуха
=
1,2 кг/м3, то
Для каждого типа вентилятора характерно определенное значение коэффициента быстроходности:
Центробежные высокого давления – 10–30,
Центробежные низкого и среднего давления с лопатками:
отогнутыми вперед – 30–60
отогнутыми назад – 50–80
Центробежные двустороннего всасывания – 80–120.
Конструкция вентилятора определяется его аэродинамической схемой, под которой понимается схематический чертеж его проточной части с указанием основных размеров в долях наружного диаметра колеса.
Конструктивная форма и размеры вентилятора определяются его подачей, давлением и частотой вращения.
Формы рабочих колес вентиляторов даны на рис. 2.
Рис. 2 – Формы рабочих колес центробежных вентиляторов
а – барабанная; б – кольцевая, в, г – с коническими покрывающими дисками;
д, е – соответственно однодисковых и бездисковых
Формы, показанные: - на рис. 2а, б, свойственны вентиляторам низкого давления с лопатками, загнутыми вперед; - на рис. 2б–г, характерны для вентиляторов низкого, среднего и высокого давлений с лопатками, загнутыми назад;
- на рис. 2г, применяется для колес большой подачи и находит применение, в частности, для дутьевых вентиляторов и дымососов ТЭС.
Открытые однодисковые и бездисковые колеса форм (рис. 2д, е) применяются в пылевых вентиляторах, служащих для подачи смесей газов с твердыми частицами, например в системах пылеприготовления ТЭС.
В вентиляторах применяются все три типа лопастей.
По назначению вентиляторы подразделяются на следующие группы: вентиляторы общего назначения (Ц); - вентиляторы дутьевые (БД); - дымососы (Д); - вентиляторы горячего дутья (ВГД); - вентиляторы мельничные (ВМ); - вентиляторы специального назначения.
По направлению вращения рабочего колеса различают вентиляторы правого вращения (колесо вращается по направлению движения часовой стрелки, если смотреть со стороны привода) и левого вращения. По направлению выхода газа вентиляторы изготовляются с различными положениями корпуса.
Вентиляторы общего назначения по полному давлению, создаваемому при номинальном режиме, подразделяются на вентиляторы низкого (до 1 кПа), среднего (от 1 до 3 кПа) и высокого (свыше 3 кПа) давления.
К вентиляторам низкого давления относятся вентиляторы средней и большой быстроходности. Рабочие колеса этих вентиляторов имеют широкие листовые лопатки. Окружная скорость вращения колес составляет менее 50 м/с.
Вентиляторы низкого давления используются в вентиляционных системах.
Вентиляторы среднего давления имеют окружную скорость до 80 м/с, лопатки этих вентиляторов выполняются как загнутыми вперед, так и назад и применяются как в вентиляционных, так и технологических установках различного назначения.
Вентиляторы высокого давления имеют окружную скорость свыше 80 м/с, лопатки загнуты назад.
Опишите устройство, объясните принцип действия и вычертите схему аммиачного турбокомпрессора АТКА
Агрегат типа АТКА имеет привод от синхронного или асинхронного электродвигателя через мультипликатор, двухэтажную компоновку. Компрессор, редуктор и электродвигатель устанавливаются на отметке +4,8 м. Работает установка следующим образом. Парообразный аммиак засасывается в первую секцию компрессора АТКА-545, где он сжимается до промежуточного давления. Сжатые пары поступают в промежуточный холодильник, где частично охлаждаются. Затем в трубопровод по ходу газа впрыскивается жидкий аммиак, который, попадая в газовый поток низкого давления, испаряется и тем самым охлаждает газообразный аммиак. Далее охлажденный аммиак проходит отделитель жидкости и всасывается во вторую секцию 10 компрессора, где сжимается до давления конденсации. Из второй секции компрессора сжатые пары поступают последовательно в конденсатор, ресивер, промежуточный сосуд и испаритель (на схеме не показано). Основные сборочные единицы аммиачных агрегатов типа АТКА унифицированы между собой и с рядом сборочных единиц других турбоагрегатов. Корпус турбокомпрессора отлит из чугуна. Средняя часть корпуса выполнена в виде цилиндра с продольными и кольцевыми ребрами жесткости. Корпус имеет горизонтальный разъем. Верхняя и нижняя половины корпуса соединяются стяжными шпильками, установленными во фланце нижней половины. Точность взаимного положения верхней и нижней половин корпуса фиксируется двумя коническими штифтами с резьбовым хвостовиком, облегчающим выемку штифтов.
1 - картер; 2 - предохранительный и перепускной (байпасный) вентиль ступени низкого давления; 3 - манометрический пульт; 4 - предохранительный и байпасный вентиль ступени высокого давления; 5 - корпус сальника (передняя крышка); 6 - передний коренной подшипник; 7 - вентиль для регулирования давления масла;8 - сальник; 9 - приводная муфта; 10 - маховик; 11 - поплавковый регулирующей вентиль обратной подачи масла из нагнетательного пространства ступени высокого давления; 12 - коленчатый вал; 13 - противовес; 14 и 16 - промежуточные опоры вала; 15 - шатун; 17 - охладитель масла; 18 - трубки для подачи масла из нагнетательного пространства низкого давления; 19 - задний коренной подшипник; 20 - щелевой фильтр; 21 - патрубок для выпуска масляных загрязнений; 22- патрубок для спуска масла: 23- патрубок для слива воды; 24 - привод масляного насоса; 25-масляный насос; 26 - задняя крышка картера; 27 - рубашка для охлаждающей воды; 28 -крышка цилиндра; 29 - нагнетательный клапан; 30 - всасывающий клапан; 31 - уплотнительное кольцо; 32 - поршень; 33 - поршневой палец; 34- маслосъемное кольцо; 35-втулка цилиндра; 36 и 37 - указатели уровня масла; 38 - вентиль для отсоса картера.
Сформулируйте II закон термодинамики. Приведите примеры применения этого закона в технике
Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона. - Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии. - Постулат Кельвина.
Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.
Реакторную установку можно представить в виде тепловой машины, в которой осуществляется некий термодинамический цикл.
Пароводяная смесь, образовавшаяся в результате передачи тепловой энергии воде в активной зоне поступает в Барабан – сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в паровую турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины отработавший пар направляется в конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Вследствие этого пар полностью конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается и направляется вновь в барабан сепаратор.
Конденсатор играет двоякую роль в установке:
Во-первых, он имеет паровое и водяное пространство разделенные поверхностью, через которую происходит теплообмен между отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей.
Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его превращении в капельножидкое состояние наступает вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться в турбине еще на одну атмосферу (Рк около 0,04 - 0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу.
Опишите основные виды теплопередачи, дайте понятие теплопроводности, вычертите схемы
Существуют три основных вида теплопередачи:
- теплопроводность
- конвекция
- лучистый теплообмен. Теплопроводность - это процесс распространения теплоты между соприкасающимися телами или частями одного тела с разной температурой.
Температурное поле - совокупность температур во всех точках тела для данного момента времени. Стационарное температурное поле, или стационарный температурный режим, характеризуется постоянством температуры с течением времени. Для перехода от нестационарного режима (нагрев или охлаждение тела) к стационарному необходимо время для достижения постоянной температуры Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное). Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е. отношения DТ/Dx разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м2) и коэффициента теплопроводности материала.
где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а A – площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота передается в направлении, обратном градиенту температуры. Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из
величин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры.
Для здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию. В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и материалов.
Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем воздух и пористые материалы.
Теплопроводность некоторых веществ и материалов
|
Вещества и материалы |
Теплопроводность, Вт/(мD К) |
|
Металлы |
|
|
Алюминий |
205 |
|
Бронза |
105 |
|
Висмут |
84 |
|
Вольфрам |
159 |
|
Железо |
67 |
|
Золото |
287 |
|
Кадмий |
96 |
|
Магний |
155 |
|
Медь |
389 |
|
Мышьяк |
188 |
|
Никель |
58 |
|
Платина |
70 |
|
Ртуть |
7 |
|
Свинец |
35 |
|
Цинк |
113 |
|
Другие материалы |
|
|
Асбест |
0,08 |
|
Бетон |
0,59 |
|
Воздух |
0,024 |
|
Гагачий пух (неплотный) |
0,008 |
|
Дерево (орех) |
0,209 |
|
Магнезия (MgO) |
0,10 |
|
Опилки |
0,059 |
|
Резина (губчатая) |
0,038 |
|
Слюда |
0,42 |
|
Стекло |
0,75 |
|
Углерод (графит) |
15,6 |
Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или медь) являются также хорошими проводниками электричества. Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K). Это явление,
называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств – от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов.
Рассмотрим стационарный процесс теплопроводности через цилиндрическую стенку длиной L, внутренним радиусом r1, наружным радиусом r2 , с
температурой внутренней поверхности t'ст и наружной t '' ст. Коэффициент теплопроводности материала стенки (рис.4.1).
Рисунок 4.1 - Схема теплопроводности
Для рассматриваемого случая температура меняется только по толщине
стенки, т.е. в направлении радиуса (внутренняя и наружная стенки имеют разную, но постоянную температуру по всей стенке, т.е. являются изотермными).
Используемая литература
1. Рахмилевич 3.3. Радзин И.М., Холодильные компрессоры. Справочник, М., 1981
2. Киселев Г.Ф., Компрессорные установки в химической промышленности, М., 1977
3. Скворцов Л.C., Рачинский В.А. и др. Компрессорные и насосные установки.
-М.: Машиностроение
4. Земанский М. Температуры очень высокие и очень низкие. М., 1968
Смородинский Я.А. Температура. М., 1981
5. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. – М.: Энергоатомиздат, 1984.