Конструкция и характеристики компрессора – УКЦ

Рис. 1

Компрессор типа scroll состоит из двух стальных спиралей, расширяющихся от центра к периферии цилиндра и вставленных одна в другую. Одна из спиралей закреплена неподвижно, вокруг нее вращается подвижная спираль. Подвижная спираль установлена на эксцентрике и при вращении ее внешняя поверхность как бы катится по внутренней поверхности неподвижной спирали (Рис.1). Благодаря этому точка контакта спиралей постепенно перемещается от периферии к центру, сжимая перед собой пары хладагента и вытесняя их наружу через отверстие, имеющееся в центре неподвижной спирали.

Как фаза всасывания (во внешней части спиралей), так и фаза подачи (во внутренней части) происходят почти непрерывно. Благодаря особенностям конструкции, компрессоры типа scroll обладают рядом преимуществ перед поршневыми компрессорами:

• отсутствие клапанов всасывания и подачи в т. ч.:
  • повышение КПД цикла вследствие отсутствия потерь давления, вызываемых работой самих клапанов;
  • отсутствия шума, создающегося при открытии и закрытии клапанов в момент их соприкосновения с панелью клапанов;
• повышение объемной производительности, приближающейся к 100% из-за отсутствия «мертвого» пространства;
• сокращение количества подвижных деталей, вследствие чего уменьшается опасность возникновения поломок.

Функционируя на основе одного принципа, компрессоры scroll, в зависимости от модели и изготовителя, имеют значительные технологические и механические различия.

 

Трехмерная адаптация

Рис. 2

Компрессоры scroll «CompIiant» (Рис.2) отличаются особой «адаптацией» (приспосабливаемостью), обеспечивающей продолжительное функционирования оборудования .

Осевые силы контакта между спиралями регулируются, главным образом, за счет давления газа на неподвижную спираль, смонтированную на эластичной основе, компенсирующей ее колебания. Это сбалансированное взаимодействие приводит к уменьшению, как нагрузки на основные плоскости подвижной спирали, так и сил трения между двумя спиралями.

Адаптация двух спиралей происходит в трехмерном измерении, то есть они могут отдаляться друг от друга при компрессии, как в радиальной плоскости, так и по оси. В чрезвычайных случаях, подвижная спираль приподнимается, и таким образом жидкость и загрязнения выталкиваются во внешнее пространство. При этом не возникает необходимость устанавливать на холодильном контуре сепаратор жидкости или накопительную емкость на линии всасывания

Факторы надежности

Износостойкость. В компрессоре scroll «Compliant» две спирали производят между собой контакт типа «металл-металл» как в радиальной плоскости так и по вертикали (между срезом одной спирали и дном другой). Второй тип контакта разработан таким образом, чтобы исключить установку уплотнительной прокладки.

Подвижная спираль «вращается» по поверхности неподвижной спирали с минимальным трением, и поверхности спиралей доводятся до «зеркального» состояния. Повышающаяся таким образом эффективность работы компрессора сохраняется на весь срок его эксплуатации.

Условия запуска. Характерной особенностью компрессора scroll «Compliant» является то, что он всегда запускается вхолостую, даже при несбалансированном давлении в контуре. Это происходит за счет установки обратного клапана на линии подачи компрессора. При остановке компрессора две спирали размыкаются, как по вертикали, так и по горизонтали.

При новом запуске компрессор не испытывает нагрузки, поскольку возрастание давления происходит постепенно: только при достижении им рабочего давления в контуре подачи клапан открывается, неразрывность контура восстанавливается.

Система защиты. Компрессор scroll оснащен соответствующей внутренней системой защиты от повышенных соотношений давлений – плавающее уплотнение. При нормальном функционировании оно служит механическим уплотнением между участками высокого и низкого давления. Когда же в моделях для кондиционирования воздуха соотношение давлений превышает 10:1 (при чрезвычайных ситуациях в контуре), плавающее уплотнение отделяется от своего ложа, позволяя газу под высоким давлением перемещаться со стороны линии подачи к участку низкого давления.

Защита от повышенных температур на линии подачи в зависимости от модели может осуществляться с использованием термостата или эквивалентного ему датчика. При функционировании компрессоров scroll «CompIiant» не возникает вибрации вследствие равномерности процессов всасывания и сжатия газа.

Смазка. Вследствие малой скорости вращения и силы трения в каждой точке контакта непосредственной смазки спиралей не требуется. Масло служит только для смазки подшипников и плавающего уплотнительного кольца.

Область применения

Рис. 3

Область применения компрессоров scroll для кондиционирования воздуха распространяется на все виды кондиционирования гражданских объектов, на системы тепловых насосов (ввиду возможности работать при высоких температурах конденсации) и на многие виды промышленных холодильных систем.

На рисунке 3 показана область применения при температурах испарения от —23 до 12,5°С. В ее пределах существуют ограничения, обусловленные различными условиями на линии всасывания. Во всех случаях не требуется обеспечения дополнительной вентиляции.

Наличие упомянутых выше ограничений продиктовано необходимостью ограничения температуры подачи газа в пределах 143°С.

Рис. 4

Наряду с моделями для кондиционирования воздуха разработан ряд специальных компрессоров «CompIiant» для холодильных установок, способных функционировать при средних и низких температурах с использованием или без инжектирования пара или жидкости.

Холодильные показатели и показатели потребления энергии

Компрессор scroll обеспечивает высокую объемную производительность (близкую к 100%), поэтому его рабочий объем меньше равного по мощности поршневого компрессора.

На рисунке 4 приводится сравнение объемной производительности компрессора scroll и соответствующего ему поршневого компрессора: разница между производительностью двух компрессоров существенно возрастает с увеличением соотношения давлений.

В компрессоре scroll сжатый газ не расширяется в конце цикла, не происходит предварительного разогрева всасываемого газа. Это позволяет перекачивать большие массы газа, что повышает общую производительность компрессора.

Функционирование в режиме кондиционирования

Рис. 5

Высокая объемная производительность компрессора scroll имеет значительный положительный эффект при его использовании для обеспечения комфорта в помещении: кривая вырабатываемой компрессором мощности относительно температурной нагрузки имеет пологий наклон (Рис.

5).

В компрессоре scroll холодильная мощность сохраняется практически неизменной, что равнозначно постоянному режиму функционирования компрессора с меньшим количеством циклов остановки/запуска по сравнению с типичными поршневыми компрессорами; благодаря этому обеспечивается более эффективный и продолжительный контроль относительной влажности в помещении.

Рис. 6

Температура газа на нагнетании у компрессора scroll ниже, поскольку ограничен внутренний перегрев всасываемого газа, вследствие чего уменьшается и давление конденсации.

Функционирование в режиме теплового насоса

Компрессор scroll «Compliant» функционирует с большой эффективностью также в режиме теплового насоса, по сравнению с поршневым компрессором. Низкая температура испарения оказывает меньшее влияние на его работу. На рисунке 6 приводится сравнение кривых мощности нагрева относительно температуры испарения при постоянном значении температуры конденсации 50°С.

Компрессор: Точный расчёт характеристик компрессора

 

На первый взгляд тема выбора источника сжатого воздуха для автомастерской не кажется достаточно интересной. Однако не зря говорят, что первое впечатление бывает обманчивым. Более близкое знакомство с проблемой озадачивает и вызывает массу вопросов. Как правильно определить потребность в сжатом воздухе, как на основании полученных данных рассчитать оптимальные характеристики компрессора, может ли компрессор малой производительности, оснащенный большим ресивером, заменить компрессор большей производительности с меньшим ресивером, чем различаются входные и выходные параметры компрессора и как это учитывают в расчетах? Для ответа на эти и другие вопросы пришлось изучить массу специальной литературы, провести не одну беседу с продавцами и специалистами по ремонту. Вот что удалось выяснить…

Сжатый воздух в условиях автосервисного предприятия находит применение не только для подкачки колес – это известно. Различное авторемонтное оборудование: шиномонтажные станки, окрасочно-сушильные камеры, некоторые типы автомоек используют пневмопривод. Окрасочные работы выполняются только с использованием сжатого воздуха, профессиональных окрасочных пистолетов с электроприводом нет в программе ни у одного производителя. Это те случаи, когда без

сжатого воздуха просто не обойтись.

Что еще может заставить авторемонтника задуматься о приобретении компрессора? Конечно же, желание механизировать наиболее трудоемкие виды работ с использованием разнообразного пневмоинструмента. Его преимущества в сравнении с традиционно применяющимся электроинструментом не для всех очевидны, но тем не менее бесспорны.

Пневмоинструменты существенно превосходят своих электроконкурентов по надежности и ресурсу, побивая их почти вдвое по энерговооруженности – отношению мощности к единице веса. Именно поэтому они как нельзя лучше приспособлены для напряженной профессиональной работы, в условиях которой их применение наиболее экономически выгодно.

Не важно, какая из указанных причин привела вас к мысли приобрести компрессор, важно, как это сделать грамотно.

С чего начать выбор компрессора

<Скажите, у вас есть компрессор с пятидесятилитровым ресивером?> – нередко с такого или подобного вопросов начинается беседа покупателя с менеджером. После этого продавцу приходится тратить много времени на то, чтобы объяснить, что задать такой вопрос – все равно что спросить, есть ли в продаже автомобиль с четырьмя колесами и что объем ресивера никак не может являться отправной точкой при выборе компрессора. Из чего же нужно исходить, делая выбор?

Исходить нужно из потребностей. Мысль не очень оригинальная, но справедливая, причем справедливая при выборе любого оборудования. Поскольку лучше всего о своих потребностях осведомлены мы сами – за нами и первое слово. Перед тем, как нанести визит продавцу гаражного оборудования, нужно по возможности более точно подсчитать количество потребителей сжатого воздуха, определить их рабочие параметры (давление и номинальный расход воздуха) и предполагаемый режим работы.

Рабочие параметры пневмоинструмента или пневмооборудования указываются в паспорте. Если по каким-либо причинам эта информация отсутствует, можно у своих коллег или любого продавца пневмооборудования выяснить характеристики аналогичных устройств. Как правило, возможная небольшая ошибка не будет роковой. Для справки мы приводим параметры наиболее часто применяемого в автосервисной практике инструмента.

Понятно, что пневмоинструмент используется в работе не непрерывно, а время от времени, соответственно изменяется текущее воздухопотребление. Для определения характеристик компрессора ориентируются на усредненное значение потребности в сжатом воздухе. Чтобы ее рассчитать, нужно, исходя из опыта эксплуатации и знания технологии планируемых работ, представить, каковы будут продолжительность и периодичность между включениями инструмента, возможна ли одновременная работа нескольких устройств и каких.

Сказанное касается тех, кто впервые приобретает компрессор. Если вы уже используете источник сжатого воздуха, который по каким-либо соображениям не удовлетворяет потребностям вашего предприятия, например, в связи с ростом количества потребителей или увеличившейся интенсивностью работ, нужно знать технические характеристики используемого компрессора, включая объем ресивера, а также сформулировать конкретные претензии к его работе. Например, если компрессор не обеспечивает требуемый расход воздуха, что часто приводит к перерывам в работе, следует экспериментально установить, за какой период времени давление в ресивере падает ниже допустимого уровня.

Вооружившись этими сведениями, можно смело идти в хороший магазин, где опытный менеджер (а в хороших магазинах – именно такие менеджеры) на основании этих данных поможет вам подобрать оптимальную с точки зрения соотношения надежности и цены покупку.

Более того, в хорошем магазине вам дадут возможность в течение 2-3 дней опробовать покупку на практике и в случае, если она вас не устраивает – обменять на другую модель. При этом продавцы действуют, исходя и из своих интересов: неправильно подобранный компрессор не отработает гарантийного срока, который для различных видов компрессорного оборудования может составлять от 6 до 12 месяцев.

Если у вас на примете есть такой магазин, менеджерам которого вы доверяете, если вы нелюбознательны и не хотите узнать ответы на вопросы, поставленные в начале статьи, на этом можно закончить чтение. Если же вы хотите более осознанно подойти к вопросу приобретения источника сжатого воздуха – двигайтесь с нами дальше.

Гаражный компрессор

Существуют различные типы компрессоров, используемые в технике в качестве источников сжатого воздуха. В настоящее время в автосервисной практике находят применение в основном поршневые устройства. В компрессорах этого типа воздух сжимается в замкнутом пространстве цилиндра в результате возвратно-поступательного движения поршня. Конструктивно они представляют собой агрегат, включающий компрессорную головку, электропривод, ресивер и устройство автоматического регулирования давления (прессостат).

Популярность поршневых компрессоров среди работников автосервиса определяется их невысокой стоимостью, приемлемыми массогабаритными показателями, простотой в эксплуатации и обслуживании и выходными характеристиками, способными удовлетворить потребности практически любого авторемонтного предприятия.

К основным характеристикам компрессора относятся два параметра – максимальное давление (Pmax) и объемная производительность или подача (Q).

Большинство предлагаемых сегодня на рынке компрессоров развивают давление, превышающее потребности стандартного пневмооборудования и инструмента, используемого при авторемонте. На рынке представлены компрессоры с максимальным давлением 6, 8, 10, 13 бар.

Напомним, что номинальное рабочее давление окрасочных пистолетов – 3-4 бар, пневмоинструмента – до 6,5 бар. Исключение составляет пневмопривод шиномонтажных станков, для которого многие производители рекомендуют использовать сжатый воздух при давлении 8-10 бар. Впрочем, практика показывает, что пневматика шиномонтажного оборудования надежно работает и при использовании 8-барного компрессора.

Что еще нужно учитывать, определяя максимальное давление, развиваемое компрессором?

Во-первых, следует иметь в виду, что система автоматического регулирования давления всех компрессоров настроена таким образом, что обеспечивает поддержание давления в ресивере с допуском -2 бар от максимального значения. Это означает, что в процессе работы компрессора с Pmax=8 бар давление на выходе может изменяться в диапазоне от 6 до 8 бар, у 10-барного, – соответственно, от 8 до 10 бар. Заводские регулировки прессостата могут быть изменены пользователем только в сторону уменьшения минимального давления.

Во-вторых, необходимо учитывать, что наличие протяженных пневмомагистралей до потребителей сжатого воздуха вызывают падение давления в линии. При ошибках в проектировании пневмосети (применении труб малого диаметра, использовании водопроводных запорных устройств, нерациональной прокладке магистралей и т. д.) оно может достигать существенной величины и стать причиной неэффективной работы пневмооборудования. Чтобы избежать возможных неприятностей в таких случаях, нужно отдать предпочтение компрессору с более высоким максимальным давлением.

Из сказанного следует, что в качестве универсального гаражного источника сжатого воздуха можно использовать компрессор с максимальным давлением 8 бар. Если компрессор будет использоваться исключительно для окрасочных работ, можно обойтись и 6-барным, а в случае разветвленных пневмосетей надежнее использовать компрессор, развивающий давление до 10 бар.

Некоторый запас по давлению полезен и с другой точки зрения. Чем выше давление, развиваемое компрессором, тем большую массу воздуха он может закачать в ресивер и тем большее время последний будет опорожняться до минимально допустимого давления, обеспечивая компрессору время для отдыха.

Кстати, об отдыхе: а нужен ли он железному компрессору? В ответе на этот вопрос кроется ключ к пониманию особенности рабочего процесса в поршневом компрессоре. Учитывая ее, определяют важнейшую характеристику компрессора – производительность.

Режим работы поршневого компрессора

Сжимаясь в цилиндре поршневого компрессора, воздух нагревается. На выходе из одноступенчатого компрессора его температура превышает 150оС. При этом часть тепла поглощается деталями и элементами конструкции головки компрессора, что приводит к повышению их температуры и изменению тепловых зазоров в узлах трения.

Если не обеспечить отвод тепла, головка не успевает охлаждаться. Последствия представить несложно: температура смазываемых узлов возрастает выше допустимого уровня, полностью выбираются тепловые зазоры, горячее масло, подаваемое к парам трения разбрызгиванием, не держит “масляный клин”. В “лучшем” случае это грозит ускоренным износом механизма компрессора, в худшем – немедленным выходом из строя в результате заклинивания.

Это учитывается при проектировании компрессора. Для обеспечения теплосъема применяют принудительное охлаждение компрессорной головки – обдув воздухом. В качестве нагнетателя обычно используется вентилятор электродвигателя или шкив коленчатого вала компрессора. Чтобы повысить эффективность охлаждения, корпус головки изготавливают из сплавов с высокой теплопроводностью и делают оребренным.

Такие меры наиболее просты и дешевы, но недостаточны для того, чтобы обеспечить продолжительную непрерывную работу поршневого компрессора. Поэтому поршневой компрессор изначально рассчитывается на эксплуатацию со строго определенной скважностью, что предполагает обязательное наличие перерывов, необходимых для нормализации теплового режима головки.

Количественно режим эксплуатации оценивается коэффициентом внутрисменного использования (Кви), показывающим, какую часть времени компрессор способен работать непрерывно. Отечественный стандарт определяет три вида режимов работы компрессора: кратковременный (Кви = 0,15), непродолжительный (Кви = 0,5) и продолжительный (Кви = 0,75).

Способность дольше работать в непрерывном режиме означает в конечном счете большую надежность и ресурс техники. Она достигается использованием более совершенных материалов и схемных решений, больших запасов прочности конструктивных элементов, что, естественно, отражается на стоимости продукции.

В зависимости от допустимого режима эксплуатации, а также выходных характеристик зарубежные производители подразделяют свою продукцию на несколько серий: хобби (полупрофессиональную), профессиональную и промышленную. О том, чем они принципиально отличаются, мы расскажем далее.

Как обеспечивается требуемый режим эксплуатации компрессора? Прежде всего, рассчитывая его объемную производительность, нужно соблюсти правильный баланс между этой важнейшей характеристикой и средним воздухопотреблением. Эти параметры связаны между собой через коэффициент, зависящий от класса компрессора, который больше единицы для компрессоров всех серий.

Это означает, что подача компрессора должна быть всегда больше, чем среднее воздухопотребление. Производя сжатого воздуха больше, чем расходуется, компрессор сам создает для себя задел, позволяющий ему время от времени “расслабляться”. Величина запаса по производительности тем больше, чем ниже положение, занимаемое компрессором в “табели о рангах”. Отдав предпочтение более дешевой технике (например, полупрофессиональной серии), необходимо заложить в расчеты больший запас по производительности.

Функцию хранения запасенного сжатого воздуха выполняет ресивер, а в случае разветвленной пневмосети – также и внутренний объем магистралей.

В этом заключается наиважнейшая роль ресивера наряду с демпфированием пиковых нагрузок, сглаживанием пульсаций давления и охлаждением сжатого воздуха.

Может сложиться мнение, что чем больше емкость ресивера, тем легче жизнь компрессора. Это мнение ошибочно. Дело в том, что для наполнения ресивера до максимального давления, когда автоматика прессостата отключает компрессор, требуется время, и немалое. При необоснованном увеличении объема ресивера компрессор будет трудиться непрерывно на его восполнение, выходя из допустимого режима работы.

Объем ресивера связан как с производительностью компрессора, так и с характером воздухопотребления. По этой причине компрессорная головка одной производительности может комплектоваться ресиверами нескольких типоразмеров, объем которых отличается в несколько раз. В среднем объем ресивера таков, что компрессор способен наполнить его за 3-4 мин. Если потребности в сжатом воздухе примерно равномерные по времени, то в целях экономии средств можно ограничиться минимальным ресивером. Если возможны пиковые нагрузки, лучше предпочесть больший.

Итак, грамотно выбрать компрессор для заданного воздухопотребления означает определить его производительность и объем ресивера таким образом, чтобы при эксплуатации данный компрессор работал в режиме внутрисменного использования, на который он рассчитан. Несоответствие режима работы паспортному значению приводит либо к неэффективному использованию компрессора, либо к сокращению его ресурса и преждевременному выходу из строя.

Как упоминалось, поршневых компрессоров, имеющих Кви = 1, в природе не существует. Поэтому, если ваш компрессор на протяжении смены “молотит” без перекуров – это верный признак того, что он подобран неправильно и вскоре выйдет из строя.

Особенности расчета характеристик компрессора

Приступая к расчету характеристик компрессора, полезно знать следующее. Масса воздуха, перекачиваемая компрессором в единицу времени, – величина постоянная и зависит от его конструктивных особенностей. Однако производительность принято определять не в массовых, а в объемных величинах, что часто приводит к путанице и ошибкам в расчетах.

Дело в том, что воздух, как и другие газы, сжимаем. Это означает, что одна и та же масса воздуха может занимать разный объем в зависимости от давления и температуры. Точная взаимосвязь между этими величинами описывается сложной степенной зависимостью или уравнением политропы. В случае компрессора, наполняющего ресивер, это означает, что с ростом давления в ресивере (на выходе компрессора) его объемная производительность уменьшается.

Если объемная подача компрессора – переменная по времени, какая же цифра указывается в технических характеристиках? Согласно ГОСТ, производительность компрессора – это объем воздуха, выходящий из него, пересчитанный на физические условия всасывания. В большинстве случаев физические условия на входе в компрессор соответствуют нормальным: температура – 20oС, давление – 1 бар. ГОСТ также допускает возможность отклонения реальных характеристик компрессора от указанных в паспортных данных на величину +5%.

Кстати, на нормальные условия пересчитывают и параметры потребителей сжатого воздуха, чтобы привести их к общему знаменателю с характеристиками источника. Поэтому номинальный расход 100 л/мин означает, что при рабочем давлении пневмоинструмент за минуту потребляет такое количество воздуха, которое при нормальных условиях заняло бы объем, равный 100 литрам.

Зарубежные производители, не знакомые с содержанием наших ГОСТов, определяют производительность своей продукции иначе, что порой приводит к ошибкам. В паспортных данных на импортную технику указывается теоретическая производительность компрессора (производительность по всасыванию).

Теоретическая производительность определяется геометрическим объемом воздуха, который поместится в рабочей полости компрессора за один цикл всасывания, умноженный на количество циклов в единицу времени. Она отличается от реальной, выходной, в большую сторону. Отличие учитывается коэффициентом производительности (Кпр), зависящим от условий всасывания и конструктивных особенностей поршневого компрессора – потерь во всасывающих и нагнетательных клапанах, наличия недовытесненного, “мертвого”, объема, приводящих к уменьшению наполнения цилиндра. Для компрессоров профессиональной серии коэффициент производительности может составлять величину от 0,6 до 0,7, причем большие значения соответствуют большей подаче.

Различия характеристик, рассчитанных по входу и на выходе, могут достигать существенной величины. Может, это и является причиной того, что лукавые иностранные производители указывают данные по всасыванию: выглядят они значительно солиднее.

В хороших магазинах продавцы, как правило, имеют данные как по входным, так и по выходным характеристикам профессиональных импортных компрессоров. Для продукции бытовой серии таких данных не приводит никто, хотя из практики известно, что реальный “выход” бытовых компрессоров едва ли превышает 50% от заявляемой теоретической производительности.

Точный расчет характеристик поршневого компрессора сложен и связан с решением степенных уравнений. Приводимая методика выбора компрессора содержит упрощенные соотношения, которые тем не менее дают небольшую погрешность, и позволяет правильно определить его параметры.

Обратите внимание, что в ней определяется теоретическая производительность компрессора (по входу). Чтобы пересчитать полученные данные на “выход” (в случае расчета отечественного гаражного компрессора), нужно результат уменьшить на 30-40%.

Итак, правильно определив исходные данные и выполнив несколько математических вычислений, можно понять, какими характеристиками должен обладать компрессор. Однако выбирать нужно конкретную технику, а не характеристики. Об особенностях гаражных компрессоров, предлагаемых на рынке, – в следующий раз.

 

Как читать кривую производительности центробежного компрессора

В этой статье мы узнаем, как читать кривую производительности центробежного компрессора. Если вы новичок в компрессоре, эта статья определенно познакомит вас с кривой производительности центробежного компрессора. Если вы уже знаете о кривой производительности центробежного компрессора, эта статья обязательно освежит ваши знания. Теперь давайте посмотрим на кривую производительности.

Кривая производительности центробежного насоса, состоящая из следующих трех важных кривых

• Дифференциальное давление (или в некоторых случаях политрофический напор) в зависимости от расхода на входе
• Мощность тормоза в зависимости от расхода на входе
• Эффективность в зависимости от расхода на входе

Зависимость перепада давления от скорости потока на входе

На этой кривой дифференциальное давление указано по вертикальной оси, а скорость потока на входе — по горизонтальной оси. С увеличением расхода на входе в компрессор напор, развиваемый пуском компрессора, уменьшается. Компрессор развивает максимальный перепад давления (напор), называемый Surge (3A). Расход и давление, соответствующие точке помпажа, относятся к помпажу потока и помпажу.

Когда расход на входе увеличивается (см. ниже кривую производительности), перепад давления (напор) продолжает уменьшаться до максимального расхода (правая часть кривой), называемого «точкой каменной стены» или «точкой остановки». Точка Стоунволла или точка остановки относится к максимальному рабочему диапазону центробежного компрессора.

Расход на входе и перепад давления (напор) связаны друг с другом, их нельзя изменить без изменения другого параметра.

Тормозная мощность в зависимости от расхода на входе

На этой кривой разрывная мощность представлена ​​по вертикальной оси, а расход на входе по горизонтальной оси (см. ниже кривую производительности). Как видно из кривой, тормозная мощность не начинается с нуля, минимальная мощность представлена ​​на кривой для преодоления потерь на трение и инерции центробежного компрессора.

Исходя из номинального расхода компрессора, номинальная мощность определяется по этой кривой.

Эффективность в зависимости от скорости потока на входе

Как видно из кривой производительности, кривая эффективности поднимается по мере увеличения скорости потока. Но в какой-то момент кривая достигает максимума и начинает снижаться. Максимальный балл называется Best Efficiency Point (BEP). Всегда предпочтительнее использовать центробежный компрессор в точке наилучшего КПД (BEP), но на практике мы не можем согласовать требуемую рабочую точку с BEP компрессора.

Если центробежные компрессоры работают на уровне BEP или близком к нему, мы получаем не только более высокую эффективность, но и меньшую вибрацию компрессора.

Как читать кривую производительности центробежного компрессора?

Рассмотрим центробежный компрессор, требуемые рабочие точки указаны ниже

Номинальный расход – 66000 кг/ч

Давление всасывания – 10 бар

Давление нагнетания – 65 бар

Перепад давления – 55 бар 9 0003

Рабочая точка

Маркировка красного цвета обозначает рабочую точку центробежного компрессора. Расход, соответствующий рабочей точке, называется «рабочий расход», а соответствующее давление нагнетания называется «рабочее давление нагнетания». В нашем примере рабочий поток составляет 66 000 кг/ч, а давление нагнетания — 65 бар.

Иногда производитель компрессора указывает политропический напор или дифференциальное давление вместо давления нагнетания.

Скорость

Как видно из кривой производительности, кривые зависимости скорости потока от давления нагнетания соответствуют скорости. (т. е. для различных скоростей компрессора кривые расхода Vs давления нагнетания изменяются соответственно)

На кривой точка (1) представляет скорость 100% (также называемую номинальной скоростью) кривой, а точка (1A) представляет максимальную непрерывную скорость компрессора. В этом случае максимальная скорость составляет 105% от номинальной скорости.

Точка остановки или Каменная стена

Максимальный расход, развиваемый центробежным компрессором, называется точкой остановки или точкой остановки (2). Ниже этой точки компрессор аэродинамически нестабилен.

Помпаж

Точка помпажа относится к минимальному расходу в центробежном компрессоре, ниже происходит мгновенное реверсирование ротора. См. кривую производительности для помпажа, представленного точкой (3).

Во избежание помпажа компрессора в системе компрессора установлена ​​антипомпажная система. Согласно кривой линия защиты от помпажа представлена ​​как (точка 3А). Обычно считается, что противопомпажная линия на 10 % выше помпажного расхода.

В технологическом компрессоре компрессор работает в различных случаях. Это необходимо для предотвращения работы компрессора в левой линии помпажа. Если компрессор работает в этой области, это может привести к катастрофическому отказу.

Эффективность

Рабочий поток центробежного компрессора пересекается на кривой эффективности, соответствующей эффективности по оси Y, называемой «Рабочей эффективностью» компрессора. Эта точка представлена ​​как точка (4) на кривой.

Как мы видели кривую эффективности, кривая начинает расти и достигает точки максимума, а затем начинает снижаться с увеличением расхода.

Максимальная точка на кривой эффективности, называемая «Точка наилучшей эффективности (BEP)», представлена ​​точкой (4A).

Тормозная мощность

«Тормозная мощность» или «номинальная мощность» представляет собой мощность, необходимую компрессору для обеспечения номинального/рабочего расхода при номинальном давлении нагнетания или напоре.

Согласно кривой рабочий поток центробежного компрессора пересекается на кривой мощности торможения и соответствующей мощности по оси Y, называемой «мощностью торможения компрессора». Он представлен точкой (5) на кривой.

В текущем примере тормозная мощность составляет 3000 кВт.

Мощность, соответствующая «концу кривой» на кривой тормозной мощности, представленной точкой (5A) на кривой. В зависимости от требуемой тормозной мощности будет выбран двигатель в киловаттах или л. с.

Если компрессор приводится в действие паровой турбиной, то паровая турбина рассчитана на 110 % максимальной мощности, необходимой для всего компрессорного агрегата.

Диапазон регулирования

Процент изменения производительности между номинальной производительностью и производительностью в точке помпажа при номинальном напоре, когда блок работает при номинальной температуре всасывания и составе газа. См. ниже рисунок для представления диапазона.

Заключение

Для правильного выбора центробежного компрессора необходимо проверить следующие пункты на кривой производительности центробежного компрессора.

1. Нормальный рабочий/номинальный расход
2. Нормальный рабочий/номинальный напор
3. Скорость компрессора
4. Открытие IGV (если IGV будет использоваться для управления потоком, то IGV полностью закрыт представляет собой минимальный расход компрессора, а IGV полностью открыт (100%) представляет максимальный поток в компрессор)
5. Максимальный расход и предел защиты от помпажа
6. Эффективность
7. Мощность тормоза компрессора
8. Мощность в конце кривой
9. Отказоустойчивость

Основы центробежных воздушных компрессоров: расшифровка кривых производительности производителя

В общем, в этой статье основное внимание уделяется принципам работы центробежных воздушных компрессоров, которые обсуждаются в простых терминах, чтобы дать представление об ограничениях и возможностях применения. Одной из основных целей является определение часто вводящей в заблуждение терминологии, такой как «подъем к выбросу», «каменная стена» и «выброс», «массовый поток» и «динамическое сжатие». Эта статья не предназначена для технического обсуждения различных типов и конструкций центробежных и других воздушных компрессоров, а скорее представляет собой руководство по расшифровке рабочих кривых и пониманию общей производительности.

 

Основы эксплуатации: объемный компрессор или динамическое сжатие

В настоящее время наиболее распространенными в промышленности воздушными компрессорами являются компрессоры объемного типа — роторно-винтовой, пластинчато-роторный, возвратно-поступательный и спиральный, — в которых поступающий сжатый воздух механически удерживается в камере сжатия, а затем механически уменьшается в объеме для повышения давления и температуры (т. е. поршневой цилиндр).

В объемном компрессоре требуемая рабочая мощность в основном зависит от расхода (куб. фут/мин) и несколько меньше зависит от давления нагнетания, или фунтов на кв. дюйм (табл. 1). Кривая производительности прямого вытеснения обычно будет более вертикальной, чем кривая производительности центробежного двигателя. Это будет производить относительно постоянные кубические футы в минуту при доступной мощности.

Таблица 1: Влияние давления нагнетания (не включая тип управления разгрузкой или частичной нагрузкой)

Центробежный воздушный компрессор, с другой стороны, работает в диапазоне расхода и давления нагнетания. Кривая рабочих характеристик формируется выбранными отдельными внутренними компонентами и зависит от условий эксплуатации, таких как давление на входе, температура на входе, температура охлаждающей воды и давление нагнетания.

На рис. 1 показан процесс динамического сжатия в рабочей ступени центробежного компрессора, в котором скорость и кинетическая энергия преобразуются в давление и температуру при ограничении потока. Другим термином для этого процесса является массовый расход. Требуемая мощность для подачи номинального расхода в кубических футах в минуту при номинальном давлении (psig) определяется весом воздуха (некоторые производители также используют термин «плотность»).

Рис. 1: Рабочая ступень центробежной динамической компрессии

Воздух всасывается в ступень компрессора крыльчаткой. Вращаясь на высоких скоростях, крыльчатка быстро увеличивает скорость воздуха. Затем воздух проходит через узкое ограничительное отверстие в зону диффузора, что дополнительно ограничивает поток заданным образом. По мере замедления скорости воздуха давление возрастает и покидает зону диффузора. Затем он переходит на следующую ступень или в доохладитель.

 

Влияние внешних условий на динамическое сжатие (или центробежные компрессоры)

Потребляемая мощность для процесса динамического сжатия, если не учитывать внутренние детали конструкции, в основном зависит от веса воздуха, проходящего через машину. Игнорирование частичных нагрузок контролирует все остальное, что увеличивает или уменьшает вес воздуха, проходящего через ступени к конечному потоку, а давление будет иметь прямое влияние на входную мощность.

Повышение температуры на входе уменьшит общий фиксированный поток воздуха и поставит пользователю меньше пригодного для использования воздуха, или станд. куб. Более низкие температуры на входе произведут противоположный эффект.

Рисунок 2a: Влияние температуры воздуха на входе на давление нагнетания	Рисунок 2b: Влияние температуры воздуха на входе на мощность

Уменьшение входного давления (высота над уровнем моря, отрицательное давление в компрессорной, грязный/недостаточный размер входного фильтра) уменьшит поток сжатого воздуха (куб. фут/мин), проходящий через ступени (рис. 3а). Это также приводит к меньшему количеству полезного воздуха (куб. футов в минуту) при снижении потребляемой мощности. Более высокое давление на входе будет иметь противоположный эффект.

Повышение температуры охлаждающей воды снова окажет такое же «облегчающее» воздействие на сжатый воздух на всех этапах (рис. 4). Это также снизит требования к мощности, как и в предыдущих условиях.

Рисунок 3a: Влияние входного давления	Рисунок 3b: Влияние температуры охлаждающей воды

Фактический чистый эффект любого из этих условий зависит от фактической кривой производительности и аэродинамических характеристик конструкции. Это также относится к давлению нагнетания с неподвижным колесом, рабочим колесом, диффузором или ступенью скоростного компрессора.

Повышение давления нагнетания обычно приводит к увеличению веса потока сжатого воздуха, проходящего через ступени, что приводит к меньшему расходу полезного воздуха (куб. футов в минуту) при той же входной мощности. Снижение давления часто позволяет увеличить поток при той же или аналогичной потребляемой мощности. Фактическая производительность конкретной машины рассматривается далее в этой статье.

 

Понимание рабочих кривых центробежных компрессоров

Теперь, когда у нас есть фундаментальное понимание различий между объемным и динамическим сжатием, мы можем приступить к расшифровке рабочих кривых центробежных компрессоров. Данные в следующих разделах будут обсуждаться в этих единицах измерения:

• Стандартные кубические футы в минуту (scfm) или Нм3/ч при полной и частичной загрузке
• Потребляемая мощность в кВт
• Давление, либо в фунтах на кв. дюйм, либо в барах (только с использованием фунтов на квадратный дюйм для преобразования из куб.

Любая деятельность, которая снижает вес или массу воздуха на входе, например, более высокая температура, снижает давление после фильтра и, соответственно, снижает массовый расход, станд. куб. фут./мин и потребляемую мощность. На рис. 10 представлены образцы типичных кривых производительности центробежного воздушного компрессора.

 

Рис. 4. Типичные кривые производительности центробежных насосов

Как показано на Рис. 4, кривые типичных центробежных производительностей включают некоторые новые вопросы, требующие решения, в том числе «диапазон», «нарастание до помпажа» и «каменная стена».

 

Что вызывает всплеск?

Центробежный компрессор, используемый в промышленности, представляет собой динамический компрессор с быстро вращающимися крыльчатками, ускоряющими воздушный поток. Затем воздух проходит через секцию диффузора, которая преобразует скоростной напор в давление за счет сопротивления потоку.

В динамическом или массовом компрессоре, таком как центробежный, мощность сжатия воздуха в основном зависит от веса воздуха, расхода, объема, температуры и напора или давления.

После проектирования крыльчатки и установки скорости определяется энергия, которую будет поглощать фунт воздуха при прохождении через крыльчатку. Это верно, несмотря на изменения температуры на входе, уровня давления, дросселирования и т. д. Фунт воздуха будет варьироваться в кубических футах в зависимости от температуры и давления.

Таким образом, центробежный компрессор будет подавать фунт воздуха с постоянным расходом энергии — зимой или летом. Фактический объем входящего воздуха, подлежащего сжатию, будет изменяться в течение определенного периода времени в зависимости от входного давления и температуры.

Поскольку производится больше сжатого воздуха, чем необходимо, центробежный компрессор должен разгружаться или подавать меньше воздуха, чтобы избежать избыточного давления. Каждый центробежный компрессор имеет максимальное давление, которого он может достичь при определенных условиях на входе, которые вызывают реверсирование воздушного потока и выбросы, отключая компрессор во избежание повреждения из-за возникающих вибраций.

Следует избегать всплесков (в том числе мини-всплесков, поскольку они не только создают потенциально опасные вибрации, но и вызывают очень сильное повышение температуры в области глаз. )

 

Определение «Подъем до помпажа», «Поворот вниз» и «Каменная стена»

Однако это чрезмерное упрощение действия помпажа, поскольку каждый блок имеет рост до предела помпажа или максимального давления. Критический диапазон — это процентное значение расхода ниже полной нагрузки, при котором компрессор может работать без помпажа. Например, 15-процентный динамический диапазон означает, что установка может работать при расходе 85 % или выше без помпажа. При большем диапазоне изменения он будет близок к пику или равен ему.

В какой-то момент, когда давление нагнетания падает, а поток воздуха увеличивается при полной нагрузке, физические ограничения не позволяют большему количеству воздуха проходить через ступени — этот момент известен как каменная стена. Продолжение работы в этой точке или за ее пределами может привести к таким высоким расходам с большим перепадом давления, что рабочие колеса не будут полностью заполнять области лопастей, и произойдет кавитационное действие, создающее другой тип помпажа с разрушительными вибрациями.

Работа при помпаже создаст высокие вибрации и, если ее не устранить, может отрицательно повлиять на механическую целостность агрегата, что приведет к преждевременному выходу из строя. Большинство центрифуг оснащены датчиками вибрации и отключаются, чтобы избежать этого состояния.

Когда давление падает и компрессор приближается к каменной стене, увеличение расхода становится минимальным, а падающее давление нагнетания продолжает облегчать поток воздуха через ступени, снижая потребляемую мощность. Самая энергоэффективная точка на многих центрифугах находится непосредственно перед каменной стеной.

 

Использование кривых производительности производителя для расчета прогнозируемой эффективности работы

Понимая терминологию, уникальную для кривых производительности центробежного воздушного компрессора, вы можете разработать предсказуемую и вероятную фактическую прогнозируемую эффективность эксплуатации на основе кривой производительности производителя. На рис. 11 представлена ​​примерная кривая производительности производителя.

Прежде чем углубляться в кривую, необходимо очертить несколько моментов:

• Не зная условий эксплуатации и места, предположим, что стандартные рабочие условия CAGI составляют 68°F, атмосферное давление 14,5 и относительная влажность 0%, а условия на месте 95°F, 14,5 фунтов на квадратный дюйм и относительная влажность 60%.
• Давление (psig) ясно.
• Расход (cfm) не ясен — скорее всего это acfm или icfm, если не указано scfm.
• Мощность указывается в BHP (мощность на входном валу компрессора), а не на входной мощности двигателя.
• Текущий новый двигатель, вероятно, представляет собой асинхронный двигатель класса 500 л.с. с 0,94 ME (КПД двигателя). Это не конкретно, но данные необходимы для точного профиля компрессора.

Рис. 5: Расчетная кривая производительности для компрессора с полной нагрузкой при 125 фунтов на кв. 430 л.с. (x 0,7457 = 321 кВт) = удельная мощность 6,39 кубических футов в минуту/кВт

Диапазон регулирования 1535 кубических футов в минуту при 125 фунтов на кв. дюйм при 345 л.с. (x 0,7457 = 257 кВт) = 5,97 кубических футов в минуту/кВт

Однако в этих результатах есть пробелы, в том числе:

• Значение icfm/acfm должно быть scfm
• Расчетная мощность на валу компрессора, преобразованная в кВт, точна, но не учитывает потери приводного двигателя.
• ME (КПД двигателя) составляет 0,94 А, потери 6% при полной нагрузке — большие потери при изменении диапазона.

В таблице 2 показано, как преобразовать icfm/acfm в scfm для целей сравнения.

Таблица 2. Установите множитель 0,90 для преобразования icfm/acfm в scfm потребляемая мощность двигателя, кВт, использование:

• Потребляемая мощность, кВт = (BHP)(0,745) ÷ ME
  • Проектируемый двигатель ME = 0,94 при полной нагрузке
  • Проектируемый двигатель ME = 0,92 при диапазоне
• Прогнозируемая входная мощность будет:
  • Полная нагрузка: (430 л.с.) (0,7457) ÷ 0,94 = 341 потребляемая кВт
  • Диапазон регулирования: (345 л. с.) (0,7457) ÷ 0,92 = 280 входных кВт

После завершения преобразований результаты в таблице 3 показывают, что прогнозы могут быть неверно истолкованы.

Таблица 3: Сравнение результатов входной мощности и двигателя

Неправильное толкование таких результатов может быть преднамеренным или нет. Цель состоит в том, чтобы показать важность деталей при оценке существующего компрессора или обзоре нескольких центробежных агрегатов (в дополнение к другим типам). Лучше всего понять и уравнять все различные кривые производительности OEM, чтобы иметь возможность принять обоснованное решение.

 

Использование кривых рабочих характеристик центрифуги для оптимизации соответствия вашей системе

Эффективное сотрудничество с поставщиками OEM и их кривые рабочих характеристик помогут разработать успешное приложение. Чтобы пользователь мог предоставить OEM-поставщику соответствующие данные, пользователь должен быть знаком с представленной информацией, чтобы полностью понять и запросить важные дополнительные данные.

Вот несколько важных вопросов, которые вы должны задать:

• Каковы рабочие характеристики крыльчатки/диффузора в отношении точки помпажа, диапазона регулирования, удельной мощности при полной нагрузке и т. д.?
• Каков следующий набор рабочих характеристик стандартной крыльчатки/диффузора для большего диапазона регулирования? (Возможно более высокое давление)
• Каковы преимущества с точки зрения затрат и экономии при использовании входного направляющего аппарата (IGV) по сравнению со стандартным входным дроссельным клапаном (IBV)?

 

Извлеченные уроки

Подводя итог, можно сказать, что эта статья была написана для определения и объяснения определений, лежащих в основе данных о производительности центробежных сил, и их важности. Обладая этой информацией, пользователь может работать со своим местным поставщиком OEM и/или инженерно-техническими группами, чтобы выбрать и правильно применить устройство, оптимально подходящее для конкретных условий объекта.