Podział sprężarek ( dmuchaw )

Podział sprężarek ( dmuchaw ) Dmuchawy Roots a Dmuchawa Roots a jest to precyzyjna pompa wyporowa, w której funkcję tłoków pełnią dwa wirniki w kształcie ósemek lub trójlistnej koniczyny. Prędkość obrotowa obu wirników jest jednakowa i zsynchronizowana poprzez zamontowaną na wałach przekładnię zębatą o przełożeniu i = 1. Rys. 14.1. Schemat pracy i budowy rotorów dmuchaw Roots a. 1

Podstawowe elementy dmuchawy Roots a Rys. 14.2 Przekrój dmuchawy Roots a (typu RB LP). 1. korpus 6. pierścień smarujący 2. wirnik 7. miska olejowa 3. pokrywa 8. korek wlewowy oleju 4. wał 9. łożysko 5. przekładnia zębata 10. korek spustowy oleju 11. wskaźnik oleju 12. uszczelnienie Tradycyjne dmuchawy typu ROOTS z tłokami w kształcie ósemek charakteryzują się dużą amplitudą drgań powietrza na króćcu tłocznym. Wynikają one z dużej amplitudy pulsacji ciśnień i strumienia tłoczonego gazu spowodowanej występowaniem przepływów zwrotnych w komorze sprężania. Konsekwencją tego są trudności z łączeniem równoległe kilku dmuchaw do tego samego kolektora, istnieje bowiem niebezpieczeństwo wystąpienia bardzo wysokich drgań w kolektorze i wysokiej emisji dźwięku. Projektanci rozwiązują ten problem przez zastosowanie odpowiednich tłumików i wzmocnionych sztywnych przewodów. Konstruktorzy dmuchaw w celu zmniejszenia emisji hałasu podczas pracy, zastosowali wirniki o przekroju poprzecznym w kształcie trójlistnej koniczyny. W przypadku tłoków w kształcie ósemek w trakcie jednego obrotu wału mamy/ cztery cykle zasysania i tłoczenia powietrza, natomiast w wesji LP (z rotorami w kształcie trójlisnej koniczyny) aż sześć, dlatego mniejszy jest tu przepływ zwrotny i zmniejszona amplituda drgań. Zalety stopnia dmuchawy o niskich pulsacjach w wersji LP: wzrost sprężu bez niebezpieczeństwa wystąpienia dużych skoków ciśnień, równomierny rozkład ciśnień po stronie tłocznej dmuchawy, tłoki są bardziej sztywne, co umożliwia zastosowanie większych prędkości obrotowych wału, niższe drgania, niższa emisja hałasu. 2

Rys. 14.3. Porównanie pulsacji ciśnienia dla klasycznej dmuchawy Roots a RB 80 oraz wersji RB 80 LP. Obudowy dźwiękochłonno-izolacyjne Obudowa dźwiękoszczelna stosowana jest w celu dodatkowego wyciszenia agregatu pracująceg w stacji dmuchaw. Poprawnie skonstruowana obudowa dźwiękochłonno-izolacyjna dmuchaw Roots a winna charakteryzować się całkowitą izolacyjnością co najmniej 20-25 db. Rys. 14.4. Dmuchawa Roots a z obudową dźwiękoszczelną. 3

Podczas jednego pełnego obrotu wału, dwa przeciwbieżnie obracające się rotory o przekroju w kształcie cyfry osiem lub trójlistnej koniczyny, przetłaczają czterokrotnie lub sześciokrotnie określone objętości powietrza V o, zamknięte pomiędzy obracającym się tłokiem a nieruchomym korpusem. Q 1 Q 1 V o /4 V o /6 Rys. 13.5. Schemat pracy dmuchaw Roots a. Zamknięte w tej przestrzeni powietrze, w chwili gdy rotor osiągnie krawędź wylotu króćca tłocznego podlega kompresji dzięki przepływowi wstecznemu gazu już wcześniej sprężonego. Pracę sprężania i wyporu dla dmuchaw Roots a, w pewnym przybliżeniu, można przedstawić (rys. 14.6) według wykresu ciśnienia pełnego. Dla celów porównania, na tym samym rysunku przedstawiono przykład sprężania adiabatycznego ( pv κ = const) oraz izotermicznego ( pv = const). Rys. 14.6. Sprężanie powietrza w dmuchawie Roots a w układzie p - V. 4

Podstawowe parametry pracy dmuchawy Roots a. Dla dmuchaw Roots a podstawowe parametry jej pracy oblicza się wg zależności: Objętościowy przepływ ssania: gdzie: Q 1 - objętościowy przepływ ssania [m 3 /min], Q o - teoretyczny przepływ objętościowy [m 3 /min], Q v - straty wynikające z wtórnego przepływu powietrza sprężonego na stronę ssawną [m 3 /min]. n - prędkość obrotowa rotorów [ obr/min ], V o - objętość przestrzeni zawartej pomiędzy korpusem a rotorem [ dm 3 ] na 1 obrót wału, L - długość rotorów [dm], r - promień wewnętrznej krzywizny korpusu[dm], A tł -przekrój poprzeczny rotora [dm], Q v100 - dla każdej wielkości dmuchawy ustalona strata przy Δp = loombar i ρ 1 = 1,293 kg/m 3, Δp = p 2 p 1 różnica ciśnienia pomiędzy króćcem tocznym a ssawnym [mbar], ρ 1 -gęstość powietrza w króćcu ssawnym [ kg/m 3 ]. Współczynnik sprawności objętościowej η v dmuchawy Roots a przedstawić można wg zależności: Jak wynika z w/w zależności współczynnik sprawności objętościowej zależy przede wszystkim od: - stosunku Q v100 /V o, - różnicy ciśnień Δp, - od prędkości obrotowej rotorów n. Stosunek wewnętrznych strat przepływu gazu Q v100 do objętości V o zależy od dokładności wykonania poszczególnych elementów urządzenia oraz od stosowanych luzów montażowych pomiędzy wirującymi rotorami i pomiędzy powierzchniami zewnętrznymi rotorów a korpusem dmuchawy. Luzy te zależne są przede wszystkim od wielkości urządzenia. W budowanych obecnie dmuchawach stosowane wzajemne luzy pomiędzy dwoma zewnętrznymi powierzchniami rotorów wynoszą dla urządzeń małych od 0,12 do 0,2 mm a dla dużych od 0,4 do 0,6 mm. 5

W tabeli 14.1 przedstawiono na przykładzie typoszeregu dmuchaw firmy RKR, charakterystyczn wartości; straty Q v100 na każde 100 mbar sprężu, objętości Vo, teoretycznego przepływu objętościowego Q 0 oraz stosunku Q v100 /Q o przy prędkości obrotowej n = 2000 obr/min. Tabela 14.1 Strata objętości, objętość teoretyczna oraz ich stosunek dla dmuchaw typu RB. Szczelinowe straty przepływu szczególnie duże są dla urządzeń małych. Dla najmniejszej dmuchawy RB10 stosunek Q v /Q o dochodzi do 20 % przy różnicy ciśnień Δp = 100 mbar. W konstrukcjach dużych udział strat objętości zmniejsza się do wartości 3-2%. Przy stosowanych w oczyszczalnych ścieków wartościach sprężu Δp = 500-600 mbar, straty Q v osiągają dla dmuchaw małych nawet do 50% teoretycznej wydajności Q o, a dla dużych do ok. 6%. Zapotrzebowanie na moc do napędu dmuchaw Root'sa. Moc dostarczoną do wału dmuchawy obliczyć można jako sumę mocy teoretycznej N th (potrzebnej na sprężanie i wytłoczenie powietrza wg wykresu ciśnienia pełnego) oraz mocy N v (traconej przez łożyska, koła zębate i wewnętrzne straty przepływu sprężanego powietrza w osprzęcie dmuchawy). Moc traconą oblicza się wg zależności: Moc tracona N v stanowi zwykle 3-5 % wymaganej mocy napędu dmuchawy. Wg zaleceń firmy RKR moc na wale dmuchawy Roots a z napędem pasowym obliczać można wg zależności: gdzie: Δp v - spadek ciśnienia sprężanego powietrza w agregacie (w przewodach, tłumiku drgań oraz na osprzęcie) zwykle ok. 25 mbar η s - współczynnik sprawności stopnia. Przyjmowane wartości η S wynoszą zwykle od 0.9 do 0.95. Mniejsze wartości przyjmuje się dla niedużych prędkości obrotowych i dużych spręży. Większe dla dmuchaw dużych. 6

Pod względem energetycznych dmuchawy (niechłodzone) można ocenić na podstawie ogólnego współczynnika sprawności adiabatycznej, określanego także w literaturze jako całkowity. Przedstawia on stosunek mocy potrzebnej do sprężania adiabatycznego powietrza w zakresie ciśnień od p 1 do p 2, w stosunku do mocy na wale potrzebnej do napędu dmuchawy Roots a. Po pomnożenia licznika i mianownika przez iloczyn G o H i i przedstawienia N ad jako H ad G 1 obliczona wg zależności: gdzie: κ - stosunek ciepła właściwego gazu, R - stała gazowa [ J/kg K], T 1 - temperatura początkowa gazu [K], G 1, G v - masowe natężenie przepływu powietrza [kg/h], otrzymujemy: Pierwszy człon H ad / H i nosi nazwę wewnętrznej sprawności adiabatycznej η ad w. Uwzględnia on wpływ wszystkich strat wewnętrznych na termodynamiczne doskonałe sprężanie i przemieszczanie gazu w dmuchawie. Drugi człon uwzględnia wszystkie wewnętrzne i zewnętrzne ilościowe straty gazu w czasie ssania, sprężania i przemieszczania gazu i jest określany jako sprawność objętościowa η v. Trzeci człon równania jest sprawnością mechaniczną dmuchawy η m czyli stosunkiem N i / N K. Moc mechaniczna N mech = N K - N i wydatkowana jest na pokonanie oporów tarcia w łożyskach wałów, przekładni zębatej oraz uszczelnieniach. Moc ta obejmuje także straty tarcia pomiędzy rotorami a gazem. 7

Charakterystyki pracy dmuchaw Roots a. Podstawowe charakterystyki pracy dmuchawy średniej wielkości typu RB 120 tj; zależność wydajności Q 1, sprawności całkowitej η ad całk (adiabatycznej) oraz zapotrzebowania na moc na wale urządzenia P K w zakresie możliwych w czasie eksploatacji zmian prędkości obrotowej rotorów przedstawia rys. 14.7. Dmuchawy Roots a projektuje i eksploatuje się tak, aby optymalny zakres obwodowej prędkości tłoków wynosił od 15 do 30 m/s. Rys.14.7. Charakterystyki pracy dmuchawy Root'sa. Firmy produkujące dmuchawy Roots a w swoich materiałach katalogowych nie zamieszczają przedstawionych wyżej pełnych danych technicznych pracy urządzeń. Na rysunku nr 14.8 zamieszczono typowe charakterystyki przedstawione w funkcji zmiany prędkości obrotowej rotorów tj. wydajność dmuchawy na ssaniu Q 1 = f(n) dla zmiennych spręży, zapotrzebowanie mocy na wale N = f(n) oraz przyrost temperatury powietrza sprężanego ΔT = f(n). Rys.14.8. Typowe charakterystyki pracy dmuchawy Root'sa. 8

Samodzielny prawidłowy dobór urządzenia do warunków pracy pod kątem energetycznym na podstawie przedstawionych w/w danych jest praktycznie niemożliwy, ponieważ nie dysponujemy współczynnikiem sprawności całkowitej dmuchawy Roots a. Zasadniczo o ekonomiczności pracy dmuchawy Roots a poza luzami montażowymi decydują dwa parametry pracy urządzenia tj. stopień sprężania oraz prędkość obrotowa rotorów. Szereg producentów dmuchaw Roots a opracowało specjalne programy komputerowe do optymalnego doboru urządzeń pod katem pracy urządzeń z maksymalną sprawnością energetyczną. Dobierając wielkość i ilość dmucha pracujących w stacji dmuchaw na oczyszczalniach ścieków d la zaspokojenia potrzeb systemu napowietrzania należy brać pod uwagę, że: - współczynnik sprawności całkowitej spada wraz ze wzrostem sprężu, - współczynnik sprawności całkowitej rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej rotorów. Na rysunku nr 14.9 przedstawiono wpływ parametrów eksploatacyjnych dmuchawy Roots a (od wartości spręża powietrza osiąganego przy pracy dmuchaw dużych) na wartości poszczególnych sprawności η ad, η v, η mech i η cał. Rys. 14.9. Zależności sprawności dmuchawy Roots'a w funkcji sprężu, przy stałej prędkości obrotowej. Sprawność mechaniczna, poza początkowym zakresem, praktycznie nie zależy od wartości sprężu. Pozostałe wartości wewnętrznej sprawności adiabatycznej i objętościowej zmniejszają się wraz ze wzrostem sprężu. 9

Na rys. 14.10 przedstawiono dla dużych dmuchaw Roots a przykładowe wartości poszczególnych sprawności η ad, η v, η mech i η cał w zależności od wartości prędkości obrotowej rotorów, przy stałym sprężu. Rys. 14.10. Zależności sprawności dmuchawy Roots'a w funkcji prędkości obrotowej, przy stałym sprężu. Sprawność agregatu sprężającego powietrze atmosferyczne η ag w zależności od wartości prędkości obrotowej rotorów dmuchawy (rys.14.11) składającego się z: - dmuchawy Roots a, - przekładni pasowej, - silnika asynchronicznego, - przetwornika częstotliwości prądu Rys. 14.11. Zależność współczynników sprawności; całkowitej dmuchawy Roots'a, przekładni pasowej, silnika napędowego oraz przetwornika częstotliwości w funkcji zmian obrotów. 10

Na rys. 14.12. przedstawiono zapotrzebowanie na moc potrzebna do napędu agregatu sprężającego powietrze atmosferyczne (dmuchawa Roots a, przekładnia pasowa, silnik elektryczny zasilany poprzez falownik częstotliwości) w funkcji zmian obrotów. Rys. 14.12. Rozkład mocy potrzebnej do sprężania powietrza w agregacie sprężającym powietrze dmuchawie RB40 w funkcji jej prędkości obrotowej. Efektywność energetyczną sprężania powietrza atmosferycznego w dmuchawie Roots a tj. stosunek mocy elektrycznej zużytej na sprężanie 1 Nm 3 gazu w funkcji zmian obrotów przedstawiono na rys. nr 14.13. Rys. 14.13. Wydajność oraz jednostkowe zapotrzebowanie mocy elektrycznej w zależności od prędkości pracy dmuchawy RB 40 przy jej sprężu Δp = 550 mbar. 11

Dmuchawy promieniowe Rys. 14.14. Promieniowa dmuchawa sprężająca powietrze firmy HV Turbo. Konstrukcja agregatu sprężającego powietrze atmosferyczne na bazie dmuchawy promieniowej Rys. 14.15. Elementy składowe agregatu. 12

Rys. 14.16. Przekrój osiowy przez napęd i dmuchawę promieniową. Zalety dmuchaw promieniowych - bezstopniowa regulacja wydajności do 45% przy stałej ilości obrotów. - niskie koszty eksploatacyjne ze względu na ekstremalnie wysoka sprawność w całym zakresie regulacji, także przy zmiennych warunkach zewnętrznych (temperatura i ciśnienie). - niski poziom hałasu przy braku pulsacji ciśnieniowych, czyli tłumik po stronie ciśnieniowej jest zbędny. - zwarta konstrukcja i mały ciężar powodują niskie koszty budowlane i instalacyjne. - zagwarantowane powietrze wolne od oleju. Zastosowania - napowietrzanie w dużych oczyszczalniach ścieków (komunalnych i przemysłowych). - fermentacja drożdży oraz podobne procesy biologiczne. - odsiarczanie gazów spalinowych, ropy naftowej i gazu ziemnego. 13

Rys. 14.16. Charakterystyki dmuchawy promieniowej typu DA253 Regulacja ilościowa przepływu powietrza za pomocą: - zmiany prędkości obrotowej wirnika dmuchawy, - nastawnego dyfuzora, który jest palisadą łopatek o zmiennej geometrii, rozmieszczonej po stronie ciśnieniowej. Zmienna (nastawna) geometria dyfuzora oprócz szerokiego zakresu wydatku umożliwia uzyskanie wysokiej sprawności całkowitej dmuchawy. Rys. 14.17. Nastawialny dyfuzor dmuchawy promieniowej. 14

- nastawnej kierownicy wstępnej, który jest palisadą łopatek o zmiennym kącie nachylenia, rozmieszczonych po stronie ssącej. Dzięki zmiennemu położeniu kąta łopatek kierownicy zmieniają się charakterystyki dmuchawy. Rys. 14.18. Kierownica wstępna w dmuchawie promieniowej. Sprężanie adiatermiczne Przy rozpatrywaniu procesów sprężania zakłada się przeważnie, że gazy rzeczywiste można traktować tak jak gazy termicznie i kalorycznie doskonałe, poza tym operuje się uproszczonymi (jednowymiarowymi) modelami przepływu i uśrednionymi parametrami. W ogólnym przypadku sprężania gazu przyjmuje się, że proces sprężania przebiega wg zastępczej przemiany politropowej. Znając wykładnik m tej przemiany można wyznaczyć pracę właściwą (odniesioną do jednostki masy) sprężania politropowego bez strat wg zależności: W niechłodzonych przepływowych maszynach sprężających zakłada się, że proces sprężania odbywa się wg przemiany adiatermicznej - bez wymiany ciepła z otoczeniem. 15

Dla adiatermicznej przemiany, rzeczywista praca właściwa sprężania jest równa różnicy entalpii całkowitych: Do dalszych rozważań załóżmy, że c 1 = c 2, stąd: Przy założeniu, że proces sprężania odbywa się bez rozpraszania energii (strat) przemiana sprężania będzie przebiegać wzdłuż izentropy. Pracę izentropowego sprężania wyraża wzór : Rys. 14.19. Porównanie różnych procesów sprężania na wykresie T-s: 1-2 - sprężanie politropowe m > κ 1-2 S - sprężanie izentropowe, 1-2' - sprężanie politropowe m < κ, 1-2 t - sprężanie izotermiczne. 16

Rzeczywisty proces sprężania, na skutek istnienia strat tarcia, oderwań i zawirowań powodujących rozpraszanie energii, nie jest procesem odwracalnym. Rzeczywistą pracę sprężania, wzdłuż zastępczej politropy wg równania: wyraża wzór Jako wzorzec służący do porównywania jakości energetycznych niechłodzonych dmuchaw (sprężarek) przyjmuje się pracę izentropowego lub politropowego sprężania bez strat, wyrażone w/w wzorami. Dzieląc je przez rzeczywistą prace sprężania otrzymuje się wskaźniki jakości energetycznych maszyn wyrażone przez: sprawność izentropową lub sprawność połitropową Z w/w równań wynikają zależności: Dla niechłodzonych sprężarek jest zawsze: m > κ i η m > η s. Spotykane w eksploatacji wartości sprawności izentropowych, tak dla maszyn osiowych jak i promieniowych, kształtują się w granicach: η s = 0,70 0,86, osiągając dla specjalnych rozwiązań wartość η s = 0,92. 17

Tablica 14.1. Wykładnik politropy rozprężania. Tablica 14.2. Zależności dla różnych przebiegów procesu sprężania 18

Rys. 14.20. Zależności sprawności politropowej η m od wykładnika politropy m i wykładnika izentropy κ. Sprężanie diatermiczne W sprężarkach chłodzonych sprężanie odbywa się diatermicznie - część energii cieplnej wytworzonej w czasie procesu sprężania jest celowo odprowadzona na zewnątrz. Rzeczywistą pracę sprężania, przy założeniu c 1 = c 2 oraz wartości energii cieplnej odprowadzonej od gazu równej q, wyraża zależność: Jeżeli energia cieplna będzie tak odprowadzana, że gaz w czasie procesu sprężania będzie miał stałą temperaturę, to sprężanie będzie się odbywać wg przemiany izotermicznej. Pracę sprężania izotermicznego bez strat wyraża wzór: 19

Jakości energetyczne sprężarek chłodzonych porównuje się za pomocą sprawności izotermicznej zdefiniowanej jako: Wartości sprawności izotermicznych stacyjnych sprężarek przy różnych przepływach objętości V (wg wytwórni Demag) podano w poniższej tabeli: Chłodzenie gazu w czasie procesu sprężania praktycznie można uzyskać stosując trzy sposoby: 1) chłodzenie zewnętrzne polegające na wyprowadzaniu gazu sprężanego do specjalnych chłodnic umieszczonych na zewnątrz kadłuba lub tworzących z nim konstrukcyjną całość, 2) chłodzenie wewnętrzne polegające na chłodzeniu gazu sprężanego we wnętrzu urządzenia wyposażonego w specjalne kanały w kadłubie przez które przepływa czynnik chłodzący np. woda, 3) wtryskiwanie cieczy do sprężanego czynnika, która odparowując ochładza go. W jednostopniowych maszynach trudności i koszty związane z wykonaniem chłodzenia wg sposobów 2 i 3 znacznie przewyższają efekty ekonomiczne wynikające z oszczędności energii. Jest to przyczyną, że nie buduje się jednostopniowych, stacyjnych sprężarek chłodzonych. Trudności wykonawcze i kłopoty eksploatacyjne przy stosowaniu rozwiązań 2 i 3 powodują, że ostatnio buduje się przeważnie wielostopniowe sprężarki z chłodzeniem zewnętrznym. Rys. 14.21. Przebieg sprężania z dwukrotnym chłodzeniem miedzystopniowym, na wykresie T-s Dla zobrazowania korzyści spowodowanych chłodzeniem zewnętrznym można podać za Eckertem, że dla sprężarki o sprężu π = 8, temperaturze wlotowej powietrza t x = 15 C, sprawności izentropowej grup stopni η s = 78%, temperaturze gazu opuszczającego chłodnicę t ch = 30 C, jednakowych spręży π we wszystkich grupach stopni i przy pominięciu strat w chłodnicach; - przy dwukrotnym chłodzeniu między stopniowym zmniejszenie zapotrzebowania energii, w stosunku do sprężania bez chłodzenia, wynosi 20%, a przy trzykrotnym chłodzeniu międzystopniowym 22%. 20