2013-09-30 1 Podział sprężarek ( dmuchaw ) Dmuchawy Roots`a

2013-09-30 1 Podział sprężarek ( dmuchaw ) Dmuchawy Roots`a

2013-09-30
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
2013-09-30
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
2013-09-30
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 pracującego
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
2013-09-30
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 Vo, zamknięte pomiędzy obracającym się tłokiem a nieruchomym
korpusem.
Q1
Q1
Vo/4
Vo/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 ( pVκ = const) oraz izotermicznego ( pV = const).
Rys. 14.6. Sprężanie powietrza w dmuchawie Roots’a w układzie p - V.
4
2013-09-30
Podstawowe parametry pracy dmuchawy Roots’a.
Dla dmuchaw Roots’a podstawowe parametry jej pracy oblicza się wg zależności:
Objętościowy przepływ ssania:
gdzie: Q1 - objętościowy przepływ ssania [m3/min],
Qo - teoretyczny przepływ objętościowy [m3/min],
Qv - straty wynikające z wtórnego przepływu
powietrza sprężonego na stronę ssawną [m3/min].
n - prędkość obrotowa rotorów [ obr/min ],
Vo- objętość przestrzeni zawartej pomiędzy
korpusem a rotorem [ dm3 ] na 1 obrót wału,
L - długość rotorów [dm],
r - promień wewnętrznej krzywizny korpusu[dm],
Atł -przekrój poprzeczny rotora [dm],
Qv100 - dla każdej wielkości dmuchawy ustalona
strata przy Δp = lOOmbar i ρ1 = 1,293 kg/m 3,
Δp = p2 – p1 różnica ciśnienia pomiędzy króćcem
tocznym a ssawnym [mbar],
ρ1 -gęstość powietrza w króćcu ssawnym [ kg/m3 ].
Współczynnik sprawności objętościowej ηv dmuchawy Roots’a przedstawić można
wg zależności:
Jak wynika z w/w zależności współczynnik sprawności objętościowej zależy przede
wszystkim od:
- stosunku Qv100/Vo,
- różnicy ciśnień Δp,
- od prędkości obrotowej rotorów n .
Stosunek wewnętrznych strat przepływu gazu Qv100 do objętości Vo 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
2013-09-30
W tabeli 14.1 przedstawiono na przykładzie typoszeregu dmuchaw firmy RKR, charakterystyczne
wartości; straty Qv100 na każde 100 mbar sprężu, objętości Vo, teoretycznego przepływu
objętościowego Q0 oraz stosunku Qv100/Qo 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 Qv/Qo 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 Qv osiągają dla dmuchaw małych nawet do 50% teoretycznej wydajności Qo,
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 Nth
(potrzebnej na sprężanie i wytłoczenie powietrza wg wykresu ciśnienia pełnego) oraz
mocy Nv (traconej przez łożyska, koła zębate i wewnętrzne straty przepływu sprężanego
powietrza w osprzęcie dmuchawy).
Moc traconą oblicza się wg zależności:
Moc tracona Nv 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: Δpv - spadek ciśnienia sprężanego
powietrza w agregacie (w przewodach,
tłumiku drgań oraz na osprzęcie)
zwykle ok. 25 mbar
ηs - współczynnik sprawności stopnia.
Przyjmowane wartości ηS wynoszą zwykle od 0.9 do 0.95. Mniejsze wartości przyjmuje się
dla niedużych prędkości obrotowych i dużych spręży. Większe dla dmuchaw dużych.
6
2013-09-30
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 p1 do p2, w stosunku do mocy na wale potrzebnej do napędu dmuchawy Roots’a.
Po pomnożenia licznika i mianownika przez iloczyn GoHi i przedstawienia Nad jako HadG1
obliczona wg zależności:
gdzie:
κ - stosunek ciepła
właściwego gazu,
R - stała gazowa [ J/kg K],
T1 - temperatura początkowa
gazu [K],
G1, Gv - masowe natężenie
przepływu powietrza [kg/h],
otrzymujemy:
Pierwszy człon Had / Hi nosi nazwę wewnętrznej sprawności adiabatycznej ηad 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 ηv.
Trzeci człon równania jest sprawnością mechaniczną dmuchawy ηm czyli stosunkiem Ni / NK.
Moc mechaniczna Nmech = NK - Ni wydatkowana jest na pokonanie oporów tarcia w łożyskach
wałów, przekładni zębatej oraz uszczelnieniach. Moc ta obejmuje także straty tarcia pomiędzy
rotorami a gazem.
7
2013-09-30
Charakterystyki pracy dmuchaw Roots’a.
Podstawowe charakterystyki pracy dmuchawy średniej wielkości typu RB 120 tj; zależność
wydajności Q1, sprawności całkowitej ηad całk (adiabatycznej) oraz zapotrzebowania na moc
na wale urządzenia PK 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 Q1 = 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
2013-09-30
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 ηad, ηv, ηmech i ηcał.
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
2013-09-30
Na rys. 14.10 przedstawiono dla dużych dmuchaw Roots’a przykładowe wartości poszczególnych
sprawności ηad, ηv, ηmech i ηcał 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 ηag 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
2013-09-30
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 Nm3 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
2013-09-30
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
2013-09-30
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
2013-09-30
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
2013-09-30
- 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
2013-09-30
Dla adiatermicznej przemiany, rzeczywista praca właściwa sprężania jest równa różnicy
entalpii całkowitych:
Do dalszych rozważań załóżmy, że c1 = c2, 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
1-2S - sprężanie izentropowe,
1-2' - sprężanie politropowe m < κ,
1-2t - sprężanie izotermiczne.
16
2013-09-30
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 ηm > ηs.
Spotykane w eksploatacji wartości sprawności izentropowych, tak dla maszyn osiowych
jak i promieniowych, kształtują się w granicach: ηs = 0,70—0,86, osiągając dla specjalnych
rozwiązań wartość ηs = 0,92.
17
2013-09-30
Tablica 14.1. Wykładnik politropy rozprężania.
Tablica 14.2. Zależności dla różnych przebiegów procesu sprężania
18
2013-09-30
Rys. 14.20. Zależności sprawności politropowej ηm 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 c1 = c2 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
2013-09-30
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 tx = 15°C,
sprawności izentropowej grup stopni ηs = 78%, temperaturze gazu opuszczającego chłodnicę
tch = 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