Компрессорные машины
Компрессорные машины получили широкое распространение во многих отраслях народного хозяйства, причем расход энергии различными видами компрессорных установок составляет около 12% всей вырабатываемой электроэнергии нашей страны. Объемные компрессорные машины составляют более 90% всего компрессорного парка страны именно поэтому повышение эффективности объемных компрессоров представляет на сегодняший день весьма актуальную задачу.
В последние годы как в России так и в других странах значительно возрос интерес к компрессорным установкам, сжатие газа в которых сопровождается впрыском охлажденной жидкости в полость сжатия. Такая инженерная мысль позволила решить ряд проблем, связанных с уплотнением зазоров, отводом теплоты сжатия, обеспечением надежной смазки трущихся поверхностей.
Впрыскиваемая в рабочую полость жидкость заполняет неплотности и следовательно уменьшает утечки и перетечки работего тела (сжимаемого газа), т.е. способствует повышению эффективности рабочих процессов. При впрыскивании жидкость измельчается, ударяясь о стенки рабочей полости капли жидкости дробятся, и таким образом в рабочей полости образуется смесь сжимаемого газа и дисперсной жидкости. Площадь контакта сжимаемого газа и впрыскнутой жидкости при этом достигает больших значений, что обеспечивает хорошее охлаждение сжимаемого газа, приближая процесс сжатия к изотермическому, что также ведет к увеличению эффективности компрессора. Физика явлений протекающих в рабочих полостях компрессоров впрыском жидкости довольно-таки сложна: распыление жидкости форсункой; взаимодействие впрыскиваемой жидкости с движущимися стенками рабочей полости, когда часть жидкости отражается, а часть остается на стенках в виде пленки; теплообмен между газом и каплями и пленкой жидкости; переменное во времени тепловое состояние капель жидкости и т.д.
Из-за множества факторов, влияющих на протекание рабочих процессов в компрессорах с впрыском, и усложнение конструкции компрессора метод проб и ошибок при создании компрессоров не является экономичным вариантом и при этом требует много времени. Поэтому большое значение приобретают теоретические пути исследования рабочих процессов сжатия газов, сопровождающихся впрыском жидкости.
Применение впрыска охлаждающей жидкости в объемных компрессорах.
Экономичность, надежность и долговечность работы компрессора во многом определяется эффективностью системы охлаждения и смазки компрессора. В общем случае отвод теплоты сжатия в камере сжатия компрессором может осуществляться тремя основными видами: регенеративным, рекуперативным и смесительным теплообменом.
Исходя из того, что эффективность отвода теплоты сжатия при использовании смесительного теплообмена существенно выше, чем при использовании рекуперативного теплообмена, еще в прошлом веке появилась идея использования смесительного теплообмена как основного вида теплообмена при организации охлаждения камеры сжатия поршневого компрессора. Смесительный теплоомен практически реализовывался путем впрыска охлаждающей жидкости в камеру сжатия поршневого компрессора. Основными факторами, определяющими эффективность применения смесительного теплообмена при охлаждении компрессоров является отсутствие дополнительного термического сопротивления, значительная поверхность охлаждения и высокий коэффициент теплоотдачи.
Таким образом, исторически впрыск охлаждающие жидкости был использован впервые для улучшения охлаждения сжимаемого газа. Натолкнувшись на серьезные трудности эксплуатационного характера, широкого практического использования впрыск жидкости в поршневые компрессоры в то время не получил. Однако, идея организации непосредственного контакта между охлаждающей жидкостью и сжимаемым газом в камере сжатия компрессора объемного действия до сих пор привлекает исследователей и разработчиков, стремящихся усовершенствовать этот процесс получения сжатого воздуха.
Идея организации жидкостного вращающегося поршня привела к созданию целого класса объемных компрессоров, получивших название водокольцевых компрессоров.
Идея жидкостного поршня вследствие неоспоримых преимуществ в вопросах герметичности и охлаждения получает широкое практическое использование и в поршневых компрессорах. Необходимость надежного уплотнения зазоров в винтовых компрессорах привела разработчиков к широкому использованию впрыска охлаждающей жидкости в камеру сжатия и в дальнейшем к созданию целого класса маслозаполненных компрессоров. Присутствие охлаждающего масла в винтовом компрессоре позволяет также организовать эффективное охлаждение сжимаемого газа, упростить конструкцию компрессора путем ликвидации синхронизирующих шестерен, а также организовать экономичное регулирование производительности.
Изложенные выше причины обусловили широкое распространение применения впрыска охлаждающей жидкости также в других типах роторных компрессоров (в ротационно-пластинчатом компрессоре, в ротационном компрессорое с катящимся ротором и других). Таким образом, подводя итог вышеизложенному, можно выделить три основных назначения впрыска охлаждающей жидкости: охлаждение сжимаетого газа, уплотнение камеры сжатия и смазка трущихся поверхностей цилиндро-поршневой группы.
