Привод компрессоров

Холодильные компрессоры приводятся в движение в основном электродвигателями и реже двигателями внутреннего сгорания, паровыми и газовыми турбинами.

В холодильных станциях применяют трехфазные электродвигатели переменного тока трех типов: синхронные, асинхронные с короткозамкнутым ротором, асинхронные с контактными кольцами.

Различают следующие виды соединения электродвигателя с компрессором: посадка на одном валу; соединение через муфту сцепления, компенсирующую также некоторую несоосность валов; клиноременная и плоскоременная передачи; соединение через редуктор, повышающий число оборотов.

Упругие элементы полумуфт на валах компрессора и двигателя допускают осевое смещение валов до 2 мм и перекос до 1°. В малых холодильных машинах электропривод встраивается в герметичный корпус компрессора.

Синхронные электродвигатели применяют для привода крупных компрессоров и размещают на одном валу с ними. Ротор электродвигателя при посадке его на вал тихоходного горизонтального компрессора служит одновременно маховиком. В комплект также включены возбудительные агрегаты, питающие обмотку якоря постоянным током. Их снабжают дополнительной асинхронной обмоткой для запуска двигателя и достижения синхронного числа оборотов соответствующего числу пар полюсов, установленных на статоре двигателя.

Такая конструкция синхронных двигателей повышает коэффициент использования потребляемой электрической мощности — косинус φ.

Наибольшее распространение на промышленных предприятиях получили асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и повышенным пусковым моментом. Они включаются сразу на полную- нагрузку, даже при тяжелых режимах работы холодильных установок. Двигатели с контактными кольцами, в цепь которых включается пусковой реостат, дающий искрение, применяются реже.

Во избежание опасности взрыва, щетки крупных синхронных электродвигателей обдуваются специальными вентиляторами, забирающими воздух вне помещения холодильной установки, работающей с применением взрывоопасного хладагента.

Двигатели до 150 кВт питаются, как правило, от сети напряжением 380 или 500 В, свыше 150 кВт — от сети напряжением 6000—10 000 В. На крупных холодильных станциях устраиваются собственные трансформаторные подстанции с распределительным устройством на 6000 или 10 000 В.

Пуск асинхронных электродвигателей осуществляется с помощью магнитных пускателей, пуск синхронных — от станций управления.

Станция управления синхронного двигателя обеспечивает асинхронный пуск и по достижении заданного числа оборотов подает возбуждение и включает синхронную обмотку двигателя.

В схемы управления электродвигателями вводятся реле, защищающие двигатели от перегрузки, короткого замыкания, падения напряжения, выпадения фазы и потери возбуждения.

Электродвигатели, электрическое оборудование и приборы, применяемые на холодильных станциях, в зависимости от типа хладагента делятся на открытые, взрывозащищенные и взрывонепроницаемые. Электрооборудование должно находиться в полном соответствии с Правилами устройства электроустановок — ПУЭ. Для аммиачных холодильных машин допускается применение невзрывозащищенных двигателей, искрящие части которых должны быть при этом заключены в закрытые или продуваемые кожухи.

Пульты управления, защиты и сигнализации, местные светильники, электропроводка, подлежащие установке в одном помещении с холодильными установками, должны иметь исполнение по ПУЭ класса В-16 для аммиака и класса В-1а для пропана, пропилена, этана и этилена.

Для турбокомпрессоров все большее применение находит привод от паровых и газовых турбин. Турбинный привод имеет более высокий к. п. д. и особенно выгоден на химических заводах, потребляющих большое количество пара, который может быть подан в цеха и установки после пропуска через турбины ТЭЦ. Кроме того, для паровых турбин можно использовать так называемый вторичный пар, получающийся при съеме тепла реакций, охлаждении дымовых газов перед выбросом их в атмосферу и т. д.

Газотурбинный привод при наличии дешевого топлива наиболее экономичен. В газотурбинной установке (рис. 33) газ проходит камеру сгорания КС, приобретает высокую температуру и давление, а затем расширяется в специальных каналах — соплах 1. В результате расширения внутренняя энергия газа переходит в энергию движения — поток газа из сопел с огромной скоростью устремляется к лопаткам 2 газовой турбины, которые укреплены на диске 4, жестко связанном с валом 5. Проходя через каналы, образованные лопатками, газовый поток меняет свое направление и заставляет вал с диском и лопатками вращаться. Выхлопные газы отводятся через выхлопной патрубок 3.

К валу с одной стороны присоединен воздушный компрессор, подающий воздух в камеру сгорания, а с другой — турбокомпрессор.

Рис. 33. Схема и рабочий цикл газотурбинной установки:

К — компрессор,
КС — камера сгорания,
Т — турбина;
1 — сопло,
2 — лопатка,
3 — выхлопной патрубок,
4 — диск,
5 — вал

Газотурбинная установка работает следующим образом: воздух сжимается компрессором К по адиабате 1—2 и с параметрами точки 2 поступает в камеру сгорания. Подача воздуха и топлива в камеру сгорания, а также выход из нее продуктов сгорания регулируется так, что газ на лопатки турбины входит с параметрами точки 3, а давление в камере сгорания остается неизменным. На рабочих лопатках турбины газ расширяется по адиабате 3—4, производя при этом полезную работу по приводу турбокомпрессора. Газ, потерявший давление и резко снизивший свою температуру, с параметрами точки 4 сбрасывается через выхлопной патрубок в атмосферу.

Рабочим телом в газовой турбине могут быть продукты сгорания газообразного или жидкого топлива, а также любой нагретый газ, имеющий высокую температуру (например газ, получаемый при крекинге нефти).

Газовые турбины имеют огромные скорости вращения и большие мощности при сравнительно малых размерах. На рис. 34 изображен турбокомпрессор с газотурбинным приводом.

Рис. 34. Турбокомпрессор с газотурбинным приводом (верхние крышки сняты):
1 — турбина, 2 — компрессор

Паротурбинный привод отличается от газотурбинного тем, что рабочее тело — пар под давлением, подводится извне. В этом типе привода отсутствуют камеры сгорания, системы воздухо- и топливоподачи.

Паровые и газовые турбины могут работать с переменным числом оборотов, что позволяет в широких пределах изменять холодопроизводительность турбокомпрессорных установок.

В отличие от электродвигателей привод от паровых и газовых турбин не требует установки редуктора.

Источник

Холодильные машины и установки. Устройство, виды, принцип действия холодильных машин.

1. Общие сведения о холодильных машинах

Холодильные машины и установки предназначены для искусственного снижения и поддержания пониженной температуры ниже температуры окружающей среды от 10 °С и до -153 °С в заданном охлаждаемом объекте. Машины и установки для создания более низких температур называются криогенными. Отвод и перенос теплоты осуществляется за счет потребляемой при этом энергии. Холодильная установка выполняется по проекту в зависимости от проектного задания, определяющего охлаждаемый объект, необходимого интервала температур охлаждения, источников энергии и видов охлаждающей среды (жидкая или газообразная).

Холодильная установка может состоять из одной или нескольких холодильных машин, укомплектованных вспомогательным оборудованием: системой энерго- и водоснабжения, контрольно-измерительными приборами, приборами регулирования и управления, а также системой теплообмена с охлаждаемым объектом. Холодильная установка может быть установлена в помещении, на открытом воздухе, на транспорте и в разных устройствах, в которых надо поддерживать заданную пониженную температуру и удалять излишнюю влагу воздуха.

Система теплообмена с охлаждаемым объектом может быть с непосредственным охлаждением холодильным агентом, по замкнутой системе, по разомкнутой, как при охлаждении сухим льдом, или воздухом в воздушной холодильной машине. Замкнутая система может также быть с промежуточным хладагентом, который переносит холод от холодильной установки к охлаждаемому объекту.

Началом развития холодильного машиностроения в широких размерах можно считать создание Карлом Линде в 1874 году первой аммиачной паро-компрессорной холодильной машины. С тех пор появилось много разновидностей холодильных машин, которые можно сгруппировать по принципу работы следующим образом: паро-компрессионнные, упрощенно называемые компрессорные, обычно с электроприводом; теплоиспользующие холодильные машины: абсорбционные холодильные машины и пароэжекторные; воздушно-расширительные, которые при температуре ниже -90 °С экономичнее компрессорных, и термоэлектрические, которые встраиваются в приборы.

Каждая разновидность холодильных установок и машин имеет свои особенности, по которым выбирается их область применения. В настоящее время холодильные машины и установки применяются во многих областях народного хозяйства и в быту.

2. Термодинамические циклы холодильных установок

Перенос теплоты от менее нагретого к более нагретому источнику становится возможным в случае организации какого-либо компенсирующего процесса. В связи с этим циклы холодильных установок всегда реализуются в результате затрат энергии.

Чтобы отводимая от «холодного» источника теплота могла быть отдана «горячему» источнику (обычно — окружающему воздуху), необходимо поднять температуру рабочего тела выше температуры окружающей среды. Это достигается быстрым (адиабатным) сжатием рабочего тела с затратой работы или подводом к нему теплоты извне.

В обратных циклах количество отводимой от рабочего тела теплоты всегда больше количества подводимой теплоты, а суммарная работа сжатия больше суммарной работы расширения. Благодаря этому установки, работающие по подобным циклам, являются потребителями энергии. Такие идеальные термодинамические циклы холодильных установок уже рассмотрены выше в пункте 10 темы 3. Холодильные установки различаются применяемым рабочим телом и принципом действия. Передача теплоты от «холодного» источника «горячему» может осуществляться за счет затраты работы или же затрат теплоты.

2.1. Воздушные холодильные установки

В воздушных холодильных установках в качестве рабочего тела используется воздух, а передача теплоты от «холодного» источника «горячему» осуществляется за счет затраты механической энергии. Необходимое для охлаждения холодильной камеры понижение температуры воздуха достигается в этих установках в результате быстрого его расширения, при котором время на теплообмен ограничено, и работа в основном совершается за счет внутренней энергии, в связи, с чем температура рабочего тела падает. Схема воздушной холодильной установки показана на рис 7.14

Рис. 14. Схема воздушной холодильной установки: ХК — холодильная камера; К — компрессор; ТО — теплообменник; Д — расширительный цилиндр (детандер)

Температура воздуха, поступающего из холодильной камеры ХК в цилиндр компрессора К, поднимается в результате адиабатного сжатия (процесс 1 — 2) выше температуры Т3 окружающей среды. При протекании воздуха по трубкам теплообменника ТО его температура при неизменном давлении понижается — теоретически до температуры окружающей среды Тз. При этом воздух отдает в окружающую среду теплоту q (Дж/кг). В результате удельный объем воздуха достигает минимального значения v3, и воздух перетекает в цилиндр расширительного цилиндра — детандера Д. В детандере, вследствие адиабатного расширения (процесс 3-4) с совершением полезной работы, эквивалентной затемненной площади 3-5-6-4-3, температура воздуха опускается ниже температуры охлаждаемых в холодильной камере предметов. Охлажденный подобным образом воздух поступает в холодильную камеру. В результате теплообмена с охлаждаемыми предметами температура воздуха при постоянном давлении (изобара 4-1) повышается до своего исходного значения (точка 1). При этом от охлаждаемых предметов к воздуху подводится теплота q2 (Дж/кг). Величина q 2, называемая хладопроизводительностью, представляет собой количество теплоты, получаемой 1 кг рабочего тела от охлаждаемых предметов.

2.2. Парокомпрессорные холодильные установки

В парокомпрессорных холодильных установках (ПКХУ) в качестве рабочего тела применяют легкокипящие жидкости (табл. 1), что позволяет реализовать процессы подвода и отвода теплоты по изотермам. Для этого используются процессы кипения и конденсации рабочего тела (хладагента) при постоянных значениях давлений.

Физические параметры хладагентов

Температура кипения tкип при давлении р = 0,1 МПа, °С

Критическая температура, °С

Температура замерзания, tзам, °С

Скрытая теплота парообразования при tкип, кДж/кг

Источник

Общие сведения о системах холодоснабжения, холодильных машинах и установках

Холодильные станции и установки

Снабжение технологических потребителей холодом осуществляется от холодильных станций или холодильных установок.

Холодильная станция — это отдельно стоящее сооружение на генераль­ном плане предприятия. Оно предназначено для снабжения потребителей хо­лодом нескольких параметров (температур) в диапазоне от +7 до -25 °С.

Холодильные станции бывают центральные и цеховые. Они входят в со­став службы главного энергетика предприятия. На станции располагается не­сколько холодильных машин — как минимум по одной на каждую температуру.

Холодильная установка — обычно размещается в технологическом цехе и является составной частью технологического оборудования основного про­изводства. Она предназначена для обеспечения отдельного производства хо­лодом одного параметра, как правило холодом ниже -25 °С, и подчиняется службе главного технолога.

Классификация холодильных машин (ХМ)

Классификация ХМ (по международной классификации — это установ­ки класса R) производится по различным признакам.

1. В зависимости от вида физического процесса, в результате которого получают холод, холодильные машины подразделяют на следующие типы:

а) холодильные машины использующие фазовый переход рабочего тела (ХА) из жидкого в парообразное состояние. К ним относятся парокомпресси­онные, абсорбционные, эжекторные ХМ;

б) холодильные машины использующие процессы расширения с произ­водством внешней работы. Это воздушные детандерные машины, так назы­ваемые турбохолодильные машины (ТХМ);

в) ХМ использующие процесс расширения воздуха без производства работы (эффект Ранка-Хильша). Это воздушные вихревые холодильные ма­шины;

г) ХМ использующие эффект Пельтье. Это термоэлектрические холо­дильники.

2. В зависимости от вида используемой энергии различают холодиль­ные машины:

а) использующие механическую энергию (компрессионные холодиль­ные машины с электрическим и турбинным приводами);

б) теплоиспользующие (абсорбционные и эжекторные холодильные машины);

в) с непосредственным использованием электрической энергии (термо­электрические холодильные машины).

3. В зависимости от схемы и вида термодинамического цикла различа­ют: одно-, двух-, и- многоступенчатые и каскадные холодильные машины;

4. По режимам работы различают следующие холодильные машины:

а) высокотемпературные — с t0 >-10 °С. Это ХМ систем кондициониро­вания воздуха (как правило, одноступенчатые);

б) среднетемпературные — с t0 от -10 до -30 °С (с одно- и двухступен­чатыми компрессорами);

в) низкотемпературные — с t0 ниже -30 °C. Это, как правило, многосту­пенчатые и каскадные ХМ.

5. В зависимости от назначения различают — универсальные и специа­лизированные холодильные машины.

6. В зависимости от используемого рабочего тела холодильные машины делят на амми­ачные, фреоновые, пропановые, воздушные, пароводяные, водоаммиачные, бромисто-литиевые и др.

7. Компрессорные холодильные машины по типу используемого ком­прессора подразделяют на поршневые, ротационные, центробежные, эжек­торные и др.

Достоинства и недостатки холодильных машин. Области их применения

1) Парокомпрессионные холодильные машины с поршневыми компрессорами. Они на­шли самое широкое распространение в быту, торговле, предприятиях обще­ственного питания, промышленности.

— они обладают наиболее высокими энергетическими показателями (КПД, холодильный коэффициент);

— у этих машин наибольшее отношение давлений конденсации Рк и ки­пения Р0, а следовательно, наибольшая разность температур Тк и Т0.

-повышенный уровень вибраций;

-меньшая надежность, чем у машин с винтовыми и центробежными компрессорами (износ и опасность гидроударов).

2) Парокомпрессионные холодильные машины с центробежными (и осевыми) компрессо­рами. Они нашли применение во всех отраслях промышленности, где требу­ются большие холодопроизводительности. Особенно в химической, нефте­химической, газовой отраслях.

-обладают большой, практически неограниченной, холодопроизводи- тельностью;

-имеют малые показатели удельной металлоемкости, размеры;

-хорошо уравновешены (мала вибрация, мал фундамент).

низкая энергетическая эффективность при малых холодопроизводи- тельностях (меньше 700 кВт).

3) Холодильные машины с винтовыми маслозаполненными компрессорами.

-высоконадежны, не боятся гидроударов;

-имеют удовлетворительные энергетические показатели при работе на расчетных режимах;

-хорошо уравновешены, не нужен фундамент;

-на любых режимах работы неизменна степень повышения давления в компрессоре. Это снижает показатели на нерасчетных режимах работы; -наличие громоздкой, металлоемкой масляной системы;

ХМ с винтовыми компрессорами широко используются в интервале холодопроизводительностей от 60 до 700 кВт, т.е. на стыке между ХМ с поршневыми и центробежными компрессорами.

4) Абсорбционные холодильные машины.

-имеется возможность использования малоценной тепловой энергии с низким потенциалом (вторичные и побочные энергоресурсы);

-удобны в регулировании, малошумные;

-могут размещаться на открытой площадке.

-низкие энергетические показатели.

5) Эжекторные холодильные машины.

Это пароводяные ХМ, поэтому температура получаемого холода поло­жительная, т.е. Т0>0. Используются в системах кондиционирования воздуха при наличии дешевого низкопотенциального пара или для загрузки отопи­тельных отборов ТЭЦ в летний период.

Достоинства те же, что и у абсорбционных ХМ, кроме бесшумности.

— малая энергетическая эффективность;

6) Воздушные детандерные холодильные машины (ТХМ).

— удобны в эксплуатации, компактны;

— высокая энергетическая эффективность в расчетном диапазоне темпе­ратур.

Недостатки: недостаточная энергетическая эффективность при темпе­ратурах получаемого холода выше -80 °С и при малых холодопроизводи- тельностях (меньше 10 кВт).

Рабочий диапазон по температуре -80^-100 °C, при холодопроизводи- тельностях до 30 кВт (ТХМ 1-25 Казанского компрессорного завода).Ряд за­рубежных конструкций имеют диапазон от -120 до -150 °C.

Применяются в пищевой промышленности, при климатических испы­таниях машин и механизмов, при обработке различных материалов и др. [3].

7) Воздушные вихревые холодильные машины.

— низкая энергетическая эффективность;

— малая холодопроизводительность (до 3 кВт).

Применение вихревых труб часто оказывается выгодным при одно­кратной или эпизодической кратковременной потребности в холоде: в транс­порте; при металлообработке; в защитных костюмах; в медицине и т.п.

8) Термоэлектрические холодильники.

Просты, удобны, надежны, бесшумны, но у них большие первоначаль­ные затраты и малая энергетическая эффективность.

В настоящее время не существует методики выбора типа холодильной машины, учитывающей все факторы конкретных условий. Поэтому наиболее эффективный выбор можно осуществить только на основании технико­-экономического сравнения вариантов в сопоставимых условиях. Критерием сопоставления могут служить приведенные затраты, удельные затраты энер­гии, себестоимость единицы отпускаемого холода.

Источник