Анализ способов охлаждения при производстве сжатого воздуха для горных машин

ГОРНЫЕ МАШИНЫ

© О.В. Замыцкий, 2001

УДК 65.012.12:622.413.4

О.В. Замыцкий

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЖАТОГО ВОЗДУХА ДЛЯ ГОРНЫХ МАШИН

В настоящее время основным источником сжатого воздуха на горных предприятиях служат многоступенчатые турбокомпрессоры. Обязательным условием их нормальной эксплуатации является охлаждение сжатого воздуха, этим достигается существенное уменьшение требуемой мощности [1]. Так, снижение температуры воздуха на 10 оС приводит к уменьшению требуемой мощности турбокомпрессора в среднем на 1,2 % [2]. Кроме того, от температуры сжатого воздуха зависит его влажность, а значит и срок службы пневмоприводов горных машин.

В турбокомпрессорах принципиально возможно осуществление трех способов охлаждения воздуха: предварительного, внутреннего и внешнего выносного охлаждения.

При первом способе охлаждения охладитель устанавливается перед компрессором и снижается начальная температура газа. При постоянной объемной производительности предварительное охлаждение увеличивает массовую производительность и несколько увеличивает мощность из-за потерь давления в охладителе.

Предварительное охлаждение целесообразно применять при большой разности температур всасываемого газа и охлаждающей среды, что может быть достигнуто при использовании холодильной

машины. Это невыгодно, так как затрата энергии в ней будет больше, чем экономия, достигаемая при сжатии газа. Поэтому в настоящее время в горной промышленности такой способ охлаждения, как самостоятельный, не применяют.

При втором способе охлаждения воздуха происходит непосредственно в корпусе турбокомпрессора, в то время, когда воздух проходит через диффузоры и обратные направляющие аппараты.

Внутреннее охлаждение воздуха, в свою очередь, может осуществляться двумя путями: отводом тепла от воздуха при движении его по направляющим аппаратам ступеней и впрыскиванием охлаждающей жидкости в поток воздуха между рабочими колесами.

В первом случае для отвода тепла от воздуха внутри каждой ступени предусматриваются полости, по которым проходит охлаждающая вода. Обычно для улучшения теплоотвода эти полости снабжены рядом перегородок, а направляющие аппараты выполняются с большим количеством тонких лопаток, играющих роль ребер поверхностей охлаждения.

После первых ступеней эффект, достигаемый за счет внутреннего охлаждения, незначителен вследствие малого перепада температур между воздухом и охлаждающей водой. По мере возрастания температуры воздуха влияние

охлаждения усиливается, и процесс сжатия приближается к изотермическому.

Охлаждение водой, движущейся по внутренним каналам машины, применялось до недавнего времени очень широко. При этом способе влага из газа обычно не выпадает, что особенно важно при сжатии газов, агрессивных во влажном состоянии. Однако из-за необходимости создать достаточную поверхность охлаждения как осевые, так и особенно радиальные размеры машины приходится сильно увеличивать. Увеличение пути газа снижает газодинамический КПД. Особенно трудно создать требуемую поверхность охлаждения при больших объемных производительностях. Одним из серьезных препятствий применения охлаждения при помощи водяных рубашек являются трудности их демонтажа и очистки водяных каналов от накипных отложений. Для турбокомпрессоров с внутренним охлаждением этого типа характерны увеличенные габариты, что объясняется стремлением улучшить охлаждение воздуха за счет увеличения размеров направляющего аппарата; кроме того, значительно усложняется конструкция турбокомпрессора. Поэтому турбокомпрессоры с внутренним охлаждением в таком конструктивном исполнении у нас не выпускаются, и этот способ охлаждения в последнее время применяется редко.

При втором способе внутреннего охлаждения (испари-тельное охлаждение) жидкость (обычно вода) впрыскивается в поток нагретого воздуха, выходящего из рабочего колеса. За счет испарения жидкости от воздуха отнимается тепло, и температура его понижается. Так, при впрыскивании 10 г воды на 1 кг сухого воздуха понижение температуры последнего составит 25 оС.

Но возможность снижения температуры сжимаемого воздуха

за счет впрыскивания воды не является безграничной, так как при достижении температуры, соответствующей точке росы, дальнейшее испарение воды, а следовательно, и охлаждение воздуха прекращается. Например, при абсолютном давлении 0,75 МПа и впрыскивании более 70 г воды на 1 кг сухого воздуха наименьшая достижимая температура воздуха составляет 92 оС [1].

Эффект охлаждения впрыскиванием воды несколько снижается при увеличении влажности засасываемого турбокомпрессором воздуха.

При определенных условиях, для средних степеней сжатия (2,53,0) впрыск воды может оказаться даже более эффективным средством охлаждения, чем система внешнего охлаждения.

При рациональном дозировании количества впрыскиваемой жидкости имеется возможность работать на режиме, соответствующем прямой, идущей параллельно (но несколько выше) прямой насыщения, т.е. без образования конденсата.

Выигрыш в мощности, получаемый в связи со снижением температуры, уменьшается из-за необходимости затрачивать дополнительную работу на сжатие образовавшихся паров. Несколько снижается экономия мощности также вследствие нарушения кинематики потока при введении жидкости. Этот способ охлаждения применяют при сжатии газов с довольно высокими значениями показателя адиабаты (например, аммиак, нитрозные газы), когда при сжатии сильно возрастает температура. Количество впрыскиваемой жидкости должно быть таким, чтобы она вся испарялась и не выпадала в капельной форме из-за чрезмерного снижения температуры; по мере увеличения давления температуру газа после впрыска приходится повышать.

Достоинство этого способа заключается в его простоте и высокой эффективности, а также в значительном упрощении конструкции турбокомпрессора.

Кроме экономии мощности испарительное охлаждение по сравнению с внутренним и внешним водяным охлаждением имеет ряд дополнительных преимуществ: достигается лучшая очистка газа от посторонних засоряющих частиц, уносимых газом, возможна промывка воздушных каналов от различных отложений путем периодической продувки и усиленного подвода жидкости при открытых дренажных люках.

Кроме того, данный метод охлаждения имеет следующие недостатки: повышается влагосо-

держание выходящего из компрессора воздуха, причем влага эта конденсируется в трубопроводе, усиливая коррозию его, необходима тщательная предварительная очистка впрыскиваемой воды для устранения возможности образования накипи в рабочих пространствах турбокомпрессора, а также точная дозировка количества впрыскиваемой воды, так как подача в турбокомпрессор чрезмерного количества воды приводит к неполному испарению ее, и, следовательно, усиленному износу рабочих колес и направляющих аппаратов в результате эрозии при неполном испарении охлаждающей жидкости.

Отечественной промышленностью в настоящее время компрессоры с охлаждением воздуха впрыскиванием жидкости не выпускаются, однако за рубежом они нашли применение [3].

Испарительное охлаждение в компрессорах высокого давления (0,7-0,9 МПа) не применяется. Компрессоры высокого давления имеют внешнее охлаждение. Это объясняется, очевидно, трудностями, связанными с эрозией, коррозией, а также частичной конденсацией, и невозможностью глубо-

кого охлаждения сжатого воздуха при таком давлении по причинам, указанным выше, все это для таких компрессоров превышает те выгоды, которые дает испарительное охлаждение. Кроме того, увеличение влажности воздуха делает этот метод охлаждения непригодным для центральных воздушных силовых установок.

При осуществлении треть-его способа охлаждения воздух после группы неохлаждаемых ступеней (секций) отводится из корпуса турбокомпрессора в специальный внешний воздухоохладитель, откуда после охлаждения он поступает в следующую секцию (внешнее выносное охлаждение). Это наиболее распространенный способ охлаждения воздуха в турбокомпрессорах.

При степени повышения давления 7-10 в турбокомпрессорах отечественного производства предусматривается устройство двух промежуточных и одного концевого воздухоохладителей.

Поскольку при этом непосредственное охлаждение рабочих колес компрессора невозможно, то действительное сжатие происходит в адиабатно-политропических условиях, а охлаждение газа происходит либо как предварительное, либо как последующее. Последующее охлаждение не влияет на расходуемую мощность предыдущих колес; выгода от охлаждения получается только в результате предварительного охлаждения перед каждой ступенью.

Этот способ охлаждения позволяет сильно увеличить поверхность охлаждения и понизить температуру газа до близкой к начальной температуре охлаждающей воды.

При внешнем охлаждении температура газа после охлаждения обычно ниже точки росы, и из него выпадает влага. Поэтому предусматривают соответствующие конструктивные мероприятия для предотвращения заноса влаги

в машину. В пневматических установках, обслуживающих шахты и ударный пневматический инструмент, уменьшение влажности сжатого воздуха очень важно, так как высокая влажность приводит к перебоям в работе и выходу из строя оборудования. Для этих целей служат концевые воздухоохладители которые наряду, со снижением мощности затрачиваемой на прокачку сжатого воздуха по воздухопроводу к потребителю приближают точку выпадения конденсата, обеспечивая его улавливание во влагоотделителях.

Достоинством этого способа является более интенсивное охлаждение воздуха.

Существенный недостаток - быстрое ухудшение качества охлаждения в результате отложения накипи на стенках трубок воздухоохладителей при работе на неподготовленной воде. При этом в результате постоянного испарения части воды в градирне ее жесткость постоянно увеличивается.

Так, из анализа физикохимических свойств воды, применяемой для охлаждения компрессорных агрегатов [4], видно, что вода, поступающая после охлаждения из градирни, содержит в 3 раза больше плотного остатка, углекислоты общей, окиси магния. Окиси натрия в пересчете на №20 содержится в воде, поступающей из градирни, более чем в 6,5 раза больше, нитратов - в 10 раз, серного ангидрида и хлор ионов - более чем в 3 раза. Это способствует интенсивному отложению твердых соединений на внутренней по-

верхности трубок воздухоохладителей, и приводит к резкому уменьшению поперечного сечения трубок, увеличению их термического сопротивления и, как следствие, - недостаточному охлаждению сжатого воздуха, температура которого в особо неблагоприятных случаях может достигать 90-120 оС.

В результате существенно усложняется эксплуатация турбокомпрессора, постепенно увеличивается удельная потребляемая мощность, снижается производительность.

Кроме перечисленных способов охлаждения возможны и различные их комбинации.

Примером может служить способ, сочетающий предварительное и внешнее охлаждение в промежуточных охладителях [5]. Показано, что при такой схеме понижение температуры засасываемого воздуха на 1 % повышает производительность компрессора на 0,3 % и снижает удельный расход энергии на 0,01 кВт-ч/м3. Это реализовано за счет усовершенствованной конструкции воздушного фильтра компрессора, в который подается преимущественно холодный поток атмосферного воздуха, и удаляются укрупненные частицы пыли из периферийного потока вихревой воронки. При таком способе охлаждения несколько увеличивается сопротивление впускного тракта компрессора, поэтому действительное снижение потребляемой мощности будет несколько ниже прогнозируемого из-за снижения

температуры засасываемого воздуха.

Перспективным является метод охлаждения за счет контактного теплообмена с распыленной водой без ее испарения. Этот метод сочетает в себе достоинства внешнего и внутреннего испарительного способов, но лишен их недостатков. Вода впрыскивается в воздухопровод компрессора после каждой секции сжатия в количестве 1,6 кг на 1 кг воздуха и обеспечивает охлаждение воздуха от 135 оС до 35 оС. Это обуславливает без испарительный режим работы охладителя при минимальных потерях воды с паром. Отделение воды происходит в специальных капле-уловителях, установленных перед следующей секцией. Вода при таком способе охлаждения может быть нагрета только до температуры мокрого термометра при данных условиях (температуре, давление и влажности воздуха). Основным достоинством этого способа является высокая интенсивность теплообмена из-за отсутствия разделяющих поверхностей, подверженных загрязнению накипью. Недостаток - несколько усложненная, по сравнению с традиционной, схема водоснабжения.

Таким образом, применяемые в настоящее время способы охлаждения не всегда обеспечивают снижение температуры воздуха до необходимого уровня, в то же время, выбор более эффективного способа охлаждения является существенным резервом для снижения энергопотребления турбокомпрессоров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Цейтлин Ю.А., Мурзин В.А. Пневматические установки шахт. - М,: Недра, 1985. - 352 с.

2. Трегубов В.А. Замыцкий О.В. Оценка энергопотерь от нарушений температурных режимов турбокомпрессорных установок//Лрнича електромеханіка та автоматика 2 (61). - Дніпропетровськ-1999. - С. 130-132.

3. Степанов А.И. Центробежные и осевые компрессоры, воздуходувки и вентиляторы. - М.: ГНТИМЛ, 1960. -348 с.

4. Отчет о научно-исследовательской работе механизация и автоматизация технологических процессов добычи и переработки руд // КГРИ. - Кривой Рог, 1987. - 82 с.

5. Снижение энергозатрат при производстве сжатого воздуха для горных машин / Кобелев Н.С. // Изв. вузов. Геол. и разведка. 1997. - №6. - С. 167-168.

6. Чистяков Ф.М., Игнатенко В.В., Романенко Н.Т., Фролов Е.С. Центробежные компрессорные машины. - М.: Машиностроение, 1969. - 328 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

ш

Замыцкий Олег Владимирович - доцент, кандидат технических наук, Криворожский технический университет.