Шахтные компрессоры: виды, классификация, расчёт

Компрессор — машина, преобразующая механическую энергию привода в полезную потенциальную и кинетическую энергию газа. В компрессоре происходят повышение давления газа и перемещение его из области низкого в область высокого давления.

Классификация видов компрессоров

На горных предприятиях компрессорами осуществляется сжатие воздуха, энергия которого используется для привода различных пневматических машин.

По способу сжатия газа

По способу сжатия газа компрессоры могут быть:

• объемного сжатия (компрессоры вытеснения), в которых давление воздуха повышается за счет уменьшения рабочего пространства, — поршневые, винтовые, ротационные;
• кинетического сжатия (лопастные компрессоры), в которых воздух сжимается в процессе его принудительного движения при силовом взаимодействии с лопатками вращающихся колес, — центробежные, осевые.

По создаваемому давлению

По создаваемому давлению различают следующие виды компрессоров:

• вакуум-насосы, отсасывающие газ (воздух) из пространства с вакуумом и сжимающие его до атмосферного или несколько большего давления;
• воздуходувки, сжимающие воздух до 0,3 МПа;
• компрессоры низкого давления (0,3-1,0 МПа);
• компрессоры среднего давления (1,0— 10,0 МПа);
• компрессоры высокого давления (10—250 МПа).

В горной промышленности широко применяют компрессоры низкого давления. Вакуум-насосы используют для отсасывания метана из угольных пластов.

Поршневые компрессоры

Наибольшее распространение в горной промышленности получили поршневые компрессоры.

По типу и числу цилиндров они подразделяются на компрессоры одно- и двустороннего действия, одно- и многоцилиндровые, одно- и многоступенчатые.

Компрессор одностороннего действия

В компрессоре одностороннего действия (рис. 7.7, а) за один двойной ход поршня 2 в цилиндре 3 совершается один рабочий цикл, включающий в себя процессы всасывания воздуха через клапан 5, его сжатия и нагнетания через клапан 1.

Поэтому теоретическая производительность (м3/мин) такого компрессора:

               (7.15)

где

• Vр = FS — рабочий объем цилиндра, м³;
• F — площадь поперечного сечения цилиндра, м2;
• S — длина хода поршня, м;
• п — частота вращения кривошипа, с^-1.

Компрессор двустороннего действия

Компрессор двустороннего действия (рис. 7.7, б) имеет две пары клапанов 1 и 5 и поршень 2 с двумя рабочими сторонами. Поэтому за один двойной ход поршня совершаются два рабочих цикла и теоретическая производительность:

где f — площадь поперечного сечения штока, м2.

Для увеличения производительности компрессоров несколько цилиндров 3 соединяются параллельно (рис. 7.7, в). Их поршни 2 приводятся в движение общим коленчатым валом 4. Такие компрессоры называют многоцилиндровыми.

Все приведенные схемы присущи одноступенчатым компрессорам. С увеличением давления подача компрессора уменьшается, что объясняется влиянием на действительный процесс поршневого компрессора в первую очередь вредного пространства и сопротивления клапанов.

Вредное пространство компрессора

Вредным называется пространство между рабочей поверхностью поршня в его крайнем положении при нагнетании и крышкой цилиндра, а также каналы, соединяющие клапаны с цилиндром.

Влияние указанных факторов можно проследить по индикаторной диаграмме (рис. 7.7, г). После завершения процесса нагнетания во вредном пространстве остается сжатый воздух.

Поэтому падение давления в цилиндре при движении поршня на всасывание будет происходить не мгновенно по линии 4-1, как это имело бы место при идеальном процессе (диаграмма идеального цикла показана пунктирными линиями, точки 1—2-3—4-1), а по линии 4—1;, которая отображает процесс расширения воздуха из вредного пространства.

Таким образом, процесс всасывания с учетом только вредного пространства мог бы начаться в точке 1¹, когда давление в цилиндре упадет до атмосферного.

Однако он начинается в точке 1¹¹, когда давление в цилиндре становится меньше атмосферного на величину, обеспечивающую преодоление сопротивления клапанов, под которым понимается совокупность сопротивления разделительных элементов клапанов, обусловленного силами их инерции, и аэродинамических сопротивлений проточных каналов клапана и всасывающей магистрали компрессора.

Подобные же сопротивления должны быть преодолены и в процессе нагнетания. Поэтому в реальном компрессоре процесс всасывания (линия 1¹¹ — 2¹¹) происходит при давлении р₁ меньшем атмосферного давления р_а, а процесс нагнетания (линия 3¹¹ — 4¹¹) происходит при давлении р₂, большем давления р₀ воздуха во внешней сети.

Как следует из диаграммы действительного процесса (1¹¹ — 2¹¹ — З¹¹ —- 4¹¹ — 1¹¹;), существование вредного пространства и сопротивления клапанов приводит к уменьшению подачи компрессора, так как объем воздуха, поступающего в цилиндр при всасывании, приведенный к атмосферному давлению (объем Vs), меньше объема рабочей камеры.

Коэффициент действительной производительности компрессора

Действительная производительность компрессора:

          (7.17)

где

• λ_п — коэффициент подачи компрессора;
• Qд — объем воздуха, действительно поступающий в цилиндр при всасывании, приведенный к атмосферному давлению.

Коэффициент подачи зависит от конечного давления в цилиндре и с увеличением его уменьшается, так как уменьшается объем воздуха, поступающего в цилиндр при всасывании, и увеличиваются утечки.

Давление, которое можно получить в одноступенчатом компрессоре, ограничивается предельной величиной р_пр = 0,4-0,7 МПа.

При необходимости получения большего давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых несколько цилиндров соединяют последовательно через промежуточный холодильник.