А.М. Парамонов, А. П. Стариков

РАСЧЕТ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ
КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

–––––––––––––––––––––––––––––

А. М. Парамонов, А. П. Стариков

РАСЧЕТ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ

КОМПРЕСООРНЫХ СТАНЦИЙ

Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний к выполнению курсового и
дипломного проектирования по дисциплине «Технологические
энергоносители предприятий» для студентов специальности
140104 – «Промышленная теплоэнергетика»

УДК 658.26(075.8)

Расчет и выбор оборудования воздушных компрессорных станций: Методические указания к выполнению курсового и дипломного проектирования по дисциплине «Технологические энергоносители предприятий» / А. М. Парамонов, А. П. Стариков;. Омск, 2008. 32 с.

Методические указания содержат описание методов конструктивного расчета воздушных компрессорных станций для снабжения производственных технологий сжатым воздухом. Даны принципы выбора основного и вспомогательного оборудования.

Предназначены для практического использования при выполнении курсового проектирования по дисциплине «Технологические энергоносители предприятий» студентами специальности 140104 – «Промышленная теплоэнергетика».

содержание

Введение ............................................................................................................ 4

Задание на курсовой проект............................................................................. 6

1. Расчет и выбор оборудования воздушных компрессорных станций ........ 7

1.1. Общие положения...................................................................................... 7

1.2. Расчет производительности компрессорной станции и выбор ком­прес­соров.................................................................................................................. 9

1.3. Расчет воздушных фильтров..................................................................... 15

1.4. Расчет воздухоохладителя......................................................................... 17

1.5. Расчет влагомаслоотделителя.................................................................... 24

1.6. Расчет воздухосборника............................................................................ 26

Библиографический список............................................................................... 28

Приложение. Программа расчета оборудования воздушной компрессорной станции............................................................................................................................ 29

Введение

Курсовой проект по курсу "Технологические энергоносители предприятий" является важным видом самостоятельных занятий при подготовке инженеров-промтеплоэнергетиков.

Основные цели курсового проекта в учебном процессе:

закрепить и углубить у студентов полученные знания на лекционных и практических занятиях при решении конкретных инженерных задач;

ознакомить студентов с действующими стандартами, справочниками, СНиПами и другими источниками технической информации;

ознакомить студентов с практическими задачами и современными научно-техническими решениями производства и распределения энергоносителей в системах промышленных предприятий;

развить у студентов навыки систематического, технически обоснованного грамотного изложения в пояснительной записке принятых или расчетных технических решений, методов расчета и т. п.

Задание по курсовому проекту включает в себя следующие разделы курса "Технологические энергоносители предприятий":

системы производства и распределения сжатого воздуха;

системы производственного водоснабжения.

В курсовом проекте необходимо выбрать и рассчитать теплообменные аппараты для соответствующих систем производства и распределения сжатого воздуха.

Тема курсового проекта должна соответствовать реальным задачам, решаемым в промышленной теплоэнергетике на современном уровне науки и техники. В проекте необходимо, по возможности, предусмотреть элементы новизны. Объем и сложность таких элементов выбираются индивидуально с учетом уровня подготовки студента.

Курсовой проект состоит из графической части (схемы, конструкции, компоновки) и пояснительной записки. Чертежи выполняются в карандаше в соответствии с действующими стандартами.

В пояснительной записке приводятся исходные данные, обоснование принятых решений, расчеты по исходным формулам с пояснениями, краткое описание схемы, конструкции, технологического процесса, программа расчета аппаратов на ПК и т. п. Расчетно-пояснительная записка должна быть написана чернилами или набрана на компьютере и отпечатана на принтере (на стандартных листах формата А4). В тексте делаются ссылки на использованную
литературу.

Работа над проектом выполняется в соответствии с графиком самостоятельной работы. Завершенная и полностью оформленная работа сдается преподавателю для проверки. Защита курсового проекта проводится в форме собеседования, во время которого студент рассказывает о существе работы и отвечает на вопросы преподавателя. Курсовой проект оценивается с учетом качества выполнения и оформления, степени самостоятельности и уровня защиты.

Задание на курсовой проект

Выполнить расчет и выбрать основное и вспомогательное оборудование воздушной компрессорной станции.

Необходимые данные для расчетов принимать по таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета воздушной компрессорной станции

1. РАСЧЕТ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ

КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ

1.1. Общие положения

Основной задачей при проектировании воздушных компрессорных станций являются расчет и выбор следующего оборудования (рис. 1):

компрессоров;воздушных фильтров; воздухоохладителей; влагомаслоотделителей; воздухосборников; водоохлаждающих устройств.

Компрессор, в котором происходит сжатие воздуха, является основным агрегатом, а все остальное оборудование компрессорной станции относится к вспомогательному, предназначенному для очистки, охлаждения и выравнивания давления сжатого воздуха.

Выбор типа, марки, количества и производительности компрессоров производят на основе [1, 10]:

средней расчетной и максимально длительной нагрузок на компрессорную станцию;

требуемого давления воздуха для потребителей;

сведений о тапах и марках компрессоров, выпускаемых компрессорными заводами.

Нагрузкой на компрессорную станцию называется количество воздуха, получаемое пневмоприемниками (с учетом потерь), соответствующее производительности компрессоров в рассматриваемый промежуток времени, м³/мин:

,

(1)

где Q_п – количество воздуха, полезно расходуемого пневмоприемником в единицу времени;

q – потери, возникающие при выработке, транспортировке и потреблении
сжатого воздуха, м³/мин;

Q_k – производительность работающих компрессоров, соответствующая нагрузке на них в единицу времени, м³/мин.

Нагрузка на компрессорную станцию может быть неполной (Q ≤ 0,5Q_k), средней (0,5Q_k < Q ≤ 0,75Q_k) и максимальной (Q > 0,75Q_k).

Максимальную нагрузку на компрессорную станцию условно подразделяют на максимально длительную (0,75Q_k < Q_{м. д} < 0,9Q_k) и максимально возможную (Q_{м. в} = Q_уст, где Q_уст – производительность всех установленных компрессоров на станции, в том числе и резервных).

Средняя, максимально длительная и максимально возможная нагрузки на компрессорную станцию позволяют определить:

1) установленную, рабочую и резервную производительность компрессорной станции;

2) расход электрической энергии;

3) расход охлаждающей воды;

4) расход вспомогательных материалов при производстве сжатого воздуха;

5) габаритные размеры основного и вспомогательного оборудования;

6) компоновку компрессорной станции.

В настоящих методических указаниях изложены последовательность, особенности расчета воздушных компрессорных станций и основные рекомендации по выбору оборудования.

1.2. Расчет производительности компрессорной
станции и выбор компрессоров

Установленная производительность компрессорной станции представляет собой сумму номинальных производительностей всех компрессоров, установленных на станции, в том числе резервных, м³/с:

,

(2)

где Q_кi – номинальная производительность компрессоров по всасываемому воздуху, м³/с;

n – число компрессоров;

Q_раб – рабочая производительность компрессорной станции, м³/с;

Q_рез – производительность компрессоров, находящихся в резерве, м³/с.

Принимая рабочую производительность компрессорной станции равной максимально длительной нагрузке, м³/с, получим:

.

(3)

Расчет установленной производительности компрессорной станции сводится к определению:

1) максимально длительной нагрузки на компрессорную станцию;

2) типов установленных компрессоров;

3) производительности и количества компрессоров, устанавливаемых в компрессорной станции.

Тип компрессора (табл. 2 и 3) зависит от конкретных условий, в которых он должен работать.

Поршневые компрессоры, сжимающие воздух от 0,5 до 100 МПа, производительностью до 1,7 м³/с рационально применять в компрессорных станциях производительностью до 8,5 м³/с.

Ротационные компрессоры применяют для сжатия воздуха до 1,5 МПа, их производительность не превышает 1 ,7 м³/с.

Турбокомпрессоры целесообразно применять в компрессорных установках для создания давления сжатого воздуха от 50 кПа до 1 МПа в производствах с расходом сжатого воздуха более 8,5 м³/с.

Установленную производительность компрессорной станции следует принимать такой, чтобы работающие компрессоры покрывали максимально длительную нагрузку не менее чем на 75 – 90 %:

,

(4)

где h – степень покрытия максимальной нагрузки на компрессорной станции при выходе из строя наибольшего по производительности компрессора, %;

Q_к – производительность наибольшего компрессора, подлежащего ремонту или находящегося в резерве, м³/с.

Таблица 2

Технические характеристики поршневых
воздушных компрессоров низкого давления

Таблица 3

Технические характеристики центробежных
воздушных компрессорных машин

Среднюю и максимальные нагрузки на компрессорную станцию следует определять расчетным методом. Средняя расчетная нагрузка на компрессорную станцию определяется по формуле:

, м3/мин,

(5)

где Q_{ср. ин}, Q_{ср. об} – средний расход сжатого воздуха пневмоинструментами и пневмооборудованием соответственно, м³/мин;

q¢ – потери сжатого воздуха у неработающих пневмоприемников м³/мин.

Кратковременное увеличение расхода сжатого воздуха за счет включения или одновременной работы крупных пневмоприемников создает максимальный расход воздуха, то есть максимальную нагрузку на компрессорную станцию, которая определяется:

, м3/мин,

(6)

где k_max – коэффициент максимума, который принимается равным 1,2 – 1,5 в зависимости от характера нагрузки. Большие значения k_max относятся к меньшему

количеству потребителей с большим расходом воздуха при сравнительно редком включении.

Максимальная длительная нагрузка на компрессорную станцию определяется:

, м3/мин,

(7)

где b – коэффициент неодновременности, учитывающий несовпадение во времени слагаемых максимальных нагрузок в зависимости от состава и числа групп пневмоприемников с неодинаковыми режимами работы. Он принимается равным 0,85 – 0,95 и с увеличением числа равных групп пневмоприемников уменьшается.

Если принять, что единичная производительность устанавливаемых на станции компрессоров одинаковая, то число рабочих машин определяется по формуле:

.

(8)

При нагрузках, для которых получается дробное число рабочих машин, необходимо руководствоваться следующим правилом: если дробная часть числа, получаемая по формуле (8), меньше 0,5, то к машинам данной марки дополнительно устанавливается одна машина меньшей производительности. В случае, когда дробная часть числа больше 0,5, то все компрессоры принимаются одинаковой производительности, и число машин следует брать ближайшее большее.

Производительность резервного компрессора определяют после того, как выбраны типы и производительность рабочих компрессоров. При этом необходимо, чтобы производительность резервного компрессора была равна или больше производительности самого мощного компрессора.

При расчете установленной производительности компрессоров надо учитывать изменение нагрузки по сменам, перспективы роста нагрузок, характер предприятия и т. д.

Степень использования установленной мощности выражается коэффициентом использования установленной мощности.

Коэффициент использования установленной мощности есть отношение количества воздуха, фактически выработанного за определенный промежуток времени, к тому количеству воздуха, которое могла бы выработать компрессорная станция, работая в течение всего этого времени с постоянной нагрузкой, равной ее установленной мощности (без резервного), т. е. рабочей производительности станции.

Коэффициент использования установленной мощности для компрессорной станции можно определить по формуле:

,

(9)

где Q_факт – количество воздуха, выработанное компрессорной станцией, равное средней нагрузке станции, м³/мин.

Рассмотрим на примере выбор варианта компрессорной станции.

Пример. Известны максимально длительные нагрузки на компрессорную станцию в первую и во вторую смены работы предприятия. Определить число и суммарную производительность компрессоров, установленных на станции. Расчет приведен в табл. 4.

Возможный вариант	IV		–   –   Qуст = 4·25 = 100
III		Qуст = 3·40 + 1·20 = 150
II		–   –   Qуст = 3·40 = 120
I		–   –   Qуст = 3·50 = 150
Размерность		м3/мин м3/мин     м3/мин м3/мин   шт. шт.   м3/мин
Показатели		Максимально длитель­ная нагрузка на компрес-сор­ную станцию: первая смена вторая смена Производительность компрессоров: марка А марка Б Количество устанавли-ваемых компрессоров при одном резервном: марка А марка Б Установленная произво-дительность компрессор- ной станции
6	25, 50, 75, 100
	20, 40, 60, 80
	40, 80, 120
	50, 100, 150
	%   %     м3/мин
	Обеспечение макси­мально длительной на­грузки, формула (4)   Использование ком­прессоров для обеспече­ния нагрузки во вторую смену, формула (9)   Возможная производи­тель­ность компрес­сор­ной станции

При анализе табл. 4 выбираем третий вариант, так как обеспечиваются 100 %-ная максимально длительная нагрузка в первую смену, 100 %-ное использование компрессоров во вторую смену и наиболее гибкая работа компрессорной станции при изменении нагрузки.

1.3. Расчет воздушных фильтров

Для очистки атмосферного воздуха от механических примесей
применяются фильтры.

В компрессорных станциях с поршневыми компрессорами применяются масляные металлические фильтры. В металлический корпус укладывают металлические или фарфоровые кольца (кольца Рашига), смоченные маслом, или в специальные рамки вставляют несколько рядов сеток. При прохождении всасываемого воздуха через сетки или другую пористую массу пыль и влага прилипают к их поверхности.

Ячейка масляного фильтра с насадкой из колец Рашига показана на
рис. 2. Число ячеек подбирается в зависимости от производительности компрессора или поверхности фильтра.

Необходимую поверхность фильтра определяют по формуле, м²:

,

(10)

где V – производительность компрессорной установки, т. е. количество воздуха, пропускаемого через фильтр, м³/с; К_ф – удельная нагрузка фильтра на 1 м² площади лобовой поверхности, (м³/с)/м², или скорость воздуха, проходящего через фильтр, м/с. В практических расчетах К_ф обычно принимают 1,1 – 0,27 (м³/с)/м².

Зная требуемую поверхность фильтра, определяют количество ячеек и способ расположения их в панели. Схема металлического фильтра с двумя ячейками для компрессоров производительностью 0,166 – 0,333 м³/с показана на рис. 3. Для компрессоров большей производительности применяются металлические фильтры с общим количеством ячеек до 18 штук и более, которые располагаются по вертикали и по горизонтали с целью увеличения пропускной площади по воздуху (табл. 5).

Таблица 5

Данные для расчета и выбора ячейковых масляных фильтров
с насадкой из колец Рашига

1.4. Расчет воздухоохладителя

По назначению различают промежуточные и концевые воздухоохлади­тели. Промежуточные воздухоохладители осуществляют охлаждение воздуха между ступенями компрессора. Концевые воздухоохладители устанавливаются на выходе воздуха из компрессоров.

Количество тепла, Вт, выделяемого при охлаждении влажного воздуха, можно рассчитать по формуле:

,

(11)

где Q_в – тепловой поток при охлаждении сухого воздуха, Вт;

Q_д – дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара, Вт.

4 5

Рис. 2. Ячейка масляного металлического фильтра с насадкой из колец Рашига: 1 – рамка; 2 – лист стальной; 3 – сетка; 4 – кольца Рашига; 5 – ручка

1 2

Количество тепла, отдаваемого сухим воздухом, определяется по формуле, Вт:

,

(12)

где V – производительность компрессора, м³/с;

r_в – плотность воздуха при давлении и температуре во всасывающем трубопроводе компрес­сора, кг/м³;

c_{p в} – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг · град);

t₁, t₂ – температура воздуха до и после охладителя, °С.

Дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара определяется по формуле:

,

(13)

где c_pm – средняя теплоемкость водяного пара при постоянном давлении, Дж/(кг·град);

r₀ – теплота парообразования, Дж/кг;

k – коэффициент, учитывающий снижение теплоты парообразования с повышением температуры конденсации;

x₁, x₂ – влагосодержание воздуха до и после воздухоохладителя, кг/кг.

Для расчета производительности и выбора воздухоохладителей компрессоров принять следующие теплофизические величины: c_pm = 1800 Дж/(кг·град); r₀ = 2,5·10⁶ Дж/кг; k = 2346.

Влагосодержание воздуха до и после охладителя определяется по формулам:

	;	(14)
	,	(15)

где R_в – газовая постоянная воздуха, Дж/(кг ·°С);

R_п – газовая постоянная водяных паров, Дж/(кг ·°С);

р₀ – давление воздуха во всасывающем патрубке ступени перед охладителем, Па;

р – давление воздуха в охладителе, Па;

р_1нас – давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха во всасывающем патрубке ступени перед охладителем, Па;

р_2нас – давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха на выходе из охладителя, Па;

j₁ – относительная влажность воздуха на входе в ступень компрессора перед охладителем;

j₂ – относительная влажность воздуха на выходе из охладителя (в случае конденсации водяного пара в охладителе j₂ = 1, при отсутствии конденса-
ции х₁ = х₂).

Поверхность теплообменника воздухоохладителя определяют по формуле:

,

(16)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·°С);

Dt– средний температурный напор при противотоке, °С;

e_Dt – поправка для аппаратов с перекрестным и смешанным током рабочих жидкостей (воздуха и воды) [3].

Средний температурный напор при противотоке

,

(17)

где t_в1, t_в2 – температура охлаждающего теплоносителя (воды) соответст­венно на входе и выходе из охладителя, °С.

Расчет коэффициента теплопередачи воздухоохладителей следует проводить по положениям, изложенным в курсе «Тепломассообменные процессы и аппараты». Конструкция воздухоохладителя зависит от производительности компрессора, давления охлаждаемого воздуха и охлаждающей среды (вода, воздух) кожухотрубными элементами типа "труба в трубе", U-образными змеевиками и радиаторами. Охладители всех типов, кроме змеевиковых и
U-образных, могут быть гладкотрубными или с трубами, имеющими поперечные и продольные ребра.

Компрессорные воздухоохладители для давления до 3,0-3,5 МПа выполняются преимущественно кожухотрубными, а для более высокого – кожухотрубными типа "труба в трубе", U-образными. Радиаторные охладители применяются при охлаждении воздухом.

Выбор типовых воздухоохладителей производится по каталогам на основании конструктивного расчета.

Коэффициент теплопередачи для ряда водоохлаждающих устройств
определяется по формуле:

,

(18)

где a_мтр – коэффициент теплоотдачи от воздуха к охлаждающей поверхности в межтрубном пространстве, Вт/(м²·град);

a_тр – коэффициент теплоотдачи от охлаждающего теплоносителя к поверхности теплообмена, Вт/(м²·град);

d – толщина стенки труб теплообменника, м;

l – коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м · град);

R_з – термическое сопротивление загрязнений, (м² · град)/Вт.

После выбора воздухоохладителя выполняется его проверочный расчет.

Кожухотрубные воздухоохладители имеют в межтрубном пространстве поперечные перегородки, что позволяет увеличить скорость воздуха и повысить численное значение коэффициента теплоотдачи a_мтр.

Коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждаемого воздуха рассчитывается по критериальным уравнениям:

при Rе < 1000 для коридорных и шахматных пучков

;

(19)

при Rе > 1000 для коридорных пучков

;

(20)

для шахматных пучков

.

(21)

В зависимостях (19) – (21) определяющая температура – средняя температура воздуха, определяющий размер – наружный диаметр трубы.

Расчетная скорость воздуха в межтрубном пространстве определяется по формуле:

,

(22)

где V – расход воздуха, м³/с;

S_b – площадь поперечного сечения межтрубного пространства между перегородками, м².

Коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждающего теплоносителя при течении в трубах теплообменника рассчитывается также по критериальным уравнениям.

При Rе_тр < 2300

.

(23)

Здесь

,

(24)

где d_вн – внутренний диаметр трубок, м;

– средняя температура теплоносителя (воздуха) в межтрубном пространстве, °С;

– средняя температура теплоносителя (воды) в трубном пространстве, °С;

b_тр – коэффициент объемного расширения теплоносителя в трубном пространстве, 1/°С;

r_тр – плотность воды, кг/м³;

m_тр – коэффициент динамической вязкости, Па · с.

При 2300 < Rе < 1·10⁴

,

(25)

где e – поправочный коэффициент, рассчитывается как функция Re_тр путем интерполяции данных [4], приведенных в табл. 6.

Таблица 6

Данные для расчета e

При Rе > 1·10⁴

.

(26)

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

.

(27)

где l_мтр, l_тр – коэффициенты теплопроводности теплоносителей соответственно в межтрубном и трубном пространстве, Вт/(м · град).

Расход охлаждающей воды в воздухоохладителе, кг/с,

.

(28)

где с_ж – теплоемкость воды, Дж/(кг · град).

Количество охлаждающей воды, подаваемой в рубашку цилиндра компрессора, определяется по справочным данным при выборе типа компрессора. Общий расход охлаждающей воды есть сумма количества воды в воздухоохладителе и в рубашке цилиндра компрессора. По расходу воды и ее параметрам производятся выбор и расчет водоохлаждающего устройства.

1.5. Расчет влагомаслоотделителя

Влагомаслоотделители устанавливают после промежуточных холодильников и последних ступеней компрессора. Отделение влаги и масла происходит за счет действия центробежных сил, возникающих при повороте потока. Объем влагомаслоотделителя [5]

,

(29)

где V₀ – объем подачи ступени, предшествующей влагомаслоотделению, м³/с;

a – коэффициент, равный 0,01 – 0,02 при конечном давлении менее 12,0 и 0,03 – при давлении 12,0 МПа и выше.

Влагомаслоотделитель, в котором мельчайшие капельки масла и влаги отделяются от сжатого воздуха путем резких поворотов потока воздуха при ударе на выходе из патрубка в корпус влагомаслоотделителя, показан на рис. 4. Основные размеры влагомаслоотделителя приведены в табл. 7.

Таблица 7

Основные размеры влагомаслоотделителя

Примечание. Размеры приведены в миллиметрах.