АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Струйные газовые насосы и компрессоры

Газовые насосы и компрессоры, работающие при помощи струи пара или воды, широко применяются в химической промышленности. Принцип действия этих машин состоит в том, что газ, главным образом воздух, увлекается силой поверхностного трения при движении с боль­шой скоростью струи воды или пара; струя рабочего пара (воды) сообщает

Газу вследствие трения часть своей кинетической энергии, которая затем преобразуется в потенциальную энергию давле­ния.

Струйные насосы могут быть всасывающими и нагне­тающими; в первом случае они называются эжекторами, во втором—и н ж е к т о р а - м и. Чаще всего применяют пароструйные насосы и ком­прессоры.

Пароструйные насосы и компрессоры. Принцип действия газовых струйных насосов тот же, что и струйных насосов для жидкостей (см. главу II). На рис. 83 схематически изображен одноступенчатый паро­струйный насос, который состоит из головки / со всасывающим штуцером 2, парового сопла 3, смесительной камеры 4 и диффузора 5; наиболее узкое сечение 6 диффузора называется его горлом. Рабочий пар поступает в паровое сопло, адиабатически расширяется в нем и выходит из сопла с большой скоростью (1000—1400 м/сек). Вследствие поверх­ностного трения пар увлекает засасываемый воздух (или паровоздушную смесь) и смешивается с ним в смесительной камере. Получающаяся смесь, обладающая скоростью, меньшей скорости истечения пара из сопла, поступает в диффузор, в котором происходит преобразование скорости смеси в давление, т. е. ее сжатие. Сжатая смесь выталкивается в нагнета­тельный трубопровод.

Протекание пара через сопло. Истечение паров и газов через от­верстия происходит с очень больщой скоростью, причем в процессе истечения, в от­
личие от жидкостей, меняется не только давление, но и удельный объем паров и газсв, т. е. происходит их расширение.

В известной формуле истечения жидкостей

W = -/2gH

Высота напора Н представляет собой работу 1 кгс жидкости на пути Н. При истече­нии паров и газов этой величине соответствует работа расширения L или перепада тепла, и, следовательно, скорость истечения может быть выражена так:

W2 = У 2gL м/сек

Работу адиабатического расширения можно выразить и иначе—через адиабати­ческий перепад тепла. Обозначим:

Tx—теплосодержание пара перед соплом в ккал/кгс\

T2—теплосодержание пара после адиабатического расширения в ккал/кгс. Тогда

L = - д - (г*! — /2) кгс-м! кгс

Или

М

L = —д-кгс-м/кгс (1—159)

Где &і=іх—it—адиабатический перепад тепла.

Подставив значение работы адиабатического расширения в выражение скорости истечения, получим

Ш2 = yr2g 427 Ді м/сек или ^

Ш2 = 91,53 у/ж м/сек (1—160)

Практически скорость истечения всегда несколько меньше теорети­ческой. Вводя, как и при истечении жидкостей, коэффициент скорости JX, найдем действительную скорость истечения

W2 = u-91,53 У Li м/сек (1 —161)

Причем р.= 0,95.

Если пар или газ перед соплом находится не в состоянии покоя, а подходит к его входному отверстию с некоторой скоростью wx м/сек, то скорость истечения будет несколько больше вычисленной по уравнениям (1—160) и (1—161).

Так как L—427 А/—потенциальная энергия, переходящая при истечении в кинетическую, то по закону сохранения энергии должно соблюдаться равенство

Wl ш? — = — 4- L 2 g

Следовательно, скорость истечения в этом случае равна

W1 = Vw\ 4- 2gL м/сек (1—162)

Из технической термодинамики известно, что скорость истечения паров и газов через отверстия в тонких стенках ограничена некоторьм пределом, причем предельная или критическая скорость опреде­ляется уравнением

— Pivi =V2SjirRT (1-163)

Этой критической скорости соответствует критическое отношение давлений, при котором количество пара или газа, протекающее через отверстие в единицу времени, достигает максимума и с возрастанием давления не увеличивается.

Р2

Для газов при £=1,40 критическое значение. -—=0,528

Насыщенного водяного пара » » . . -~- = 0,577

Pi

Перегретого пара » » . . -^- = 0,546

Рх

Р2

Определяя по критическому значению отношения ~ давление пара после адиабатического расширения, найдем, что давление насыщенного пара в устье истечения определяется соотношением

Р2 ^ 0,577/?х

Независимо от абсолютной величины давления рг перед отверстием. Это весьма невыгодное условие, которое препятствует более полному исполь­зованию кинетической энергии струи пара, а также достижению высо­ких разрежений, устраняют применением двойного насадка на отвер­стие сопла Лаваля. Это сопло является одной из основных частей паро­струйных насосов; оно состоит из суживающегося насадка, к которому присоединен второй—конически расходящийся. Отношение давлений достигает критического значения в самом узком сечении сопла. Дальней­шее расширение пара происходит в конической части сопла, где работа расширения превращается в кинетическую энергию пара, т. е. повышается скорость пара.

Давление в конической части сопла падает ниже величины, соот­ветствующей критическому отношению, а следовательно, скорость исте­чения может быть выше критической, причем она определяется вели­чиной угла конуса сопла. Практически угол конусности не более 10—12°, так как при большем угле струя пара отрывается от стенок.

Если оценивать работу пароструйного насоса только как работу прибора для сжатия, то к. п. д. его низок,' причем при изотермическом сжатии он несколько выше, чем при адиабатическом. Максимально дости­жимый к. п. д. при адиабатическом сжатии -^5,7%. В общем виде к. п. д пароструйного насоса

^ = (1-164)

Где G—общее количество засасываемой смеси воздуха и пара в кгсісек, L—удельная работа адиабатического расширения в кгсм/кгс, D—расход рабочего пара в кгс/сек', Ді—адиабатический перепад тепла в ккал/кгс. Пароструйные насосы, имеющие к. п. д. значительно меньший, чем поршневые и центробежные, рационально применять в тех случаях, когда возможно использовать теплоту пара для нагрева и повысить тем самым их к. п. д. до 90—95%.

Пароструйные насосы не имеют движущихся частей, просты по конструкции, компактны и могут быть установлены в любом месте, так как не требуют ни фундаментов, ни трансмиссий.

Особенно сказываются преимущества пароструйных насосов перед поршневыми и водокольцевыми насосами в тех случаях, когда необхо­димо получать глубокий вакуум. При помощи пароструйных лаборатор­ных насосов, работающих на парах ртути, можно достигать разреже­ний, соответствующих остаточному давлению—одной десятимиллионной доли атмосферы.

Следующие недостатки: 1) значи - пуск; 3) смешение засасываемого газа с паром. Вследствие боль­шого расхода пара экономичное применение пароструйных эжек­торов ограничено областью оста­точных давлений, меньших 30— 40 мм рт. ст.) для экономии пара пароструйные насосы комбини­руют с водоструйными. Так как весовое количество воздуха, отса­сываемого эжектором, мало ме­няется с изменением давления воздуха, в начале пуска, когда давление еще велико, а отсасы­ваемый объем воздуха мал, на­сос работает с пониженной произ­водительностью (этот недостаток отсутствует у поршневых и водо - кольцевых насосов, засасываю­щих постоянный объем воздуха независимо от его давления).

В последнее время паро - струйнце насосы широко приме­няют для создания вакуума в перегонных, выпарных и сушиль­ных установках химической про­мышленности. Кроме того, их при­меняют в процессах вакуум-кри­сталлизации и установках для охлаждения воды и получения льда, а также в конденсационных установках паровых турбин.

Конструкции пароструйных насосов. На рис. 84 изображен одноступенчатый пароструйный насос; устройство его не тре­бует особых пояснений. При помощи одноступенчатого пароструйного насоса можно достичь вакуума, равного 90%. Для получения более глу­бокого вакуума—от 95% и выше, т. е. для остаточных давлений ниже 30 мм рт. ст., включают последовательно несколько пароструйных насо­сов, а для того чтобы каждый последующий насос не производил сжатие отработанного пара предыдущего насоса, устанавливают промежуточные
конденсаторы, в которых отработанный пар конденсируется водой. Со­держание пара в смеси, засасываемой эжектором, установленным за конденсатором, определяется упругостью пара при температуре кон­денсации, зависящей исключительно от температуры поступающей в конденсатор охлаждающей воды.

Схема такого многоступенчатого пароструйного насоса (вакуум - эжекционной установки) показана на рис. 85. Засасываемая парогазо­вая смесь или воздух поступает в пароструйный эжектор 1 первой сту­пени и из него, вместе с отработанным рабочим паром, направляется в барометрический конденсатор 2 первой ступени. Здесь, смешиваясь с охлаждающейся водой, пар конденсируется.

Газ или воздух засасывается эжектором 3 второй ступени, после чего проходит последовательно конденсатор 4, эжектор 5 и конденсатор 6 третьей ступени и выбрасывается наружу эжектором 7. Эжектор 8

Является вспомогатель­ным; он включается параллельно основному агрегату для ускорения пуска его в ход и от­ключается по достиже­нии необходимого ваку­ума. Конденсат и вода из конденсаторов посту­пают самотеком в баро­метрический ящик 9.

Средняя величина сжатия в одной сту­пени такого агрегата равна <—'3. Поэтому число его ступеней зависит от величины требующегося вакуума. Так, для остаточного давления 30 мм pm. ст. достаточно уста­новить трехступенчатый агрегат, а для остаточного давления Юлш рт. ст. необходимы четыре ступени и т. д.

Водоструйные насосы. Примером простейшего водоструйного насоса может служить лабораторный стеклянный насос, в котором струя воды из сети водопровода поступает по оси в суживающееся коническое сопло.

Струя воды, проходя с большой скоростью через сопло, силой по - верхростного трения увлекает воздух, поступающий из всасывающего трубопровода.

Схема водоструйного насоса аналогична схеме пароструйного на­соса, показанной на рис. 84.

В водоструйном насосе (рис. 86) вода через штуцер 1 поступает в сопло 2, из которого вытекает с большой скоростью. Воздух поступает через всасывающий штуцер 3. Струя воды, вытекая из сопла, увлекает воздух в камеру смешения 4, откуда смесь через диффузор 5 и штуцер 6 направляется в нагнетательный трубопровод.

29. Вентиляторы

Вентиляторами называют машины, служащие для перемещения воз­духа (газа) по каналам или трубопроводам, а также непосредственно из одного пространства в другое, давления в которых одинаковы.

Различают два основных типа вентиляторов: 1) центробежные и 2) осевые (пропеллерные).

Центробежные вентиляторы. По принципу действия центробежные вентиляторы аналогичны одноступенчатым турбогазодувкам, но пред»
назначены для отсасывания или нагнетания больших количеств газа при небольшим напоре. В зависимости от величины напора центробежные вентиляторы делятся на три группы:

1) низкого давления, с напором 6—100 мм вод. ст.\

2) среднего давления, с напором 100^—200 мм вод. ст.\

3) высокого давления, с напором 200—1000 мм вод. ст. и более.

Все, что было выше изложено о работе турбогазодувок, приложимо

К работе и расчету центробежных вентиляторов, но в отличие от турбо­газодувок давление газа в вентиляторах изменяется незначительно, что практически позволяет пренебречь изменением плотности нагнетаемого воздуха или газа и считать его неупругой жидкостью. При таком допу­щении работу центробежного вентилятора можно рассматривать как работу центробежного насоса для жидкостей.

Для получения более высоких давлений (или наименьшего раз­мера рабочего колеса при заданном давлении) колеса вентиляторов изго­товляют обычно с лопатками, загнутыми вперед, причем угол % (см. рис. 79) принимают равным 30—60°, а угол равным 110—140°.

Диаметр всасывающего отверстия вентилятора определяют по фор­муле

М <'-165)

Где VM—производительность вентилятора в м3/мин\

WBC,—скорость во всасывающем отверстии в м/сек.

Величину ьувс принимают равной 13—30 м/сек. Диаметр колеса вен­тилятора берут обычно равным диаметру всасывающего патрубка или немного большим его.

Напор, создаваемый вентилятором, затрачивается на преодоление сопротивлений в линиях всасывания и нагнетания (hBC. и h^^), а также на создание скоростного напора струи, выходящей из нагнетательного трубопровода (/гск.), и на преодоление статической высоты столба газа #0.

Поэтому можно написать равенство

Н = н0 + HBC, + /?наг.,+ HCK, М ст. газа

Р = тя = т//0 Н- (1 +JEQ Мм вод. ст. (1—166

Где ьунаг.—скорость газа в выходном отверстии (нагнетательном патруб­ке) вентилятора в м/сек;

7—уд. ' вес газа в кгс/м3;

ЕС—сумма всех коэффициентов сопротивления в линиях всасы­вания и нагнетания.

Практически величину статического напора вентилятора уЯ0 при нагнетании воздуха можно считать равной нулю.

Обычно диаметр нагнетательного трубопровода больше диаметра выходного патрубка вентилятора; поэтому выходной патрубок соединяют с^ нагнетательным трубопроводом плавным переходом (диффузором) едем, чтобы использовать получающуюся при этом разность скоростных напоров на преодоление сопротивлений в линиях.

Мощность на валу вентилятора определяют по формуле

AJ __ УсекМУ __ Усек. Р „ят і І 1С7\

N° — 102к] = 1Щ - тт (1-167)

ГдеУсек.—объем засасываемого газа в мг/сек\ Р—Ну—избыточное давление, создаваемое вентилятором, в кгс/м2 или в мм вод. ст.; tj—полный к. п. д. вентилятора, равный 0,5—0,7.

Как видно из формулы (1—167), вследствие незначительной раз­ности давлений, создаваемых вентиляторами, при определении потребляе­мой ими мощности можно пренебречь изменением состояния газа в про­цессе сжатия, отнеся величины VceK. и т к условиям всасывания.

Рис. 87. Центробежный вентилятор Сирокко: /—кожух; 2— рабочее колесо; 3— всасывающий патрубок; 4—нагнетательный патрубок.

Теоретически для центробежных вентиляторов существует такая"*же зависимость между числом оборотов, производительностью, напором и мощностью, как и для центробежных насосов:

Усек.2___________________ /іМ2- 3____________ / "а \3

VceK-j - «і'

Широко распространены центробежные вентиляторы Сирокко (рис. 87), имеющие спиралевидный кожух I, склепанный или сваренный из листо­вой стали толщиной 3—5 мм. Внутри кожуха вращается рабочее колесо 2; оно состоит из большого числа загнутых коротких лопаток, которые приклепаны или приварены с одной стороны к диску на втулке колеса, а с другой—к наружному кольцу, которое соединяется с диском специаль­ными тягами, повышающими жесткость конструкции. Воздух или газ засасывается через патрубок 3 и удаляется под небольшим напором через нагнетательный патрубок 4.

Если перемещаемые газы химически активны, то внутренние части вентилятора защищают специальными покрытиями (например, гомогенно освинцовывают) или изготовляют вентиляторы из кислотоупорных ма­териалов.

Осевые (пропеллерные) вентиляторы. Осевые вентиляторы приме­няют в тех случаях, когда требуется перемещать большие объемы воз­духа при очень малом напоре (не более 25 мм вод. ст.). Осевой вентиля­тор представляет собой заключенное в кожух рабочее колесо, состоящее из нескольких радиально расположенных лопаток и втулки, служащей для скрепления их между собой.

Принцип действия осевых вентиляторов основан на сообщении энергии частицам воздуха (или газа) за счет ударов быстро вращаю­щихся крыльев рабочего колеса; встречая воздух под некоторым углом, они ударами создают ток воздуха параллельно оси вращения вентиля­тора.

Колесо осевого вентилятора низкого давления обычно закрепляют непосредственно на валу двигателя. Вентилятор устанавливается в от­верстии потолка или стены вентилируемого помещения, так как при не­значительной величине напора, создаваемого этими вентиляторами, устройство трубопровода и каналов, увеличивающих сопротивление, не­целесообразно.

В осевом вентиляторе конструкции ЦАГИ (рис. 88) лопастное ко­лесо изготовлено по типу воздушного пропеллера. Осевые вентиляторы

ЦАГИ способны развивать напор до 100 мм вод. ст. и более, а к. п. д. их равен 0,6 и выше. Мощность осевого вентилятора, при заданных про­изводительности и напоре, определяется так же, как и центробежных вентиляторов.

Кроме вентиляторов, предназначенных для перемещения чистого воздуха при нормальных температурах, имеются пылевые вентиля­торы для транспортирования пыльных, загрязненных газов (эти машины имеют колеса с малым числом лопаток и отличаются большой прочностью конструкции), а также дымососы для отсасывания горячих дымовых газов; подшипники дымососов имеют водяное охлаждение.

Естественная тяга. К числу наиболее широко распространенных методов перемещения газов относится естественная тяга при помощи дымовой трубы. Движущая сила газового потока при естествен­ной тяге определяется исключительно разностью плотностей газа в на­чальном и конечном пунктах газохода. Любой «легкий» газ, как, например, водород, находясь в вертикальной трубе, создает движущую силу, на­правленную снизу вверх, и, наоборот, любой «тяжелый» газ, как, например, углекислота, создает движущую силу, направленную сверху вниз.

При помощи естественной тяги можно создать только разрежение газа, причем величина этого разрежения незначительна и зависит от тем­пературы перемещаемого газа.

Научное обоснование естественной тяги дает так называемая гидрав­лическая теория, основателем которой является М. В. Ломоносов, поло­живший начало теории выдавливания теплого газа холодным.

Термин «тяга» является чисто условным, установившимся по тради­ции; по существу перемещение газа происходит вследствие выдавливания
теплого газа холодным, совершенно аналогично выдавливанию жидкости с меньшим удельным весом жидкостью, обладающей большим удельным весом.

Интенсивность естественной тяги измеряется величиной разрежения у основания канала или трубы. Различают разрежение статическое и ди­намическое; первое служит для преодоления всех сопротивлений при движении газа по трубе и каналам, второе создает ту скорость, с которой движется газ по каналу.

Гидравлическая теория показывает, что в пространстве, заполнен­ном легким газом, давление у поверхности нижнего зеркала равно давле­нию атмосферы, в то время как в любом другом пункте этого простран­ства давление выше атмосферного.

Газ испытывает обращенное гидростатическое давление, равное вы­соте столба газа, умноженной на разность удельных весов наружного воздуха и теплого легкого газа.

Обозначим: h—высота канала в м; їв—УД - вес наружного воздуха в кгс/м3; уг—средний уд. вес газа в канале в кгс/м3; tB—температура наружного воздуха в °С; tr—средняя температура газа в канале в °С; В—барометрическое давление в мм рт. ст.; р—гидростатическое давление в кгс/м2 или мм вод. ст. Тогда величина гидростатического давления или так называемая теоре­тическая тяга равна

Р = (YB — уг) H Кгс/м2 или мм вод. ст.

Относя удельный вес воздуха к нормальным условиям, т. е. к тем­пературе 0° и 760 мм ptn. ст.

Тв-1.293 ( 2732^B)7F0 Кгс/м3

Определяют величину естественной тяги по уравнению

В ' 273 \

Р= ygQ ^ 1,293 2iz+t ) ~~~ Тг h мм вод• ст• (1—168)

Если внутри трубы будет, так же как и снаружи, находится воз­дух, как, например, при естественной вентиляции, то уравнение (1—168) принимает вид

Р = 1,293 ■ 273 ( 273 + /7 ~~~ 273 )

Или

Р = 0,465Bh ^------ 273Гг ) мм вод• ст- (1—169)

При проектировании естественной тяги рассчитывают высоту дымовой трубы и ее сечение.

Высоту трубы определяют на основании уравнения (1—169) при подстановке в него величины тяги, т. е. разности давлений; тяга должна быть не меньше чем сумма всех сопротивлений плюс скоростной напор.

Скорость протекания газа в верхнем сечении канала (трубы) обычно принимают 3—4 м/сек.

Естественная тяга создается не только вследствие разности темпе­ратур, но и по другим причинам. Так, например, естественная тяга наблю­дается при реакциях в газовой среде, протекающих с изменением объема, и при проведении процессов испарения и конденсации.