Нагнетатели, тепловые двигатели и термотрансформаторы в системах энергообеспечения предприятий

НАГНЕТАТЕЛИ, 
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ 
И ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ 
В СИСТЕМАХ 
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ 
ПРЕДПРИЯТИЙ

В.И. ЛЯШКОВ

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 621.1(075.8)
ББК 31.363я73
 
Л99

Ляшков В.И.
Л99 
 
Нагнетатели, тепловые двигатели и термотрансформаторы в системах энергообеспечения предприятий : учебное пособие  / В.И. Ляшков. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 218 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — DOI 10.12737 /22122.

ISBN 978-5-16-012314-1 (print)
ISBN 978-5-16-105218-1 (online)
Учебное пособие посвящено отдельным видам нагнетателей, тепловых 
двигателей и термотрансформаторов, широко используемых на объектах 
энергообес печения предприятий и коммунального хозяйства.
В пособии излагается учебный материал, включенный Федеральным 
государственным образовательным стандартом высшего образования 
последнего поколения в учебные программы отдельных общепрофессиональных и специальных дисциплин для направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника».
Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной 
форм обучения по указанному направлению.

УДК 621.1(075.8)
ББК 31.363я73

Р е ц е н з е н т ы:
Губарев В.Я., канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой 
«Промышленная теплоэнергетика» Липецкого государственного технического университета;
Жуков Н.П., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой 
«Энергообеспечение предприятий и теплотехника» Тамбовского государственного технического университета

ISBN 978-5-16-012314-1 (print)
ISBN 978-5-16-105218-1 (online)
© Ляшков В.И., 2017

А в т о р:
Ляшков Василий Игнатьевич, канд. техн. наук, профессор, почетный 
профессор Тамбовского государственного технического университета

Введение

Затяжной мировой экономический кризис, рост напряженности во внешнеполитических отношениях со странами Евросоюза 
и США, различные ограничительные санкции этих стран вызывают 
необходимость повышения самодостаточности отечественной экономики путем импортозамещения, увеличения доли экспорта отечественных товаров несырьевого сегмента, ускоренного развития 
военно-промышленного комплекса, которое потянет за собой 
развитие многих областей экономики (в первую очередь машиностроения), укрепления обороноспособности нашей Родины.
Восстановление и развитие промышленного производства 
должно основываться на применении новых методов организации 
производства, новых современных конструкционных материалов, 
на внедрении новейших энерго- и ресурсосберегающих технологий 
и современного оборудования. Только это позволит модернизировать промышленность и обеспечить выпуск конкурентоспособной 
на мировом рынке отечественной продукции.
В области энергетики, которая является одной из ключевых отраслей экономики, обеспечивая энерговооруженность, а значит, 
производительность труда и ускорение научно-технического прогресса, создавая тем самым предпосылки для роста экономической 
мощи страны и высокого благосостояния ее населения, сегодня 
также масса проблем, связанных в первую очередь с износом и выработкой моторесурсов генерирующего оборудования и тепловых 
сетей. Правительством установлено, что для преодоления проблем развития производства ежегодный темп роста потребления 
(а значит, и производства) энергии должен составлять почти 5%. 
Таких темпов страна пока не знала. Поэтому, чтобы ликвидировать дефицит энергии (особенно в Крыму и на Дальнем Востоке), 
запланировано в ближайшие годы для генерации энергии реализовать примерно 120 инвестиционных проектов, вкладывая в это 
по 20–50 млрд руб. в год.
Современные энергетические машины и установки, которые 
придут в отрасль, будут отличаться широким использованием приемов энергосбережения, в частности регенерации и утилизации 
теплоты, трансформации различных видов энергии друг в друга 
в одном энергетическом агрегате при повышенных требованиях 
к загрязнению окружающей среды и т.п.
Достаточно быстро увеличить выработку энергии (электрической и тепловой) позволяют новые технологии с использованием 

энергоисточников малой и средней мощности (1–50 МВт). Практика их внедрения в стране и за рубежом выявила ряд достоинств 
такого подхода: сокращение сроков ввода; небольшие сроки окупаемости; лучшие экономические и экологические характеристики 
новых установок и др. При этом важно учитывать, что более половины территории нашей страны не имеет связи с единой энергосистемой и там энергообеспечение может быть осуществлено 
только при местной генерации.
В настоящее время преимущественное распространение получает одновременная выработка электрической и тепловой энергии 
(а иногда и холода) на одной энергетической установке — так называемая когенерация (или тригенерация).
Паровые и газовые турбины, как и поршневые ДВС, являются 
основными тепловыми машинами для преобразования тепловой 
энергии в механическую работу. В теплоэнергетике и в других 
отраслях промышленности находят широкое применение различного типа компрессоры, вентиляторы и насосы как вспомогательное и даже как основное оборудование. Для теплоснабжения 
некрупных объектов все шире применяются тепловые насосы, а на 
предприятиях, требующих получения технологического холода, — 
различные холодильные установки.
Настоящая учебная дисциплина предусмотрена Государственным образовательным стандартом последнего поколения как одна 
из первых специальных дисциплин, формирующих представления 
о специальной технике, с которой предстоит встретиться инженерам-теплоэнергетикам любого профиля. Она может быть полезна 
при изучении таких дисциплин, как «Надежность систем энергообеспечения», «Монтаж и ремонт энергетического оборудования» 
и др.
Задачей данного курса является изучение устройства и принципа 
действия основного и вспомогательного энергетического оборудования, знакомство с основными входными и выходными его параметрами, влиянием изменения входных параметров на экономичность и надежность работы. В его рамках предстоит познакомиться 
не только с особенностями устройства машин, но и с особенностями регулирования и настройки рабочих режимов, особенно при 
работе в сложных многоагрегатных системах, как это получается 
в большинстве реальных систем энергообеспечения, изучить основы термодинамического, силового и прочностного расчетов важнейших узлов и деталей.
Учебный материал, приведенный в настоящем пособии, поможет студенту приобрести знания, умения и навыки, составляющие 

основу любых компетенций. Тщательно изучив и усвоив его, студенты должны:
знать:

• назначение, области применения, принцип действия, основы 
устройства и особенности функционирования перечисленных 
выше машин и агрегатов;

• термодинамические процессы и циклы преобразования энергии, 
протекающие в этих теплотехнических установках;

• основные технико-экономические характеристики изучаемого 
оборудования, оптимальные режимы его эксплуатации и влияние 
их на загрязнение окружающей среды;
уметь:

• проводить термодинамический анализ реализуемых циклов 
с целью оптимизации их рабочих характеристик и максимизации КПД;

• выполнять основные инженерные расчеты как для машины 
в целом, так и для отдельных, наиболее важных ее деталей и агрегатов;

• читать чертежи и схемы, выполнять технические изображения 
в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД;
владеть:

• навыками разработки мероприятий по обновлению и модернизации производства на основе систематического изучения отечественного и зарубежного опыта;

• навыками составления и оформления технических отчетов 
и другой производственно-технологической документации;

• навыками экспериментальных исследований, связанных с определением основных технических характеристик используемого 
оборудования.
В качестве основной и вспомогательной учебной литературы 
можно рекомендовать несколько фундаментальных учебников 
и учебных пособий по теплотехнике [1, 7, 8], специальную учебную 
литературу по отдельным направлениям изучаемой дисциплины 
[2–6, 9, 10, 12–16], а также ряд относительно старых учебных изданий [11, 17, 19, 20, 22–29] и справочников [18, 21], не потерявших 
актуальности и в наши дни.
Автор надеется, что его работа в какой-то мере поможет студенту 
понять и освоить основные подходы и особенности конструирования, расчетов и эксплуатации специального оборудования, используемого при организации энергообеспечения в коммунальной 
сфере и на различных производственных предприятиях.

Часть 1 
НАГНЕТАТЕЛИ

Глава 1 
КомпрЕссорНыЕ мАшИНы

1.1. НАзНАЧЕНИЕ, прИНцИп дЕйсТВИя И КЛАссИфИКАцИя

Компрессоры, или компримирующие машины (от фр. komprime — 
сжимать) — машины, предназначенные для сжатия и перемещения 
газов. Машины противоположного назначения, призванные отсасывать газ и создавать разрежение в некотором объеме, называют 
вакуум-насосами.
Сжимать и переталкивать газ можно разными приемами. 
По принципу действия компрессоры делят на две большие группы: 
объемные и динамические (рис. 1.1). В группе компрессоров динамического типа к газу подводится механическая энергия, заставляя 
его перемещаться по специально спрофилированным каналам, где 
в силу известных термодинамических особенностей течения возникает повышение его давления. Наибольшее распространение среди 
компрессоров такого типа получили машины лопаточного типа, 
где на вращающемся роторе под некоторым углом к оси вращения 
установлены рабочие лопатки, проталкивающие газ по каналу, образованному этими лопатками.
В компрессорах центробежного типа рабочие лопатки установлены на поверхности рабочего колеса, насаженного на вал ротора. В осевых компрессорах лопатки посажены непосредственно 
на ротор и проталкивают газ вдоль оси вращения. В обоих случаях 
образовавшийся поток газа направляется или в неподвижный лопаточный диффузор, или в расширяющиеся каналы между неподвижными лопатками направляющего аппарата.
В струйных компрессорах движение организуется в результате 
проталкивания сжатого газа с давлением рвх через суживающееся 
сопло в специальную камеру смешивания. При этом на выходе 
из сопла температура и давление подаваемого газа уменьшаются 
настолько, что обеспечивается подсос в зону смешивания другого 
газа с невысоким давлением рвс. Образующаяся смесь по инерции 
продолжает движение через диффузор, на выходе из которого по

лучаем смесь с давлением рсм, превышающим рвс. Для таких компрессоров имеет место следующее соотношение между давлениями: 
рвх > рсм > рвс.
Гораздо более разнообразна группа компрессоров объемного 
типа, где сжатие газа происходит в результате уменьшения его 
объема. Эту группу делят на две подгруппы: поршневые и ротационные. Конструктивной особенностью поршневых компрессоров 
является наличие рабочего цилиндра, поршня и кривошипно-шатунного механизма. При этом имеются различные варианты компоновки и расположения цилиндров, включая цилиндры двойного 
действия и компрессоры с дифференциальными поршнями.

рис. 1.1. Классификация компрессоров

В компрессорах ротационного типа уменьшение объема сжимаемого газа обеспечивается в результате механического вращения 
ротора и особых конструкций, обеспечивающих требуемое уменьшение объема. Эти компрессоры можно разделить на одно- и двухроторные. К однороторным относятся пластинчатые, жидкостнокольцевые и спиральные компрессоры.
У пластинчатых компрессоров в роторе, установленном концентрично внутри цилиндрического корпуса, выполнены специальные радиальные пазы, в которые вставляются подпружиненные 
пластины. При вращении ротора с одной стороны компрессора 
возникают зоны с увеличивающимся по мере поворота ротора объемом, обеспечивающие всасывание сжимаемого газа, а с противоположной стороны — зоны с уменьшающимся объемом, где и происходит сжатие газа и его выталкивание из компрессора.
В отдельных случаях, особенно в холодильных установках, в последние годы стали все шире применяться спиральные компрессоры и компрессоры жидкостно-кольцевые, которые, так же как 
и пластинчатые, имеют цилиндрический корпус и эксцентрично 
расположенный ротор с жесткими плоскими или фигурными лопастями. Пространство между корпусом и ротором частично заполняется жидкостью (обычно водой). При вращении ротора под 
действием центробежных сил на внутренней поверхности корпуса 
жидкость образует кольцо, в котором осесимметрично расположенные лопатки погружаются не на всю высоту. В результате между 
лопатками и этим кольцом возникают объемы, которые по мере 
поворота ротора увеличиваются, обеспечивая подсос газа. С противоположной стороны аналогично возникают зоны, уменьшающие 
свой объем и обеспечивающие сжатие газа. Каналы, по которым 
происходит подсасывание и выброс сжатого газа, обычно устраиваются или по торцовым поверхностям ротора, или внутри его вала.
Количество жидкости в компрессоре должно быть таким, чтобы 
исключить появление зазора между вершинами лопаток ротора 
и жидкостным кольцом. Толщина жидкостного кольца определяется степенью первоначального заполнения корпуса. От толщины кольца зависит и развиваемое компрессором давление. Поэтому такие компрессоры имеют непрерывную регулируемую подачу жидкости, особенно учитывая, что некоторая часть жидкости 
выбрасывается из компрессора вместе со сжатым газом. Эта часть 
отделяется от газа и направляется снова в компрессор.
Лопатки ротора не касаются корпуса компрессора, поэтому 
значительно уменьшаются потери на механическое трение и износ 

лопаток. Использование жидкости обеспечивает охлаждение сжимаемого газа, поэтому рабочий процесс в этих компрессорах протекает очень близко к самому эффективному (изотермическому). Ротационные жидкостно-кольцевые компрессоры в одноступенчатом 
исполнении могут развивать давление от 0,25 до 0,5 МПа и производительность от 0,003 до 2,40 м3/с. Частота вращения достигает 
60 об/с.
В последние годы значительно усовершенствованы и получают все большее распространение спиральные компрессоры. Здесь 
внутри цилиндрического корпуса устанавливаются две пластинчатые спирали. Одна из них закреплена в корпусе неподвижно, 
а другая с помощью эксцентрикового привода и специального подшипника совершает плоскопараллельное движение, в результате 
которого центр этой спирали описывает окружность вокруг центра 
неподвижной. При этом линия контакта между спиралями меняет 
свое положение так, что объем газа, заключенный между внутренней поверхностью неподвижной спирали и наружной поверхностью подвижной спирали, по мере ее движения уменьшается, 
что обеспечивает сжатие газа и выталкивание его в зону особой 
конструкции подвижного верхнего уплотнения. Там же устанавливается автоматический выпускной клапан, который приподнимается и позволяет перетекать сжатому газу к выходному штуцеру 
компрессора.
Более производительными оказываются компрессоры с двумя 
вращающимися роторами: винтовые, типа Рутс, и в меньшей мере — 
шестеренчатые. С устройством и принципом действия последних 
мы подробнее познакомимся ниже в гл. 3 «Насосы».
Винтовые компрессоры содержат два ротора, выполненных 
в форме спирального шнека. На одном из них лопасти шнека делаются выпуклыми, а на втором — в виде впадин, повторяющих 
контур первого ротора. Размеры обоих роторов таковы, что при 
вращении между ними обеспечивается минимальный зазор и касания их друг с другом исключены. Шаг спирали обоих роторов 
уменьшается вдоль осей вращения. В результате этого захваченный 
на входе в компрессор объем газа продавливается к выходу, одновременно подвергаясь сжатию.
Воздуходувки типа Рутс также имеют два ротора, но более 
простой формы (с постоянным сечением).
Разные типы компрессоров имеют разные технико-экономические характеристики, и этим определяется их использование. 
На рис. 1.2 показаны области применения разных типов этих машин 
в зависимости от давления сжатия рвых и объемной подачи G.

рис. 1.2. Области применения компрессоров

Основными параметрами компримирующих машин являются: 
давления газа на входе рвх и выходе рвых, МПа, объемная подача 
G, м3/с (по параметрам на всасывании), степень повышения давления λ = рвых / рвх, частота вращения приводного вала n, об/мин, 
потребляемая номинальная мощность Ne, Вт. Если газ сжимается 
незначительно (λ < 1,15) и подводимая извне работа затрачивается 
в основном на проталкивание газа, то такие агрегаты называют вентиляторами. При сравнительно невысоких степенях повышения 
давления (λ ≤ 2–3) и отсутствии принудительного охлаждения 
компримирующие машины называют обычно газодувками и только 
при λ ≥ 3 — компрессорами.
Из термодинамического анализа циклов компрессоров [8] известно, что самым «экономичным» является процесс изотермического сжатия, так как работа на привод компрессора lпр при изотермическом сжатии наименьшая. Это наглядно демонстрирует 
рис. 1.3, на котором показано графическое сопоставление идеальных циклов компрессора (выталкиваются все 100% всосанного 
газа) при различной организации процесса сжатия: адиабатное 
сжатие (без внешнего теплообмена), политропное и изотермическое сжатие. Из рисунка видно, что площадь цикла, определяющая работу за цикл, наименьшая при изотермическом сжатии.
Поэтому эффективность компрессорных циклов оценивают 
величиной изотермического КПД, показывающего, насколько 
близко цикл действительного компрессора приблизился к самому 
эффективному циклу:
ηиз = lиз/lд,