Нагнетатели, тепловые двигатели и термотрансформаторы в системах энергообеспечения предприятий

НАГНЕТАТЕЛИ, 

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ 

И ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ 

В СИСТЕМАХ 

ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ 

ПРЕДПРИЯТИЙ

В.И. ЛЯШКОВ

Москва

ИНФРА-М

202УЧЕБНОЕ 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. Ляш-
ков. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 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 машино-
строения), 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 модернизиро-
вать промышленность и обеспечить выпуск конкурентоспособной 
на мировом рынке отечественной продукции.
В области энергетики, которая является одной из ключевых от-
раслей экономики, обеспечивая энерговооруженность, а значит, 
производительность труда и ускорение научно-технического про-
гресса, 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 вы-
работкой моторесурсов генерирующего оборудования и тепловых 
сетей. Правительством установлено, что для преодоления проб-
лем развития производства ежегодный темп роста потребления 
(а значит, и производства) энергии должен составлять почти 5%. 
Таких темпов страна пока не знала. Поэтому, чтобы ликвидиро-
вать дефицит энергии (особенно в Крыму и на Дальнем Востоке), 
запланировано в ближайшие годы для генерации энергии реали-
зовать 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 при-
емов 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 (электри-
ческой и тепловой) позволяют новые технологии с использованием 

энерго источников малой и средней мощности (1–50 МВт). Прак-
тика их внедрения в стране и за рубежом выявила ряд достоинств 
такого подхода: сокращение сроков ввода; небольшие сроки оку-
паемости; лучшие экономические и экологические характеристики 
новых установок и др. При этом важно учитывать, что более по-
ловины территории нашей страны не имеет связи с единой энер-
госистемой и там энергообеспечение может быть осуществлено 
только при местной генерации.
В настоящее время преимущественное распространение полу-
чает одновременная выработка электрической и тепловой энергии 
(а иногда и холода) на одной энергетической установке — так на-
зываемая 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 раз-
личного типа компрессоры, вентиляторы и насосы как вспомога-
тельное 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 Государствен-
ным образовательным стандартом последнего поколения как одна 
из первых специальных дисциплин, формирующих представления 
о специальной технике, с которой предстоит встретиться инжене-
рам-теплоэнергетикам любого профиля. Она может быть полезна 
при изучении таких дисциплин, как «Надежность систем энерго-
обеспечения», «Монтаж и ремонт энергетического оборудования» 
и др.
Задачей данного курса является изучение устройства и принципа 
действия основного и вспомогательного энергетического оборудо-
вания, знакомство с основными входными и выходными его пара-
метрами, влиянием изменения входных параметров на экономич-
ность и надежность работы. В его рамках предстоит познакомиться 
не только с особенностями устройства машин, но и с особенно-
стями регулирования и настройки рабочих режимов, особенно при 
работе в сложных многоагрегатных системах, как это получается 
в большинстве реальных систем энергообеспечения, изучить ос-
новы термодинамического, силового и прочностного расчетов важ-
нейших узлов и деталей.
Учебный материал, приведенный в настоящем пособии, помо-
жет студенту приобрести знания, умения и навыки, составляющие 

основу любых компетенций. Тщательно изучив и усвоив его, сту-
денты 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 максими-
зации КПД;

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

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

 
• навыками разработки мероприятий по обновлению и модерни-
зации производства на основе систематического изучения оте-
чественного и зарубежного опыта;

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

 
• навыками экспериментальных исследований, связанных с опре-
делением 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 из-
даний [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 конструиро-
вания, расчетов и эксплуатации специального оборудования, ис-
пользуемого 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 отса-
сывать 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 дина-
мического типа к газу подводится механическая энергия, заставляя 
его перемещаться по специально спрофилированным каналам, где 
в силу известных термодинамических особенностей течения возни-
кает 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, об-
разованному этими лопатками.
В компрессорах центробежного типа рабочие лопатки уста-
новлены на поверхности рабочего колеса, насаженного на вал ро-
тора. В осевых компрессорах лопатки посажены непосредственно 
на ротор и проталкивают газ вдоль оси вращения. В обоих случаях 
образовавшийся поток газа направляется или в неподвижный ло-
паточный диффузор, или в расширяющиеся каналы между непо-
движными 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 двух-
роторные. К однороторным относятся пластинчатые, жидкостно-
кольцевые 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 сжи-
маемого газа, поэтому рабочий процесс в этих компрессорах проте-
кает очень близко к самому эффективному (изотермическому). Ро-
тационные жидкостно-кольцевые компрессоры в одноступенчатом 
исполнении могут развивать давление от 0,25 до 0,5 МПа и произ-
водительность от 0,003 до 2,40 м3 /с. Частота вращения достигает 
60 об /с.
В последние годы значительно усовершенствованы и полу-
чают все большее распространение спиральные компрессоры. Здесь 
внутри цилиндрического корпуса устанавливаются две пластин-
чатые спирали. Одна из них закреплена в корпусе неподвижно, 
а другая с помощью эксцентрикового привода и специального под-
шипника 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 внут-
ренней поверхностью неподвижной спирали и наружной поверх-
ностью подвижной спирали, по мере ее движения уменьшается, 
что обеспечивает сжатие газа и выталкивание его в зону особой 
конструкции подвижного верхнего уплотнения. Там же устанав-
ливается автоматический выпускной клапан, который приподни-
мается 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 де-
лаются выпуклыми, а на втором — в виде впадин, повторяющих 
контур первого ротора. Размеры обоих роторов таковы, что при 
вращении между ними обеспечивается минимальный зазор и ка-
сания 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, одно-
временно подвергаясь сжатию.
Воздуходувки типа Рутс также имеют два ротора, но более 
простой формы (с постоянным сечением).
Разные типы компрессоров имеют разные технико-экономи-
ческие 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 дав-
ления 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 вен-
тиляторами. 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] из-
вестно, что самым «экономичным» является процесс изотерми-
ческого сжатия, так как работа на привод компрессора lпр при изо-
термическом сжатии наименьшая. Это наглядно демонстрирует 
рис. 1.3, на котором показано графическое сопоставление иде-
альных циклов компрессора (выталкиваются все 100% всосанного 
газа) при различной организации процесса сжатия: адиабатное 
сжатие (без внешнего теплообмена), политропное и изотерми-
ческое сжатие. Из рисунка видно, что площадь цикла, опреде-
ляющая 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,