Многоступенчатые компрессоры

Рис. 4.

Гидравлические потери в распределительных органах компрессора.

На величину суммарной работы сжатия оказывают влияние и гидравлические потери в распределительных органах (клапанах всасывания и нагнетания). На действительной индикаторной диаграмме в результате этого появляются характерные выступы вначале всасывания и нагнетания (рис.4), давление на впуске снижается, а на нагнетании возрастает. В результате площадь действительной индикаторной диаграммы получается больше теоретической (теоретическая диаграмма ограничена штриховыми линиями) в 1,04 – 1,12 раза. Соответственно увеличивается и действительная работа сжатия. Потери в распределительных органах обычно учитываются уменьшением объемного КПД на 4-6%.

Приведенный выше анализ показывает, что одноступенчатый поршневой компрессор не может быть применен для получения сжатого газа высокого давления вследствие уменьшения производительности с увеличением конечного давления и ухудшения условий смазки при этом (возможно самовоспламенение смазки при недостаточном охлаждении). Пределом для одноступенчатого компрессора обычно является давление конца сжатия в 10 – 12 ата.

Для получения сжатого газа высокого давления применяется многоступенчатый компрессор. Сжатие газа в нем осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах с промежуточным охлаждением газа между ступенями (рис.5). При этом охлаждение газа в холодильниках после каждой ступени производится при постоянном давлении.

Рис. 5.

Многоступенчатое сжатие позволяет:

1. Создать температурный режим, допустимый из условий смазки, и обеспечить надежную эксплуатацию компрессора;

2. Повысить объемный КПД вследствие понижения перепада давлений в каждой ступени;

3. Уменьшить мощность, потребляемую на привод компрессора, путем дополнительного охлаждения газов в холодильниках.

На рис. 6 изображена диаграмма процессов сжатия газа в трехступенчатом компрессоре:

· 10 – 1 – всасывание газа в первую ступень;

· 1 – 2, 3 – 4, 5 – 6 – политропные процессы сжатия газа в соответствующих ступенях;

· 2 – 9 и 4 – 8 – процессы нагнетания газа в холодильники после I и II ступеней;

· 9 – 3 и 8 – 5 – процессы всасывания газа во II и III ступени из холодильников;

· 6 – 7 – процесс нагнетания газа из III ступени к потребителю.

Площади I, II, III в этой системе координат представляют работу, затрачиваемую на получение сжатого газа в ступенях; площади и – уменьшение работы сжатия вследствие охлаждения газа в холодильниках.

Для анализа и получения расчетных формул принимают следующие основные условия работы многоступенчатого компрессора:

1. Работа всех холодильников должна осуществляться при Р=соnst, т.е.

Р₂=Р₃ и Р₄=Р₅

2. Охлаждение газа во всех холодильниках должно быть полным, т.е.

t₅ = t₃ = t₁ (a)

3. Сжатие газа во всех цилиндрах должно доводиться до одной и той же температуры t₂, обеспечивающей надежные условия смазки, т.е.

t₆=t₄=t₂ (б)

Рис. 6.

Рис. 7.

Рис. 8.

На рис.7 изображен в системе координат ТS адиабатный процесс сжатия газа в 3-ступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением.

Вертикальные линии 1–2, 3–4, 5–6 – адиабаты сжатия газа в соответствующих ступенях; линии 2–3 и 4–5 – изобарное охлаждение газа в промежуточных холодильниках.

На рис.8 в той же системе координат представлен политропный процесс сжатия газа в 3-ступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением.

Здесь линии 1–2, 3–4, 5–6 – политропы сжатия газа в соответствующих ступенях.

Такое расположение линий (с уменьшением энтропии) говорит о том, что процессы сжатия в каждой ступени идут с охлаждением газа (n<k). Площади 1–2–11–12–1, 3–4–9–10–3 и 5–6–7–8–5 численно равны количеству тепла, отводимого от газа при сжатии в отдельных ступенях (цилиндрах) и передаваемого среде охлаждающей стенки компрессора.

Площади 2–3–10–11–2 и 4–5–8–9–4 численно равны количеству тепла, отводимого при изобарном охлаждении газа в первом и втором холодильниках. Изобары в рассматриваемой системе координат эквидистантны, и, следовательно, в обоих холодильниках отводится одинаковое количество тепла.