Учебный вопрос № 2. Многоступенчатое сжатие

В тех случаях, когда технология производства требует высоких давлений, необходимо перейти на многоступенчатое сжатие, заключающееся в том, что сжатый до допустимой температуры газ выходит из первой ступени (цилиндра) компрессора и направляется в холодильник. Затем охлажденный, но сжатый газ направляется во вторую ступень компрессора, где происходит дальнейшее сжатие его опять-таки до допустимой температуры.

После этого газ из второй ступени направляется в холодильник второй ступени. Там он снова при более высоком давлении охлаждается и поступает в третью ступень и так далее до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое технологией производства давление при допустимых температурах.

Степенью сжатия называется отношение давления нагнетания к давлению всасывания на данной ступени в абсолютных атмосферах:

ε =

Рнагн

Рвсас

(ата)

Давление по ступеням компрессора измеряется манометрами, которые показывают избыточное давление. При величине степени сжатия равной четырем, давление по манометрам должно распределяться так:

1 ст. – 3 ат; 2 ст. – 15 ат; 3 ст. – 60 ат; 4 ст. – 200 ат.

Процесс сжатия в многоступенчатом компрессоре будет наиболее экономичным в том случае, когда степени сжатия во всех ступенях равны:

Р1

Р0

=

=

=

=

ε

Р2

Р1

Р3

Р2

Рz

Рz-1

…….

Потери давления между ступенями учитываются специальным коэффициентом ψ = 1,1÷1,15.

Тогда формула для определения степени сжатия многоступенчатого компрессора примет следующий вид:

ε = ψ ∙

Из этого уравнения можно определить действительное число ступеней компрессора. Практически для многоступенчатых компрессоров допустимыми степенями сжатия следует считать ε = 2,5÷3,5.

Одноступенчатое сжатие и нагнетание газа применяется практически при давлениях до 6 кгс/см2. При давлениях выше указанного в цилиндрах одноступенчатых компрессоров имеют место следующие существенные недостатки:

высокие температуры, нарушающие нормальный режим работы;

возрастание удельного расхода энергии на сжатие газа;

возрастание влияния вредного пространства;

чрезмерное возрастание поршневых усилий.

Все эти недостатки могут быть устранены при многоступенчатом сжатии. В зависимости от величины конечного давления газа могут применяться компрессоры двух-, трех- и т.д. ступеней.

Все многоступенчатые компрессоры имеют следующие общие особенности:

объемы цилиндров вышестоящих ступеней меньше нижестоящих примерно во столько раз, во сколько давление вышестоящей ступени больше нижестоящей;

на первой ступени обычно ставят два цилиндра, чтобы не делать слишком громоздким один;

перепад давлений распределяется равномерно по ступеням и не должен быть больше четырех;

давление всасывания и нагнетания должны поддерживаться по ступеням, близким друг к другу;

после каждой ступени устанавливаются холодильники и влагомаслоотделители.

Недостатками являются сложность конструкции и уменьшение механического КПД. Число ступеней более 8 экономически не выгодно.

1 – фильтр; 2–5–8 – цилиндры компрессора; 3–6–9 – холодильники; 4–7–10 – водомаслоотделители Рис. 6. Принципиальная схема многоступенчатого сжатия.

Назначение холодильника состоит в том, чтобы снизить температуру газа после сжатия его в цилиндрах до температуры всасывания и сконденсировать влагу, чем обеспечивается нормальный процесс сжатия при высоких давлениях.

Кроме того, охлаждение газа в холодильнике после последней ступени дает возможность получить запас холода, который в воздухоразделительной установке проявляется в процессах дросселирования через расширительные вентили и при расширении в цилиндре детандера.

Получение холода, можно считать, является основной целью работы компрессора на воздухоразделительной установке.

Преимуществами многоступенчатого сжатия являются:

Экономия работы.

Снижение температуры нагнетания.

Уменьшение поршневых сил. В одноступенчатом компрессоре высокое конечное давление создает большую поршневую силу. В многоступенчатом компрессоре это давление действует на поршень меньшей площади, и поршневая сила, даже в сумме с силами, возникающими на остальных ступенях, значительно меньше, чем в первом случае.

Уменьшение объемного коэффициента. С ростом отношения давлений увеличивается объем, занимаемый расширившимся из мертвого пространства газом, что ухудшает наполнение цилиндра.

К недостаткам многоступенчатого сжатия следует отнести:

Сложность конструкции компрессора.

Увеличение потерь энергии на механическое трение движущихся частей компрессора, то есть уменьшение механического КПД.

Поэтому компрессоры с числом ступеней более пяти экономически не выгодны.