Многоступенчатый компрессор

Как уже указывалось, в процессе сжатия температура газа увеличивается. В таблице приводятся конечные температуры Т₂ сжатого воздуха для различных степеней повышения давления при адиабатном сжатии (k = 1.4) при начальной температуре воздуха t₁=20 ^oС (T₁ = 293 K).

Таблица 7.1

T2 , K
t2 ,oС

Ограничения степени сжатия газа в одной ступени поршневой машины обусловлены тремя обстоятельствами: 1) повышением температуры сжатого газа T₂ при увеличении степени повышения давления (см. табл.7.1); 2) возрастанием влияния мёртвого пространства на производительность машины с увеличением степени повышения давления; 3) неэкономичностью процесса сжатия газа в одной ступени вследствие малой эффективности охлаждения цилиндра и значительного отклонения процесса сжатия от изотермического. Температурный предел сжатия газа в одной ступени определяется пределом термостойкости масла, смазывающего цилиндр машины. Смазочные масла, применяемые для этих целей, имеют температуру вспышки порядка 200…240 ^оС. Но уже при температурах 150…160 ^оС они начинают разлагаться, выделяя летучие компоненты, способные образовывать со сжимаемым газом взрывчатую смесь. Исходя из этого, повышение давления в одной ступени более 5…7 не допускается. Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых сжатие осуществляется в нескольких последовательно соединённых цилиндрах с промежуточным его охлаждением после каждого сжатия. Рассмотрим работу трёхступенчатого компрессора (рис. 7.5). В первой ступени газ сжимается от давления p₁ до давления p₂ . При этом происходит уменьшение объёма и увеличение температуры от T₁ до T₂. Сжатый газ затем поступает в теплообменный аппарат I ступени, где он охлаждается при постоянном давлении p₂ = p₃ до температуры T₃ = T₁ (считаем, что происходит полное охлаждение). Предварительно сжатый и охлаждённый газ поступает в цилиндр второй ступени, где он сжимается от давления p₃ до давления p₄. В дальнейшем происходит охлаждение газа в теплообменнике II ступени при p₄ = p₅ до T₅ = T₁. После окончательного сжатия в последней ступени газ направляется к потребителям (предварительно охлаждённый или нагретый в зависимости от технологических условий).

На рис. 7.6 показана теоретическая диаграмма работы трёхступенчатого компрессора в координатах p-v, а на рис. 7.7 – в координатах T-s. 0–1 – процесс всасывания газа в первую ступень; 1–2 – политропное сжатие газа в ступени компрессора; 2–3 – изобарное охлаждение газа в теплообменном аппарате первой ступени (отводимая теплота эквивалентна площади 23гд2 на рис. 7.7); 3–4 – политропное сжатие газа во второй ступени; 4–5 – изобарное охлаждение газа в теплообменном аппарате второй ступени (отводимая теплота эквивалентна площади 45mn4 на рис. 7.7); 5–6 – политропное сжатие в третьей ступени компрессора. Точки 1,3,5 лежат на изотерме T₁. Общая работа сжатия газа в трёхступенчатом компрессоре равна сумме работ отдельных ступеней и изображается площадью 123456701. Она меньше площади фигуры 1а701, соответствующей работе политропного сжатия газа в тех же пределах в одноступенчатом компрессоре на величину заштрихованной площади. Нетрудно видеть, что увеличение числа ступеней приближает ломаную линию сжатия газа 123456 к изотерме, уменьшая работу сжатия (см. рис. 7.6). Можно показать, что минимальная затрата энергии на сжатие газа в многоступенчатом компрессоре имеет место при равенстве степеней повышения давления во всех ступенях: х₁ = х₂ = х₃. Принимая это во внимание, выбор числа ступеней многоступенчатого компрессора производят следующим образом:

; так как p₂ = p₃, p₄ = p₅ и т.д., то Отсюда

(7.7)

Здесь z - число ступеней машины; p_к - конечное давление сжатого газа.

При определении степени повышения давления в ступени следует принимать в расчет потерю давления из-за гидравлического сопротивления трубопроводов, теплообменных аппаратов и т.д. Обычно эти потери для каждой ступени составляют в среднем 10…15 % от давления нагнетания предыдущей ступени. Они учитываются коэффициентом потерь давления между ступенями y таким образом, что

где y = 1.10 … 1.15.

Число ступеней многоступенчатой машины z предварительно можно определить формулой

(7.8)

Величиной степени повышения давления в одной ступени х = 3…5 задаёмся, а затем после округления значения z, рассчитанного по формуле (7.8), до целого числа уточняем по формуле (7.7). Компрессоры для различных степеней повышения давления обычно имеют числа ступеней, указанные ниже.

Таблица 7.2

	4…7	6…30	14…150	36…400	150…1000	200…1000	800…1500
z

Мощность на привод z - ступенчатого компрессора определится как

N = z·N_I, (7.9)

где N_I – мощность на привод одноступенчатого компрессора, определяемая по формуле (7.5). Количество теплоты, отводимой водой в теплообменном аппарате первой ступени, определится как

. (7.10)

C другой стороны, это количество теплоты равно теплоте, выделенной в процессе изобарного охлаждения воздуха ( ). Тогда расход воды через теплообменный аппарат в одной ступени составит

. (7.11)

 

Тема 8. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН (10)

Охлаждение тел до температуры, лежащей ниже температуры окружающей среды, осуществляется с помощью холодильных установок, работающих по обратному циклу. В обратном цикле работа сжатия превышает работу расширения и за счёт затраты работы теплота передаётся от холодного источника к горячему.

Холодильные установки по виду рабочего тела (хладоагента) делятся на две группы: газовые (воздушные) и паровые. Эффективность работы холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом e

, (8.1)

определяемым отношением теплоты, отводимой от холодного источника, к работе цикла, затрачиваемой на этот отвод теплоты.