Вопрос 4. Многоступенчатое сжатие
Многоступенчатое сжатие применяется для получения газа высокого давления. Сжатие при этом происходит в нескольких последовательно соединенных цилиндрах (ступенях, секциях) с применением охлаждения после каждого цилиндра (ступени, секциях) компрессора.
Рассмотрим схему и индикаторную диаграмму трехступенчатого идеального поршневого компрессор
В первой ступени компрессора газ сжимается по политропе 1-2 до давления рп. Затем он поступает в промежуточный теплообменник 1, где охлаждается в процессе 2-3 до начальной температуры Т1. Потери давления в теплообменнике делают небольшими, что позволяет считать процесс охлаждения газа изобарным. После теплообменника 1 газ поступает во вторую ступень и сжимается по политропе 3-4 до давления р. Затем газ охлаждается в процессе 4-5 до температуры Т1 в теплообменнике 2 и поступает в цилиндр третьей ступени, где сжимается в процессе 5-6 до конечного давления р2. Затем газ охлаждается в концевом теплообменнике 3 в процессе 6-7.
Из p,υ-диаграммы видно, что если бы процесс сжатия происходил по изотерме 1357, то работа сжатия была бы минимальна и эквивалентна площади 013578. При сжатии в одноступенчатом компрессоре по линии 19 величина работы определялась бы площадью 0198. Работа рассматриваемого трехступенчатого компрессора определяется площадью 01234568. Заштрихованная площадь 2345692 показывает выигрыш в работе от применения трехступенчатого сжатия по сравнению с одноступенчатым сжатием. Кроме того, температура в конце трехступенчатого сжатия будет меньше, чем была бы при одноступенчатом сжатии: Т2<Т9.
Вывод: чем больше число ступеней сжатия и промежуточных теплообменников, тем ближе процесс сжатия к наиболее экономичному – изотермическому процессу, но тем сложнее и дороже конструкция компрессора. Поэтому вопрос о выборе числа ступеней, обеспечивающих требуемое конечное давление, решается на основании технических и технико-экономических расчетов.
Для обеспечения равномерного распределения нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма, а также одинаковых температур газа на входе и выходе всех ступеней необходимы одинаковые затраты работы на привод каждой ступени. Тогда при равных начальных температурах и показателях политропы величины степени повышения давления во всех ступенях будут одинаковыми. В этом случае:
- суммарная удельная работа, затрачиваемая на сжатие газа в компрессоре
lк=z∙li,
где i – номер ступени;
z – число ступеней сжатия;
li – удельная работа, затрачиваемая на сжатие газа в i-той ступени компрессора;
- степень повышения давления в каждой ступени
,
где pвх.i, pвых.i – давление на входе и выходе i-той ступени;
p1, p2 – давление на входе и выходе компрессора.
Схемы, разрезы и общие виды компрессоров.
1— всасывающий клапан; 2 — поршень; 3 — шатун; 4— кривошип;
5 — электродвигатель; . 6 — цилиндр; 7 — нагнетательный клапан;
8 — сжатый газ.
Схема одноступенчатого поршневого компрессора.
1 – рабочее колесо (РК); 2 – диффузор; 3 – входное устройство;
4 – обратный направляющий аппарат; 5 –лопатки РК
Схема центробежного компрессора.
