11.2. Многоступенчатый компрессор

Сущность многоступенчатого сжатия может быть показана на примере двухступенчатой установки, схема которой представлена на рис. 11.6. Здесь сжатие газа осуществляется в двух последовательно соединенных цилиндрах с промежуточным охлаждением газа между цилиндрами в охладителе газа. Применение сжатия газа в нескольких цилиндрах понижает отношение давлений в каждом из них, повышает объемный к.п.д. каждой ступени, улучшает условия смазки поршня в цилиндре и уменьшает расход энергии на привод компрессора, приближая рабочий процесс в компрессоре к наиболее выгодному изотермическому сжатию. Приведем идеальную индикаторную диаграмму двухступенчатого компрессора (рис. 11.7).

На диаграмме: 0-1 - всасывание в 1-ю ступень; 1-2 - политропное сжатие в 1-й ступени; 2-а - нагнетание из 1-й ступени в охладитель; а-3 - всасывание во 2-ю ступень; 3-4 - политропное сжатие во 2-й ступени; 4-в - нагнетание из2-й ступени в резервуар.

Отрезок 2-3 изображает уменьшение объема газа в процессе охлаждения в охладителе при р₂ = const. Охлаждение рабочего тела в охладителе производится до начальной температуры, т.е. Т₃ = Т₁ и точки 1 и 3 лежат на изотерме 1-5. Отношение давлений во всех ступенях принимается одинаковым: р₂/p₁ = p₄/p₃ = z.

При одинаковых отношениях давлений во всех ступенях, равенстве начальных температур и равенстве показателей политропы будут равны между собой и конечные температуры газа в отдельных ступенях компрессора: Т₂ = Т₄. Из уравнения для z следует, что р₂p₄/p₁p₃ = z², откуда степень повышения давления в каждой ступени или при m ступеней получаем . Вся работа на привод двухступенчатого компрессора при политропном сжатии определяется площадью 01234в0. Если процесс сжатия газа осуществлять до давления р₄ в одной ступени, то работа на привод компрессора будет равна площади 016в0. При переходе от одноступенчатого сжатия к двухступенчатому с промежуточным охлаждением получается экономия работы, изображаемая площадью 23462.

При равенстве температур газа на входе в каждую ступень и равенстве отношений давлений во всех цилиндрах получаем равенство затраченных работ во всех ступенях компрессора.

Работа в 1-й ступени

.

Работа во 2-й ступени

.

Откуда l₁ = l₂ = l. Полная работа, расходуемая на сжатие 1 кг газа в двух ступенях компрессора, l_к = 2l. При производительности компрессора М газа получим L_к = 2Ml. Следовательно, L_к представляет собой теоретическую мощность, затрачиваемую на привод компрессора, которую в общем случае можно записать как

N₀ = M  l  m,

где m - число ступеней компрессора; l, - работа одной ступени, Дж/кг; М - производительность компрессора, кг/с.

Для определения действительной (эффективной) мощности N_е необходимо учесть механический к.п.д. компрессора _м.

,

где М - действительная производительность компрессора. Если же задана теоретическая производительность М_т, то

.

Совершенство работы охлаждаемых компрессоров, у которых 1< n < к, принято характеризовать внутренним изотермическим к.п.д. _из = l_из/l_дейст., т.е. отношением энергии, потребляемой идеальным компрессором, при изотермическом сжатии (n = 1) к энергии, потребляемой компрессором в действительности при политропном сжатии. Совершенство работы неохлаждаемых компрессоров (n > к) характеризуют внутренним адиабатным к.п.д.: _ад = l_ад/l_дейст. Под l_дейст. здесь следует понимать работу при политропном сжатии, когда политропа в координатах p,  идет круче, чем адиабата.