6. Многоступенчатое сжатие

Выше были рассмотрены одноступенчатые компрессоры, в которых газ сжимается от начального до конечного давления. Однако степень сжатия ограничена и требуется двух или более ступенчатое сжатия газа.

При увеличении степени повышения давления значительно снижается использование объема цилиндра. Например, сжатие воздуха с вредным пространством 5% до давления 0,9 МПа при показателе расширения во внешней сети п_р =1,2 дает коэффициент использования объема цилиндра λ₀ =0,69. Тогда коэффициент подачи компрессора может оказаться около 50%.

Рассмотрим пределы повышения давления в одной ступени компрессора, то есть выясним причины использования многоступенчатого сжатия.

Предельная степень сжатия обусловлена влиянием вредного пространства и допустимой температуры вспышки масла в конце периода сжатия.

Повышение степени давления может привести к значительному уменьшению коэффициента производительности. Предельный случай, когда производительность компрессора оказывается равной нулю, будет при λ₀ =0. Это будет соответствовать такой степени сжатия, при которой снижение давления сжатого во вредном пространстве газа происходит в течение всего пути движения поршня в сторону увеличения объема цилиндра при всасывании, а всасывающий клапан так и не сможет открыться. Тогда, степень повышения давления определяется из формулы (78) при λ₀ =0

.

При т =0,1 и показателе политропы п =1,2 предельное значение степени сжатия составит ε ≈ 17.

Однако и такой степени сжатия нельзя добиться из-за повышения температуры газа в конце фазы сжатия, которая может достичь температуры воспламенения смеси газа в цилиндре.

Для пневмокомпрессоров предельная степень сжатия в ступени может быть получена из температуры вспышки смазочных масел. Для компрессоров применяются масла с температурой вспышки 439-513 К. При эксплуатации принимают Т₁=300 К и Т₂ =453 К. Это позволяет определить предельно допустимую степень сжатия из соотношения

(88)

При этом предельная степень сжатия составляет ε = 4,22.

В первой ступени компрессора газ сжимается от начального до давления р₁ при температуре Т₁ до промежуточного давления р_пр с температурой в конце сжатия Т₂^' , затем газ поступает в промежуточный холодильник (Рис.23), где температура снижается до первоначальной, при этом происходит частичная конденсация паров воды. Во второй ступени давление повышается от давления р_пр до р₂, а температура в конце сжатия будет Т₂^". В преимуществе двухступенчатого сжатия легко убедиться, обратившись к формуле (39), из которой видно, что с уменьшением степени сжатия в каждой ступени будет уменьшаться, температура в конце сжатия будет меньше, а коэффициент использования объема цилиндра – больше.

Индикаторная диаграмма двухступенчатого теоретического цикла компрессора приведена на рис.24.

Площадь 1-2'-4'-4-1 представляет работу в первой ступени, а площадь 1"-2-3-4'-1" – работу во второй ступени. Всасываемый объем свободного газа v₁' при температуре Т₁' сжимается в первой ступени до объема v₂'. Сжатие происходит по линии 1-2' с показателем процесса п_I>1. При давлении р_пр газ, достигнув температуры Т₂', выталкивается в промежуточный охладитель (линия 2'-4'), где происходит его охлаждение при постоянном давлении до температуры Т₁^" ≈ Т₁'.

Затем охлажденный газ поступает в цилиндр второй ступени (линия всасывания 4'-1'). Сжатие во второй ступени c показателем процесса п_II >1 происходит по линии 1"-2 от промежуточного давления р_пр до конечного р₂, при этом в конце сжатия температура газа достигнет величины Т₂^".

Из рис. 24 видно, что полезно затрачиваемая работа цикла в двухступенчатом компрессоре будет меньше, чем в одноступенчатом, на величину, выраженную площадью 2'-2" -2-1"-2', если предположить, что сжатие происходит в одной ступени по линии 1-2". Величина экономии является функцией промежуточного давления р_пр , то есть зависит от соотношения степеней сжатия в первой и второй ступенях компрессора.

Приведенные положения убеждают, что в компрессорах одноступенчатое сжатие не только опасно, но и не целесообразно. Для нормального процесса сжатия газа обычно используется двух и более ступенчатое сжатие (рис. 23).