7.3.3. Многоступенчатое сжатие газа в компрессорной машине

Ограничение степени сжатия газа в одной ступени поршневой КМ обуславливается:

– повышением температуры сжатого газа;

– возрастанием влияния мертвого пространства на объемную производительность;

– неэкономичностью процесса сжатия газа в одной ступени из-за значительного отклонения реального процесса от изотермического.

Температурный предел. Температурный предел сжатия газа в одной ступени определяется пределом термостойкости смазочного масла, которым смазывается цилиндр машины. Обычные компрессорные смазочные масла, применяемые для этой цели, имеют температуру вспышки порядка 200–240 C. При температурах T > 150–160 C они начинают разлагаться, выделяя летучие компоненты, способные образовывать со сжимаемым газом взрывчатую смесь. В лучшем случае это приведет к образованию нагара и порче рабочих поверхностей цилиндра.

Температурный предел степени повышения давления в одной ступени поршневой КМ можно определить из соотношения:

(7.27)

Объемный предел. Объемный предел степени повышения давления, обусловленный влиянием мертвого пространства на производительность машины, определяется допускаемой величиной объемного коэффициента мертвого пространства _{ом доп}. Из формулы (7.21) для _пред получим:

(7.28)

Если , тогда по формуле (7.28) получим _пред = 10.

Экономичность процесса сжатия газа. На рис. 7.5 линия bc₁ – изотермический процесс сжатия газа, bc₂ – политропный. Как видно из рис. 7.5, с ростом увеличивается заштрихованная площадь диаграммы. Это означает, что с увеличением растет разница между затраченными энергиями на изотермический и политропный процессы сжатия газа.

Рис. 7.5. Влияния степени сжатия на экономичность процесса

Ниже приведены значения параметров для воздуха при m = 1,4, p₁ = 10⁵ Н/м², T = 20 C,  = 1,2 кг/м³.

	2	4	6	8	10
	0,89	0,81	0,76	0,72	0,70

В силу указанных причин, одноступенчатые поршневые КМ обычно строятся для сжатия газа из атмосферы (p ≈ 0,1 МПа) до давлений, не превышающих 0,6–0,7 МПа. Для получения больших давлений необходимо использовать многоступенчатое сжатие газа.

Рассмотрим, для примера, работу трехступенчатого компрессора (рис. 7.6).

В первой ступени газ сжимается от давления до давления . При этом происходит уменьшение его объема от до и увеличение температуры от до . Сжатый газ затем поступает в холодильник, где он охлаждается при постоянном давлении до начальной температуры . Охлаждение газа сопровождается некоторым сокращением его объема от до :

(7.29)

Рис. 7.6. Схема трехступенчатого компрессора

При охлаждении газа происходит конденсация паров масла и воды, содержащихся в газе, в виде мелких капелек. Капельки улавливаются во влагомаслоотделителях.

Предварительно сжатый, охлажденный и очищенный газ поступает в цилиндр второй ступени, где он сжимается от давления до давления . В дальнейшем газ охлаждается и очищается. После окончания охлаждения третьей ступени газ направляется в газосборник, где происходит его очищение и охлаждение.

На диаграмме линия ab – линия всасывания I ступени, bc – кривая политропного сжатия в цилиндре I ступени, cd – линия охлаждения при в холодильнике, de – кривая политропного сжатия в цилиндре II ступени, ef – линия охлаждения при в холодильнике, fg – кривая политропного сжатия в цилиндре III ступени. Точки d и f лежат на изотерме (кривая bdfk), так как газ в обоих холодильниках охлаждается до первоначальной температуры . Заштрихованная площадь на диаграмме – сэкономленная энергия при трехступенчатом сжатии газа.

На рис. 7.7 показана теоретическая диаграмма работы трехступенчатого компрессора в координатах .

Минимальная затрата энергии на сжатие газа в многоступенчатой машине имеет место при равенстве степеней повышения давления во всех ступенях:

(7.30)

Рис. 7.7. Теоретическая индикаторная диаграмма

трехступенчатого компрессора

Известно, что произведение степеней повышения давления во всех ступенях машины дает общую степень повышения давления:

(7.31)

C учетом соотношения (7.30) получим:

. (7.32)

Из формулы (7.32) определяется z – число ступеней машины.

Ниже представлены для различных :

	4–7	6–30	14–150	36–400	150–103	200–103	800–1500
	1	2	3	4	5	6	7

Достоинства многоступенчатого сжатия газа:

– сокращение энергетических расходов на сжатие газа;

– уменьшение температуры сжатого газа, следовательно, возрастание надежности и срока службы машины;

– увеличение объемного КПД машины.

а) б) в)

Рис. 7.8. Некоторые конструктивные схемы трехступенчатых компрессоров: а – трехступенчатый вертикальный (простого действия);

б – двухрядный вертикальный (двойного действия); в – однорядный горизонтальный с дифференциальным поршнем

Однако увеличение числа ступеней машины усложняет её конструкцию. На рис. 7.8 даны некоторые варианты размещения ступеней трехступенчатого компрессора.