5.2 Многоступенчатый компрессор

Для получения сжатого газа более высокого давления (1,0 – 1.2 МПа и выше) применяются многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением газа после каждой ступени. Сущность многоступенчатого сжатия может быть пояснена на примере двухступенчатого компрессора, схема которого представлена на рис. 5, а его идеальная (при V_o = 0) индикаторная диаграмма – на рис. 6.

В первой ступени 1 (рис. 5 и 6) газ сжимается по политропе 1–2 до давления Р₂, а затем он поступает в промежуточный холодильник 3, где охлаждается до начальной температуры T₁. Гидравлическое сопротивление холодильника по воздушному тракту делают не­большим. Это позволяет считать процесс охлаждения 2–3 изобарным. После холодиль­ника газ поступает во вторую ступень 2, где сжимается по политропе 3–4 до давления Р₃. Если бы сжа­тие до давления Р₃ осуществлялось в идеальном одноступенчатом компрессоре (ли­ния 1–2', рис.6), то величина затраченной за цикл работы определялась бы площадью 012'b0 . При двухступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением эта работа численно равна площади 01234b0. Заштрихованная площадь соответствует экономии работы за цикл при двухступенчатом сжатии.

На рис.7 изображены процессы политропного сжатия 1–2, 3–4 и промежуточного изобарного охлаждения 2–3 в Ts-координатах. Заштрихованные площади показывают (в масштабе) количество теплоты, отводимой от воздуха в систему охлаждения: в первой ступени q_1-2, во второй ступени q_3-4 и в промежуточном холодильнике q_2-3. Из рисунка видно, что промежуточное охлаждение позволяет снизить температуру конца сжатия с Т₂' до T₂, что обеспечивает надёжную смазку трущихся поверхностей.

Специальные расчёты показывают, что наиболее выгодным многоступенчатое сжатие оказывается в том случае, когда отношение давлений в каждой ступени будет одинаковым. При этом работа, затрачиваемая на привод многоступенчатого компрессора, будет минимальной. Обозначая отношение давлений в каждой ступени через x, его величину находят из выражения:

, (2)

где z – число ступеней компрессора; p_нач – давление газа, поступающего в первую ступень; p_кон – давление газа, выходящего из последней ступени.

При распределении отношений давлений по формуле (2) и при равенстве начальных температур и показателей политропы будут равны и затраченные работы во всех ступенях компрессора. Поэтому для вычисления работы на привод многоступенчатого компрессора l_kΣ достаточно определить работу в одной ступени l_k и умножить её на число ступеней, т.е. увеличить её в z раз.

Это утверждение относится и к определению количества теплоты, отводимой в ступенях через стенки цилиндров при политропном сжатии, и количестве теплоты, отводимой от газа в промежуточных холодильниках.

Из вышеизложенного следует, что многоступенчатое сжатие имеет следующие преимущества:

1) понижается отношение давлений в каждой из ступеней и в соответствии с этим повышается объемный КПД компрессора и его производительность;

2) улучшаются условия смазки поршня в цилиндре вследствие использования промежуточного охлаждения газа;

3) приближается рабочий процесс к изотермическому и уменьшается расход энергии на привод компрессора.

Вместе с тем, следует отметить, что вопрос о выборе числа ступеней, обеспечивающего заданную величину p_кон, решается на основе не только термодинамических, но и технико-экономических соображений.