8.2. Многоступенчатое сжатие

Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых процесс сжатия осуществляется в нескольких последовательно соединенных цилиндрах (ступенях) с промежуточным охлаждением газа между ступенями.

На рис. 8.4-8.6 приведены схема двухступенчатого компрессора и процессы политропного сжатия с охлаждением газа между ступенями в промежуточном охладителе.

К ак видно из диаграмм p-v и T-s, при многоступенчатом сжатии процесс в компрессоре приближается к наиболее выгодному процессу, изотермическому. При этом уменьшается работа, затрачиваемая на сжатие, на площадку 2^’22^’’1^’ (рис. 8.5); уменьшается температура сжатого газа (T₂ < T_2 рис. 8.6), что повышает надежность работы компрессора.

З десь I, II - ступени сжатия; ПО - промежуточный охладитель;

p - промежуточное давление; 1-1, 2-2- сжатие газа в ступенях;

1-2 - охлаждение газа в ПО; 1-2- одноступенчатое сжатие газа

Пусть  = p₂/p₁ - степень повышения давления в компрессоре, - степени повышения давления в ступенях, тогда

.

(8.10)

Как выбираются промежуточные давления при многоступенчатом сжатии?

Анализ системы уравнений для расчета работы, затрачиваемой на двухступенчатое сжатие, имеющей вид

показывает, что минимальная работа затрачивается тогда, когда степени повышения давления в ступенях одинаковы (₁ = ₂). В этом случае на основании (8.10) имеем

.

(8.11)

С помощью формулы (8.11) определяется .

При многоступенчатом сжатии с числом ступеней z степени повышения давления в ступенях определяются из условия

.

(8.12)

Если характер процессов сжатия и степени повышения давления в ступенях одинаковы, а охлаждение газа в промежуточных охладителях производится до первоначальной температуры, то можно утверждать следующее:

• работа, затрачиваемая на сжатие в каждой ступени, одинакова:

  .

  (8.13)

• температура сжатого газа на выходе каждой ступени одинакова (для двухступенчатого сжатия , рис. 8.6);

• теплота, отводимая от сжимаемого газа в ступенях, одинакова:

• теплота, отводимая в промежуточных охладителях, одинакова:

Теплота, отводимая в компрессоре от 1 кг газа, рассчитывается по формуле

.

(8.14)

Теплота, отводимая в компрессоре в единицу времени

.

(8.15)

Расход воды (Gв), необходимой для охлаждения газа, рассчитывается из уравнения теплового баланса

,

(8.16)

где - энтальпия и температура воды на входе и на выходе из компрессора, - теплоемкость воды.

8.3. Оценка эффективности работы компрессоров

Степень необратимости процессов сжатия в компрессорах (охлаждаемых и неохлаждаемых) оценивается эксергетическим КПД

.

(8.17)

Для неохлаждаемых компрессоров (q_отв = 0) эта формула принимает вид

.

(8.18)

Формула (8.18) справедлива и для охлаждаемых компрессоров в том случае, если полезно не используется отводимая теплота.

Если параметры газа на входе в компрессор не отличаются от параметров окружающей среды, то ex_вх = 0, и предыдущее выражение упрощается:

,		(8.19)
где .

При обратимых процессах сжатия _экс = 1.

Для сравнительной оценки работы компрессоров применяют изотермический и адиабатный КПД.

Изотермический КПД вычисляется по формуле

(8.20)

и применяется для охлаждаемых компрессоров. Он сравнивает работу компрессора с работой изотермического сжатия. Для поршневых компрессоров _из= 0,6-0,7.

Адиабатный КПД определяется следующим образом:

.

(8.21)

Он применяется для неохлаждаемых компрессоров и сравнивает работу компрессора с работой обратимого адиабатного сжатия.

На рис. 8.7 представлены процессы обратимого адиабатного сжатия (1-2) и необратимого адиабатного сжатия (1-2д).

Р абота обратимого адиабатного сжатия

,

работа действительного процесса сжатия (внутренняя работа)

.

Адиабатный КПД компрессора называют внутренним относительным КПД компрессора и обозначают

.

(8.22)

Для центробежных компрессоров , для осевых - .