2302

Многоступенчатое сжатие. В компрессорах процесс сжатия происходит в течение очень короткого промежутка времени; в большинстве случаев его можно считать адиабатным. Основываясь на этом допущении, оценим повышение температуры газа, сжимаемого адиабатически. Для этого воспользуемся уравнением состояния

р = R T

и уравнением адиабаты

р k = const.

Пусть при давлении р1 газ имеет температуру Т1. Определим температуру газа Т2 , если его подвергнуть сжатию до давления р2 . Имеем

р1 1 k = р2 2 k

или

1/k

1 p2 . (3)

2 p1

Используя уравнения состояния, можно получить

Решая совместно уравнения (3) и (4), получаем

Пусть в компрессоре сжимается воздух, всасываемый из атмосферы (р1 = 105 Па) при t1 = 20 0С до р2 = 4 105 Па. Известно, что для воздуха показатель адиабаты k = 1,41. Тогда, воспользовавшись выражением (5), имеем

Таким образом,

t2 = Т2 – 273 = 160,6 0С.

50

Так как компрессорные смазочные масла легко воспламеняются, то большая степень сжатия является опасной. Поэтому во избежание чрезмерного нагрева воздуха в компрессоре процесс сжатия разбивается на ряд ступеней. При этом в первой ступени сжимают газ от р1 до р2, во второй – от р2 до р3 и т.п. Между отдельными ступенями устанавливают холодильники, в которых происходит понижение температуры воздуха при перетекании его из одной ступени в другую (рис. 35).

Рис. 35. Установка холодильников между ступенями компрессора: К1 – К3 – ступени компрессора; Х1 , Х2 – холодильники

Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением между ступенями «приближает» рабочий процесс к изотермическому. Рассмотрим процесс трехступенчатого сжатия газа с промежуточным охлаждением (рис. 36). Если компрессор сжимает газ от давления р1 до давления р4 в одной ступени, то диаграмма такого адиабатного сжатия характеризуется линией 1-4-4”-1’-1. Пусть в первой ступени газ сжимается по адиабате от р1 до р2 (процесс 1-2). При охлаждении газа в холодильнике температура его уменьшается, точка 2 переместится на исходную изотерму (точка 2’). Сжатие газа во второй ступени происходит по адиабате 2’-3 от р2 до р3 . В холодильнике между второй и третьей ступенями газ охлаждается до начальной температуры (линия 3-3’) и выталкивается в третью ступень, где происходит аналогичное адиабатное сжатие от р3 до р4 (линия 3’-4’). Диаграмма такого трехступенчатого сжатия определяется фигурой, ограниченной линиями 1-2-2’-3-3’-4’-4”-1’-1. Сравнивая диаграммы одноступенчатого и трехступенчатого сжатия, можно отметить, что уменьшение работы сжатия в последнем случае характеризуется заштрихованной площадью.

Таким образом, многоступенчатое повышение давления является менее энергоемким.

51

На рис. 37 показана Т-s-диаграмма рабочего процесса трехступенчатого сжатия при условии, что газ сжимается в отдельных ступенях по политропе n > k и охлаждается почти до первоначальной температуры в каждой ступени без потерь давления в холодильниках, т.е. при р = const. Заштрихованная площадь диаграммы соответствует уменьшению подводимой энергии на сжатие газа при межступенчатом охлаждении.

Применение промежуточных холодильников увеличивает металлоемкость и усложняет конструкцию машины, повышает ее себестоимость на 20 30 % по сравнению с неохлаждаемыми компрессорами. Использование охлаждаемой воды увеличивает эксплуатационные затраты. Применение охлаждения газа должно основываться на результатах технико-экономических расчетов.

52

Ниже приведена зависимость заданной степени сжатия = р2 / р1 от числа ступеней.

Число ступеней:

1………………………………………1 6 2……………………………………...6 30 4…………………………………… 30 100 5……………………………………100 150 6 и более …………………………....150

В многоступенчатых компрессорах при одинаковой работе каждой ступени изотермическая мощность

LИЗ Zр1 1GД ln p2 , p1

где Z – число ступеней. Мощность на валу

NB NИЗ .

ИЗ М

Если работа каждой ступени многоступенчатого компрессора неодинакова, то мощность компрессора равна сумме мощностей отдельных ступеней.

Схемы поршневых компрессоров. Выбор схемы компрессоров зависит от назначения компрессора, условий эксплуатации, производительности (подачи), рабочего давления, числа ступеней и распределения давления между ними. От схемы компрессора в значительной степени зависят размеры, масса и динамическая уравновешенность машины.

Схемы компрессоров характеризуются следующими параметрами: числом ступеней, кратностью подачи, расположением цилиндров, конструкций механизма движения (рис. 38).

По характеру расположения осей цилиндров компрессоры подразделяются на три основные группы: вертикальные, горизонтальные и угловые.

Ввертикальных компрессорах смазочный материал, поступающий

вцилиндр, равномерно распределяется по рабочей поверхности, а попадающие вместе с ним или газом твердые частицы оседают не на цилиндрической, а на торцевой поверхности поршня, которая не соприкасается с внутренней поверхностью цилиндра. Поэтому верти-

53

кальные компрессоры меньше изнашиваются и имеют лучшую герметичность уплотнений.

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс в вертикальных компрессорах на фундамент действуют вертикально, что повышает устойчивость компрессоров и позволяет использовать фундаменты меньшей массы. Отмеченные преимущества позволяют выполнять вертикальные компрессоры более быстроходными.

Горизонтальные компрессоры лишены преимуществ вертикальных машин. Однако они более просты в обслуживании.

54

Наиболее совершенными с точки зрения динамической устойчивости являются угловые компрессоры. Эти компрессоры выполняют высокооборотными, их фундаменты имеют большую массу.

Перечисленные особенности поршневых компрессоров предопределяют области их применения. Вертикальная схема наиболее целесообразна для высокооборотных компрессоров с малым числом ступеней. Горизонтальная схема используется в основном для относительно тихоходных стационарных компрессоров большой подачи. Угловая схема обычно применяется для передвижных компрессорных установок.

По числу рядов цилиндров компрессоры подразделяют на однорядные и многорядные. Число рядов цилиндров в компрессоре обусловлено расположением осей цилиндров, а число ступеней – подачей и рабочим давлением компрессора.

Основное преимущество однорядных компрессоров заключается в их простой конструкции.

Многоступенчатые горизонтальные компрессоры обычно выполняют по однорядной или двухрядной схеме, а компрессоры, имеющие более пяти ступеней, по двухрядной схеме.

К наиболее прогрессивным схемам относятся горизонтальные компрессоры с оппозитным (взаимно противоположным) расположением цилиндров относительно вала в двух или более рядах (рис. 39).

Рис. 39. Схемы баз компрессоров: а и б – оппозитных W-образных с движением поршней соответственно взаимно противоположным и однонаправленным; в – оппозитного Н-образного

55

Совокупность узлов кривошипно-шатунного механизма поршневого компрессора называют его базой. Оппозитное исполнение баз характеризуется расположением шатунов и ползунов по обе стороны коленчатого вала.

В комплект узлов, повторяющихся в ряде компрессоров, входят станина с коренными подшипниками и направляющими ползуна, коленчатый вал, шатуны, ползуны, узлы смазочной системы кривошип- но-шатунного механизма.

На рис. 40 приведена схема компрессора для подачи реакционной смеси в колонну синтеза аммиака. Подача компрессора 1800 м3/ч, конечное давление 32 МПа. Компрессор имеет шесть ступеней сжатия. Диаметр цилиндров первой ступени 1000 мм.

Рис. 40. Схема многоцилиндрового компрессора

Важной характеристикой технического уровня промышленных компрессоров является максимальное давление. В промышленности эксплуатируются компрессоры сверхвысокого давления до 45 МПа

56

подачей до 4000 кг/ч. Обычно компрессоры сверхвысокого давления имеют гидравлический привод.

В ряде технологических процессов соприкосновение сжимаемого газа с маслом смазочной системы недопустимо. В этих случаях смазочное масло используют в смазочной системе механизма движения. Цилиндры выполнены с лабиринтным уплотнением или с уплотнением из самосмазывающих материалов. На рис. 41 представлен вертикальный трехступенчатый компрессор без смазывания цилиндров.

Большую группу компрессоров различных типов составляют машины с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это и небольшие передвижные воздушные компрессоры и крупные компрессорные установки, используемые на магистральных газопроводах.

На рис. 42 представлен компрессор с ДВС с V-образным расположением гидроцилиндров.

57

Рис. 41. Вертикальный трехступенчатый компрессор без смазывания цилиндров: 1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – клапан; 4 – фонарь; 5 – шток; 6 – ползун; 7 – палец; 8 – шатун; 9 – коленчатый вал; 10 – противовес

58

59