Многоступенчатые компрессоры

Применяют для получения сжатых газов высокого давления, конструктивно представляют собой систему последовательно соеди­ненных одноступенчатых компрессоров, между которыми устанавли­ваются холодильники.

Теплообменник с развитыми поверхностями охлаждения обеспечивает несравненно более эффективный отвод тепла, чем водяная рубашка цилиндра компрессора.

Газ последовательно проходит через ступени компрессора и в каждой из них повышает давление на определенную величину. После каждого сжатия газ поступает в промежуточные холодильники и при постоянном давлении охлаждается до начальной температуры, при которой газ всасывался в первую ступень. Такой способ получения сжатого газа замедляет возрастание давления в каждом цилиндре, и влияние вредного пространства на производительность компрессора уменьшается.

Рис. 17.6. Многоступенчатый компрессор

Индикаторная диаграмма многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением включает в себя следующие процессы:

а-1 - –иния всасывания; 1-2 - –жатие в цилиндре по политропе; 2-b - –агнетание в холодильник; b-3 - –сасывание охлажден­ного газа во второй цилиндр; 2-3 – охлаждение газа в первом холодильнике; 3-4 – политропное сжатие во втором цилиндре; 4-с - –агнетание во второй холодильник; с-5 - –сасывание охлажденного газа в третий цилиндр; 4-5 - –иния охлаждения во втором холодильнике; 5-6 -п–литропное сжатие в третьем цилиндре; 6-d - –агнетание в резервуар (или сеть).

Рис. 17.7. Работа многоступенчатого компрессора

Из рисунка 17.7 видно, что работа многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением газа тем меньше, чем ближе ломаная 1-2-3-4-5-6, отображающая процессы сжатия и охлаждения газа, расположится к изотерме 1-3-5-7. Чем больше количество ступеней у компрессора, тем теоретически экономичнее его работа. Однако при этом усложняется его конструкция и эксплуатация; поэтому часто ограничиваются двумя-тремя ступенями сжатия - –ступают в силу технико-экономические соображения.

Рассмотрим работу многоступенчатого компрессора, у которого температура в конце сжатия во всех цилиндрах одинакова и газ охлаждается в холодильниках до одинаковой температуры, равной температуре окружающей среды:

,

,

; ,

- давление на входе,

- давление в сети.

Из уравнения политропы имеем: ; ; .

Следовательно, при таких условиях степень повышения давления x в каждой ступени одинакова: и .

При давлении на входе в первую ступень, равном 1 бару, конечное давление равно или .

Для - ступенчатого компрессора степень повышения давления - так подсчитывают рациональное число ступеней сжатия и вычисляют степень повышения давления в одной ступени, ( ) задается.

При этой величине отношения давлений на ступени выполняется условие минимальности суммарной технической работы цикла всего компрессора.

Работа на привод многоступенчатого компрессора складывается из работ на привод отдельных ступеней: или ; ; .

Эта работа меньше, чем работа, затрачиваемая на такое же сжатие газа в одной ступени.

Рис. 17.8. Выигрыш в работе

Выигрыш в работе представляется на рисунке 17.8 площадкой 3204.

Так получается экономия в потребляемой работе.

В реальных компрессорах, из-за ограниченных габаритов холодильников, охлаждение сжатого в каждой ступени газа неполное, не до изотермы , поэтому работа на сжатие несколько больше теоретической.

П роигрыш в работе представляется площадью 33^4^4. (рис. 17.9).

Рис. 17.9. Проигрыш в работе

На рисунке 17.10 изображены -диаграммы процессов адиабатического и политропного сжатия газа в трехступенчатом компрессоре.

Тепло , отведенное в холодильнике:

.

Отведенное тепло эквивалентно площади а23b. Для изотермического сжатия и = пл. а13b.

Тепло , отведенное в стенки цилиндра при политропном сжатии :

эквивалентно площади с 12а.

Рис. 17.10. -диаграммы

Линии 1-2, 3-4 изображают процессы сжатия, линии 2-3, 4-5 соответствуют изобарному отводу теплоты в холодильник. Вся работа изображается площадью с23b, которая на пл.123 больше, чем и на пл. 12’2 меньше, чем . Сравнивая рисунки замечаем, что суммарная работа всасывания и нагнетания при политропном сжатии (если ) меньше, чем при адиабатном.

Работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре, будет наименьшей при изотермическом сжатии и наибольшей – при адиабатном. Кроме того, необходимо отметить, что при изотерми­ческом сжатии температура газа остается неизменной, а при адиабатном - –тремительно растет, что неблагоприятно сказывает­ся на смазке в цилиндре. Осуществить изотермическое сжатие газа в компрессоре практически невозможно, и в действительности сжатие газа происходит политропно с показателем . Показатель политропы зависит от степени охлаждения цилиндра. При интенсивном охлаждении уменьшается, и поли­тропа приближается к изотерме.

В современных компрессорах применяют следующие системы:

а) охлаждение компрессора подачей воды в специально выполненные полости в отливке корпуса (внутреннее охлаждение), что существенно улучшает условия смазки поршневых компрессоров. Но доста­точного приближения процесса сжатия к изотермическому нет, т.к. затруднены условия теплообмена между потоками газа и охлаждающей воды;

б) охлаждение газа в холодильниках, устанавливаемых между отдельными ступенями (выносное охлаждение). Используя трубчатые охладители с большой поверхностью, получают существенную эко­номию в расходе энергии. Обычно в центробежных компрессорах их устанавливают между группами ступеней, получая, таким образом, более простую конструкцию установки. Известны уникальные, конструктивно сложные и дорогостоящие компрессоры с охладителя­ми после каждой центробежной ступени;

в) комбинированное (внутреннее и выносное) охлаждение.

Этот способ наиболее эффективен и широко применяется, несмотря на конструктивное усложнение и увеличение стоимости установки;

г) охлаждение (внутреннее) впрыском охлаждающей воды в поток газа перед первой ступенью компрессора. При этом способе тепло газа частично расходуется на испарение охлаждающей воды и температура конца сжатия существенно понижается. Недостатком способа является увлажнение газа, что во многих случаях недопустимо.

В ВРД компрессор повышает давление воздуха и подает его в камеру сгорания. В современных ВРД применяются главным образом многоступенчатые осевые компрессоры, в некоторых случаях используются и центробежные. Различие в названиях, в зависимости от того, как движется газ в рабочем колесе - –т центра к пери­ферии (под действием центробежных сил) или параллельно оси вращения.