Многоступенчатое сжатие. Сжатие реальных газов

При необходимости получения газа под высоким давлением возникает вопрос о целесообразности его сжатия в одной ступени или распределения общего повышения давления на две или несколько последовательно работающих ступеней компрессора.

Рассмотрим диаграмму рабочего процесса в трёхступенчатом компрессоре, представленную на рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма сжатия в многоступенчатом компрессоре

В первой ступени всасывание происходит по линии а-1. Сжатие происходит по адиабате линия 1-2. Линия 2-b нагнетание газа из первой ступени в промежуточный холодильник. Вследствие охлаждения газа его объём уменьшился (линия b-3). Линия 2-3 показывает изменение объёма газа при охлаждении при постоянном давлении.

Всасывание во второй ступени происходит по линии b-3. При охлаждении сжатие газа во второй ступени происходит по политропе 3-4. Линия 4-с нагнетание газа из второй ступени в промежуточный холодильник. После охлаждения до начальной температуры объём газа уменьшается (линия с-5). Линия 4-5 изменение объёма газа.

Всасывание на третьей ступени происходит по линии с-5, при давлении р₃. Вследствие охлаждения компрессора сжатие газа до р₄ в третьей ступени происходит по политропе 5-6. Нагнетание газа в сборник происходит по линии 6-d при постоянном давлении р₄.

Для обеспечения нормальной работы многоступенчатого компрессора должны быть удовлетворены следующие требования:

а) газ во всех холодильниках должен охлаждаться до начальной температуры всасывания в первой ступени;

б) конечные температуры сжатия во всех ступенях должны быть одинаковыми.

Из диаграммы видно, что если бы сжатие газа было произведено в один приём по линии сжатия 1-е, то площадь диаграммы а-1-е-1-d-а была бы большей, чем площадь диаграммы многоступенчатого сжатия а-1-2-3-4-5-6-d-а. Поэтому работа, затрачиваемая при многоступенчатом сжатии, меньше, чем при одноступенчатом сжатии (заштрихованная площадь). Из диаграммы также видно, что с увеличением числа ступеней компрессора процесс сдвигается ближе к изотерме, что с точки зрения затраты энергии более выгодно. Однако с прибавлением новой ступени усложняется конструкция компрессора.

Степень сжатия  в каждом цилиндре многоступенчатого компрессора принимается одинаковой и определяется по формуле:

(22)

где р_z+1 – давление на выходе компрессора, z – число ступеней выбирается таким, чтобы степень сжатия в каждой из них не превышало  = 4.

Это относится к большим компрессорам. При такой степени сжатия температуры, возникающие в цилиндрах компрессора, не слишком высоки и при этом обеспечивается надёжная смазка. Только в малых компрессорах допускается большая степень сжатия.

Обычно для компрессора количество ступеней принимают равным:

- одну ступень при сжатии воздуха или газа до 0,5 – 0,7 МПа;

- две ступени – до 2,5 МПа;

- три ступени – до 12,5 МПа.

- четыре ступени и более – свыше 12,5 МПа.

Например. При необходимости сжать воздух до 6,4 МПа принимают три ступени компрессора. В этом случае степень сжатия будет:

, и, следовательно, в первой ступени воздух будет сжат до 0,4 МПа, во второй – до 1,6 МПа, а в третьей – до 6,4 МПа.

Так как в каждой последующей ступени объём газа уменьшается, то объём цилиндров компрессора для каждой последующей ступени должен быть меньшим во столько раз, во сколько раз сжимается газ, а именно:

(23)

При равных отношениях давлений по ступеням работа, затрачиваемая в многоступенчатом компрессоре, например при политропическом цикле, рассчитывается по формуле:

(24)

Равенство отношений давлений во всех ступенях компрессора не только снижает суммарную затрату работы. Температуры нагнетания в этом случае тоже равны по ступеням и более низки, чем при разных отношениях давлений.