4. Обоснование многоступенчатого сжатия. Изображение в "р -V" и "т - s" диаграммах.

С целью получения газа высокого давления применяют много­ступенчатое сжатие. В современных поршневых компрессорах степень повышения давления в одной ступени е^4. При более высоких е (число ступеней сжатия t>l) применяют промежу­точное охлаждение газа (рис. 9.3, 9.4). Предельное значение g определяется допустимыми температурами газа в конце про­цесса сжатия исходя из требований предупреждения воспламе­нения паров смазочного масла в цилиндре компрессора при вы­соких температурах.

Принято, что в каждой ступени компрессора осуществляется политропное сжатие газа с отводом некоторого количества теп­лоты через стенки цилиндров в окружающую среду (процесс при n<k).

Охлаждение газа в промежуточных охладителях осуществ­ляется до начальной температуры. Потери давления при про­хождении газа по трубкам промежуточных охладителей не учи­тываются.

Рис. 9.3. Схема трехступенчатого поршневого комп­рессора с двумя промежуточными охладителями га­за

Рис. 9.4. Процесс трехступенчатого сжатия и промежуточного охлаждения газа в р—v и Т—s координатах

Газ при давлении pi (см. рис. 9.4) поступает в первый ци­линдр компрессора (I ступень), где политропно сжимается по линии 1—2 до давления p2. Сжатый газ поступает в охлади­тель 1, где охлаждается до первоначальной температуры Т1 — линия 2—3. Газ охлаждается при постоянном давлении Р2=Р3. Далее газ поступает во второй цилиндр (II ступень), сжимает­ся политропно по линии 3—4 до давления р4, поступает в охла­дитель 2, где вновь охлаждается до температуры Т1 при P4=Р5. Далее газ поступает в третий цилиндр (III ступень), политроп­но сжимается (линия 5—6) до давления Р6, после чего газ на­гнетается в газгольдер или подается потребителю.

Как следует из индикаторной диаграммы (рис. 9.4, а), про­межуточное охлаждение значительно уменьшает затраты рабо­ты на сжатие газа. Потенциальная работа сжатия уменьшается на величину, которой соответствует площадь заштрихованной части диаграммы 2—8—6—5—4—3—2. При одноступенчатом сжатии газа и при отсутствии промежуточного охлаждения, но при том же начальном Р1 и конечном Рк давлении процесс сжа­тия осуществлялся бы по линии 1—8, а работа затраченная на сжатие, была бы равна площади диаграммы а—/—2—8—d—а. Промежуточное охлаждение приводит также к уменьшению температуры в конце сжатия. На диаграмме рис. 9.4, б началь­ная температура газа Т1, конечная температура газа при сжа­тии— Т_К.

Количество теплоты, отведенной от газа в первом охладите­ле, равно площади диаграммы в Т—s координатах 2—3—f—е—2, а количество теплоты, отведенной во втором охладителе, — пло­щади 4—5—h—g—4 (см. рис. 9.4,6). В результате промежуточ­ного охлаждения процесс сжатия газа в многоступенчатом компрессоре приближается к изотермическому. При бесконечно большом числе промежуточных охладителей процесс сжатия: будет изотермическим (см. рис. 9.4, а, линия /—3—5—7).

Работа, затрачиваемая на сжатие в многоступенчатом комп­рессоре, равна сумме работ, затрачиваемых в отдельных ступе­нях. При проектировании и эксплуатации стремятся обеспечить минимальную суммарную работу сжатия, что достигается, если степень повышения давления в каждой ступени компрессора одинаковая, следовательно, и затраченная работа в каждой сту­пени сжатия также одинаковая.

Степень повышения давления в каждой ступени сжатия при общем числе ступеней i определяется из соотношения ε1 = ε2 = … = εi = √Pк/ P1, где Рк — конечное давление при многоступенчатом сжатии. В рассматриваемом случае Рк = Р6. . . . .

При одинаковых температурах газа на входе и выходе каж­дой ступени сжатия количество отведенной" в промежуточных, охладителях теплоты будет одинаковым. Вопрос о рациональ­ном числе ступеней сжатия и промежуточного охлаждения в реальных условиях проектирования решается с учетом потерь давления при движении газа в охладителях и в соединитель­ных трубопроводах, а также с учетом массы и габаритных размеров охладителей. Необходимо стремиться к сокращению потерь давления со стороны газа и в трубопроводной обвязке, к уменьшению массы и размеров охладителей газа. Таким образом, целесообразность промежуточного охлаждения газа при сжатий определяется на основе технико-экономических расчетов.