14.5. Многоступенчатое сжатие газа

При одноступенчатом сжатии газа, осуществляемом в одном цилиндре, невозможно достичь высоких степеней сжатия по указанным ранее причинам. Поэтому в одной ступени ограничивают величину степени сжатия . При необходимости получения степени сжатия поршневой компрессор выполняют многоступенчатым.

Схема многоступенчатого компрессора приведена на рис. 47.

Рисунок 47 – Схема многоступенчатого поршневого компрессора: 2, 13, 24 – цилиндры компрессоров с охлаждающей рубашкой 3, 14, 25– поршни; 9, 20, 30 – холодильники; 5, 16, 27 – всасывающие клапаны; 6, 17, 28 – нагнетательные клапаны; 1, 12, 23, 10, 21, 31 – вход холодной воды; 8, 11, 19, 22, 32, 34 – выход охлаждающей воды; 4, 15, 26 – вход рабочего тела – газа; 7, 18, 29 – выход сжатого газа; 33 – выход охлажденного газа.

Принцип работы многоступенчатого компрессора состоит в следующем. Через клапан 5 первой ступени происходит всасывание газа. После сжатия газ через холодильник 9 направляется на вторую ступень компрессора. Причем всасывание газа во второй ступени происходит при давлении сжатия первой ступени. Всасывание газа в третьей ступени выполняется через холодильник 20 при давлении сжатия второй ступени. Через нагнетательный клапан третьей ступени осуществляется нагнетание газа через холодильник к потребителю.

Диаграмма процессов сжатия в трехступенчатом компрессоре в –координатах представлена на рис. 48.

Рисунок 48 – Индикаторная диаграмма идеального трехступенчатого компрессора.

Рассмотрим процессы:

0 – 1 – линия всасывания газа в первую ступень компрессора;

1–2 – политропный процесс сжатия газа в первой ступени;

2–а – линия нагнетания газа в холодильник 9;

а – 3 – линия всасывания во вторую ступень компрессора;

3 – 4 – политропный процесс сжатия во второй ступени;

4–b – линия нагнетания в холодильнике 20;

b – 5 – линия всасывания в третью ступень компрессора;

5–6 – политропный процесс сжатия в третьей ступени;

6–с – линия нагнетания газа к потребителю.

Отрезки 2–3 и 4–5 изображают уменьшения объёма газа в процессе при постоянном давлении в холодильнике 9 и 20. Охлаждение производится до одной температуры, равной температуре всасывания газа в первой ступени . Поэтому температуры в рабочих точках 1, 3 и 5 будут одинаковыми, и через них можно провести изотерму 1–7.

Отношение давлений для каждой ступени обычно принимается одинаковыми, равным степени сжатия

В случае равенства начальных температур и показателей политропы конечные температуры также будут равны, т.е.

Отсюда следует, что

Так как и , то

При z–ступенях компрессора:

где , –начальное и конечное давление сжимаемого газа соответственно.

Ступенчатое сжатие с промежуточные охлаждением приближает рабочий процесс компрессора к наиболее экономичному изотермическому сжатию и чем больше ступеней сжатия, тем больше процесс сжатия будет приближаться к изотермическому.

При равенстве температур газа на входе в каждую ступень и равенстве отношений давлений затрата работы на сжатие во всех ступенях будут одинаковыми, т.е. ,

отсюда

или при z – ступенях

Работа на привод трехступенчатого компрессора при политропном сжатии во всех ступенях в –диаграмме может быть определена площадью фигуры 0123456с0.

Если процесс политропного сжатия до давления производится в одноступенчатом компрессоре, то затраченная работа будет равна площади фигуры 018с0. Отсюда экономия работы будет численно равна площади 2345682.

В реальном многоступенчатом компрессоре с целью уменьшения объема «мертвого» пространства диаметры цилиндров изменяются в сторону уменьшения в геометрической прогрессии.

В –диаграмме процессы политропного сжатия изображены на рис. 48 кривыми 1–2, 3–4 и 5–6, а процессы охлаждения в охладителях – линиями – 2 – 3, 4 – 5 и 6 – 7. Площади а12b, с34d и е56f равны между собой, вследствие равенства температур. Это показывает, что во всех цилиндрах от газа при его сжатии отводится одно и то же количество теплоты. Площади b23c, d45e и f67i также равны между собой, а из этого следует, что в охладителях при изобарном процессе охлаждении отводится одно и то же количество теплоты.

Рисунок 48 – –диаграмме политропного сжатия газа в трехступенчатом компрессоре.