13. Многоступ сжатие

В многоступенчатых компрессорах сжатие газов осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах (до семи) с промежуточным охлаждением после каждого цилиндра в специальных холодильниках. При таком принципе работы сжатие газа в каждом цилиндре возможно при допустимом температурном режиме, обеспечивающем благоприятные условия смазки. В промежуточных холодильниках после каждого цилиндра газ охлаждают при постоянном давлении, равном давлению конечного сжатия в соответствующей ступени.

Рассмотрим в качестве примера работу трехступенчатого поршневого компрессора, схема которого приведена на рис.17.2, а рабочий процесс в pх- и тs- координатах (для идеального компрессора) — на рис.17.3.

Газ всасывается в цилиндр низкого давления (процесс D-1 на рис.17.3), сжимается по политропе 1-2 до давления P₂ и нагнетается в промежуточный холодильник x₁, где при постоянном давлении P₂ охлаждается вследствие отдачи теплоты воде, омывающей змеевик. Из промежуточного холодильника сжатый газ при том же давлении P₂ всасывается во вторую ступень. Конечный объем всасывания V₃ < V₂; так как P₂ = Cnst, а T₃ < T₂. Во второй ступени газ сжимается по политропе до давления P₄ (процесс 3-4), нагнетается при этом давлении во второй промежуточный холодильник х₂ и оттуда поступает в третью ступень, где и сжимается до конечного заданного давления P₆ (процесс 5-6) и нагнетается в резервуар.

Работу многоступенчатого компрессора стремятся организовать так, чтобы обеспечивались следующие три условия:

1) полное охлаждение газа во всех холодильниках, т.е. температуру газа доводят до начальной температуры Т₁, которую он имел при входе в первую ступень (Т₁ = Т₃ = Т₅);

2) одинаковая конечная температура сжатия газа во всех ступенях, обеспечивающая во всех цилиндрах надежные условия смазки (Т₂ = Т₄ = Т₆);

3) одинаковые показатели политроп сжатия во всех цилиндрах, т.е.

n^I = n^II = n^III = n.

При выполнении этих условий перепады давлений (отношение конечного давления к начальному) во всех ступенях одинаковы, т.е. Р₂/Р₁ = Р₄ /Р₃ = Р₆/Р₅.

Для определения общей работы, затрачиваемой на привод многоступенчатого компрессора, необходимо просуммировать работы, затрачиваемые на сжатие газа по отдельным ступеням. Нетрудно показать, что при выполнении трех указанных условий А^I₀, А^II₀, А^III₀ будут одинаковы.

В соответствии с формулой (17.5) имеем:

А^I₀ = n/(n – 1)Р₁ v₁[(Р₂/Р₁) ^{(n - 1)/n} – 1] = n/(n – 1)RT₁[(Р₂/Р₁) ^{(n - 1)/n} – 1]; (17.6)

А^II₀ = n/(n – 1)Р₃ v₃[(Р₄/Р₃) ^{(n - 1)/n} – 1] = n/(n – 1)RT₃[(Р₄/Р₃) ^{(n - 1)/n} – 1]; (17.7)

А^III₀ = n/(n – 1)Р₅v₅[(Р₆/Р₅) ^{(n - 1)/n} – 1]= n/(n – 1)RT₅[(Р₆/Р₅) ^{(n - 1)/n} – 1]; (17.8)

Так как правые части уравнений равны, то А^I₀ = А^II₀ = А^III₀. Тогда теоретическая работа m ступенчатого компрессора, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, будет определяться произведением m•А₀.

Теоретическая мощность N₀ (Вт), затрачиваемая на привод компрессора, может быть определена по равенству:

N₀ = M·m•А₀ , (17.9)

где: M – производительность компрессора, кг/с; А₀ – теоретическая работа на сжатие 1 кг газа в одной ступени, Дж/кг; m – число ступеней компрессора.

Для определения действительной (эффективной) мощности N_е, необходимой для привода компрессора, нужно знать потери работы на преодоление сопротивлений клапанов и трубопроводов и на трение в соприкасающихся частях компрессора, которые учитываются механическим КПД:

N_е = N₀ / з_м = M·m•А₀ / з_м . (17.10)

Для поршневого компрессора з_м = 0,8—0,9.