Многоступенчатые компрессоры

В практике часто требуется получать сжатый газ с очень высоким давлением. При одноступенчатом сжатии с увеличением отношения давлений избыток работы в адиабатном цикле по сравнению с изотермическим циклом прогрессивно возрастает. И даже самое тщательное охлаждение цилиндра не приближает процесс сжатия к изотермическому, что приводит к большому перерасходу работы. Кроме того, высокая температура газа в конце сжатия может быть причиной самовоспламенения масла, смазывающего цилиндр и поршень. Поэтому, в холодильной технике одноступенчатые компрессоры применяют обычно при отношении давлений р₂/р₁ не более 8-12.

При необходимости получить более высокие давления применяют компрессоры многоступенчатого сжатия, в которых процесс сжатия осуществляется последовательно в отдельных ступенях. После сжатия в первой ступени до некоторого промежуточного давления р_пр1 газ поступает для охлаждения в промежуточный холодильник. Затем газ сжимают во второй ступени, имеющий меньший объем цилиндра, до давления р_пр2. если двух ступеней недостаточно, после охлаждения в холодильнике второй ступени газ направляют в следующую ступень и т.д.

Рис.8. Цикл многоступенчатого сжатия.

На рис.8 в диаграмме V-p показан цикл многоступенчатого сжатия. В этом цикле процессы сжатия приняты адиабатными, а охлаждения – изобарными. В первой ступени газ сжимается по адиабате 1-2 от давления р₁ до промежуточного р_пр1 и направляется в холодильник, где охлаждается при р_пр1=const (процесс 2-3). Обычно стремятся к полному охлаждению газа в промежуточных холодильниках, чтобы из холодильника газ выходил с той же температурой, с которой он поступал в предыдущую ступень, следовательно, t₁=t₃=t₅. вследствие охлаждения объем газа уменьшается на величину отрезка 2-3. во второй ступени сжатие газа начинается от р_пр1 и происходит по адиабате 3-4 до р_пр2 . После этого газ вновь охлаждается в холодильнике (процесс 4-5), а затем сжимается в третьей ступени до конечного давления р_к. Экономия работы в цикле в цикле двухступенчатого сжатия соответствует площади 2-3-4-2^′, а в цикле трехступенчатого сжатия – площади 2-3-4-5-6-7.

Число ступеней сжатия компрессоров принято выбирать таким, чтобы отношение давлений в каждой ступени не превышало четырех. При таком соотношении давлений разогрев стенок цилиндров не слишком высок, что обеспечивает их надежную смазку, а следовательно, и меньшее изнашивание. При увеличении числа ступеней компрессора его теоретический цикл все более приближается к изотермическому. Но одновременно с этим растут потери работы на преодоление сопротивлений клапанов, а также усложняется конструкция машины. Поэтому выбор числа ступеней определяется практической целесообразностью.

Принимая отношение давлений во всех степенях одинаковыми, в общем случае имеем:

где m- число ступеней; р_к- конечное давление.

При одинаковых условиях сжатия в каждой ступени, т.е. при равенстве отношений давлений, начальных температурах и показателей политроп сжатия, будут и конечные температуры газа в отдельных ступенях компрессора: T₂=T₄=T₆. Следовательно, будут равны и работы L_ст, потребляемые каждой ступенью. Полная работа, затраченная m-ступенчатым компрессором, составит

L_к=L_ст∙m

Количество теплоты, отводимой от газа при охлаждении после каждой ступени в изобарном процессе, определяют по формуле

q_p=c_p∙(t₂-t₁)= c_p∙(t₄-t₃)=c_p∙(t₆-t₅)

Общее удельное количество теплоты

∑q_p=m∙c_p∙(t₂-t₁)