Многоступенчатое сжатие. Необходимость многоступенчатого сжатия в поршневых компрессорах вызовется двумя причинами.

Необходимость многоступенчатого сжатия в поршневых компрессорах вызовется двумя причинами.

Первая причина состоит в теоретической границе степени повышение давления в одной ступени, связанным с влиянием вредного пространства. Выравнивание давления воздух, который остался в вредному просторные, с давлением атмосферного воздуха при определенном значении ε может состояться только до конца хода всасывание, которое практически означает невозможность всасывания, а итак, и подачи сжатого воздуха. При этом объемный коэффициент компрессора α₀= 0.

По формуле (117) можно определить степень повышения давления, при которой прекратится всасывание. Приняв коэффициент вредного пространства α_В= 0,05, установим, что всасываниенебудет, если при изотермическом расширении воздуха, что осталось в вредному просторные, ε= 21 (то есть при р₂= 2,1 МПа,если р₁ = 0,1 МПа), и при адиабатном расширении, если ε= 71 (то есть при р₂ = 7,1 МПа, если р₁= 0,1 МПа).

Вторая причина, которая вызовет необходимость многоступенчатого сжатия, состоит в температурной границе степени повышение давления в одной ступени, которая обуславливается допустимой температурой нагревания смазочного масла, которое вводится в цилиндр компрессора. Температура сжатого воздуха должна быть не высшее 170 °С. Температурная граница степени повышение давления в одной ступени определяется на основании формулы (112). Приняв температуру всасываемого воздуха t₁= 25°С и температуру сжатого воздуха t₂=160 °С, при неблагоприятном адиабатном процессе сжатия воздуха получим ε = 4,2, то есть температурная граница допускает еще меньшая степень повышения давления в одной ступени, чем теоретическая граница. Для политропного сжатия (п< КР) эта граница будет немного выше.

В силу указанных причин приходится применять многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха.

Шахтные компрессоры давлением 0,8 МПа строятся двухступенчатыми, а при более высоких давлениях (15 МПа и высшее) — пяти- и шестиступенчатыми. Конструктивно компрессоры тем более сложное, чем большее число ступеней сжатия.

Чаще всего многоступенчатое сжатие вырабатывается в нескольких цилиндрах, реже — в одном цилиндре с дифференциальным поршнем.

Рис. 90. Схемы двухступенчатых компрессоров:

д — двухцилиндрового; бы — одноцилиндрового с дифференциальным поршнем

В двухступенчатом двухцилиндровом компрессоре (рис. 90, а} при походке поршня 1 по левую сторону по правую сторону атмосферный воздух через всасывающий клапан 2 всасывается в цилиндр 3 первые ступени сжатия. При обратном ходу поршня воздуха сжимается к промежуточному давлению p_пр и выталкивается через нагнетательный клапан 4 в промежуточный охладитель 5, где охлаждается. Из охладителя воздуха при давлении р_пр через всасывающий клапан 6 всасывается в цилиндр 7 второй ступени сжатия и, сжатый там к конечному давлению р₂ выталкивается поршнем 8 через нагнетательный клапан 9 в воздухопроводную сеть. Цилиндры 3 и 7 могут быть одностороннего и двустороннего действия. Сжимаемый в цилиндрах воздуха охлаждается с помощью водных рубашек В двухступенчатом одноцилиндровом компрессоре (рис. 90, б) с дифференциальным поршнем 1 в части 3 цилиндры осуществляется первому степень сжатия, а в части 7 — вторая.

На диаграмме теоретического процесса двухступенчатого двухцилиндрового компрессора (рис. 91, а) всасывание атмосферного воздуха объемом v₁ в первую ступень показан линией 1-2, сжатие в этой ступени — кривого 2-3, а выталкивание сжатого к давлению р_пр воздух в промежуточный охладитель — линией 3-4. В промежуточном охладителе воздуха охлаждается и его объем V_пр становится меньшее в сравнении с объемом V’_пр воздух, который выталкивается из первой ступени. Всасывание воздуха, сжатого к давлению p_пр, из промежуточного охладителя в друге степень изобразится линией 4-3', процесс сжатия в этой же ступени— кривой 3'—5, выталкивание сжатого к конечному давлению р₂ воздух объемом V₂ второй ступени в воздухопроводную сеть — линией 5-6. Без промежуточного охлаждения процесс сжатия изобразилось бы кривой 2-3-5'.

Рис. 91. Диаграммы теоретических процессов в двухступенчатом двухцилиндровом компрессоре:

а"— теоретическая, бы — соответствующей действительности

Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждениемвсравнении с одноступенчатым сжатием имеет преимущества:

1) экономия в работе, показанная как заштрихованная площадка 3'—3-5'—5-3';

2) более низкая температура сжатого воздуха;

3) более высокий объемный коэффициент;

4) более сухойсжатыйвоздух.

Соответствующей действительности индикаторная диаграмма двухступенчатого сжатия в двухцилиндровом компрессоре с промежуточным охлаждением (рис. 91, б) отличается от теоретической по причинам, изложенным выше. На рис. 91, бы линией 1-1 показанное атмосферное давление.

Разбивка на ступени сжатия в многоступенчатых компрессорах вырабатывается на основании следующего: законы сжатия во всех ступенях одинаковое; воздух в промежуточных охладителях охлаждается так, что температура его в начале сжатия во всех ступенях одинаковая; полная работа компрессора должна быть минимальной. Наиболее выгодное давление в промежуточном охладителе, то есть конечное давление сжатия в первой ступени, с точки зрения минимальной полной работы при двухступенчатом сжатии зрения минимальной полной работы при двухступенчатом сжатии

(118)

а для общего случая многоступенчатого сжатия степень повышения давления в любой с ступеней ( и т.д.) равняется корню степени z (число ступеней) с полной степени повышения давления е компрессора, то есть

ε₁ = ε₂= … =ε_z = (119)

На основании сказанного:

1) температура воздуха в конце сжатия в каждой ступени одинаковая и равняется

(120)

2) полные работы в любой с ступеней одинаковые, то есть

L₁=L₂= … =Lz

При двухступенчатом сжатии затрачиваемая работа равняется:

в I ступени

(121)

в II ступени

(122)

В формулах (121) и (122) обозначение отвечают рис.91, а.Полная работа (Дж) многоступенчатого компрессора, который имеет г ступеней.

(123)

При многоступенчатом сжатии улучшается объемный коэффициент. Его величина, обусловленная по I ступени,

(124)

На практике добиться равенства работ в ступенях тяжело, так как: 1) законы сжатия в разных ступенях могут быть разные вследствие того, что показатель политропы п в ступенях может иметь неодинаковые значения через разную интенсивность охлаждения; 2) объемы вредного пространства могут быть неодинаковые; 3) в промежуточном охладителе невозможное снижение температуры к температуре всасываемого в компрессор воздуха.