Многоступенчатое сжатие

При сжатии газа температура его повышается. Так, например, при температуре всасывания воздуха T = 293˚К; t = 20˚С и отношении давлений , температура воздуха на выходе при адиабатическом сжатии равна

При политропическом сжатии t₂ будет несколько ниже – 210-220˚С.

Так как компрессорные смазочные масла имеют t˚ вспышки 220-260˚С, то конечные t₂ сжатия, получаемые при ε = 8, являются опасными. Они могут привести к вспышке масла и даже к взрыву. Кроме того, высокая t₂ отрицательно сказывается на работе нагнетательных клапанов.

Приведённые соображения ограничивают величину степени сжатия в одном цилиндре. В современных конструкциях большой производительности . Иногда (редко) степень сжатия доводят до ε = 7.

Если необходимо получить степень сжатия , то процесс сжатия ведут в нескольких последовательно включенных цилиндрах. При переходе из одной ступени в другую газ охлаждается в промежуточных холодильниках до t, близкой к t₁ газа, всасываемого в 1 ступень.

Количество ступеней, необходимых для достижения заданной степени сжатия принимают в пределах:

ε_к z (число цилиндров)

до 6 1

6-30 2

30-100 4

100-150 5

>150 6 и более.

1-1` - сжатие в 1 ступени

1`-2 – охлаждение при p=const в промежуточном холодильнике

2-2` - сжатие во 2 ступени и т.д.

Если бы процесс сжатия был изотермическим одноступенчатым, то он характеризовался бы линией 1-5 (изотерма).

Если бы процесс протекал политропическим в одноступенчатом компрессоре, то он характеризовался бы линией 1-4.

Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением приближает рабочий процесс компрессора к изотермическому. Поэтому при заданной степени сжатия ε применение ступенчатого сжатия приводит к экономии мощности двигателя на величину, пропорциональную величину заштрихованной площади фигуры 1`-4-3`-3-2`-2.

Промежуточное давление

На p-V диаграммы видно, что промежуточное давление влияет на распределение работы между ступенями компрессора.

При данном числе ступеней компрессора выгодно распределять работу между ними, так, чтобы суммарная работа, затрачиваемая всеми ступенями компрессора, была наименьшей.

На p-V диаграмме работа компрессора изображается под линиями сжатия и охлаждения. При этом оказывается, что минимум работы компрессора с заданными начальным и конечным давлением и количеством ступеней достигается равномерным распределением работы по отдельным ступеням. Докажем, что этим условием определяется выбор степени сжатия отдельных ступеней и величина промежуточных давлений.

Пусть

где z – количество ступеней компрессора.

При одинаковых показателях политроп сжатия в отдельных ступенях при охлаждении в промежуточных охладителях до начальной температуры будем иметь по S-T диаграмме

линии 1-1`, 2-2`, 3-3` - политропическое сжатие;

линии 1`-2, 2`-3, 3`-4 – охлаждение при p=const.

Но для политропного процесса

Поэтому для отдельных ступеней

Следовательно,

Условие минимума затраты энергии многоступенчатым компрессором требует равенства степеней сжатия его ступеней.

Для определения степени сжатия ступени компрессора запишем конечные давления по ступеням в виде:

для первой ступени

для второй ступени

для третьей ступени

для z-й ступени

Отсюда следует:

На практике от принципа равномерного распределения работы по отдельным ступеням отступают и относят на ступени высокого давления несколько меньшие степени сжатия. Понижение степени сжатия в последних цилиндрах повышает надёжность машины и снижает температуру конца сжатия в ступени (цилиндре).

Мощность на валу многоступенчатого компрессора

Как уже упоминалось, изотермическая мощность одноступенчатого компрессора описывается уравнением:

где p₁ – давление на входе;

p₂ – давление на выходе.

В многоступенчатом компрессоре с числом ступеней z при одинаковых работах отдельных ступеней изотермическая мощность компрессора равна

а мощность на валу

Если работа отдельных частей ступеней неодинакова, то N_в компрессора определяются суммой мощностей отдельных ступеней.

Регулирование производительности

Расход газа из трубопроводной сети может изменяться в зависимости от условий потребления. Поэтому компрессор должен изменять свою производительность, чтобы она соответствовала расходу газа из сети. При этом в сети должно поддерживаться постоянное давление. Такое регулирование производительности называется регулированием на постоянном давлении. Задача регулирования заключается в таком воздействии на компрессор, которое выравнивает производительность с расходом газа из сети.

Начальным импульсом для регулирования является обычно изменение давления в сети, которое возникает при изменении расхода газа потребителями.

Импульс давления с помощью специального датчика
, усиливается, если нужно, и воздействует на регулирующий орган, который изменяет один из параметров:

1. Число оборотов.

2. Положение всасывающего клапана.

3. Объём мёртвого пространства и др.

Регулирование с изменением числа оборотов

Производительность компрессора равна

Из этого уравнения видно, что, изменяя n, легко можно изменять производительность. Этот способ экономичен, но требует приводного двигателя с переменным n.

Применение эл. двигателя 3-х фазного тока практически исключает возможность изменения числа его оборотов. Поэтому между валом эл. двигателя и компрессором должен быть включён какой-либо вариатор скорости (сравнительно сложно). Специальные двигатели постоянного тока с переменным n дороги и их применение оправдывается только при больших мощностях и глубоком регулировании производительности.

Регулирование производительности изменением n при электрическом приводе широкого применения не получило.

Однако рассматриваемый способ широко применяется в случаях привода компрессора от паровой машины или двигателя внутреннего сгорания, где n регулируется довольно просто.

Регулирование дросселированием при всасывании

Если во всасывающий тракт компрессора вводить дополнительное сопротивление, то компрессор уменьшает производительность.

Пусть 1-2-3-4-1 – индикаторная диаграмма без регулирования сопротивления в трубе.

Введём регулирующее сопротивление, уменьшающее всасывающее давление от p₁ до p_1рег. При этом процесс расширения представится линией 3-4`, всасывания 4`-1`, сжатия 1`-2`. Из диаграммы видно, что всасываемый объём газа уменьшился от V₁ до V_1рег, а объём подачи от V₂ до V_2рег.

Соответственно изменится и производительность.

Благодаря простоте этот способ широко применяется при высоких степенях сжатия.

Регулирование производительности отжиманием пластин всасывающего клапана

Если вследствие уменьшения расхода в сети давление в баллоне компрессора увеличится сверх заданного, то это давление через поршень исполнительного механизма и передаточный механизм воздействует на всасывающий клапан, открывая его. В этом случае при ходе сжатия и подачи всасывающий клапан остаётся открытым, благодаря чему газ из цилиндра будет выталкиваться во всасывающий трубопровод. Вследствие этого произойдёт пропуск в подаче. Это будет продолжаться до тех пор, пока давление в баллоне не придёт к норме. При этом исполнительный механизм перестаёт воздействовать на всасывающий клапан, и он начинает плотно садиться на место.

Способ прост, но экономически неэффективен, т.к. на холостой ход при пропуске подачи затрачивается не менее 15% мощности.

Такой способ применяется для компрессоров с любыми ε и производительностями.

Регулирование с изменением объёма мертвого
пространства

Из формулы видно, что при постоянных ε, n, V_p можно изменять производительность изменением объёма вредного пространства (т.е. величины относительного объёма вредного пространства ).

Этим способом можно достигнуть Q = 0 если При этом компрессор не всасывает и не подаёт газ (оба клапана закрыты). В цилиндре происходит расширение и сжатие постоянного количества газа. Конструктивно такое регулирование выполняется в виде дополнительных полостей постоянной или переменной ёмкости, автоматически или вручную присоединяемых к мёртвому пространству.

Рассмотренный способ очень экономичен и получил широкое применение в компрессорах большой мощности.