Повышенное давление на первой ступени

При необходимости сжимать газ до давления, превышающего 0,4…0,7Мпа по манометру, применяют многоступенчатое сжатие, сущ-

-88-

ность которого состоит в том, что процесс сжатия газа разбивается на несколько этапов или ступеней. В каждой из этих ступеней газ сжи­мается до некоторого промежуточного давления и перед тем как по­ступать в следующую ступень, охлаждается в межступенчатом холо­дильнике. В последней ступени газ дожимается до конечного давле­ния. В современных компрессорах высокого давления число ступе­ней сжатия достигает семи.

Причины, заставляющие применять многоступенчатое сжатие, следующие;

— выигрыш в затраченной работе;

— ограничение температуры конца сжатия;
— более высокий коэффициент подачи

Как было сказано выше, работа адиабатического сжатия значи­тельно превышает работу изотермического сжатия. При увеличении степени сжатия это расхождение быстро увеличивается. Значитель­ное увеличение давления газа в одном цилиндре приводит к тому, что самое тщательное охлаждение цилиндра не приближает процесс сжа­тия к изотермическому, и он становится близок илитфактически иден­тичен адиабатическому процессу. Это устанавливает предел повыше­ния давления в одном цилиндре компрессора.

Для уменьшения работы сжатия применяется ступенчатое сжа­тие газа с охлаждением его в охладителях, расположенных между сту­пенями компрессора.

В результате охлаждения газа устраняется и другая причина, обус­ловливающая применение ступенчатого сжатия, это недопустимое повышение температуры газа при большой степени повышения дав­ления одноступенчатым компрессором. Температура на этапе сжатия газа не должна достигать значений, при которых происходит измене­ние свойств компрессорного масла. С повышением температуры газа вязкость масла уменьшается, ухудшаются условия смазки, и увели­чивается износ трущихся деталей компрессора. При достижении тем­ператур порядка 180…200°С масло разлагается, в результате чего по­верхности деталей цилиндра компрессора и нагнетательная линия покрываются нагаром. Это ухудшает охлаждение компрессора и на­рушает его нормальную работу (увеличивается трение между порш­невыми кольцами и цилиндром, возможны поломки колец и задиры поверхности цилиндра, ухудшается работа клапанов, возникает опас­ность самовозгорания и взрыва в нагнетательной линии).

В одной ступени компрессора можно достичь только определен­ных значений

ξ = р1 /р2. Так чрезмерное повышение ξ может приве­сти к значительному уменьшению коэффициента подачи и, следова­тельно, к уменьшению производительности компрессора. Предель­ный случай, когда компрессор перестает перемещать газ, будет при = 0. При этом критическое значение ξ, исходя из формулы (2.15),

-89-

ξ = (3.17)

Так при а = 0,1 и показателе по­литропы т = 1,2 критическое значе­ние ξ = 17,8 компрессор будет рабо­тать вхолостую. Это объясняется тем, что при достижении определен­ных давлений р2по сравнению с р1 газ содержащийся в мертвом про­странстве, при расширении будет заполнять весь объем цилиндра. При этом не будет происходить процесса всасывания, а следовательно, и на­гнетания

На рис. 3.4. приведена диаграм­ма р-V, иллюстрирующая зависи­мость всасывающих объемов от дав­ления нагнетания р2при р1 = const.

Из этой диаграммы следует, что увеличение давления нагнетания до р2″приводит к уменьшению объема всасывающего газа до V». При по­вышении давления нагнетания до р2′» объем всасываемого газа становится равным нулю. Про­цесс сжатия и расширения газа в этом случае характеризуется кривой 1′- 2′».

Указанные причины ограни­чивают степень повышения дав­ления одной ступени компрессо­ра значением ξ= 4…5,5.

Индикаторная диаграмма двухступенчатого компрессора.На рис. 3.5 показана индикатор­ная диаграмма идеального рабо­чего процесса в двухступенчатом компрессоре. В первой ступени сжатие происходит так же, как и в одноступенчатом компрессоре. Когда газ из первой ступени по­дается в охладитель во второй,

-90-

осуществляется этап всасывания газа после охладителя. Подача газа второй ступенью происходит при закрытом всасывающем клапане этой ступени.

Температура газа, поступающего после сжатия из первой ступени в охладитель, понижается в нем до температуры газа на входе в пер­вую ступень компрессора Т1(пунктирная линия 1 -а соответствует изотермическому процессу сжатия газа). Таким образом, состояние газа после охладителя соответствует сжатию его в первой ступени по изотермическому процессу. Изобарический процесс, т. е. процесс, протекающий при постоянном давлении (линия 2-У), характеризу­ется охлаждением газа при его движении от первой до второй ступе­ни компрессора через охладитель. Этапу сжатия во второй ступени со­ответствует линия 1′-2′.

При одноступенчатом сжатии без промежуточного охлаждения этому процессу соответствует линия 1—b. Таким образом, в двухсту­пенчатом компрессоре работа сжатия газа меньше работы сжатия газа в одноступенчатом компрессоре на величину площади 2-b-2′—1′ ин­дикаторной диаграммы.

Работа сжатия газа в двухступенчатом компрессоре:

Если температура газа после охладителя становится равной тем­пературе газа на входе в первую ступень компрессора, то

(3.18)

Анализируя формулу (3.18) можно, в конечном счете, получить, что для компрессора с 2 ступенями:

(3.19)

Уравнение 3.19 соответствует сжатию газа с наименьшей затра­той работы, при этом степени повышения давления каждой из ступе­ней компрессора равны между собой и температура на выходе из ком­прессора имеет наименьшее значение.

В зависимости от ξприменяются компрессоры со следующими числами ступеней z:

-91-

Таблица 2

При реальном процессе работа сжатия увеличивается за счет по­терь мощности в клапанах, недостаточного охлаждения газа, измене­ния свойств газа при сжатии и других факторов. Практически реаль­ный рабочий процесс ступенчатого сжатия соответствует идеально­му рабочему процессу.

Самым выгодным компрессорным процессом, обуслов­ливающим наименьший расход энергии на привод, является изотермический процесс (см. рис. 10.5).

По указанным ранее причинам такой процесс практи­чески неосуществим. Приближение к изотермическому про­цессу при заданном общем повышении давления компрес­сора возможно путем увеличения количества ступеней компрессора при выносном охлаждении и, следовательно, уменьшения степени повышения давления одной ступени. При этом уменьшается мощность привода, но усложняется конструкция компрессорной установки и увеличивается ее стоимость.

В компрессоростроении выработаны нормативы по оп­ределению необходимого числа ступеней: для поршневых и роторных компрессоров — в зависимости от температуры вспышки паров смазочного масла, для лопастных — в зави­симости от допустимых, по условиям прочности, окружных скоростей концов лопастей и минимума потерь энергии в проточной полости машины.

Рассмотрим вопрос о распределении работы по ступеням компрессора и вычислении промежуточного давления. Из термодинамических диаграмм ступенчатого сжатия видно, что промежуточное давление влияет на распределение за­трат работы между ступенями компрессора.

Если полная степень повышения давления компрессора и число ступеней z заданы, то минимум затрат энергии достигается при вполне определенном соотношении энергий отдельных ступеней.

Определение условий минимума энергии, затрачиваемой в компрессорном процессе, может быть произведено с помощью известного математического метода отыскания минимума функции.

Если пренебречь незначительными газовыми сопротивле­ниями охладителей и полагать, что относительные термо­динамические КПД ступеней сжатия одинаковы, то можно, пользуясь указанным приемом, обнаружить, что минимум затрат энергии обеспечивается равенством энергий отдель­ных ступеней процесса

,

где l – полная удельная работа многоступенчатого компрессора;

z – число ступеней компрессора.

Полагая, что охлаждение в промежуточных охладителях проводится до начальной температуры компрессорного процесса и показатели политроп сжатия в отдельных ступенях одинаковы, можем записать

;

,

где n = const для всех ступеней.

Следовательно, для отдельных ступеней

; ; ; …

Поэтому

, (12.30)

где ε – степень повышения давления одной ступени.

Минимум затрат энергии в ступенчатом компрессорном процессе имеет место при равенстве ступеней повышения давления во всех ступенях.

Очевидны соотношения

(12.31)

Отсюда следует, что оптимальная степень повышения давления ступени компрессора

, (12.32)

где pк – конечное давление (за последней ступенью компрессора);

εк – степень повышения давления компрессора в целом;

z – число ступеней компрессора.

При определенной степени повышения давления ступени промежуточные давления определяются формулами (12.31).

В практике компрессоростроения обычно отступают от принципа равномерного распределения затраты энергии по ступеням и относят на ступени высокого давления несколь­ко меньшие степени повышения давления.

В лопастных компрессорах ступень сжатия состоит из совокупности венцов рабочих и направляющих лопастей и число ступеней может быть большим (до 40). В этом случае ступени разбивают на группы (секции) и холодиль­ники ставят между секциями. В пределах группы ступени не охлаждают.

В объемных компрессорах ступень давления состоит из замкнутого герметичного корпуса, в котором перемещается рабочее тело (поршень, двигающийся в цилиндре поршне­вого компрессора), камер всасывания и нагнетания.

Число ступеней современных компрессоров раз­личных конструкций указано далее.

Лишний вес — основной источник высокого давления

Степени повышения артериального давления