Многоступенчатое сжатие газа в компрессорной машине

Ограничение степени сжатия газа в одной ступени поршневой КМ обуславливается:

– повышением температуры сжатого газа;

– возрастанием влияния мертвого пространства на объемную производительность;

– неэкономичностью процесса сжатия газа в одной ступени из-за значительного отклонения реального процесса от изотермического.

Температурный предел. Температурный предел сжатия газа
в одной ступени определяется пределом термостойкости смазочного масла, которым смазывается цилиндр машины. Обычные компрессорные смазочные масла, применяемые для этой цели, имеют температуру вспышки порядка 200–240 °C. При температурах T > 150–160 °C
они начинают разлагаться, выделяя летучие компоненты, способные образовывать со сжимаемым газом взрывчатую смесь. В лучшем
случае это приведет к образованию нагара и порче рабочих
поверхностей цилиндра.

Температурный предел степени повышения давления в одной ступени поршневой КМ можно определить из соотношения:

(7.27)

Объемный предел. Объемный предел степени повышения давления, обусловленный влиянием мертвого пространства на производительность машины, определяется допускаемой величиной объемного коэффициента мертвого пространства h_{ом доп}. Из формулы (7.21) для e_пред получим:

(7.28)

Если , тогда по формуле (7.28) получим e_пред = 10.

Экономичность процесса сжатия газа.На рис. 7.5 линия bc₁ – изотермический процесс сжатия газа, bc₂ – политропный. Как видно
из рис. 7.5, с ростом увеличивается заштрихованная площадь диаграммы. Это означает, что с увеличением растет разница между затраченными энергиями на изотермический и политропный процессы сжатия газа.

Рис. 7.5. Влияния степени сжатия на экономичность процесса

Ниже приведены значения параметров для воздуха при m = 1,4, p₁ = 10⁵ Н/м², T = 20 °C, r = 1,2 кг/м³.

	0,89	0,81	0,76	0,72	0,70

В силу указанных причин, одноступенчатые поршневые КМ обычно строятся для сжатия газа из атмосферы (p ≈ 0,1 МПа) до давлений,
не превышающих 0,6–0,7 МПа. Для получения больших давлений необходимо использовать многоступенчатое сжатие газа.

Рассмотрим, для примера, работу трехступенчатого компрессора (рис. 7.6).

В первой ступени газ сжимается от давления до давления .
При этом происходит уменьшение его объема от до и увеличение температуры от до . Сжатый газ затем поступает в холодильник,
где он охлаждается при постоянном давлении до начальной температуры . Охлаждение газа сопровождается некоторым сокращением его объема от до :

(7.29)

Рис. 7.6. Схема трехступенчатого компрессора

При охлаждении газа происходит конденсация паров масла и воды, содержащихся в газе, в виде мелких капелек. Капельки улавливаются
во влагомаслоотделителях.

Предварительно сжатый, охлажденный и очищенный газ поступает
в цилиндр второй ступени, где он сжимается от давления до давления . В дальнейшем газ охлаждается и очищается. После окончания охлаждения третьей ступени газ направляется в газосборник,
где происходит его очищение и охлаждение.

На диаграмме линия ab – линия всасывания I ступени, bc – кривая политропного сжатия в цилиндре I ступени, cd – линия охлаждения
при в холодильнике, de – кривая политропного сжатия
в цилиндре II ступени, ef – линия охлаждения при
в холодильнике, fg – кривая политропного сжатия в цилиндре III ступени. Точки d и f лежат на изотерме (кривая bdfk), так как газ в обоих холодильниках охлаждается до первоначальной температуры . Заштрихованная площадь на диаграмме – сэкономленная энергия при трехступенчатом сжатии газа.

На рис. 7.7 показана теоретическая диаграмма работы трехступенчатого компрессора в координатах .

Минимальная затрата энергии на сжатие газа в многоступенчатой машине имеет место при равенстве степеней повышения давления
во всех ступенях:

(7.30)

Рис. 7.7. Теоретическая индикаторная диаграмма

трехступенчатого компрессора

Известно, что произведение степеней повышения давления
во всех ступенях машины дает общую степень повышения давления:

(7.31)

C учетом соотношения (7.30) получим:

. (7.32)

Из формулы (7.32) определяется z – число ступеней машины.

Ниже представлены для различных :

	4–7	6–30	14–150	36–400	150–103	200–103	800–1500

Достоинства многоступенчатого сжатия газа:

– сокращение энергетических расходов на сжатие газа;

– уменьшение температуры сжатого газа, следовательно, возрастание надежности и срока службы машины;

– увеличение объемного КПД машины.

а) б) в)

Рис. 7.8. Некоторые конструктивные схемы трехступенчатых компрессоров: а – трехступенчатый вертикальный (простого действия);

б – двухрядный вертикальный (двойного действия);
в – однорядный горизонтальный с дифференциальным поршнем

Однако увеличение числа ступеней машины усложняет её конструкцию. На рис. 7.8 даны некоторые варианты размещения ступеней трехступенчатого компрессора.

Турбокомпрессоры

Турбокомпрессоры (ТК) (иначе – центробежные компрессоры) являются наиболее распространенными представителями динамических компрессоров. По своему устройству и принципу работы ТК близки
к центробежным насосам. Нагнетание газа в них происходит под действием центробежной силы, которая возникает при вращении газа, увлекаемого лопатками вращающегося рабочего колеса.

Кроме ТК существуют центробежные вентиляторы, турбогазодувки и турбоэксгаустеры.

Для получения больших напоров (давлений) необходимо сочетание большой окружной скорости рабочих колес (до 300–450 м/с) с большим числом ступеней (до 12). Давление нагнетания в ТК достигает 2,5–3 МПа. Рабочие колеса ТК имеют разный диаметр и ширину, от первого колеса
к последнему они уменьшаются. Охлаждение сжимаемого газа может быть осуществлено непосредственно через корпус машины с помощью водяной рубашки или в выносных холодильниках.

Теоретический напор, развиваемый ТК, определяется с помощью основного уравнения центробежных машин – уравнения Эйлера (уравнение (6.24)).

Реальное значение напора можно определить по уравнению (6.26). Коэффициент напора для турбозазодувок и ТК (лопатки загнуты назад, т.е. ) колеблется в пределах от 0,8 до 1,2; для вентиляторов, имеющих лопатки, загнутые назад ( ), – от 1,4 до 2,3.

Расчет потребляемой мощности ТК и турбогазодувок производится так же, как и для поршневых КМ.

Главная характеристика ТК строится не от развиваемого напора,
а от конечного давления p_к. Так как рабочие параметры ТК зависят
от температуры и давления всасывания, то необходимо указать, при каких значениях температуры и давления всасывания получены приводимые характеристики.

На рис. 7.9 приведены рабочие характеристики ТК.

Если условия эксплуатации отличаются от условий испытания ТК,
то рабочие параметры необходимо пересчитывать.

Рис. 7.9. Рабочие характеристики турбокомпрессора

Очевидно, что при постоянном числе оборотов рабочего колеса объемная производительность машины, отнесенная к условиям всасывания, является величиной постоянной, но массовая производительность может быть различной в зависимости
от плотности всасываемого газа:

(7.33)

Объемная производительность, приведенная к каким-либо стандартным техническим условиям, пропорциональна массовой производительности и обратно пропорциональна плотности газа:

(7.34)

где r_н и r_ст – плотность газа при нормальных и стандартных условиях соответственно.

Для воздуха r_н = 1,293 кг/м³, r_ст = 1,2 кг/м³.

Следовательно, как массовая, так и приведенная объемная производительность ТК изменяется прямо пропорционально давлению всасываемого газа и обратно пропорционально газовой постоянной
и абсолютной температуре.

Увеличение температуры всасываемого газа при n = const приводит
к уменьшению массовой производительности и снижению давления нагнетания. Следовательно, при этом меняются характеристики машины.

Наличие рабочих характеристик ТК позволяет правильно использовать данную машину и выбрать наилучший режим
её эксплуатации. Для этого необходимо иметь характеристику
сети компрессорной установки. Обычно при движении газа в сети имеет место развитый турбулентный режим, т.е. зона гидравлического сопротивления квадратичная. Тогда характеристика сети может быть выражена уравнением:

(7.35)

где – разность давлений на концах сети.

Крутизна характеристики сети зависит от коэффициента :
чем больше , тем круче кривая.

На рис. 7.10 представлена характеристика ТК и сети. Точка В
на пересечении двух характеристик – ТК и сети – является рабочей точкой компрессорной установки. На графике определена зона приемлемых КПД по расходу: от до .

Регулирования работы ТК.Регулирование работы центробежной машины может иметь целью:

– поддержание постоянной объемной подачи машины при колебаниях сопротивления сети;

– поддержание постоянного давления в сети при изменениях расхода сжатого газа;

– изменение объемного расхода сжатого газа.

Рис. 7.10. Определение рабочей точки компрессорной установки

Как известно, рабочий режим центробежной машины определяется точкой пересечения рабочей характеристики машины с характеристикой сети. Поэтому регулирование их работы осуществляется путем регулирования сочетания изменения характеристики сети с изменением рабочей характеристики машины.

Регулирование с целью постоянной подачи имеет в виду перемещения рабочей точки машины по прямой, параллельной оси ординат, и осуществляется при одновременном изменении рабочей характеристики машины и характеристики сети (рис. 7.11, a). Поддержание постоянного давления осуществляется также одновременным изменением характеристики машины и характеристики сети (рис. 7.11, б).

а) б)

Рис. 7.11. Регулирование работы центробежной машины:
а – поддержание постоянной подачи; б – поддержание постоянного давления

Регулирование объемной подачи машины можно осуществить изменением характеристики сети или изменением характеристики машины, а также одновременным изменением характеристики
машины и сети.

Характеристику сети, согласно формуле (7.36), можно изменить, влияя на и (дросселирование на нагнетательной линии).

Для изменения рабочей характеристики машины можно использовать следующие методы:

– изменение числа оборотов рабочих колес;

– дросселирование на всасывающей линии при n = const (уменьшение p_вс);

– частичный выпуск сжатого газа из нагнетательной линии
во всасывающую или в атмосферу при n = const.