Многоступенчатое сжатие

С увеличением степени сжатия в одной ступени возрастают потери, связанные с сжатием газа во вредном пространстве, и уменьшается к.п.д. компрессора. Кроме того, происходит сильное нагревание газа и возрастает расход энергии на его сжатие. Если известны величины с и n, то по формуле (7-39), приняв λ₀ = 0, можно найти предельную степень одноступенчатого сжатия, при которой производительность компрессора падает до нуля.

Чтобы избежать чрезмерного повышения температуры газа и повысить эффективность работы компрессора, применяют многоступенчатое сжатие, охлаждая газ в промежуточных холодильниках между ступенями до температуры, возможно более близкой к температуре газа, всасываемого в компрессор. Благодаря небольшой степени сжатия в каждой ступени уменьшается холостой ход поршня при расширении газа во вредном пространстве и соответственно увеличивается объемный к.п.д. компрессора.

При сжатии газа в двухступенчатом компрессоре затрачивается меньше энергии, чем при сжатии в одноступенчатом компрессоре, работающем в тех же пределах давления. Это можно видеть из теоретической диаграммы, приведенной на рис. 7-32.

Рйс. 7-32. Теоретическая p-V – диаграмма процесса многоступенчатого сжатия газа в компрессоре.

Сжатие в первой ступени происходит по адиабате аb от давления р₀ до давления p₁, охлаждение в промежуточном холодильнике – по прямей bс до начальной температуры газа, лежащей на изотерме асе. Затем газ сжимается во второй ступени по адиабате ей до конечного давления р₂.

Таким образом, двухступенчатое сжатие протекает по ломаной abсd, которая ближе к изотерме, чем адиабата abk, характеризующая процесс сжатия газа в одноступенчатом компрессоре до того же давления р₂. Заштрихованная площадь bсdk выражает выигрыш в работе, достигаемый при двухступенчатом сжатии газа, по сравнению с одноступенчатым.

С увеличением числа ступеней ломаная линия многоступенчатого сжатия все более приближается к изотерме и расход энергии на сжатие уменьшается еще значительнее, но при этом усложняется конструкция компрессора.

Поэтому число ступеней сжатия в компрессорах обычно не превышает семи:

Увеличение числа ступеней ведет к приближению процессов сжатия к изотермическому сжатию (при котором работа на сжатие газа минимальная). Однако большое число ступеней приводит к усложнению конструкции компрессора, увеличению потерь в клапанах и системах охлаждения (холодильниках) между ступенями. Вопрос выбора оптимального числа ступеней сжатия в компрессоре решается не только по затраченной энергии, но и с учетом затрат на изготовление компрессора, регулярности его работы и амортизационному сроку службы.

В практике компрессоростроения встречаются различны соотношения между числом ступеней и конечным давлением. Эти соотношения представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Зависимость числа ступеней и конечным давлением.

Процесс сжатия в многоступенчатом компрессоре наиболее экономичен, если степени сжатия во всех ступенях равны. По этой причине, а также по конструктивным соображениям принимается одинаковая степень сжатия х во всех ступенях. При n ступенях сжатия она равна:

(7-43)

где р_n и р₀ – конечное и начальное давление газа.