Многоступенчатые поршневые компрессоры

 

Для сжатия газа до избыточного давления выше 4 – 5 ат (максимум 7 ат) применяют многоступенчатые компрессоры с двумя и более ступенями, причем газ охлаждается в холодильниках между ступенями сжатия.

Многоступенчатые компрессоры изготовляют с последовательным расположением цилиндров (по одной оси) – системы тандем (рис. 7-30, а) или с параллельным расположением цилиндров – системы компаунд (рис. 7-30, б).

Двухступенчатые горизонтальные компрессоры часто изготовляют одноцилиндровыми со ступенчатым или дифференциальным поршнем           (рис. 7-30,в). Газ первоначально сжимается в. цилиндре 1 одной стороной поршня 2, затем охлаждается в промежуточном холодильнике 9, из которого снова поступает в цилиндр по другую сторону поршня и сжимается до заданного конечного давления.

Горизонтальные компрессоры являются тихоходными                           (n = 80 – 300 об/мин). Они соединяются с двигателем ременной передачей. Вертикальные компрессоры быстроходны (n = 300 – 350 об/мин и более) и соединяются с двигателем либо непосредственно, либо через ременную, в частности клиноременную передачу.

Многоступенчатые горизонтальные компрессоры часто приводятся в действие тихоходным электродвигателем, ротор которого насажен на вал компрессора и служит одновременно маховиком

Соединение компрессора с двигателем в один агрегат дает возможность значительно уменьшить площадь, занимаемую машиной, причем для большей компактности цилиндры компрессора иногда располагают V-образно, под углом друг к другу (рис. 7-30, г).

Рис. 7-30. Многоступенчатые поршневые компрессоры:

а – системы тандем, б – системы компаунд; в – с дифференциальным поршнем; г – с V-образным расположением цилиндров, 1 – цилиндр, 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – крейцкопф;         7 – коренной вал; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник.

 

Сжатый газ из поршневых компрессоров направляется к местам потребления через газосборник (ресивер), служащий буфером для смягчения толчков газа, неравномерно нагнетаемого компрессором, и колебаний давления газа при неравномерном потреблении. В газосборнике газ очищается от масла и влаги.

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 р ₀ до давления p ₁, 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 р ₂.

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 р ₂. 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:

Степень сжатий	.....	5	10	80	120	>120
Число ступеней	.....	1	2	3	4	5-7

 

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.

Число ступеней	1	2	3	4	5	6	7
Давления нагнетания,   МПа	до 0,7	0,5¸3,0	1,3¸15,0	3,5¸40	15¸100	20¸100	45¸110

 

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 р ₀ – конечное и начальное давление газа.