Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

СТАЦИОНАРНЫЕ МАШИНЫ

Долганов А. В.,

6.4. Многоступенчатое сжатие

Степень повышения давления (отношение рк /рн) воздуха (газа) в одной ступени компрессора ограничивается конечной температурой сжатого воздуха, возможностями передачи энергии воздушному потоку рабочим колесом в турбокомпрессорах, требованиями экономичности и другими факторами. Согласно Правилам безопасности для угольных и сланцевых шахт, во избежание взрыва конечная температура сжатого воздуха не должна превышать 170˚С [1, 7].

Степень повышения давления в одной ступени объемных компрессоров обычно не превышает 5, а у центробежных компрессоров ε = 1,3 – 1,5, и компрессоры выполняются многоступенчатыми. Шахтные объемные компрессоры с конечным давлением до 0,9 МПа изготовляются двухступенчатыми, а центробежные турбокомпрессоры шестиступенчатыми.

Поскольку наиболее экономичным является изотермический процесс, при работе шахтных и других компрессоров применяется их охлаждение. Хотя в реальных компрессорах не представляется возможным осуществить изотермический процесс сжатия, охлаждение способствует снижению потребляемой мощности. Применяются следующие способы охлаждения сжимаемого воздуха (газа): в промежуточных и концевых холодильниках впрыскиванием в зону сжатия охлаждающей жидкости (воды, масла), за счет испарения которой при впрыскивании снижается температура сжимаемого газа; охлаждение поверхностей рабочих органов компрессоров с помощью охлаждающих рубашек [1, 7, 15].

Процесс многоступенчатого сжатия показан на диаграммах в координатах р – v и Т – S (рис. 6.3) [1].

При одноступенчатом сжатии без охлаждения сжатие осуществляется по политропе 1 – 2’ – 3’. При этом по сравнению с изотермическим сжатием дополнительно затрачивается работа, эквивалентная площади, заключенной между кривыми 1 – 2 – 3, (изотермой) и 1 – 2’ – 3’ (политропой).

При многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением газа процесс будет протекать по ступенчатой линии 1 – 2’ – 2 – 3" – 3, и будет приближаться к идеальному изотермическому тем ближе, чем большее число ступеней будет иметь компрессор.

Следует отметить, что для идеального многоступенчатого компрессора принимают, что показатели политропы для всех ступеней сжатия одинаковы и охлаждение газа в промежуточном холодильнике после каждой ступени производится до температуры всасывания в первую ступень.

При таких допущениях процесс сжатия в первой ступени изобразится отрезком политропы 1 – 2’, параметры газа с р1, Т1 изменятся до р2, Т2, а его v1 уменьшится до v׳2. После сжатия воздух поступает в промежуточный холодильник, процесс охлаждения газа в котором изобразится отрезком изобары 2’ – 2. При этом точка 2 находится на изотерме Т1=const, а объем уменьшается дополнительно до v2. От точки 2 сжатие продолжается во второй ступени по политропе 2 – 3" и т. д., в результате полный процесс сжатия идет по линии 1 – 2’- 2 – 3"- 3 – 4". Заштрихованная площадь 2 – 2’- 3’- 3" эквивалентна работе, сэкономленной в двухступенчатом компрессоре при наличии промежуточного охлаждения. Площадь S2׳ – 2’- 2 – S2 под изобарой 2 – 2’ эквивалентна отведенному промежуточным холодильником количеству теплоты после первой ступени.

При постоянном показателе политропы для ступеней удельная работа, затраченная в двухступенчатом компрессоре, составляет

.

Аналогично определяется удельная работа и для компрессора с z ступенями сжатия. При одинаковых ступенях сжатия

удельные работы на сжатие в каждой ступени одинаковы – l1=l2=l3=…=li, выражение для удельной работы lZ, затрачиваемой в многоступенчатом компрессоре, будет иметь вид

.

Температура воздуха (газа) в конце сжатия

.

Принятое распределение давлений ε1 = ε2 = ε3 = ... = εi по ступеням в многоступенчатом компрессоре является наивыгоднейшим по условию обеспечения минимальной работы сжатия. Степень повышения давления в одной ступени компрессора определяется выражением

,

где ε = рк / рн – степень повышения давления в компрессоре с z ступенями сжатия.

Коэффициенты полезного действия компрессоров

Полный или эффективный, к.п.д. компрессора равен

ηэф = ηвн ∙ ηоб ∙ ηм .

Внутренний к.п.д. ηвн характеризует совершенство процесса передачи газу энергии рабочими органами компрессоров по отношению к теоретическим процессам

ηвн = lпз / lвн,

где lпз – полезно затраченная работа; lвн – энергия, подводимая непосредственно к рабочим органам компрессора.

Объемный к.п.д. ηоб, которым учитываются потери энергии в связи с протечками сжатого воздуха,

,

где Qут – величина утечек, м3/с.

Механический к.п.д. ηм характеризует потери энергии в приводе рабочих органов компрессора

,

где lпр – удельная энергия, подводимая к валу компрессора.

Объемный к.п.д. для лопаточных компрессоров высок: ηоб ≈ 0,99, и его обычно не учитывают. Для объемных, в частности поршневых, компрессоров он ниже, и его необходимо принимать во внимание. Механический к.п.д. ηм определяется обычными методами, известными из механики машин.

Рассмотрим более подробно внутренний к.п.д. ηвн компрессоров. В отличие от насосов и вентиляторов, его не представляется возможным оценить как отношение полезного напора к затраченному, т. е. как отношение сообщенной газу энергии ко всей подведенной. Этот парадоксальный, на первый взгляд, факт объясняется невозможностью выделить полезно затраченную энергию при охлаждении (отводе теплоты) компрессоров. Это наглядно видно, например, в случае изотермического процесса сжатия, при котором вся переданная газу работа преобразуется в теплоту, отводимую во внешнюю среду. К.п.д. компрессора с таким процессом должен был бы равняться нулю. На самом же деле, как отмечалось уже выше, изотермический процесс сжатия газа – самый выгодный по затратам энергии, поэтому теплота, отведенная при охлаждении, не может считаться бесполезно затраченной. Поэтому совершенство компрессорных процессов принято оценивать при помощи относительных термодинамических к.п.д. – изотермического ηиз (для охлаждаемых компрессоров), изоэнтропического (обратимого адиабатного) ηиэ (для неохлаждаемых)

.

В этих процессах к.п.д. принимается условно в качестве полезной работы, затрачиваемой в идеальном компрессоре соответственно при изотермическом и изоэнтропическом или обратимом адиабатном (поэтому этот к.п.д. называют также адиабатным).

Изотермический к.п.д. применяется для оценки совершенства внутренних процессов компрессоров с интенсивным водяным охлаждением (поршневых и роторных), изоэнтропический к.п.д. – для оценки неохлаждаемых компрессоров (центробежных и осевых).

С помощью изотермического и изоэнтропического к.п.д. производится сравнительная оценка совершенства действительного и идеального компрессоров (идеальный принят за эталон).

Ориентировочно для одноступенчатого поршневого компрессора
ηиз = 0,5 – 0,8; ηиэ = 0,85, для одной ступени центробежного компрессора ηиз = 0,5 – 0,7, ηиэ = 0,75 – 0,80.

Мощность на валу компрессора определяется по одному из процессов сжатия – изотермическому или изоэнтропическому (адиабатному).

Номинальную мощность двигателя компрессора принимают на
10 – 20 % выше расчетной из-за возможного отклонения действительного режима работы от расчетного в связи с загрязнением холодильника, неплотностью клапанов и т. п.