Багатоступінчастий стиск газів

Для отримання газу високого тиску застосовують багатоступінчасті компресори (рис. 6.5) у яких процес стиску здійснюється в декількох послідовно з’єднаних циліндрах із проміжним охолодженням газу після кожного стиснення.

Рис. 6.5. Схема багатоступінчастого компресора:

I, II, III – ступені стиску; 1, 2 – проміжні холодильники

Індикаторна діаграма триступінчастого компресора зображена на рис. 6.6. У першій ступені компресора газ стискується згідно політропі до тиску р₂, потім він надходить у проміжний холодильник 1, де охолоджується до початкової температури Т₁. Опір холодильника по повітряному тракту з метою економії енергії, що витрачається на стиск, роблять невеликим. Це дозволяє вважати процес охолодження газу ізобарним. Після холодильника газ надходить у другу ступінь і стискується політропічно до p₂, потім холоджується до температури Т₁ у холодильнику 2 і надходить у циліндр третього ступеня, де стискується до тиску р₃.

Рис. 6.6. Індикаторна діаграма триступінчастого компресора (а)

і зображення процесу стиску в Т, s-діаграмі (б)

Якби процес стиску здійснювався згідно ізотермі 1-3-5-7, то робота стиску була б мінімальна. При стиску в одноступінчастому компресорі по лінії 1-9 величина роботи визначалася б площею 0-1-9-8. Робота триступінчастого компресора визначається площею 0-1-2-3-4-5-6-8. Заштрихована площа показує виграш у технічній роботі при застосуванні триступінчастого стиску.

Чим більше число ступенів стиснення та проміжних охолоджувачів, тим ближче процес до найбільш економічного – ізотермічного, але тем складніша та дорожча конструкція компресора. Тому
питання про вибір числа ступенів, що забезпечують необхідну величину р_ном, вирішується на підставі технічних і техніко-еконо­мічних міркувань.

Процеси стиску в реальному компресорі характеризуються наявністю внутрішніх витрат на тертя, тому робота, затрачувана на стиск газу, виявляється більшою, ніж технічна робота ідеального компресора. Ефективність роботи реального компресора визначається відносним внутрішнім ККД, що представляє собою відношення роботи, витраченої на привод ідеального компресора, до дійсного. Для характеристики компресорів, що працюють без охолодження, застосовують адіабатний ККД

h_ад = L_ад / L_К , (6.1)

де L_ад – робота при рівноважному адіабатному стисненні при n = k;

L_К – робота, витрачена в реальному компресорі при стисненні газу.

Для характеристики охолоджуваних компресорів використовують ізотермічний ККД

h_із = L_із / L_К , (6.2)

де L_із – робота оборотного стиснення в ізотермічному процесі.

Теоретична потужність приводу компресора N_пр при масовій витраті газу в компресорі Q_т, кг/с, визначається рівнянням

. (6.3)

Практично стиснення газу здійснюється політропічно з показником n = 1,18…1,20, оскільки досягти значення n = 1 не вдається.

Застосування роторних компресорів починається з потреб 500 л/хв і більше для великих споживачів повітря. Саме від цієї межі розрахункова вартість одержання стисненого повітря з урахуванням вартості обладнання, ККД і витрат на експлуатацію поршневих компресорів стає вище витрат при використанні роторних компресорів.

Роторні компресори безшумні, можуть довгостроково працювати при повному навантаженні, прості в керуванні та налагодженні, мають простий сервіс. Технічні параметри: тиск до 13 бар і продуктивність до 6500 л/хв, що є недосяжним для традиційних конструкцій компресорів.

Охолодження в компресорах

Охолодження стискання газу в компресорах має позитивні і негативні сторони, тому вирішення питання про доцільність охолодження і вибір його параметрів вимагає проведення техніко-економічного аналізу.
Циліндровий охолодження
Цилиндровое охолодження здійснюється безпосередньо в процесі стиснення газу в проточній частині і конструктивно реалізується або розміщенням теплообмінних поверхонь в елементах проточної частини, або виконанням корпусних елементів з порожнинами під «сорочки» охолодження (рис. 14.14).
Цилиндровое охолодження у турбокомпресорах теоретично ефективно, тому газ рухається з великими швидкостями, а, отже, можна відвести більшу кількість теплоти, ніж в компресорах об'ємної дії. Однак для відводу такої кількості теплоти необхідна велика поверхня теплообміну, а значить і збільшення габаритів, що суперечить загальній тенденції компресоробудування до зниження металоємності. Крім того, очищення теплообмінних поверхонь від сольових відкладень та іржі в таких конструкціях надзвичайно утруднена.
Такий спосіб охолодження використовується при необхідності суворого підтримки температури газу в заданому діапазоні.

Рис. 14.14. Цилиндровое охолодження компресора

Проміжне охолодження
Проміжне охолодження здійснюється в міжсекційних Газоохолоджувачі поза проточної частини
Теоретично процес охолодження йде без втрат тиску (^ Р = const) і без недоохлажденія (тобто температура газу в Газоохолоджувачі знижується до первісної), однак практично, внаслідок гідравлічних втрат у Газоохолоджувачі і комунікаціях, відбувається деяке зниження тиску на величину Δ Р _х і температура на вході в кожну наступну секцію вище початкової.

Теоретично з діаграм P - v і T - S випливає, що чим більше число охолоджень, тим більше економія у витраті роботі. Однак приріст економії в корисній роботі при установці кожного наступного холодильника знижується, а витрати зростають. Це наочно показано на рис. 14.17.

а) б)

Рис. 14.15. Схема проміжного охолодження: а) схема без охолодження (одна секція, Y = 1), б) схема з двома охолодженнями (три секції Y = 3)
Рис. 14.17. Економія роботи стиснення відповідно при одному, двох і трьох проміжних охолодженнях
Випарне охолодження
Випарне охолодження здійснюється уприскуванням розпорошеної рідини всередину проточної частини машини, в результаті чого рідина при контакті з нагрітим газом випаровується, відбираючи від нього тепло, а газ охолоджується (рис. 14.19).
Уприскуючи 1% (за масою) води в повітря температура його понизиться приблизно на 25 ° С:
Впорскування рідини має негативні сторони:
1.Необхідність осушення газу після компресора.

2.Можливість конденсації вологи при високих тисках в наступних щаблях компресора і ерозійного зносу.

а) б)

Рис. 14.19. Випарне охолодження: а) схема розташування в проточній частині; б) зображення в Р-v діаграмі

Попереднє охолодження
Охолодження газу виробляється до надходження його у всмоктуючий патрубок компресора (рис. 14.20). При цьому, т.к. температура на вході в компресор Т ₁ <T _н, робота, витрачається на стиснення газу буде знижуватися.
Рис. 14.20. Схема попереднього охолодження

Однак внаслідок газодинамічних опорів в теплообміннику в ньому відбувається падіння тиску і фактичний тиск всмоктування виявляється нижче, ніж воно було б без теплообмінника Р ₁ <Р _н, а тому зазвичай Р _к =const і Р _н = const, то відбувається деяке збільшення відносини тисків у компресорі, А значить збільшується і робота Н _i.
Оскільки температура охолоджуючої води зазвичай не набагато відрізняється від температури навколишнього повітря, то використання даного способу охолодження для повітряних компресорів, всмоктуючих повітря з атмосфери, не доцільно. Для повітряних компресорів воно може використовуватися у разі наявності дешевого холодоносія (наприклад, артезіанська вода).
Для газових компресорів, що працюють за циркуляційної схемою з високою температурою всмоктування, застосування попереднього охолодження може принести відчутні переваги.

Кінцеві охолодження
У деяких компресорних установках застосовують установку газоохолоджувачів після компресора (рис. 14.21). Хоча кінцеві охолодження не приводить до виграшу в роботі стиснення, а навпаки вносить додаткові втрати тиску в кінцевому холодильнику, воно використовується в тих випадках:
коли потрібно підтримку постійної температури на виході з компресора;

1. прагнуть до зниження витрат при транспортуванні газу;

2. газ після компресора підлягає осушування (установка холодильної машини дозволяє виморозити вологу).

Рис. 14.     21. Схема кінцевого охолодження