Охлаждение. Ступенчатое сжатие

Давления, создаваемые компрессорами, работающими в технологических схемах производств, достигают больших значений. Однако получение высокого давления в одной ступени компрессора (в одном компрессорном процессе) затруднительно. Причиной этого в объемных компрессорах (поршневых и роторных) является чрезмерное повышение температуры в конце сжатия, обусловленное невозможно­стью создания конструкции компрессора с достаточно ин­тенсивным отводом теплоты от сжимаемого газа. В комп­рессорах лопастных (центробежных и осевых) причина кроется в недопустимости таких скоростей рабочих лопастей, выполненных из материала с определенной прочно­стью, которые обеспечив бы требуемое высокое давление при достаточно высоком КПД процесса. Поэтому следует, во-первых, применять возможно более интенсивное охла­ждение газа в процессе сжатия его и, во-вторых, произво­дить сжатие в последовательно соединенных ступенях, осуществляя понижение температуры газа в охладителях, включенных в поток между ступенями.

Общая схема компрессора со ступенчатым сжатием представлена на рис. 1.

Применение ступенчатого сжатия с охлаждением газа в охладителях между ступенями дает большую экономию в энергии, расходуемой на привод компрессора. Это отчет­ливо видно на S, Т- и р, v-диаграммах двухступенчатого компрессора (рис. 2).

Если сжатие производить в одной ступени, то линия сжатия изобразится политропой Г-2 с показателем n>k. При сжатии для того же интервала давлений в двух сту­пенях процесс изобразится ломаной линией ~ , состоящей из двух политроп и 1"-2" и изобары 2'-1", представляющей собой охлаждение в промежуточном охладителе при давлении p_пр = const. В обеих диаграммах экономия энергии от сжатия в двух ступенях с промежу­точным охлаждением выражается заштрихованными пло­щадками 1"-2' ~2~2".

рис. 1, Схема компрессора со сту­пенчатым сжатием:

/ — охладители I и II ступеней; 2 — ко­нечный охладитель; 3, 4, 5 — охладители соответственно I, II и III ступени

Рис. 2. S, Т- и р, v-диаграммы двухступенчатого компрессора:

— политропное сжатие в первой ступени; — изобарное охлаждение а промежуточном охладителе; 1"-2" — сжатие до конечного давления во второй ступени. Площадь 1"- 2'-2-2" — экономия энергии от применения двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением

В современных компрессорах применяют:

1) охлаждение компрессора подачей воды в специально выполненные полости в отливке корпуса (внутреннее охла­ждение). Этот способ существенно улучшает условия смаз­ки поршневых компрессоров. Добиться этим способом су­щественной экономии энергии, приближая процесс сжатия к изотермическому, не удается. Причина этого — затруд­ненные условия теплообмена между потоками газа и охла­ждающей водой;

2) охлаждение газа в охладителях, устанавливаемых между отдельными ступенями (выносное охлаждение). При этом способе охлаждения, используя трубчатые охла­дители с большой площадью поверхности, можно получить существенную экономию в расходе энергии. В центробеж­ных компрессорах охладители располагают обычно между группами ступеней, получая, таким образом, более простую конструкцию установки. Известны уникальные конст­рукции компрессоров с охладителями после каждой центро­бежной ступени. Такие компрессоры называют изотерми­ческими. Они экономичны в эксплуатации, но конструктив­но сложны и стоимость их велика;

3) комбинированное (внутреннее и выносное) охлажде­ние. Этот способ наиболее эффективен и широко применя­ется, несмотря на конструктивное усложнение и увеличе­ние стоимости установки;

4) охлаждение впрыском охлаждающей воды в поток газа перед первой ступенью компрессора. При этом спосо­бе теплота газа частично расходуется на испарение охлаж­дающей воды и температура конца сжатия существенно понижается. Недостатком способа является увлажнение газа, что во многих случаях недопустимо.

Тема 3. Нагнетатели объемного действия Классификация и область применения нагнетателей объемного действия и поршневых детандеров; предельная степень повышения давления в ступени, Распределение давления между ступенями, КПД компрессора; схемы поршневых компрессоров; нормализованные базы.

Поршневые компрессоры

Индикаторная диаграмма

Схема компрессора и его индикаторная диаграмма представлены на рис. 13.1.

Проследим порядок работы компрессора при помощи диаграммы p=f{V), где V — объем замыкаемый поршнем в цилиндре и зависящий от положения поршня.

Двигаясь от правого крайнего положения влево, пор­шень сжимает газ, находящийся в цилиндре. Всасывающий клапан закрыт в течение всего процесса сжатия. На­гнетательный клапан закрыт до тех пор, пока разность давлений в цилиндре и на­порном патрубке преодоле­ет натяжения пружины. Когда это произойдет, на­гнетательный клапан откро­ется и поршень будет вытес­нять газ в напорный трубо­провод. Процесс повыше­ния давления изображается на диаграмме линией 1-2, а процесс подачи газа — лннией 2-3.

Если Р2— давление в цилиндре при подаче газа, объем газа, подаваемого компрессором при этом давлен будет Vпод. .При сжатии температура газа повышается, так как охлаждающая вода не отнимает от газа всю теплоту, выделяющуюся при сжатии. Линия сжатия — политропа, описываемая в системе координат V, р уравнением

p = const.

Линия подачи 2-3 теоретически является изобарой

р2 = const.

В действительности же благодаря влиянию инерции га­зовых масс, действию клапанов и их пружин давление нагнетаемого газа не удерживается строго постоянным.

Когда поршень придет в крайнее левое положение, он вытеснит из цилиндра не весь газ, и часть газа в количест­ве V_M останется в цилиндре (Vм называют мертвым объе­мом или мертвым пространством).

В начале хода поршня вправо нагнетательный клапан закроется и остаток газа в мертвом пространстве объема V_M будет расширяться по линии 3-4.

Линия расширения — политропа с показателем n_Pt её уравнение

Расширение газа будет происходить до тех пор, пока давление в цилиндре не понизится до < , где —давление в пространстве, из которого компрессор всасывав газ.

Под влиянием разности давлений — всасывающий клапан откроется и поршень, двигаясь вправо, будет всасывать газ в цилиндр.

Давление всегда меньше вследствие газового сопротивления тракта всасывания. Процесс всасывания при­ставляется изобарой 4-1.

Полученная замкнутая фигура 1-2-3-4-1 является теоретической индикаторной, диаграммой компрессора.

Действительная индикаторная диаграмма несколько отличается от теоретической (в основном в линиях всасывания и подачи).

Рис. 1.Схема и индикаторная Диаграмма компрессора