§16.1. НАЗНАЧЕНИЕ И СХЕМА СТУПЕНЧАТОГО СЖАТИЯ

Ступенчатое сжатие газа приводит к усложнению компрессорного хозяйства, и его применение вызвано следующими причинами.

Прежде всего, оно необходимо в случае, когда температура конца сжатия газа превышает допускаемую по условиям безопасности и нормальной смазки компрессора.

цилиндра) и клапанов, увеличивает силы трения, износ и аэродинамическое сопротивлени клапанов. В воздушных компрессорах нагар в нагнетательных трубах может самовозгораться, что сопровождается повышением температуры. Раскаливание стенок воздухопровода нередко приводит к разрушительным взрывам, если при этом концентрация паров масла в воздухе достигает предела взрываемости. Поэтому степень повышения давления в одной ступени компрессора ограничивают, за исключением небольших компрессоров с благоприятными условиями охлаждения, значением ε ≈ 4.

Ограничение температуры сжимаемого газа - не единственная причина применения ступенчатого сжатия, которое используется и в компрессорах без смазки цилиндров. Дело в том, что при расчленении процесса повышения давления газа на ступени с промежуточными охлаждениями работа изменения давления совершается при меньших удельных объемах, благодаря чему достигается экономия мощности. Вместе с тем увеличиваются потери в клапанах и межступенных коммуникациях, усложняются компрессор и вся компрессорная установка за счет охладителей и коммуникаций, так что для данного значения εсуществует некоторое рентабельное число ступеней, зависящее от соотношения между стоимостью машины и затратами энергии на сжатие газа.

Чем меньше затраты на энергию (например, при систематически неполной загрузке компрессора) и чем больше расходы на промежуточное охлаждение, тем выгоднее компрессор с малым числом ступеней. На практике применяют следующие числа ступеней z [151:

Принципиальная схема процесса представлена на рис. 16.1, а. Поток газа проходит как бы через ряд одноступенчатых машин 1, 2, 3, 4,включённых последовательно и объединённых внутренними коммуникациями с охладителями, влагомаслоотделителями и сепараторами газоконденсата. Для каждой ступени сохраняются обозначения одноступенчатого сжатия с указанием номера ступени в индексе соответствующей величины, например, p_Hi, p_κi, T_Hi, T_κiи т. д.^[XXXI]

В связи с возможным отбором (или подводом) газа после некоторой ступени (на рисунке - m_oпосле второй ступени) различают массовые расходы газа до и после отбора.

Расходы газа на входе каждой ступени (индекс «ні») неодинаковые также

вследствие внешних утечек mу/, перетеканий m∏iи конденсации

высококипящих компонентов газа тв/.

Рис. 16.1. К ступенчатому сжатию газа:

а - принципиальная схема: my - внешние утечки в атмосферу;

m∩ - перетекания из полостей высокого давления; m0 - отбор газа; б, в - графики рабочего процесса, построенные в различных координатах

Например, для первой ступени:

Для второй ступени:

где- массовый расход газа, перетекающего из полостей высокого давления.

Гидравлические (точнее, газодинамические) потери в охладителях приводят к тому, что давление газа после каждого охладителя несколько меньше, чем давление

перед охладителем. Эти потери оценивают с помощью коэффициентов

и т. д., зависящих от конструкции охладителя и рассчитываемых по скоростям и плотностям газа. Ориентировочно x = 0,90 - 0,99. Степень повышения давления в z- ступенчатом компрессоре:

где ε₁, ε₂, . . . - степени повышения давления в первой, второй и т. д. ступенях.

Распределение температур в многоступенчатом компрессоре зависит от степени охлаждения газа в охладителях. Оно называется п о л н ы м , если температура газа на входе в последующую ступень такая же, как начальная температура предыдущей, ^т. ^е. ^Th (i+1) = T_Hi. Практически охлаждение не бывает полным. Предел возможного охлаждения газа определяется начальной температурой охлаждающего агента (воды, воздуха). В совершенных конструкциях охладителей разность температуры охлаждённого газа и начальной температуры воды равна всего лишь 5° C, но чаще составляет 10 - 15° C. Следовательно, для полного охлаждения необходимо, чтобы поступающая вода была холоднее газа, всасываемого первой ступенью, что бывает далеко не всегда.