Формула для расчета относительного изотермическог. КПД для .оценки объемных одноступенчатых компрессоров с интенсивным охлаждением получается из (10.15) (10.23)! .

R 1п-

(lO.i

Расчет с использованием параметров торможения здесь не имеет смысла, потому что в начале и конце процесса сжатия скорости газового потока незначительны.

10.4. Охлаждение. Ступенчатое сжатие 1

Давления, создаваемые компрессорами, работающим! 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 (порщневых 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 обеспечили 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. щ

Общая схема компрессора со ступенчатым сжатиеЦИ представлена на рис. 1,0.7. V

Применение ступенчатого сжатия с охлаждением газаЩ в охладителях между ступенями дает большую экономию в энергии, расходуемой на привод компрессора. Это отчет- ЛИБО видно на 5, Т- и р, и-диаграммах двухступенчатого компрессора (рис. 10.8).

Если сжатие производить в одной ступени, то лип сжатия изобразится политропой 1-2 с показателем n>k. При сжатии для того же интервала давлений в двух сту- : пенях процесс изобразится ломаной линией 1-2-1 -2 , co-j

стоящей из двух политроп 1-2 и 1 -2 и изобары 2-1 , представляющей собой охлаждение в промежуточном охладителе при давлении pnp = const. В обеих диаграммах экономия энергии от сжатия в двух ступенях с промежуточным охлаждением выражается заштрихованными площадками 1 -2-2-2 .

В современных компрессорах применяют:

Рис. 10.7, Схема компрессора со сту-пенчаты-м сжатием:

охладители 1 и II ступеней; 2 - конечный охладитель; 3. 4. 5 - охладители соотпетстввнио I. И и III ступени

Рис. 10.8. S, Т- и р, f-диаграммы двухступенчатого компрессора:

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

1) охлаждение компрессора подачей воды в специально выполненные полости в отливке корпуса (внутреннее охлаждение). Этот способ существенно улучшает условия смазкн 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, устанавливаемы: между отдельными ступенями (выносное охлаждение) При этом способе охлаждения, используя трубчатые охла!, дители 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.

10.5. Количество ступеней. Промежуточное давление

Самым выгодным компрессорным процессом, обусловливающим наименьший расход энергии на привод, являет-;! ся изотермический процесс (см. рис. 10.5).

По указанным ранее причинам такой процесс практически неосуществим. Приближение к изотермическому процессу при заданном общем повышении давления компрес-; сора возможно путем увеличения количества ступеней компрессора при выносном охлаждении и, следовательно, уменьшения степени повышения давления одной ступени. При этом уменьшается мощность привода, но усложняется конструкция компрессорной установки и увеличивается ее стоимость.

В компрессоростроении выработаны нормативы по определению необходимого числа ступеней: для поршневых и роторных компрессоров - в зависимости от температуры вспышки паров смазочного масла, для лопастных - в зависимости от допустимых, по условиям прочности, окружных скоростей концов лопастей и минимума потерь энергии в проточнойполости машины.

Рассмотрим вопрос о распределении работы по ступеням компрессора и вычислении промежуточного давления. Из термодинамических диаграмм ступенчатого сжатия видно, что промежуточное давление влияет на распределение затрат энергии между ступенями компрессора.

Если полная степень повышения давления компрессора е=Рк/Р1 и число ступеней z заданы, то адинимум затрат энергии достигается при вполне определенном соотношении энергий отдельных ступеней.

Определение условий минимума энергии, затрачиваемой в компрессорном процессе, может быть произведено с помощью известного математического метода отыскания минимума функции.

Если пренебречь незначительными газовыми сопротивлениями охладителей и полагать, что относительные термо-* динамические КПД ступеней сжатия одинаковы, то можно, пользуясь указанным приемом, обнаружить, что минимум затрат энергии обеспечивается равенством энергий отдельных ступеней процесса

L, =L2 = L3=...= L/z.

где L - полная энергия; z - количество ступеней компрессора.

Полагая, что охлаждение в промежуточных охладителях проводится до начальной температуры компрессорного процесса и показатели политроп сжатия в отдельных ступенях одинаковы, можем записать

Т2==П = Т; =..=Т,;

Ti \Рг1

где п=const для всех ступеней.

Следовательно, для отдельных ступеней

Поэтому

== е ч I

е = е2 = ез=...= е.

(10.28)

где е - степень повышения давления одной ступени.

Минимум затрат энергии в ступенчатом компрессорном процессе имеет место при равенстве степеней повышения давления во всех ступенях.

Очевидны соотношения

р2 = т\ р1 = е/72 = eVi;

)Ок = е Pi.

Отсюда следует, что оптимальная степень повышения давления ступени компрессора

pJPi=V4, (10.

где Рк - конечное давление (за последней ступенью коми-! рессора); е -степень повышения давления компрессора} в целом; z - количество ступеней компрессора.

При определенной степени повышения давления ступени промежуточные давления определяются формулами (10.29).

В практике компрессоростроения обычно отступают от принципа равномерного распределения затраты энергии по ступеням и относят на ступени высокого давления несколько меньшие степени повышения давления.

В лопастных компрессорах ступень сжатия состоит из совокупности венцов рабочих и направляющих лопастей и количество ступеней может быть большим (до 40). В этом случае ступени разбивают на группы (секции) и холодильники ставят между секциями. В пределах группы ступени не охлаждают.

В объемных компрессорах ступень давления состоит из замкнутого герметичного корпуса, в котором перемещается рабочее тело (поршень, двигающийся в цилиндре поршневого компрессора), камер всасывания и нагнетания.

Количество ступеней современных компрессоров различных конструкций указано в гл. И-13.

10.6. Характеристики лопастных компрессоров. Пересчет характеристик

Характеристиками лопастной компрессорной машины называют графически изображенные зависимости между Л подачей и основными параметрами - конечным давлением Л (или степенью повышения давления e=pjpi), мощностью, внутренним (политропным или изотермическим) КПД при определенных свойствах газа и заданной частоте вращения.

дррумептом, как правило, считают подачу машины при ус-

П0В111! всасывания.

Характеристики получают испытанием на стенде заво-а.изготовителя при нескольких постоянных частотах вращения; испытание ведут на воздухе.

Характеристики изображают обычно в одном графике дя нескольких частот вращения с обязательным указани-gj, начальных температуры и давления и названия перемещаемого газа.

В соответствии с требованиями производства компрессор может работать при частоте вращения, отличающейся ох т ковой при стендовом испытании. Кроме того, в производственных условиях компрессоры работают с параметрами всасывания, отличающимися от параметров на стенде, и могут служить для подачи газов с физическими свойствами, существенно отличающимися от свойств воздуха. Поэтому компрессорная машина в производственных условиях будет работать иначе, чем на стенде, и характеристики ее будут другими. Отсюда возникает задача пересчета стендовых характеристик на новую частоту вращения, другие условия всасывания и иные физические параметры газа. Точных методов пересчета характеристик с учетом всех влияющих факторов не существует.

Применительно к объему настоящего курса ограничим-ея рассмотрением приближенного способа пересчета, основанного на следующих допущениях:

1) вследствие больших скоростей газа в проточной полости компрессора значения Re высоки и режимы движения лежат в области автомодельности;

2) число Маха существенно ниже критического, и влияние его при переходе от одного режима к другому не проявляется;

3) параллелограммы скоростей при разных режимах остаются геометрически подобными (сохраняется кинематическое подобие);

4) КПД компрессора в подобных режимах остаются постоянными;

5) охлаждение компрессора неинтенсивное, процесс сжатия близок к изоэнтропному.

Пересчет при изменении частоты вращения. Заданы характеристики компрессора при частоте вращения

Требуется перестроить характеристики на новую часто- ( большую или меньшую Па, при неизменных составе аза и начальных параметрах.