Принцип получения высоких давлений в поршневом компрессоре
При необходимости сжимать газ до давления, превышающего 0,4…0,7Мпа по манометру, применяют многоступенчатое сжатие, сущ-
ность которого состоит в том, что процесс сжатия газа разбивается на несколько этапов или ступеней. В каждой из этих ступеней газ сжимается до некоторого промежуточного давления и перед тем как поступать в следующую ступень, охлаждается в межступенчатом холодильнике. В последней ступени газ дожимается до конечного давления. В современных компрессорах высокого давления число ступеней сжатия достигает семи.
Причины, заставляющие применять многоступенчатое сжатие, следующие;
— выигрыш в затраченной работе;
— ограничение температуры конца сжатия;
— более высокий коэффициент подачи
Как было сказано выше, работа адиабатического сжатия значительно превышает работу изотермического сжатия. При увеличении степени сжатия это расхождение быстро увеличивается. Значительное увеличение давления газа в одном цилиндре приводит к тому, что самое тщательное охлаждение цилиндра не приближает процесс сжатия к изотермическому, и он становится близок илитфактически идентичен адиабатическому процессу. Это устанавливает предел повышения давления в одном цилиндре компрессора.
Для уменьшения работы сжатия применяется ступенчатое сжатие газа с охлаждением его в охладителях, расположенных между ступенями компрессора.
В результате охлаждения газа устраняется и другая причина, обусловливающая применение ступенчатого сжатия, это недопустимое повышение температуры газа при большой степени повышения давления одноступенчатым компрессором. Температура на этапе сжатия газа не должна достигать значений, при которых происходит изменение свойств компрессорного масла. С повышением температуры газа вязкость масла уменьшается, ухудшаются условия смазки, и увеличивается износ трущихся деталей компрессора. При достижении температур порядка 180. 200°С масло разлагается, в результате чего поверхности деталей цилиндра компрессора и нагнетательная линия покрываются нагаром. Это ухудшает охлаждение компрессора и нарушает его нормальную работу (увеличивается трение между поршневыми кольцами и цилиндром, возможны поломки колец и задиры поверхности цилиндра, ухудшается работа клапанов, возникает опасность самовозгорания и взрыва в нагнетательной линии).
В одной ступени компрессора можно достичь только определенных значений
ξ = р1 /р2. Так чрезмерное повышение ξ может привести к значительному уменьшению коэффициента подачи и, следовательно, к уменьшению производительности компрессора. Предельный случай, когда компрессор перестает перемещать газ, будет при 
= 0. При этом критическое значение ξ, исходя из формулы (2.15),
ξ 
= 
(3.17)
Так при а = 0,1 и показателе политропы т = 1,2 критическое значение ξ = 17,8 компрессор будет работать вхолостую. Это объясняется тем, что при достижении определенных давлений р2 по сравнению с р1 газ содержащийся в мертвом пространстве, при расширении будет заполнять весь объем цилиндра. При этом не будет происходить процесса всасывания, а следовательно, и нагнетания
На рис. 3.4. приведена диаграмма р-V, иллюстрирующая зависимость всасывающих объемов от давления нагнетания р2 при р1 = const.
Из этой диаграммы следует, что увеличение давления нагнетания до р2«приводит к уменьшению объема всасывающего газа до V». При повышении давления нагнетания до р2‘» объем всасываемого газа становится равным нулю. Процесс сжатия и расширения газа в этом случае характеризуется кривой 1′- 2′».
Указанные причины ограничивают степень повышения давления одной ступени компрессора значением ξ= 4. 5,5.
Индикаторная диаграмма двухступенчатого компрессора.На рис. 3.5 показана индикаторная диаграмма идеального рабочего процесса в двухступенчатом компрессоре. В первой ступени сжатие происходит так же, как и в одноступенчатом компрессоре. Когда газ из первой ступени подается в охладитель во второй,
осуществляется этап всасывания газа после охладителя. Подача газа второй ступенью происходит при закрытом всасывающем клапане этой ступени.
Температура газа, поступающего после сжатия из первой ступени в охладитель, понижается в нем до температуры газа на входе в первую ступень компрессора Т1 (пунктирная линия 1 -а соответствует изотермическому процессу сжатия газа). Таким образом, состояние газа после охладителя соответствует сжатию его в первой ступени по изотермическому процессу. Изобарический процесс, т. е. процесс, протекающий при постоянном давлении (линия 2-У), характеризуется охлаждением газа при его движении от первой до второй ступени компрессора через охладитель. Этапу сжатия во второй ступени соответствует линия 1′-2′.
При одноступенчатом сжатии без промежуточного охлаждения этому процессу соответствует линия 1—b. Таким образом, в двухступенчатом компрессоре работа сжатия газа меньше работы сжатия газа в одноступенчатом компрессоре на величину площади 2-b-2′—1′ индикаторной диаграммы.
Работа сжатия газа в двухступенчатом компрессоре:
Если температура газа после охладителя становится равной температуре газа на входе в первую ступень компрессора, то
(3.18)
Анализируя формулу (3.18) можно, в конечном счете, получить, что для компрессора с 2 ступенями:
(3.19)
Уравнение 3.19 соответствует сжатию газа с наименьшей затратой работы, при этом степени повышения давления каждой из ступеней компрессора равны между собой и температура на выходе из компрессора имеет наименьшее значение.
В зависимости от ξприменяются компрессоры со следующими числами ступеней z:
ξ≤7  7 | 5. 30 | 13. ..150 | 35. 400 | 150. ..1100 |
| z = 1 | 5. ..7 |
При реальном процессе работа сжатия увеличивается за счет потерь мощности в клапанах, недостаточного охлаждения газа, изменения свойств газа при сжатии и других факторов. Практически реальный рабочий процесс ступенчатого сжатия соответствует идеальному рабочему процессу.
Источник
Классификация компрессорных машин и их
Основные характеристики.
Основными характеристиками компрессорных машин являются: производительность 
(объемный расход всасываемого газа), степень сжатия b, мощность на валу компрессора Nв.
Степенью сжатия b называется отношение конечного давления p2, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению p1, при котором происходит всасывание газа 
.
В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин:
1. компрессоры (b > 3,0) — для создания высоких давлений;
(19)
где G= 
r — массовая производительность компрессора, кг/с; A¢K – теоретическая работа, затрачиваемая компрессором на сжатие 1 кг газа, Дж/кг.
Объемные компрессоры.
Поршневые компрессоры делятся по числу всасываний и нагнетаний за один двойной ход поршня на компрессоры простого (одинарного) и двойного действия. За один двойной ход поршня компрессор простого действия производит одно всасывание и одно нагнетание, компрессор двойного действия — два всасывания и два нагнетания.
Ступенью сжатия называется часть компрессорной машины, где газ сжимается до конечного или промежуточного (перед поступлением на следующую ступень) давления. По числу ступеней поршневые компрессоры подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые, которые, в свою очередь, могут быть горизонтальными и вертикальными.
Принцип действия и теоретическая диаграмма работы поршневого компрессора. На рис.13 изображена схема компрессора простого действия. Поршень 2 движется возвратно — поступательно в цилиндре 1, снабженным всасывающим 3 и нагнетательным 4 клапанами. Поршень плотно прилегает к тщательно обработанной внутренней поверхности цилиндра.
Рис.13. Схема поршневого компрессора простого действия:
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 4 – всасывающий и нагнетательный клапаны; 5 и 6 – патрубки для входа и выхода охлаждающей воды; 7 – рубашка.
Движение поршня осуществляется при помощи кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию от двигателя. При движении поршня вправо газ при давлении р1 всасывается через клапан 3; при движении в обратную сторону газ сначала сжимается до требуемого давления р2 и затем вытесняется через клапан 4 в нагнетательный газопровод. Для отвода теплоты сжатия газа вокруг наружной поверхности цилиндра устанавливается рубашка 7, в которую подается холодная вода (5 — вход воды) и отводится нагретая вода (выход 6).
На рис.14 представлена теоретическая рабочая диаграмма для компрессора простого действия. При перемещении поршня от крайнего левого положения газ через открывшийся всасывающий клапан засасывается в цилиндр (линия 4-1). Когда поршень займет крайнее правое положение, пройденный поршнем объем V1 наполнится газом с давлением р1 и температурой Т1(на диаграмме точка 1). Когда поршень начнет двигаться влево, всасывающий клапан закрывается и начинается сжатие газа (линия 1-2). Поршень будет находиться в положении 2, когда давление газа достигнет величины противодавления в нагнетательном газопроводе, равного р2; при этом откроется нагнетательный клапан и сжатый газ начнет выталкиваться при постоянном давлении р2 в нагнетательный трубопровод (линия 2-3). На диаграмме процесс сжатия изобразится кривой 1-2, а процесс нагнетания прямой 2-3.
Теоретическая работа, совершаемая поршневым компрессором за один цикл (два хода поршня) Ак ¢ , будет определяться как алгебраическая сумма работ всасывания (площадь 4571), сжатия (площадь 1267) и нагнетания (площадь 2356), т.е. изображаться площадью 1234 
(20)
Предполагается, что процессы всасывания и нагнетания происходят при постоянном давлении.
Величина теоретической работы компрессора зависит от условий, при которых происходит сжатие газа, что обуславливается различными значениями А ¢ 1-2 , а также А ¢ наг . Наименьшая работа затрачиваемая компрессором наблюдается в изотермическом процессе, а наибольшая — в адиабатном. На практике при работе компрессора показатель политропы может оказаться большим, чем показатель адиабаты (m>к). Это объясняется выделением дополнительного тепла при трении движущихся деталей компрессора, гидравлическим сопротивлением и т.д. В этом случае работа, затрачиваемая компрессором при политропном процессе будет больше, чем при адиабатном процессе (площадь 1234).
Рис.14. Теоретическая рабочая диаграмма поршневого компрессора простого действия.
Действительная диаграмма работы поршневого компрессора. Производительность компрессора. Для определения производительности компрессора по его главным размерам (площадь поперечного сечения поршня F, ход поршня S) и числу оборотов вала n пользуются действительной рабочей диаграммой компрессора. Ее отличие от теоретической обусловлено главным образом тем, что не весь сжатый газ вытесняется из цилиндра в конце рабочего хода поршня. По конструктивным причинам в пространстве между рабочей плоскостью поршня и крышкой цилиндра, носящем название вредного пространства, всегда остается некоторое количество газа, сжатого до давления р2. Всасывание новой порции газа не начнется до тех пор, пока остаток сжатого газа не расширится до давления р1, а точнее до р0 3 Па); среднего давления (Р=10 3 — 3×10 3 Па) и высокого давления (Р= 3×10 3 — 10 4 Па). Рабочие колеса вентиляторов низкого и среднего давления, обладающих большими производительностями, имеют относительно большую ширину. Для того, чтобы обеспечить прочность и жесткость широких колес, окружная скорость их ограничивается (не более 30 — 50 м/с). Поэтому рабочие колеса таких вентиляторов изготавливаются с лопатками, загнутыми вперед, не считаясь с понижением гидравлического к.п.д. lгвентилятора.
У вентиляторов высокого давления, обладающих меньшей производительностью, ширина колес относительно невелика. Поэтому их лопатки обычно загнуты назад.
Характеристики центробежных вентиляторов подобны характеристикам центробежных насосов. Рабочий режим устанавливается по точке пересечения характеристики центробежного вентилятора с характеристикой сети.
Осевые компрессоры и вентиляторы. Осевые компрессоры имеют значительное число ступеней (10 — 20) и работают без охлаждения газа. Они имеют высокий к.п.д., обеспечивают высокую производительность (более 20 м 3 /c), но создаваемое ими давление не превышает 0,5 — 0,6 МПа.
Осевые вентиляторы имеют сходство с осевым компрессором в том, что газ в нем движется вдоль оси вентилятора.Вследствие низкого сопротивления, оказываемого вентилятором движущемуся потоку газа, и незначительности потерь на трение газа о лопатки, к.п.д осевых вентиляторов существенно выше, чем у центробежных.В то же время напор, развиваемый осевыми вентиляторами, в 3 — 4 раза меньше, чем у центробежных вентиляторов, поэтому осевые вентиляторы применяют для перемещения больших количеств газа при незначительном сопротивлении сети.
Вакуум-насосы
Ряд процессов химической технологии осуществляется под вакуумом (например, сублимационная сушка, молекулярная дистилляция и др.)
По величине остаточного давления различают низкий, средний и высокий вакуум.
При низком вакууме преобладают столкновения молекул газа между собой. Длина свободного пробега молекул газа l значительно меньше линейного размера сосуда, в котором заключен газ, d (l > d).
При понижении давления длина свободного пробега молекул увеличивается в значительной степени. Так при давлении 133,3 × 10 -3 Па l » 10 см, а при давлении 133,3 × 10 -11 Па l » 10 км.
На практике при низком вакууме часто применяется единица измерения «процент вакуума», причем
% вакуума = 
где Р0 — остаточное давление в сосуде, из которого откачивается газ, Па.
Вакуум — насосы и их характеристики. Вакуум — насосами (вакуумными компрессорами) называются устройства, которые откачивают газ из производственной емкости с давлением ниже атмосферного и, сжимая его, выталкивают в атмосферу. В данном разделе мы будем рассматривать только вакуум насосы двух типов, применяемых в промышленности: объемные и динамические.
Объемные вакуум-насосы.
Поршневые вакуум-насосы. Поршневые вакуум — насосы применяются в химической промышленности в тех процессах, где требуется давление 0,6 — 13 кПа и для откачки больших объемов воздуха (до 1 м 3 /с). По своему устройству поршневой вакуум — насос мало отличается от устройства рассмотренных ранее поршневых насосов и компрессоров. Они имеют специальное газораспределительное устройство, связывающее цилиндр, откачиваемый объект и атмосферу. Поршневые вакуум — насосы бывают «сухие» и «мокрые». Первые откачивают из аппарата только газ, а вторые могут откачивать смесь газа с жидкостью. В конструктивном отношении «сухие» и «мокрые» вакуум — насосы совершенно одинаковы, за исключением распределительного устройства.
Вращательные вакуум-насосы со скользящими пластинами. По конструкции аналогичны роторным пластинчатым компрессорам. Они применяются для удаления основной массы воздуха или газа из производственных емкостей больших размеров, а также для создания централизованных систем предварительного разрежения. Предельное давление перед насосом не может быть меньше 1,3 — 3,3 кПа.
Вращательные вакуум-насосы с жидкостным поршнем аналогичны по конструкции водокольцевым компрессорам Они применяются в трех случаях, где требуется давление 3,3 — 80 кПа, а также тогда, когда не допускается соприкосновение газа со смазкой и возможно воспламенение газа при низкой температуре. Они относятся к «мокрым» вакуум — насосам и могут откачивать газ в смеси с жидкостью, из производительность от 0,7×10 4 до 0,13 м 3 /с.
Двухроторные бессмазочные вакуум-насосы аналогичны по конструкции компрессору с двумя вращающимися поршнями. Эти вакуум — насосы требуют предварительного разрежения в аппарате перед их включением в работу. Предельное давление обеспечиваемое насосом равно 1 Па.
Источник