Kompresor - Compressor

Mała stacjonarna wysokociśnieniowa sprężarka powietrza do oddychania do napełniania butli nurkowych
Sprężarka tłokowa wysokiego ciśnienia firmy Belliss and Morcom, stosowana w przemyśle rozlewniczym.

Sprężarka jest urządzeniem mechanicznym, który zwiększa ciśnienie o gazu przez zmniejszenie jego objętości . Sprężarka powietrza jest specyficzny typ sprężarki gazu.

Sprężarki są podobne do pomp : obie zwiększają ciśnienie płynu i obie mogą transportować płyn przez rurę . Ponieważ gazy są ściśliwe, kompresor zmniejsza również objętość gazu. Płyny są stosunkowo nieściśliwe; podczas gdy niektóre mogą być skompresowane, głównym działaniem pompy jest zwiększanie ciśnienia i transportowanie cieczy.

Wiele sprężarek może być stopniowanych, co oznacza, że ​​płyn jest kilkakrotnie sprężany etapami lub stopniami, aby zwiększyć ciśnienie tłoczenia. Często drugi stopień jest fizycznie mniejszy niż pierwszy stopień, aby pomieścić już sprężony gaz bez obniżania jego ciśnienia. Każdy stopień dodatkowo spręża gaz i zwiększa jego ciśnienie oraz temperaturę (jeśli nie stosuje się chłodzenia międzystopniowego).

Rodzaje

Poniżej zilustrowano i omówiono główne i ważne typy sprężarek gazu:

Sprężarki-gazu-rodzaje-yed.png

Pozytywne przemieszczenie

Sprężarka wyporowa to układ, który spręża powietrze poprzez przemieszczenie mechanicznego połączenia zmniejszającego objętość (ponieważ zmniejszenie objętości spowodowane działaniem tłoka w termodynamice uważa się za wyporność tłoka).

Innymi słowy, sprężarka wyporowa to taka, która działa poprzez zasysanie dyskretnej objętości gazu ze swojego wlotu, a następnie zmuszanie tego gazu do wyjścia przez wylot sprężarki. Wzrost ciśnienia gazu wynika, przynajmniej częściowo, z pompowania go przez sprężarkę z masowym natężeniem przepływu, które nie może przejść przez wylot przy niższym ciśnieniu i gęstości wlotu.

Sprężarki tłokowe

Napędzana silnikiem sześciocylindrowa sprężarka tłokowa, która może pracować z dwoma, czterema lub sześcioma cylindrami.

Sprężarki tłokowe wykorzystują tłoki napędzane wałem korbowym. Mogą być stacjonarne lub przenośne, mogą być jedno- lub wielostopniowe i mogą być napędzane silnikami elektrycznymi lub silnikami spalinowymi. Małe sprężarki tłokowe o mocy od 5 do 30  koni mechanicznych (KM) są powszechnie spotykane w zastosowaniach motoryzacyjnych i są zwykle stosowane do pracy przerywanej. Większe sprężarki tłokowe znacznie powyżej 1000 KM (750 kW) są powszechnie spotykane w dużych zastosowaniach przemysłowych i naftowych. Ciśnienia tłoczenia mogą wahać się od niskiego do bardzo wysokiego ciśnienia (>18000 psi lub 180 MPa). W niektórych zastosowaniach, takich jak sprężanie powietrza, wielostopniowe sprężarki dwustronnego działania są uważane za najbardziej wydajne dostępne sprężarki i są zazwyczaj większe i droższe niż porównywalne jednostki rotacyjne. Innym rodzajem sprężarki tłokowej, zwykle stosowanej w samochodowych układach klimatyzacji kabin samochodowych , jest sprężarka z tarczą krzywkową lub wobble plate, która wykorzystuje tłoki poruszane przez tarczę krzywkową zamontowaną na wale (patrz pompa z tłokiem osiowym ).

Sprężarki domowe, domowe warsztaty i mniejsze miejsca pracy są zazwyczaj sprężarkami tłokowymi o mocy 1½ KM lub mniejszej z dołączonym zbiornikiem odbiorczym.

Sprężarki liniowy jest sprężarka tłokowa z tłokiem jest wirnik silnika liniowego.

Ten typ sprężarki może kompresować szeroką gamę gazów, w tym czynnik chłodniczy, wodór i gaz ziemny. Z tego powodu znajduje zastosowanie w szerokim zakresie zastosowań w wielu różnych gałęziach przemysłu i może być zaprojektowany do szerokiego zakresu wydajności, poprzez różne rozmiary, liczbę butli i rozładunek butli. Jednak cierpi z powodu większych strat spowodowanych objętościami prześwitu, oporami spowodowanymi przez zawory tłoczne i ssące, waży więcej, jest trudny w utrzymaniu ze względu na dużą liczbę ruchomych części i ma nieodłączne wibracje.

Sprężarka tłokowa cieczy jonowej

Ciecz jonowa sprężarki tłokowe , jonowe sprężarki lub jonowy pompy tłokowe płyn jest kompresor wodoru w oparciu o jonowej cieczy tłoka zamiast z metalu tłoka w tłok metalu sprężarki membrany .

Sprężarki śrubowe rotacyjne

Schemat rotacyjnej sprężarki śrubowej

Sprężarki śrubowe wykorzystują dwie obracające się, obracające się, spiralne śruby wyporowe, aby wcisnąć gaz do mniejszej przestrzeni. Są one zwykle używane do ciągłej pracy w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych i mogą być stacjonarne lub przenośne. Ich zastosowanie może wynosić od 3 koni mechanicznych (2,2 kW) do ponad 1200 koni mechanicznych (890 kW) oraz od niskiego ciśnienia do umiarkowanie wysokiego ciśnienia (> 1200 psi lub 8,3 MPa).

Klasyfikacje rotacyjnych sprężarek śrubowych różnią się między innymi w zależności od stopni, metod chłodzenia i typów napędów. Sprężarki śrubowe są produkowane na skalę przemysłową w wersji olejowej, wodnej i suchej. Wydajność sprężarek rotacyjnych zależy od osuszacza powietrza, a dobór osuszacza powietrza jest zawsze 1,5-krotnością objętościowego wydatku sprężarki.

Istnieją projekty z jedną śrubą lub trzema śrubami zamiast dwóch.

Sprężarki śrubowe mają mniej ruchomych elementów, większą wydajność, mniej wibracji i udarów, mogą pracować ze zmienną prędkością i zazwyczaj mają wyższą wydajność. Małe rozmiary lub niskie prędkości wirnika nie są praktyczne ze względu na nieodłączne nieszczelności spowodowane luzem pomiędzy wnękami sprężania lub śrubami a obudową sprężarki. Zależą one od precyzyjnych tolerancji obróbki, aby uniknąć dużych strat wynikających z przecieków i są podatne na uszkodzenia w przypadku nieprawidłowej obsługi lub niewłaściwej obsługi.

Sprężarki łopatkowe rotacyjne

Mimośrodowa pompa łopatkowa

Sprężarki rotacyjne łopatkowe składają się z wirnika z kilkoma łopatkami umieszczonymi w promieniowych szczelinach w wirniku. Wirnik jest zamontowany z przesunięciem w większej obudowie, która ma albo okrągły, albo bardziej złożony kształt. Gdy wirnik obraca się, łopatki wsuwają się i wysuwają ze szczelin, utrzymując kontakt z zewnętrzną ścianą obudowy. W ten sposób obracające się ostrza tworzą serię rosnących i malejących objętości. Sprężarki łopatkowe są, wraz ze sprężarkami tłokowymi, jedną z najstarszych technologii sprężarek.

Przy odpowiednich połączeniach portowych, urządzenie może być kompresorem lub pompą próżniową. Mogą być stacjonarne lub przenośne, mogą być jedno- lub wielostopniowe i mogą być napędzane silnikami elektrycznymi lub silnikami spalinowymi. Maszyny z suchymi łopatkami są używane przy stosunkowo niskich ciśnieniach (np. 2 bary lub 200 kPa lub 29 psi) do przemieszczania materiałów sypkich, podczas gdy maszyny z wtryskiem oleju mają niezbędną wydajność objętościową, aby osiągnąć ciśnienie do około 13 barów (1300 kPa; 190 psi). w jednym etapie. Sprężarka łopatkowa jest dobrze przystosowana do napędu silnika elektrycznego i jest znacznie cichsza w działaniu niż jej odpowiednik sprężarka tłokowa.

Sprężarki łopatkowe mogą mieć sprawność mechaniczną około 90%.

Tłok toczny

Sprężarka z tłokiem tocznym

Tłok toczny w sprężarce z tłokiem tocznym pełni rolę przegrody między łopatką a wirnikiem. Toczący się tłok dociska gaz do nieruchomej łopatki.

Dwie z tych sprężarek można zamontować na tym samym wale, aby zwiększyć wydajność i zmniejszyć wibracje i hałas. Konstrukcja bez sprężyny nazywana jest kompresorem wahadłowym.

W chłodnictwie i klimatyzacji ten typ sprężarki jest również znany jako sprężarka rotacyjna, przy czym sprężarki śrubowe są również nazywane po prostu sprężarkami śrubowymi.

Oferuje wyższą wydajność niż sprężarki tłokowe ze względu na mniejsze straty wynikające z przestrzeni prześwitu między tłokiem a obudową sprężarki, jest od 40% do 50% mniejsza i lżejsza przy danej wydajności (co może mieć wpływ na koszty materiałów i wysyłki w przypadku zastosowania w produkcie) , powoduje mniej wibracji, ma mniej komponentów i jest bardziej niezawodny niż sprężarka tłokowa. Ale jego konstrukcja nie pozwala na wydajność przekraczającą 5 ton chłodniczych, jest mniej niezawodna niż inne typy sprężarek i jest mniej wydajna niż inne typy sprężarek z powodu strat wynikających z objętości prześwitu.

Sprężarki spiralne

Mechanizm pompy spiralnej

Sprężarka spiralna , znany również jako pompę spiralną i pompy próżniowej przewijania używa dwóch przeplecionych spirali jak łopatki do pompowania i ściskane płyny , takie jak ciecze i gazy . Geometria łopatek może być ewolwentowa , spiralna archimedesa lub krzywe hybrydowe. Działają bardziej płynnie, ciszej i niezawodnie niż inne typy sprężarek w niższym zakresie głośności.

Często jeden ze zwojów jest nieruchomy, podczas gdy drugi obraca się mimośrodowo, nie obracając się, w ten sposób zatrzymując i pompując lub ściskając kieszenie płynu między zwojami.

Ze względu na minimalny prześwit pomiędzy spiralą stałą a spiralą orbitującą, sprężarki te mają bardzo wysoką sprawność objętościową .

Sprężarki te są szeroko stosowane w klimatyzacji i chłodnictwie, ponieważ są lżejsze, mniejsze i mają mniej części ruchomych niż sprężarki tłokowe, a ponadto są bardziej niezawodne. Są one jednak droższe, więc chłodnice Peltiera lub sprężarki rotacyjne i tłokowe mogą być stosowane w zastosowaniach, w których koszt jest najważniejszym lub jednym z najważniejszych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu systemu chłodniczego lub klimatyzacyjnego.

Ten typ sprężarki był używany jako doładowanie w silnikach Volkswagen G60 i G40 na początku lat 90-tych.

W porównaniu ze sprężarkami tłokowymi i tocznymi, sprężarki spiralne są bardziej niezawodne, ponieważ mają mniej komponentów i mają prostszą konstrukcję, są bardziej wydajne, ponieważ nie mają luzu ani zaworów, mają mniejszy przepływ i nie drgają tak mocno. Jednak w porównaniu ze sprężarkami śrubowymi i odśrodkowymi, sprężarki spiralne mają niższą sprawność i mniejszą wydajność.

Sprężarki membranowe

Membrana sprężarki (znane także jako sprężarki membrany ) jest wariantem konwencjonalnej sprężarki tłokowej. Sprężanie gazu następuje poprzez ruch elastycznej membrany zamiast elementu wlotowego. Ruch membrany tam iz powrotem jest napędzany przez pręt i mechanizm wału korbowego. Tylko membrana i skrzynia sprężarki mają kontakt ze sprężanym gazem.

Stopień wygięcia oraz materiał tworzący membranę wpływa na żywotność sprzętu. Generalnie sztywne metalowe membrany mogą przemieścić tylko kilka centymetrów sześciennych objętości, ponieważ metal nie wytrzymuje dużego stopnia zginania bez pękania, ale sztywność metalowej membrany pozwala na pompowanie pod wysokim ciśnieniem. Membrany gumowe lub silikonowe są w stanie wytrzymać głębokie skoki pompowania o bardzo dużym zgięciu, ale ich niska wytrzymałość ogranicza ich zastosowanie do zastosowań niskociśnieniowych i należy je wymienić, gdy pojawia się kruchość tworzywa sztucznego.

Sprężarki membranowe są używane do wodoru i sprężonego gazu ziemnego ( CNG ), a także w wielu innych zastosowaniach.

Trójstopniowa sprężarka membranowa

Zdjęcie po prawej przedstawia trzystopniową sprężarkę membranową wykorzystywaną do sprężania wodoru do 41 MPa (6000 psi) do użytku w prototypowej stacji paliw sprężonego wodoru i sprężonego gazu ziemnego (CNG) zbudowanej w centrum Phoenix w Arizonie przez Arizona Public Firma usługowa (przedsiębiorstwo energetyczne). Sprężarek tłokowych użyto do kompresji gazu ziemnego . Tłokowa sprężarka gazu ziemnego została opracowana przez Sertco .

Prototypowa alternatywna stacja paliw została zbudowana zgodnie ze wszystkimi obowiązującymi przepisami bezpieczeństwa, ochrony środowiska i budownictwa w Phoenix, aby zademonstrować, że takie stacje paliw mogą być budowane na obszarach miejskich.

Dynamiczny

Kompresor pęcherzyków powietrza

Znany również jako trompe . Mieszanina powietrza i wody wytworzona przez turbulencje może wpaść do podziemnej komory, gdzie powietrze oddziela się od wody. Ciężar spadającej wody kompresuje powietrze w górnej części komory. Zanurzony wylot z komory umożliwia wypływ wody na powierzchnię na niższej wysokości niż wlot. Wylot w sklepieniu komory dostarcza sprężone powietrze na powierzchnię. Obiekt oparty na tej zasadzie został zbudowany na rzece Montreal River w Ragged Shutes w pobliżu Cobalt w Ontario w 1910 roku i dostarczył 5000 koni mechanicznych do pobliskich kopalń.

Sprężarki odśrodkowe

Jednostopniowa sprężarka odśrodkowa
Jednostopniowa sprężarka odśrodkowa, początek XX wieku, G. Schiele & Co., Frankfurt nad Menem

Sprężarki odśrodkowe wykorzystują obracający się dysk lub wirnik w ukształtowanej obudowie, aby wtłoczyć gaz do obrzeża wirnika, zwiększając prędkość gazu. Sekcja dyfuzora (dyfuzora rozbieżnego) przekształca energię prędkości w energię ciśnienia. Stosowane są przede wszystkim do ciągłej, stacjonarnej pracy w branżach takich jak rafinerie ropy naftowej , zakłady chemiczne i petrochemiczne oraz zakłady przetwarzania gazu ziemnego . Ich zastosowanie może wynosić od 100 koni mechanicznych (75 kW) do tysięcy koni mechanicznych. Dzięki wielu stopniom mogą osiągnąć wysokie ciśnienie wyjściowe większe niż 1000 psi (6,9 MPa).

Ten typ sprężarki, wraz ze sprężarkami śrubowymi, jest szeroko stosowany w dużych systemach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Istnieją łożyska magnetyczne (magnetycznie lewitowane) i sprężarki odśrodkowe z łożyskami powietrznymi.

Wiele dużych zakładów naśnieżania (takich jak ośrodki narciarskie ) używa tego typu kompresora. Stosowane są również w silnikach spalinowych jako doładowania i turbosprężarki . Sprężarki odśrodkowe używane są w małych turbinowych silników albo jako ostatni etap sprężania turbin gazowych średnich.

Sprężarki odśrodkowe są największymi dostępnymi sprężarkami, oferują wyższą wydajność przy częściowych obciążeniach, mogą być bezolejowe przy zastosowaniu łożysk powietrznych lub magnetycznych, co zwiększa współczynnik przenikania ciepła w parownikach i skraplaczach, ważą do 90% mniej i zajmują o 50% mniej miejsca niż sprężarki tłokowe są niezawodne i tańsze w utrzymaniu, ponieważ mniej elementów jest narażonych na zużycie i generują tylko minimalne wibracje. Jednak ich początkowy koszt jest wyższy, wymagają bardzo precyzyjnej obróbki CNC , wirnik musi obracać się z dużą prędkością, co powoduje, że małe sprężarki stają się niepraktyczne, a przepięcie staje się bardziej prawdopodobne. Impulsowanie to odwrócenie przepływu gazu, co oznacza, że ​​gaz przepływa od strony tłocznej do strony ssącej, co może spowodować poważne uszkodzenia, zwłaszcza łożysk sprężarki i jej wału napędowego. Jest to spowodowane ciśnieniem po stronie tłocznej, które jest wyższe niż ciśnienie wyjściowe sprężarki. Może to spowodować przepływ gazów tam i z powrotem między sprężarką a tym, co jest podłączone do jej przewodu tłocznego, powodując oscylacje.

Sprężarki diagonalne lub o przepływie mieszanym

Sprężarki diagonalne lub o przepływie mieszanym są podobne do sprężarek odśrodkowych, ale mają promieniową i osiową składową prędkości na wyjściu z wirnika. Dyfuzor jest często używany do zmiany kierunku przepływu ukośnego na kierunek osiowy, a nie promieniowy. W porównaniu do konwencjonalnej sprężarki odśrodkowej (o tym samym stosunku ciśnień stopnia) wartość prędkości sprężarki z przepływem mieszanym jest 1,5 raza większa.

Sprężarki osiowe

Animacja sprężarki osiowej.

Sprężarki osiowe są dynamicznymi sprężarkami rotacyjnymi, które wykorzystują szereg przypominających wentylatory profili powietrznych do stopniowego sprężania płynu. Stosowane są tam, gdzie wymagane są wysokie natężenia przepływu lub kompaktowa konstrukcja.

Szyny płatów są ustawione w rzędach, zwykle parami: jeden wirujący, drugi nieruchomy. Obracające się profile, zwane również łopatkami lub wirnikami , przyspieszają przepływ płynu. Stacjonarne płaty, zwane również statorami lub łopatkami, spowalniają i przekierowują kierunek przepływu płynu, przygotowując go na łopatki wirnika następnego stopnia. Sprężarki osiowe są prawie zawsze wielostopniowe, przy czym powierzchnia przekroju poprzecznego kanału gazu zmniejsza się wzdłuż sprężarki, aby utrzymać optymalną osiową liczbę Macha . Powyżej około 5 stopni lub współczynnika ciśnienia projektowego 4:1 sprężarka nie będzie działać, o ile nie zostanie wyposażona w takie funkcje, jak stacjonarne łopatki o zmiennym kącie (znane jako zmienne łopatki kierujące wlotu i zmienne stojany), zdolność do umożliwienia częściowej ucieczki powietrza. wzdłuż sprężarki (znane jako upust międzystopniowy) i podzielone na więcej niż jeden zespół obrotowy (na przykład znane jako podwójne szpule).

Sprężarki osiowe mogą mieć wysoką wydajność; około 90% politropy w warunkach projektowych. Są jednak stosunkowo drogie, wymagają dużej liczby komponentów, wąskich tolerancji i wysokiej jakości materiałów. Sprężarki osiowe są stosowane w średnich i dużych silnikach turbogazowych , przepompowniach gazu ziemnego i niektórych zakładach chemicznych.

Hermetycznie zamknięte, otwarte lub półhermetyczne

Mała hermetycznie zamknięta sprężarka w powszechnie stosowanej lodówce lub zamrażarce konsumenckiej ma zazwyczaj zaokrągloną stalową zewnętrzną powłokę, która jest trwale spawana, co uszczelnia gazy robocze wewnątrz systemu, w tym przypadku czynnik chłodniczy R600a . Nie ma drogi do wycieku gazów, np. wokół uszczelnień wału silnika. W tym modelu plastikowa górna część jest częścią systemu automatycznego odszraniania , który wykorzystuje ciepło silnika do odparowania wody.

Sprężarki stosowane w układach chłodniczych muszą wykazywać prawie zerowy wyciek, aby uniknąć utraty czynnika chłodniczego, jeśli mają działać przez lata bez serwisowania. Wymaga to zastosowania bardzo skutecznych uszczelek, a nawet wyeliminowania wszystkich uszczelek i otworów w celu utworzenia hermetycznego systemu. Sprężarki te są często opisywane jako hermetyczne , otwarte lub półhermetyczne , aby opisać, w jaki sposób sprężarka jest zamknięta i jak znajduje się napęd silnika w stosunku do sprężanego gazu lub pary. Niektóre sprężarki poza usługami chłodniczymi mogą być również do pewnego stopnia hermetycznie uszczelnione, zwykle podczas obsługi toksycznych, zanieczyszczających lub drogich gazów, przy czym większość zastosowań niezwiązanych z chłodnictwem znajduje się w przemyśle petrochemicznym.

W hermetycznych i większości półhermetycznych sprężarkach sprężarka i silnik napędzający sprężarkę są zintegrowane i działają w obrębie obwiedni gazu pod ciśnieniem w układzie. Silnik jest przeznaczony do pracy i chłodzenia przez sprężony gaz chłodniczy. Sprężarki otwarte mają zewnętrzny silnik napędzający wał, który przechodzi przez korpus sprężarki i opierają się na obrotowych uszczelkach wokół wału, aby utrzymać ciśnienie wewnętrzne.

Różnica między hermetycznym a półhermetycznym polega na tym, że hermetyczny wykorzystuje jednoczęściową spawaną stalową obudowę, której nie można otworzyć w celu naprawy; jeśli hermetyka zawiedzie, zostaje po prostu zastąpiona całą nową jednostką. Półhermetyczny wykorzystuje dużą odlewaną metalową osłonę z uszczelnionymi pokrywami ze śrubami, które można otworzyć, aby wymienić elementy silnika i sprężarki. Główną zaletą hermetycznego i półhermetycznego jest to, że nie ma drogi wycieku gazu z systemu. Głównymi zaletami sprężarek otwartych jest to, że mogą być napędzane dowolnym źródłem napędu trakcyjnego, co pozwala na dobór najbardziej odpowiedniego silnika do danego zastosowania, a nawet nieelektrycznych źródeł zasilania, takich jak silnik spalinowy lub turbina parowa , a po drugie silnik otwartej sprężarki może być serwisowany bez otwierania jakiejkolwiek części układu chłodniczego.

Otwarty system ciśnieniowy, taki jak klimatyzator samochodowy, może być bardziej podatny na wyciek gazów roboczych. Otwarte systemy polegają na smarowaniu w systemie, które rozpryskuje się na podzespołach pompy i uszczelkach. Jeśli nie jest obsługiwany wystarczająco często, smar na uszczelkach powoli odparowuje, a następnie uszczelki zaczynają przeciekać, aż system przestanie działać i należy go ponownie napełnić. Dla porównania, system hermetyczny lub półhermetyczny może pozostawać nieużywany przez lata i zwykle można go ponownie uruchomić w dowolnym momencie bez konieczności konserwacji lub utraty ciśnienia w systemie. Nawet dobrze nasmarowane uszczelnienia z czasem będą wyciekać z niewielkiej ilości gazu, szczególnie jeśli gazy chłodnicze są rozpuszczalne w oleju smarującym, ale jeśli uszczelnienia są dobrze wykonane i konserwowane, strata ta jest bardzo niska.

Wadą sprężarek hermetycznych jest to, że napędu silnikowego nie można naprawić ani konserwować, a w przypadku awarii silnika należy wymienić całą sprężarkę. Kolejną wadą jest to, że spalone uzwojenia mogą zanieczyścić cały system, co wymaga całkowitego wypompowania systemu i wymiany gazu (może się to również zdarzyć w sprężarkach półhermetycznych, w których silnik pracuje w czynniku chłodniczym). Zazwyczaj sprężarki hermetyczne są używane w tanich, fabrycznie montowanych towarach konsumpcyjnych, gdzie koszt naprawy i robocizny jest wysoki w porównaniu z wartością urządzenia, a bardziej ekonomiczne byłoby po prostu zakup nowego urządzenia lub sprężarki. Sprężarki półhermetyczne są stosowane w średnich i dużych systemach chłodniczych i klimatyzacyjnych, gdzie naprawa i/lub regeneracja sprężarki jest tańsza w porównaniu z ceną nowej. Sprężarka hermetyczna jest prostsza i tańsza w budowie niż sprężarka półhermetyczna lub otwarta.

Termodynamika sprężania gazu

Kompresor izentropowy

Sprężarka może być idealizowana jako wewnętrznie odwracalna i adiabatyczna , a więc jako urządzenie izentropowe w stanie ustalonym, co oznacza, że ​​zmiana entropii wynosi 0. Definiując cykl sprężania jako izentropowy , można osiągnąć idealną wydajność procesu i idealną wydajność sprężarki. porównać z rzeczywistą wydajnością maszyny. Kompresja izotropowa stosowana w kodzie ASME PTC 10 odnosi się do odwracalnego procesu kompresji adiabatycznej

Sprawność izentropowa sprężarek:

jest entalpią w stanie początkowym
jest entalpią w stanie końcowym dla rzeczywistego procesu
jest entalpią w stanie końcowym dla procesu izentropowego

Minimalizacja pracy kompresora

Porównanie sprężarek odwracalnych z nieodwracalnymi

Porównanie postaci różniczkowej bilansu energii dla każdego urządzenia
Niech będzie ciepło, bądź praca, bądź energia kinetyczna i bądź energia potencjalna. Rzeczywista sprężarka:

Sprężarka rewersyjna:


Prawa strona każdego typu sprężarki jest równoważna, a więc:

przearanżowanie:



Podstawiając znane równanie do ostatniego równania i dzieląc oba wyrazy przez T:


Ponadto, a T jest [temperaturą bezwzględną] ( ), która daje: lub


Dlatego urządzenia pracochłonne, takie jak pompy i sprężarki (praca jest ujemna), wymagają mniej pracy, gdy działają odwracalnie.

Efekt chłodzenia podczas procesu kompresji

Wykres Pv (objętość właściwa vs. ciśnienie) porównujący procesy izentropowe, politropowe i izotermiczne w tych samych granicach ciśnienia.

proces izentropowy : bez chłodzenia, proces
politropowy : z pewnym chłodzeniem proces
izotermiczny : z maksymalnym chłodzeniem

Przyjmując następujące założenia, wymagana praca sprężarki do sprężenia gazu od do jest następująca dla każdego procesu: Założenia:

oraz
Wszystkie procesy są wewnętrznie odwracalne
Gaz zachowuje się jak gaz doskonały ze stałymi ciepłami właściwymi

Izentropowy ( , gdzie ):

Politropowy ( ):

Izotermiczny ( lub ):

Porównując trzy wewnętrznie odwracalne procesy sprężania gazu doskonałego z do , wyniki pokazują, że sprężanie izentropowe ( ) wymaga najwięcej pracy, a sprężanie izotermiczne ( lub ) wymaga najmniej pracy. Dla procesu politropowego ( ) praca w maleje wraz ze spadkiem wykładnika n, zwiększając oddawanie ciepła podczas procesu kompresji. Jednym z powszechnych sposobów chłodzenia gazu podczas sprężania jest stosowanie płaszczy chłodzących wokół obudowy sprężarki.

Sprężarki w idealnych cyklach termodynamicznych

Idealny cykl Rankine'a 1 -> 2 Izentropowa kompresja w pompie
Idealny cykl Carnota 4 -> 1 Izentropowa kompresja
Idealny cykl Otto 1 -> 2 Izentropowa kompresja
Idealny cykl Diesla 1 -> 2 Izentropowa kompresja
Idealny cykl Braytona 1 -> 2 Izentropowa kompresja Sprężarka
Idealny cykl chłodzenia z kompresją pary 1->2 Sprężanie izentropowe w sprężarce
UWAGA: Założenia izentropowe mają zastosowanie tylko w przypadku idealnych cykli. Cykle w świecie rzeczywistym mają nieodłączne straty spowodowane niewydajnymi sprężarkami i turbinami. Systemy świata rzeczywistego nie są naprawdę izentropowe, ale są raczej wyidealizowane jako izentropowe do celów obliczeniowych.

Temperatura

Sprężenie gazu podnosi jego temperaturę .

Dla transformacji politropowej gazu:

Praca wykonana dla politropowego sprężania (lub rozprężania) gazu do zamkniętego cylindra.

więc

gdzie p to ciśnienie, V to objętość, n przyjmuje różne wartości dla różnych procesów kompresji (patrz poniżej), a 1 i 2 odnoszą się do stanów początkowych i końcowych.

  • Adiabatyczny — model ten zakłada, że ​​podczas sprężania żadna energia (ciepło) nie jest przekazywana do lub z gazu, a cała dostarczona praca jest dodawana do energii wewnętrznej gazu, co powoduje wzrost temperatury i ciśnienia. Teoretyczny wzrost temperatury to:

gdzie T 1 i T 2 w stopniach Rankine'a lub kelwinach , p 2 i p 1 to ciśnienia bezwzględne i stosunek ciepła właściwego (około 1,4 dla powietrza). Wzrost stosunku powietrza do temperatury oznacza, że ​​kompresja nie następuje po prostym stosunku ciśnienia do objętości. Jest to mniej wydajne, ale szybkie. Sprężanie lub rozprężanie adiabatyczne dokładniej modeluje rzeczywiste życie, gdy sprężarka ma dobrą izolację, dużą objętość gazu lub krótki czas (tj. wysoki poziom mocy). W praktyce ze sprężonego gazu zawsze będzie wypływać pewna ilość ciepła. Tak więc wykonanie idealnej sprężarki adiabatycznej wymagałoby doskonałej izolacji cieplnej wszystkich części maszyny. Na przykład, nawet metalowa rurka pompki do opon rowerowych nagrzewa się podczas sprężania powietrza w celu napełnienia opony. Opisana powyżej zależność temperatury od stopnia sprężania oznacza, że ​​wartość dla procesu adiabatycznego wynosi (stosunek ciepła właściwego).

  • Izotermiczny — model ten zakłada, że ​​sprężony gaz pozostaje w stałej temperaturze przez cały proces sprężania lub rozprężania. W tym cyklu energia wewnętrzna jest usuwana z układu jako ciepło z taką samą szybkością, z jaką jest dodawana przez mechaniczną pracę sprężania. Sprężanie lub rozprężanie izotermiczne dokładniej modeluje rzeczywiste życie, gdy sprężarka ma dużą powierzchnię wymiany ciepła, małą objętość gazu lub długą skalę czasową (tj. mały poziom mocy). Sprężarki wykorzystujące chłodzenie międzystopniowe między etapami kompresji są najbliżej osiągnięcia idealnej kompresji izotermicznej. Jednak przy użyciu praktycznych urządzeń nie można osiągnąć idealnej kompresji izotermicznej. Na przykład, jeśli nie masz nieskończonej liczby stopni kompresji z odpowiednimi intercoolerami, nigdy nie osiągniesz idealnej kompresji izotermicznej.

Dla procesu izotermicznego wynosi 1, więc wartość całki pracy dla procesu izotermicznego wynosi:

Podczas oceny praca izotermiczna okazała się niższa niż praca adiabatyczna.

  • Politropowy - Model ten uwzględnia zarówno wzrost temperatury gazu, jak i pewną utratę energii (ciepła) do elementów sprężarki. Zakłada się, że ciepło może wchodzić lub wychodzić z układu, a praca wału wejściowego może objawiać się zarówno zwiększonym ciśnieniem (zazwyczaj praca użyteczna), jak i podwyższoną temperaturą powyżej adiabatycznej (zazwyczaj straty spowodowane wydajnością cyklu). Wydajność sprężania jest więc stosunkiem wzrostu temperatury przy teoretycznych 100 procentach (adiabatyczny) do rzeczywistego (politropowy). Kompresja politropowa przyjmie wartość od 0 (proces ze stałym ciśnieniem) do nieskończoności (proces o stałej objętości). W typowym przypadku, gdy podejmuje się wysiłek schłodzenia gazu sprężonego w procesie w przybliżeniu adiabatycznym, wartość będzie wynosić od 1 do .

Kompresja etapowa

W przypadku sprężarek odśrodkowych, projekty komercyjne obecnie nie przekraczają stopnia sprężania większego niż 3,5 do 1 w jednym stopniu (dla typowego gazu). Ponieważ sprężanie podnosi temperaturę, sprężony gaz musi być chłodzony między etapami, dzięki czemu sprężanie jest mniej adiabatyczne i bardziej izotermiczne. Chłodnice międzystopniowe (intercoolery) zazwyczaj powodują częściową kondensację, która jest usuwana w separatorach para-ciecz .

W przypadku małych sprężarek tłokowych koło zamachowe sprężarki może napędzać wentylator chłodzący, który kieruje powietrze z otoczenia przez chłodnicę międzystopniową sprężarki dwustopniowej lub większej.

Ponieważ sprężarki śrubowe mogą wykorzystywać smar chłodzący w celu zmniejszenia wzrostu temperatury podczas sprężania, bardzo często przekraczają stopień sprężania 9 do 1. Na przykład w typowej sprężarce nurkowej powietrze jest sprężane w trzech etapach. Jeśli każdy stopień ma stopień sprężania 7 do 1, sprężarka może wytwarzać 343 razy ciśnienie atmosferyczne (7 × 7 × 7 = 343 atmosfery ). (343 atm lub 34,8  MPa lub 5,04  ksi )

Silniki napędowe

Istnieje wiele opcji silnika zasilającego sprężarkę:

  • Turbiny gazowe napędzają sprężarki osiowe i odśrodkowe, które są częścią silników odrzutowych .
  • W przypadku dużych sprężarek możliwe są turbiny parowe lub turbiny wodne .
  • Silniki elektryczne są tanie i ciche w przypadku sprężarek statycznych. Małe silniki przystosowane do domowych instalacji elektrycznych wykorzystują jednofazowy prąd przemienny . Większe silniki mogą być używane tylko tam, gdzie dostępne jest przemysłowe elektryczne trójfazowe zasilanie prądem przemiennym.
  • Silniki Diesla lub silniki benzynowe nadają się do przenośnych sprężarek i sprężarek pomocniczych.
  • W samochodach i innych typach pojazdów (w tym samolotach, łodziach, ciężarówkach itp. z napędem tłokowym) moc wyjściową silników wysokoprężnych lub benzynowych można zwiększyć poprzez sprężanie powietrza dolotowego, dzięki czemu można spalić więcej paliwa na cykl. Silniki te mogą zasilać sprężarki przy użyciu własnej mocy wału korbowego (ta konfiguracja znana jako doładowanie ) lub wykorzystywać swoje spaliny do napędzania turbiny połączonej ze sprężarką (ta konfiguracja znana jako turbosprężarka ).

Smarowanie

Sprężarki napędzane silnikiem elektrycznym mogą być sterowane za pomocą VFD lub falownika , jednak wiele sprężarek hermetycznych i półhermetycznych może pracować tylko w zakresie lub ze stałą prędkością, ponieważ mogą one zawierać wbudowane pompy olejowe. Wbudowana pompa olejowa jest podłączona do tego samego wału, który napędza sprężarkę i wtłacza olej do łożyska sprężarki i silnika. Przy niskich prędkościach do łożysk docierają niewystarczające ilości oleju, co ostatecznie prowadzi do awarii łożysk, podczas gdy przy dużych prędkościach nadmierne ilości oleju mogą być tracone z łożysk i sprężarki, a potencjalnie również do linii tłocznej z powodu rozpryskiwania. W końcu olej się wyczerpie, a łożyska pozostaną niesmarowane, co prowadzi do awarii, a olej może zanieczyścić czynnik chłodniczy, powietrze lub inny gaz roboczy.

Aplikacje

Sprężarki gazu są używane w różnych zastosowaniach, w których potrzebne są wyższe ciśnienia lub mniejsze objętości gazu:

Zobacz też

Bibliografia