Kompresor - Compressor

Malý stacionární vysokotlaký dýchací vzduchový kompresor pro plnění potápěčských lahví
Vysokotlaký pístový kompresor od Belliss a Morcom, používaný v lahvovém průmyslu.

Kompresor je mechanické zařízení, které zvyšuje tlak o plynu snížením jeho objemu . Kompresor je specifický typ plynového kompresoru.

Kompresory jsou podobné pumpám : oba zvyšují tlak na kapalinu a oba mohou kapalinu transportovat potrubím . Protože jsou plyny stlačitelné, kompresor také zmenšuje objem plynu. Kapaliny jsou relativně nestlačitelné; zatímco některé lze stlačit, hlavní činností čerpadla je natlakování a transport kapalin.

Mnoho kompresorů může být představeno, to znamená, že tekutina je stlačována několikrát v krocích nebo fázích, aby se zvýšil výtlačný tlak. Druhý stupeň je často fyzicky menší než primární stupeň, aby pojal již stlačený plyn bez snížení jeho tlaku. Každý stupeň dále stlačuje plyn a zvyšuje jeho tlak a také teplotu (pokud není použito mezichladění mezi stupni).

Typy

Hlavní a důležité typy plynových kompresorů jsou znázorněny a diskutovány níže:

Plynové kompresory-typy-yed.png

Pozitivní výtlak

Objemový kompresor je systém, který stlačuje vzduch posunutím mechanického spoje snižujícího objem (protože zmenšení objemu v důsledku termodynamiky pístu je považováno za pozitivní posunutí pístu).

Jinak řečeno, objemový kompresor je kompresor, který pracuje tak, že nasává diskrétní objem plynu z jeho vstupu a poté nutí tento plyn vystupovat přes výstup kompresoru. Zvýšení tlaku plynu je přinejmenším částečně způsobeno kompresorem, který jej čerpá hmotnostním průtokem, který nemůže projít výstupem při nižším tlaku a hustotě vstupu.

Pístové kompresory

Pístový šestiválcový kompresor poháněný motorem, který může pracovat se dvěma, čtyřmi nebo šesti válci.

Pístové kompresory používají písty poháněné klikovým hřídelem. Mohou být buď stacionární nebo přenosné, mohou být jednostupňové nebo vícestupňové a mohou být poháněny elektromotory nebo spalovacími motory. Malé pístové kompresory od 5 do 30  koňských sil (hp) jsou běžně k vidění v automobilových aplikacích a jsou typicky pro přerušovaný provoz. Větší pístové kompresory o více než 1 000 hp (750 kW) se běžně vyskytují ve velkých průmyslových a ropných aplikacích. Výstupní tlaky se mohou pohybovat od nízkého až po velmi vysoký tlak (> 18 000 psi nebo 180 MPa). V určitých aplikacích, jako je komprese vzduchu, se říká, že nejúčinnějšími dostupnými kompresory jsou vícestupňové dvojčinné kompresory, které jsou obvykle větší a nákladnější než srovnatelné rotační jednotky. Dalším typem pístového kompresoru, obvykle používaného v klimatizačních systémech automobilových kabin , je výkyvný talíř nebo kolébkový talířový kompresor, který využívá písty pohybované výkyvným talířem namontovaným na hřídeli (viz axiální pístové čerpadlo ).

Kompresory pro domácnost, domácí dílnu a menší staveniště jsou obvykle pístové kompresory o výkonu 1 ½ hp nebo méně s připojenou přijímací nádrží.

Lineární kompresor je pístový kompresor, s pístem je rotor lineárního motoru.

Tento typ kompresoru může stlačit širokou škálu plynů, včetně chladiva, vodíku a zemního plynu. Z tohoto důvodu nachází uplatnění v široké škále aplikací v mnoha různých průmyslových odvětvích a může být navržen pro širokou škálu kapacit podle různé velikosti, počtu válců a vykládání válců. Trpí však vyššími ztrátami v důsledku objemů vůle, odporu v důsledku vypouštěcích a sacích ventilů, váží více, je obtížné jej udržovat kvůli velkému počtu pohyblivých částí a má vlastní vibrace.

Iontový kapalinový pístový kompresor

Iontová kapalina pístový kompresor , iontová kompresor nebo iontová kapalina pístové čerpadlo je vodík kompresor založené na iontové kapaliny pístu namísto kovového pístu jako v pístu kovu membránového kompresoru .

Rotační šroubové kompresory

Schéma rotačního šroubového kompresoru

Rotační šroubové kompresory používají dva silové rotující šroubové šrouby s pozitivním výtlakem k vytlačení plynu do menšího prostoru. Obvykle se používají pro nepřetržitý provoz v komerčních a průmyslových aplikacích a mohou být stacionární nebo přenosné. Jejich aplikace může být od 3 koní (2,2 kW) do více než 1 200 koní (890 kW) a od nízkého tlaku do středně vysokého tlaku (> 1 200 psi nebo 8,3 MPa).

Klasifikace šroubových kompresorů se liší mimo jiné podle stupňů, způsobů chlazení a typů pohonů. Rotační šroubové kompresory jsou komerčně vyráběny v olejových, vodou zaplavených a suchých typech. Účinnost rotačních kompresorů závisí na sušičce vzduchu a výběr sušičky vzduchu je vždy 1,5násobkem objemové dodávky kompresoru.

Existují návrhy s jedním šroubem nebo třemi šrouby místo dvou.

Šroubové kompresory mají méně pohyblivých součástí, větší kapacitu, méně vibrací a rázů, mohou pracovat s proměnnými otáčkami a obvykle mají vyšší účinnost. Malé velikosti nebo nízké otáčky rotoru nejsou praktické z důvodu inherentních netěsností způsobených vůlí mezi kompresními dutinami nebo šrouby a skříní kompresoru. Závisí na tolerancích jemného obrábění, aby se zabránilo vysokým ztrátám únikem, a jsou náchylné k poškození, pokud jsou provozovány nesprávně nebo špatně servisovány.

Rotační lamelové kompresory

Excentrické rotační lopatkové čerpadlo

Rotační lopatkové kompresory se skládají z rotoru s řadou lopatek vložených do radiálních štěrbin v rotoru. Rotor je uložen odsazeně ve větším pouzdru, které je kruhového nebo složitějšího tvaru. Jak se rotor otáčí, nože klouzají dovnitř a ven ze štěrbin a udržují kontakt s vnější stěnou pouzdra. Rotující lopatky tak vytvářejí sérii zvyšujících se a klesajících objemů. Rotační lopatkové kompresory jsou s pístovými kompresory jednou z nejstarších technologií kompresorů.

S vhodnými připojeními portů mohou být zařízení buď kompresor nebo vakuová pumpa. Mohou být buď stacionární nebo přenosné, mohou být jednostupňové nebo vícestupňové a mohou být poháněny elektromotory nebo spalovacími motory. Pro pohyb sypkého materiálu se používají stroje se suchými lopatkami při relativně nízkých tlacích (např. 2 bary nebo 200 kPa nebo 29 psi), zatímco stroje se vstřikováním oleje mají potřebnou objemovou účinnost k dosažení tlaků až přibližně 13 barů (1300 kPa; 190 psi) v jedné fázi. Rotační lamelový kompresor je vhodný pro pohon elektromotorů a je v provozu výrazně tišší než ekvivalentní pístový kompresor.

Rotační lopatkové kompresory mohou mít mechanickou účinnost asi 90%.

Valivý píst

Valivý pístový kompresor

Valivý píst v kompresoru ve stylu válcovacího pístu hraje část přepážky mezi lopatkou a rotorem. Valivý píst tlačí plyn proti nehybné lopatce.

2 z těchto kompresorů lze namontovat na stejný hřídel za účelem zvýšení výkonu a snížení vibrací a hluku. Konstrukce bez pružiny je známá jako výkyvný kompresor.

V chlazení a klimatizaci je tento typ kompresoru také známý jako rotační kompresor, přičemž rotační šroubové kompresory jsou také známé jednoduše jako šroubové kompresory.

Nabízí vyšší účinnost než pístové kompresory díky menším ztrátám z vůle mezi pístem a skříní kompresoru, je o 40% až 50% menší a lehčí pro danou kapacitu (což může mít vliv na náklady na materiál a dopravu při použití ve výrobku) , způsobuje menší vibrace, má méně součástí a je spolehlivější než pístový kompresor. Jeho struktura však neumožňuje kapacitu nad 5 tun chladiva, je méně spolehlivá než jiné typy kompresorů a je méně účinná než jiné typy kompresorů kvůli ztrátám z volného objemu.

Scroll kompresory

Mechanismus spirálového čerpadla

Spirálový kompresor , také známý jako posunovací čerpadlo a rolovacím vakuového čerpadla , používá dva prokládaný spirálovité lopatky k čerpání nebo kompresní tekutiny , jako jsou kapaliny a plyny . Geometrie lopatek může být evolventní , archimedova spirála nebo hybridní křivky. Pracují plynuleji, tišeji a spolehlivěji než jiné typy kompresorů v nižším rozsahu objemu.

Často je jeden ze svitků pevný, zatímco druhý obíhá excentricky bez otáčení, čímž dochází k zachycení a čerpání nebo stlačování kapes tekutiny mezi svitky.

Vzhledem k minimálnímu světlému objemu mezi pevným svitkem a obíhajícím svitkem mají tyto kompresory velmi vysokou objemovou účinnost .

Tyto kompresory se široce používají v klimatizaci a chlazení, protože jsou lehčí, menší a mají méně pohyblivých částí než pístové kompresory a jsou také spolehlivější. Jsou však dražší, takže peltierovy chladiče nebo rotační a pístové kompresory mohou být použity v aplikacích, kde jsou nejdůležitější náklady nebo jeden z nejdůležitějších faktorů, které je třeba vzít v úvahu při navrhování chladicího nebo klimatizačního systému.

Tento typ kompresoru byl na počátku devadesátých let používán jako kompresor u motorů Volkswagen G60 a G40.

Ve srovnání s pístovými a válcovými pístovými kompresory jsou spirálové kompresory spolehlivější, protože mají méně komponentů a mají jednodušší strukturu, jsou účinnější, protože nemají žádný volný prostor ani ventily, méně narůstají a tolik nevibrují. Ale ve srovnání se šroubovými a odstředivými kompresory mají spirálové kompresory nižší účinnost a menší kapacitu.

Membránové kompresory

Membrána kompresor (také známý jako membránový kompresor ) je varianta konvenčního pístového kompresoru. Ke stlačení plynu dochází pohybem pružné membrány místo sacího prvku. Pohyb membrány tam a zpět je poháněn tyčí a mechanismem klikového hřídele. Se stlačovaným plynem přichází do styku pouze membrána a skříň kompresoru.

Míra ohybu a materiál tvořící membránu ovlivňuje životnost zařízení. Obecně tuhé kovové membrány mohou vytlačit pouze několik kubických centimetrů objemu, protože kov nemůže vydržet velké stupně ohýbání bez praskání, ale tuhost kovové membrány mu umožňuje pumpovat při vysokých tlacích. Pryžové nebo silikonové membrány jsou schopné vydržet hluboké čerpací zdvihy s velmi vysokým ohybem, ale jejich nízká pevnost omezuje jejich použití na nízkotlaké aplikace a je třeba je vyměnit, protože dochází k plastickému křehnutí.

Membránové kompresory se používají pro vodík a stlačený zemní plyn ( CNG ) a také v řadě dalších aplikací.

Třístupňový membránový kompresor

Fotografie vpravo zobrazuje třístupňový membránový kompresor sloužící ke stlačování plynného vodíku na 6 000 psi (41 MPa) pro použití v prototypu čerpací stanice stlačeného vodíku a stlačeného zemního plynu (CNG) postavené v centru Phoenixu v Arizoně společností Arizona Public Servisní společnost (společnost poskytující energetické služby). Ke stlačování zemního plynu byly použity pístové kompresory . Pístový kompresor na zemní plyn vyvinula společnost Sertco .

Prototyp alternativní čerpací stanice paliva byl postaven v souladu se všemi převládajícími bezpečnostními, ekologickými a stavebními předpisy ve Phoenixu, aby demonstroval, že takové čerpací stanice mohou být postaveny v městských oblastech.

Dynamický

Vzduchový bublinový kompresor

Také známý jako trompe . Směs vzduchu a vody generovaná turbulencemi se nechá spadnout do podzemní komory, kde se vzduch odděluje od vody. Hmotnost padající vody stlačuje vzduch v horní části komory. Ponořený vývod z komory umožňuje vodě vytékat na povrch v nižší výšce, než je příjem. Výstup ve střeše komory dodává stlačený vzduch na povrch. Zařízení na tomto principu bylo postaveno na řece Montreal v Ragged Shutes poblíž Cobalt v Ontariu v roce 1910 a dodávalo 5 000 koní do okolních dolů.

Odstředivé kompresory

Jednostupňový odstředivý kompresor
Jednostupňový odstředivý kompresor, počátek 20. století, G. Schiele & Co., Frankfurt nad Mohanem

Odstředivé kompresory používají rotující kotouč nebo oběžné kolo ve tvarovaném pouzdru k tlačení plynu na okraj oběžného kola, čímž se zvyšuje rychlost plynu. Část difuzoru (divergentní potrubí) převádí energii rychlosti na energii tlaku. Používají se především pro nepřetržitou, stacionární službu v průmyslových odvětvích, jako jsou ropné rafinerie , chemické a petrochemické závody a závody na zpracování zemního plynu . Jejich aplikace může být od 100 koní (75 kW) do tisíců koní. S vícestupňovým stupňováním mohou dosáhnout vysokých výstupních tlaků větších než 6,9 MPa (1 000 psi).

Tento typ kompresoru je společně se šroubovými kompresory široce používán ve velkých chladicích a klimatizačních systémech. Existují magnetická ložiska (magneticky levitovaná) a vzduchové ložiskové odstředivé kompresory.

Mnoho velkých zasněžovacích provozů (jako lyžařská střediska ) používá tento typ kompresoru. Používají se také ve spalovacích motorech jako kompresory a turbodmychadla . Odstředivé kompresory se používají v motorech s malými plynovými turbínami nebo jako konečný kompresní stupeň středních plynových turbín.

Odstředivé kompresory jsou největší dostupné kompresory, nabízejí vyšší účinnost při částečném zatížení, při použití vzduchových nebo magnetických ložisek mohou být bezolejové, což zvyšuje součinitel prostupu tepla ve výparnících a kondenzátorech, váží až o 90% méně a zabírá o 50% méně místa než pístové kompresory, jsou spolehlivé a jejich údržba je levnější, protože méně součástí je vystaveno opotřebení a vytváří pouze minimální vibrace. Jejich počáteční náklady jsou však vyšší, vyžadují vysoce přesné CNC obrábění, oběžné kolo se musí otáčet vysokou rychlostí, takže malé kompresory jsou nepraktické a stoupající je stále pravděpodobnější. Stoupání je obrácení toku plynu, což znamená, že plyn jde z výtlaku na sací stranu, což může způsobit vážné poškození, zejména v ložiscích kompresoru a jeho hnacím hřídeli. Je to způsobeno tlakem na výtlačné straně, který je vyšší než výstupní tlak kompresoru. To může způsobit proudění plynů tam a zpět mezi kompresorem a čímkoli, co je připojeno k jeho výtlačnému potrubí, což způsobuje oscilace.

Diagonální nebo smíšené kompresory

Diagonální nebo smíšené kompresory jsou podobné odstředivým kompresorům, ale mají radiální a axiální složku rychlosti na výstupu z rotoru. Difuzor se často používá k otočení diagonálního toku do axiálního, nikoli radiálního směru. Ve srovnání s konvenčním odstředivým kompresorem (se stejným stupněm tlakového poměru) je hodnota rychlosti kompresoru se smíšeným průtokem 1,5krát větší.

Axiální kompresory

Animace axiálního kompresoru.

Axiální kompresory jsou dynamické rotační kompresory, které k postupnému stlačování kapaliny používají soustavy ventilátorových profilů . Používají se tam, kde jsou požadovány vysoké průtoky nebo kompaktní design.

Pole profilů křídel jsou uspořádána v řadách, obvykle jako páry: jedno otočné a jedno nehybné. Rotující profily křídel, známé také jako lopatky nebo rotory , tekutinu urychlují. Stacionární profily křídel, známé také jako statory nebo lopatky, zpomalují a přesměrují směr proudění tekutiny a připravují ji na listy rotoru dalšího stupně. Axiální kompresory jsou téměř vždy vícestupňové, přičemž plocha průřezu průchodu plynu se podél kompresoru zmenšuje, aby se udrželo optimální axiální Machovo číslo . Po více než 5 stupních nebo konstrukčním tlakovém poměru 4: 1 nebude kompresor fungovat, pokud nebude vybaven funkcemi, jako jsou stacionární lopatky s proměnnými úhly (známé jako variabilní vstupní vodicí lopatky a proměnné statory), schopnost propustit část vzduchu část- podél kompresoru (známý jako mezistupňové krvácení) a je rozdělen do více než jedné rotující sestavy (například známé jako dvojité cívky).

Axiální kompresory mohou mít vysokou účinnost; přibližně 90% polytropických za jejich návrhových podmínek. Jsou však relativně drahé a vyžadují velké množství komponent, těsné tolerance a vysoce kvalitní materiály. Axiální kompresory se používají ve středních až velkých motorech s plynovými turbínami , čerpacích stanicích na zemní plyn a v některých chemických závodech.

Hermeticky uzavřené, otevřené nebo polohermetické

Malý hermeticky uzavřený kompresor v běžné spotřební chladničce nebo mrazničce má obvykle zaoblený ocelový vnější plášť trvale svařovaný, který utěsňuje provozní plyny uvnitř systému, v tomto případě chladivo R600a . Neexistuje žádný způsob úniku plynů, například kolem těsnění hřídele motoru. U tohoto modelu je plastová horní část součástí systému automatického odmrazování , který využívá teplo motoru k odpařování vody.

Kompresory používané v chladicích systémech musí vykazovat téměř nulové úniky, aby se předešlo ztrátě chladiva, pokud mají fungovat roky bez servisu. To vyžaduje použití velmi účinných těsnění nebo dokonce odstranění všech těsnění a otvorů pro vytvoření hermetického systému. Tyto kompresory jsou často popisovány buď jako hermetické , otevřené nebo polohermetické , aby popsaly, jak je kompresor uzavřen a jak je motorový pohon umístěn ve vztahu ke stlačovanému plynu nebo páře. Některé kompresory mimo chladicí služby mohou být také do určité míry hermeticky uzavřeny, typicky při manipulaci s toxickými, znečišťujícími nebo drahými plyny, přičemž většina nechlazovacích aplikací je v petrochemickém průmyslu.

U hermetických a většiny polohermetických kompresorů jsou kompresor a motor pohánějící kompresor integrovány a pracují v tlakové plynové obálce systému. Motor je navržen tak, aby pracoval a byl chlazen stlačeným chladivem. Otevřené kompresory mají externí motor pohánějící hřídel, který prochází tělem kompresoru, a spoléhají se na to, že rotační těsnění kolem hřídele udrží vnitřní tlak.

Rozdíl mezi hermetickým a polohermetickým je v tom, že hermetický používá jednodílné svařované ocelové pouzdro, které nelze otevřít pro opravu; pokud hermetika selže, je jednoduše nahrazena celou novou jednotkou. Semihermetika používá velkou litou kovovou skořepinu s utěsněnými kryty se šrouby, které lze otevřít, aby nahradily součásti motoru a kompresoru. Primární výhodou hermetiky a semihermetiky je, že neexistuje žádný způsob úniku plynu ze systému. Hlavní výhody otevřených kompresorů spočívají v tom, že mohou být poháněny jakýmkoli hnacím zdrojem energie, což umožňuje vybrat nejvhodnější motor pro danou aplikaci, nebo dokonce neelektrické zdroje energie, jako je spalovací motor nebo parní turbína , a za druhé motor otevřeného kompresoru lze udržovat bez otevření jakékoli části chladicího systému.

Otevřený tlakový systém, jako je automobilová klimatizace, může být náchylnější k úniku provozních plynů. Otevřené systémy spoléhají na to, že mazivo v systému vystříkne na součásti čerpadla a těsnění. Pokud není provozován dostatečně často, mazivo na těsnění se pomalu odpařuje a poté začne těsnění unikat, dokud systém přestane být funkční a musí být znovu nabit. Pro srovnání, hermetický nebo polohermetický systém může sedět léta nevyužitý a lze jej obvykle znovu spustit kdykoli bez nutnosti údržby nebo ztráty tlaku v systému. I dobře namazaná těsnění časem uniknou malým množstvím plynu, zvláště pokud jsou chladicí plyny rozpustné v mazacím oleji, ale pokud jsou těsnění dobře vyrobena a udržována, je tato ztráta velmi nízká.

Nevýhodou hermetických kompresorů je, že pohon motoru nelze opravit ani udržovat a v případě poruchy motoru je nutné vyměnit celý kompresor. Další nevýhodou je, že vyhořelá vinutí mohou kontaminovat celé systémy, což vyžaduje úplné odčerpání systému a výměnu plynu (To se může stát také u polohermetických kompresorů, kde motor pracuje v chladivu). Hermetické kompresory se obvykle používají v levných výrobních závodech montovaných spotřebních výrobcích, kde jsou náklady na opravu a práci vysoké ve srovnání s hodnotou zařízení, a bylo by ekonomičtější koupit si nové zařízení nebo kompresor. Polohermetické kompresory se používají ve středně velkých až velkých chladicích a klimatizačních systémech, kde je levnější opravit a/nebo repasovat kompresor ve srovnání s cenou nového. Hermetický kompresor je jednodušší a levnější než polohermetický nebo otevřený kompresor.

Termodynamika komprese plynu

Isentropický kompresor

Kompresor může být idealizován jako vnitřně reverzibilní a adiabatický , tedy isentropické zařízení ustáleného stavu, což znamená, že změna entropie je 0. Definováním kompresního cyklu jako isentropického lze dosáhnout ideální účinnosti procesu a ideálního výkonu kompresoru. porovnat se skutečným výkonem stroje. Izotropní komprese používaná v kódu ASME PTC 10 se týká reverzibilního adiabatického kompresního procesu

Izentropická účinnost kompresorů:

je entalpie v počátečním stavu
je entalpie v konečném stavu pro skutečný proces
je entalpie v konečném stavu pro izentropický proces

Minimalizace práce vyžadované kompresorem

Srovnání reverzibilních a nevratných kompresorů

Porovnání diferenciální formy energetické bilance pro každé zařízení
Nechť je teplo, práce, kinetická energie a potenciální energie. Aktuální kompresor:

Reverzibilní kompresor:


Pravá strana každého typu kompresoru je ekvivalentní, tedy:

přeuspořádání:



Dosazením známé rovnice do poslední rovnice a vydělením obou členů T:


Kromě toho, a T je [absolutní teplota] ( ), která produkuje: nebo


Proto zařízení náročná na práci, jako jsou čerpadla a kompresory (práce je záporná), vyžadují méně práce, když pracují reverzibilně.

Účinek chlazení během procesu komprese

Pv (specifický objem vs. tlak) diagram porovnávající isentropické, polytropické a izotermické procesy mezi stejnými tlakovými limity.

izentropický proces: nezahrnuje žádné chlazení,
polytropický proces: zahrnuje určité chlazení
izotermický proces: zahrnuje maximální chlazení

Provedením následujících předpokladů je požadovaná práce kompresoru ke stlačení plynu z na pro každý proces následující: Předpoklady:

a
Všechny procesy jsou vnitřně reverzibilní
Plyn se chová jako ideální plyn s konstantními specifickými teplotami

Isentropic ( , kde ):

Polytropické ( ):

Izotermické ( nebo ):

Porovnáním tří vnitřně reverzibilních procesů komprimujících ideální plyn z na , výsledky ukazují, že isentropická komprese ( ) vyžaduje nejvíce práce a izotermická komprese ( nebo ) vyžaduje nejmenší množství práce. U polytropického procesu ( ) pracujte v klesá, protože exponent, n, klesá, zvýšením odmítnutí tepla během procesu komprese. Jedním z běžných způsobů chlazení plynu během komprese je použití chladicích plášťů kolem skříně kompresoru.

Kompresory v ideálních termodynamických cyklech

Ideální Rankinův cyklus 1-> 2 Isentropická komprese v pumpě
Ideální Carnotův cyklus 4-> 1 Isentropická komprese
Ideální Otto cyklus 1-> 2 Isentropická komprese
Ideální dieselový cyklus 1-> 2 Isentropická komprese
Ideální Braytonův cyklus 1-> 2 Isentropická komprese v kompresor
Ideální chladicí cyklus komprese parou 1-> 2 Isentropická komprese v kompresoru
POZNÁMKA: Isentropické předpoklady platí pouze pro ideální cykly. Cykly reálného světa mají vlastní ztráty v důsledku neefektivních kompresorů a turbín. Systém reálného světa není ve skutečnosti isentropický, ale je spíše idealizovaný jako izentropický pro účely výpočtu.

Teplota

Stlačení plynu zvyšuje jeho teplotu .

Pro polytropickou transformaci plynu:

Práce provedená pro polytropickou kompresi (nebo expanzi) plynu do uzavřeného válce.

tak

kde p je tlak, V je objem, n nabývá různých hodnot pro různé kompresní procesy (viz níže) a 1 a 2 odkazují na počáteční a konečný stav.

  • Adiabatic - Tento model předpokládá, že žádná energie (teplo) není během komprese přenášena do nebo z plynu a veškerá dodávaná práce se přidává k vnitřní energii plynu, což má za následek zvýšení teploty a tlaku. Teoretický nárůst teploty je:

s T 1 a T 2 ve stupních Rankine nebo kelviny , p 2 a p 1 jsou absolutní tlaky a poměr specifických ohřevů (přibližně 1,4 pro vzduch). Vzestup poměru vzduchu a teploty znamená, že komprese nenásleduje jednoduchý poměr tlaku k objemu. To je méně účinné, ale rychlé. Adiabatická komprese nebo expanze blíže modelují skutečný život, když má kompresor dobrou izolaci, velký objem plynu nebo krátkou dobu (tj. Vysoký výkon). V praxi vždy ze stlačeného plynu proudí určité množství tepla. Výroba dokonalého adiabatického kompresoru by tedy vyžadovala dokonalou tepelnou izolaci všech částí stroje. Například i kovová trubka pumpy jízdního kola se zahřeje, když stlačíte vzduch a naplníte pneumatiku. Výše popsaný vztah mezi teplotou a kompresním poměrem znamená, že hodnota pro adiabatický proces je (poměr specifických ohřevů).

  • Izotermický - Tento model předpokládá, že stlačený plyn zůstává při kompresi nebo expanzi na konstantní teplotě. V tomto cyklu je vnitřní energie odebírána ze systému jako teplo stejnou rychlostí, jako je přidávána mechanickou kompresní prací. Izotermická komprese nebo expanze blíže modeluje skutečný život, když má kompresor velkou plochu pro výměnu tepla, malý objem plynu nebo dlouhou dobu (tj. Malou úroveň výkonu). Kompresory využívající mezistupňové chlazení mezi kompresními stupni se nejvíce blíží dosažení dokonalé izotermické komprese. U praktických zařízení však není možné dosáhnout dokonalé izotermické komprese. Pokud například nemáte nekonečný počet kompresních stupňů s odpovídajícími mezichladiči, nikdy nedosáhnete dokonalé izotermické komprese.

Pro izotermický proces je 1, takže hodnota pracovního integrálu pro izotermický proces je:

Při hodnocení se zjistí, že izotermická práce je nižší než práce adiabatická.

  • Polytropický - Tento model bere v úvahu jak nárůst teploty v plynu, tak určitou ztrátu energie (tepla) komponentám kompresoru. To předpokládá, že teplo může vstupovat do systému nebo jej opouštět a že práce na vstupním hřídeli se může jevit jako zvýšený tlak (obvykle užitečná práce) a zvýšená teplota nad adiabatickou (obvykle ztráty v důsledku účinnosti cyklu). Účinnost komprese je pak poměrem nárůstu teploty na teoretických 100 procent (adiabatický) vs. skutečný (polytropický). Polytropická komprese bude používat hodnotu mezi 0 (proces s konstantním tlakem) a nekonečno (proces s konstantním objemem). V typickém případě, kdy je vynaloženo úsilí na ochlazení plynu stlačeného přibližně adiabatickým procesem, bude hodnota mezi 1 a .

Fázová komprese

V případě odstředivých kompresorů komerční konstrukce v současné době nepřekračují kompresní poměr vyšší než 3,5: 1 v žádném jednom stupni (pro typický plyn). Protože komprese zvyšuje teplotu, stlačený plyn se má mezi stupni ochlazovat, čímž je komprese méně adiabatická a izotermičtější. Mezistupňové chladiče (mezichladiče) obvykle vedou k částečné kondenzaci, která je odstraněna v odlučovačích páry a kapaliny .

V případě malých pístových kompresorů může setrvačník kompresoru pohánět chladicí ventilátor, který směruje okolní vzduch přes mezichladič dvoustupňového nebo vícestupňového kompresoru.

Protože rotační šroubové kompresory mohou využívat chladicí mazivo ke snížení nárůstu teploty z komprese, velmi často překračují kompresní poměr 9: 1. Například v typickém potápěčském kompresoru je vzduch stlačován ve třech stupních. Pokud má každý stupeň kompresní poměr 7: 1, může kompresor vydávat 343násobek atmosférického tlaku (7 × 7 × 7 = 343 atmosfér ). (343 atm nebo 34,8  MPa nebo 5,04  ksi )

Pohonné motory

Pro motor, který napájí kompresor, existuje mnoho možností:

  • Plynové turbíny pohánějí axiální a odstředivé průtokové kompresory, které jsou součástí proudových motorů .
  • U velkých kompresorů jsou možné parní turbíny nebo vodní turbíny .
  • Elektromotory jsou levné a tiché pro statické kompresory. Malé motory vhodné pro domácí elektrické napájení používají jednofázový střídavý proud . Větší motory lze použít pouze tam, kde je k dispozici průmyslové elektrické třífázové napájení střídavým proudem.
  • Pro přenosné kompresory a podpůrné kompresory jsou vhodné vznětové nebo zážehové motory .
  • V automobilech a jiných typech vozidel (včetně letadel poháněných písty, člunů, nákladních vozidel atd.) Lze výkon vznětových nebo zážehových motorů zvýšit stlačením nasávaného vzduchu, takže lze za jeden cyklus spálit více paliva. Tyto motory mohou pohánět kompresory pomocí vlastního výkonu klikového hřídele (toto nastavení je známé jako kompresor ) nebo pomocí výfukových plynů pohánět turbínu připojenou ke kompresoru (toto nastavení je známé jako turbodmychadlo ).

Mazání

Kompresory, které jsou poháněny elektromotorem, lze ovládat pomocí měniče VFD nebo výkonového měniče , nicméně mnoho hermetických a semihermetických kompresorů může pracovat pouze v rozsahu nebo při pevných otáčkách, protože mohou zahrnovat zabudovaná olejová čerpadla. Vestavěné olejové čerpadlo je připojeno ke stejné hřídeli, která pohání kompresor, a tlačí olej do ložisek kompresoru a motoru. Při nízkých otáčkách se do ložisek dostává nedostatečné množství oleje, což nakonec vede k poruše ložiska, zatímco při vysokých otáčkách může dojít k úniku nadměrného množství oleje z ložisek a kompresoru a potenciálně do výtlačného potrubí v důsledku stříkání. Nakonec dojde olej a ložiska zůstanou nemazaná, což vede k selhání, a olej může kontaminovat chladivo, vzduch nebo jiný pracovní plyn.

Aplikace

Plynové kompresory se používají v různých aplikacích, kde jsou zapotřebí buď vyšší tlaky, nebo nižší objemy plynu:

Viz také

Reference