KOMPRESORY F1 F2 F3 V1 p1
V2 p2
V3 p3 1
KOMPRESORY V kompresorech se mění mechanická nebo kinetická energie v energii tlakovou, při čemž se vyvíjí teplo. Kompresory jsou stroje tepelné, se zřetelem na změnu energie, která v nich probíhá, jsou to stroje konverzní (konverze = změna, přeměna). Základní hodnoty charakterizující kompresor jsou: – tlakový poměr , ⎛ pv p2 ⎞ ⎟⎟ ⎜⎜ π = = ps p1 ⎠ ⎝ tj. poměr výtlačného tlaku pv(p2) k tlaku sacímu ps(p1) − výkonnost (nasávaný objem plynu) V(m3s-1, m3min-1, m3h-1) − příkon na hřídeli kompresoru Pef (popř. spotřeba pracovní páry u kompresorů proudových) 2
ROZDĚLENÍ KOMPRESORŮ PODLE PRINCIPU ČINNOSTI: objemový princip, stlačení se dosahuje nasátím vzduchu do prostoru, který je pak uzavřen a zmenšován. např. Pístové kompresory. rychlostní princip, nasátý vzduch je urychlován a jeho kinetická energie je v difuzoru transformována na tlakovou energii. Např. turbokompresory. PODLE STLAČOVANÉHO MÉDIA: Chemické a fyzikální vlastnosti stlačovaného média mají prvořadý vliv při volbě konstrukce kompresoru, druhu maziva, způsobu chlazení i při jiných rozhodováních. velký důraz na těsnost ⇒ u kompresorů plynových (určeny ke stlačování běžných technických plynů) oproti vzdušným ⇒ u kompresorů speciálních, stlačujících jedovaté nebo výbušné či jinak nebezpečné plyny (např. čpavek, vodík, kyslík…). 3
ROZDĚLENÍ KOMPRESORŮ PODLE TLAKU: vývěva
– nasává vzduch při tlaku nižším než atmosférickém a stlačuje jej na tlak atmosférický dmychadlo – stlačuje atmosférický vzduch na přetlak do 200 kPa kompresor – stlačuje plyn na přetlak vyšší než 200 kPa booster – pomocný kompresor, zařazovaný do sání např. chladivových kompresorů při příliš vysokém tlakovém poměru. Někdy je tak také nazýván i dotlačovací kompresor. cirkulační kompresor (cirkulátor) – nasává plyn o vysokém tlaku, stlačuje ho s malým tlakovým poměrem. Je určen pro udržování tlaku v chemických provozech nebo plynovodech.
4
ROZDĚLENÍ KOMPRESORŮ
objemové
PODLE PRACOVNÍHO ZPŮSOBU: rychlostní (dynamické, proudové, turbínové) objemové − pro dodávku malých a středních množství plynu (do 6000 m3h-1, někdy až 25000 m3h-1), u nichž se dosahuje stlačování periodickým zmenšováním objemu plynu v uzavřeném prostoru pohybem pístu nebo pružné stěny. – pístový kompresor má písty konající přímočarý vratný pohyb – rotační kompresor má jeden či dva rotory otáčející se kolem osy rovnoběžné s osou válce
– membránový kompresor je vhodný jen pro malá množství plynu, nasává a stlačuje jej hydraulickým nebo mechanickým prohýbáním membrány, buď kovové, nebo z jiného pružného materiálu
5
ROZDĚLENÍ KOMPRESORŮ rychlostní (dynamické) − pro stlačování plynu v množství od 6000 m3/h (pro husté plyny i od menších množství), udělení vysoké rychlosti plynu ⇒ následná přeměna kinetické energie plynu na tlakovou. Tyto stroje pracují s téměř ustáleným tokem.
– turbokompresory (kompresory lopatkové) plynu se v nich uděluje
oběžnými lopatkami šroubového tvaru pohyb do difuzoru, kde se jeho kinetická energie přemění v energii tlakovou radiální (odstředivé) axiální (osové).
− proudové kompresory (ejektory) − využívá se tlakové energie páry (nejčastěji vodní) nebo vzduchu k udělení vysoce nadkritické rychlosti (řádově 1000m/s) v Lavalově hubici. Z ní vystupuje pracovní médium do směšovací komory, kdy se mísí se stlačovaným plynem a pak vstupuje do difuzoru, kde se kinetická energie směsi mění v energii tlakovou. Z difuzoru vystupuje směs s poměrně nízkou rychlostí do kondenzátoru, kde se zkapalněná pára odloučí od stlačeného plynu. V proudových vývěvách se při malých stlačovaných množstvích plynu používá místo pracovní páry voda a pak přístroj nemá Lavalovu hubici.
6
ROZDĚLENÍ KOMPRESORŮ pístové s vratným pohybem pracovního elementu
membránové s volným pístem ostatní
objemové (aerostatické)
křídlové kapalino-kružné s jedním rotorem
spirálové ostatní
rotační KOMPRESORY
rychlostní (aerodynamické)
s valivým pístem
šroubové lopatkové (turbo kompresory)
odstředivé (radiální) osové (axiální)
s dvěma a více rotory
zubové ostatní
proudové (ejektory) 7
ROZDĚLENÍ KOMPRESORŮ PODLE POČTU STLAČOVACÍCH STUPŇŮ: jednostupňové dvoustupňové třístupňové atd.
- při jediné operaci uskuteční stlačení plynu z tlaku sacího na tlak konečný při vysokém tlakovém poměru, stlačení několikrát, postupně, pravidelně s jeho ochlazením před vstupem do dalšího stupně
U turbokompresorů, zejména osových, může být velký počet stupňů - 20 i více.
8
ROZDĚLENÍ KOMPRESORŮ PODLE KONEČNÉHO TLAKU (TLAKOVÉHO POMĚRU): nízkotlaký, není-li výtlačný tlak vyšší než 2,5 MPa, středotlaký pro výtlačný tlak mezi 2,5 a 10 MPa, vysokotlaký pro výtlačný tlak 10 až 250 MPa. Pístové kompresory ⇒ tlakový poměr 3 až 5 (u malých i 10) v jednom stupni, Turbokompresory radiální ⇒ 1,2 až 2,5, Turbokompresory axiální ⇒ do 1,3. Vývěvy a turboexhaustory často pracují s vysokým tlakovým poměrem, např. 40 v jednom stupni. Má-li kompresor přibližně atmosférický sací tlak a tlakový poměr ≤ 3, označení ⇒ dmýchadlo nebo turbodmýchadlo. Kompresory - tlaky od 0,2 do 250 Mpa. Kompresory s vysokým sacím tlakem (např. 250 MPa) a s nízkým tlakovým poměrem (např. 1,2 MPa) ⇒ oběhové kompresory. (v chem. prům.) V určitých případech, jako např. u turbokompresorů, pojmům nízkotlaký, středotlaký a vysokotlaký kompresor odpovídají jiné tlaky než je uvedeno. Stejně tak pojmům malý, stření a velký kompresor odpovídají nasáté objemy lišící se podle typu kompresoru. 9
ROZDĚLENÍ KOMPRESORŮ PODLE JINÝCH CHARAKTERISTIK: stacionární přenosné pojízdné chlazené vodou nebo vzduchem poháněné přímo nebo s použitím řemenového, ozubeného nebo hydraulického převodu poháněné motorem elektrickým, spalovacím nebo parním (spalovací turbína) Při výběru nejvhodnějšího typu kompresoru je nutno uvažovat řadu dalších okolností, jako druh stlačovaného plynu, způsob pohonu, nasávané množství plynu, požadovaný tlak, rozsah a způsob regulace, čistotu nasávaného a vytlačovaného plynu a jeho přípustnou nejvyšší teplotu, a další hlediska.
10
IDEÁLNÍ KOMPRESOR Ideální kompresor: a) pracuje s ideálním plynem b) nemá žádné tlakové ani mechanické ztráty c) je naprosto těsný a všechen plyn se z válce vytlačí d) pracuje bez sdílení tepla s okolím a exponent křivky komprese je stálý
11
IDEÁLNÍ DIAGRAM JEDNOSTUPŇOVÉHO OBJEMOVÉHO KOMPRESORU p 3
2
p1V1 = p2V2
p
p1V1n = p 2V2n
p1V1χ = p 2V2χ
2is 2pol 2ad
n2
b 1
4 p1 Vz
V
a
c 1 V
Obr. 1: Činnost ideálního kompresoru
Obr. 2: Průběh komprese v p-V diagramu
poloha 1 – sací tlak p1; sání křivka 1-2 – stlačování plynu až na tlak p2 úsečka 2-3 – vytlačování plynu z válce Ideální kompresor – vytlačí všechen plyn – pokles tlaku v jednom okamžiku z p2 na sací tlak p1 12 ⇒ opakování oběhu.
MĚŘENÍ TLAKU
13
ROZDĚLENÍ TLAKU
F p= S
ROZDĚLENÍ PODLE VELIKOSTI : Podtlak Přetlak tlak určitého prostředí proti normálnímu atmosférickému okolí ROZDĚLENÍ PODLE CHARAKTERU : Atmosférický tlak = Tlak barometrický Hydrostatický tlak Měrný tlak OSTATNÍ: Absolutní tlak - tlak měřený od absolutní nuly tlaku, tj. vakua Dynamický tlak Kapilární tlak Parciální tlak – tlak sytých par Rozdíl tlaků = tlaková diference tlaků dvou různých prostředí
14
zdroj: http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/predn/FCHI06-Tlak.pdf
15
PODTLAK Je to tlak menší nežli barometrický. Velký podtlak se někdy nazývá nesprávně vakuem, ale slovo vakuum znamená dokonale prázdný prostor neboli vzduchoprázdno, v němž je tlak roven 0. Proto je zaveden pojem redukované vakuum.
PŘETLAK Je to tlak který je větší jak barometrický. Přetlakem tedy rozumíme kladný rozdíl zjištěného tlaku a tlaku barometrického
16
ATMOSFÉRICKÝ (BAROMETRICKÝ) TLAK Země je obklopena vzduchovým obalem, který se nazývá atmosféra. Atmosféra je v gravitačním poli Země. V tomto poli působí gravitační síla Země na jednotlivé molekuly plynů z nichž je vzduch složen. Tím vzniká ve vzduchu atmosférický nebo-li barometrický tlak.
HYDROSTATICKÝ TLAK Je to tlak, který je v kapalinách. Pokud je kapalina v klidu a nepůsobí na ni žádná síla, kromě gravitační, potom se tlak mění s hloubkou kapaliny. Pokud bude působit na volný povrch kapalného tělesa tlaková síla, vznikne ve všech místech kapalného tělesa stejný tlak.
MĚRNÝ TLAK O měrném tlaku se nejčastěji mluví při styku dvou pevných těles. Vzhledem k nedokonalosti styku není tlaková síla obyčejně rozložena spojitě a měrný tlak 17 pak představuje průměrný tlak ve stykové ploše.
ABSOLUTNÍ TLAK Je to tlak jehož počátek je vztažen k nulovému tlaku, tedy k vakuu. Má vždy kladnou hodnotu, jelikož tlak nemůže být záporný
DYNAMICKÝ TLAK Je to tlak, který vzniká při pohybu tekutiny. Měří se z rozdílu statického tlaku a z tlaku proudu kapaliny
KAPILÁRNÍ TLAK Je to přídavný tlak v kapalině, který způsobuje zakřivení povrchu kapaliny při stěnách nádoby, v kapilárách, u kapek a bublin. Pod vypuklým povrchem je tlak větší o kapilární tlak než tlak uvnitř kapaliny; pod dutým je o tento tlak menší. Kapilární tlak, vyvolaný povrchovým napětím, je tím větší, čím menší plochu má hladina kapaliny. 18
PARCIÁLNÍ TLAK Je to tlak, který je přímo úměrný objemovému procentu, v jakém je plyn obsažen ve vzduchu (zlomek vyjadřující poměrné objemové zastoupení složky ve směsi) Celkový tlak plynné směsi P je roven součtu parciálních tlaků jednotlivých složek Pi . Parciální tlak jedné složky Pi je roven tlaku, který by tato složka měla za teploty T a celkového objemu V plynné směsi.
19
JEDNOTKY TLAKU Pascal Bar Torr 1 torr = 1 mm Hg = 1 mm rtuťového sloupce
Atmosféra Barye
Blaise Pascal (1623 až 1662) - jeden ze základních zákonů hydrostatiky Pascalův zákon. Působíme-li vnější silou na povrch kapaliny, v kapalině je ve všech místech stejný tlak
jednotka tlaku akustické vlny. Značí se ba. Psi (pound per square inch) Evangelista Torricelli anglosaská jednotka tlaku, (1608 až 1647) - zavedl definovaná jako libra síly na označení atmosférický tlak čtverečný palec vzduchu 1 psi = 1 lbf/in² ≈ 6 894,757 Pa
20
ATMOSFÉRA dříve používaná jednotka tlaku.
Fyzikální atmosféra (atm) absolutní 1atm = 760 torr = 101 325 Pa (přesně) = 0,1 MPa (přibližně) 1 atm = 1,0332 27 at – odvozená od normálního tlaku atmosféry – hydrostatický tlak svislého sloupce, vysokého 760 mm, čisté rtuti teplé 0°C při normální tíhovém zrychlení 9,806 65 m.s-2.
Technická atmosféra (at) absolutní 1 at = 735,52 torr = 98 066,5 Pa (přesně) = 0,1 MPa (přibližně) 1 at = 0,967 84 atm. – tlak, který vznikne působením síly 1 kilopondu (kp) kolmo na plochu 1 cm2. – byla definována jako normální tlak vzduchu při hladině moře. 21
PRINCIPY MĚŘENÍ TLAKU K měření tlaku lze použít jakéhokoliv fyzikálního děje, který je tlakem ovlivňován. Přístroje k měření tlaku = TLAKOMĚRY – obvyklé složení – ČIDLO, reagujícího na příslušný fyzikální děj, – INDIKÁTOR, který chování čidla převádí na děj objektivně pozorovatelný zrakem. Mezi čidlo a indikátor se někdy zařazuje převodový člen, který reakci čidla zesiluje, přenáší na dálku, nebo transformuje. Konstrukce tlakoměru závisí na: velikosti měřeného tlaku časové proměnnosti měřeného tlaku potřebné přesnosti měření. Podle kladených požadavků se kombinují různé druhy čidel a indikátorů. 22
PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ TLAKU Hydrostatické tlakoměry Deformační tlakoměry Tlakoměry se silovým účinkem Tlakoměry elektrické Snímače s oporovými tenzometry Piezoelektrické snímače tlaku Kapacitní snímače tlaku Inteligentní převodníky tlaku
23
ROZDĚLENÍ TLAKOMĚRŮ TLAKOMĚRY– souhrnný název pro všechny přístroj na měření tlaku MANOMETRY – tlakoměry pro měření přetlaků VAKUOMETRY – tlakoměry k měření velmi malých absolutních tlaků (méně než barometrický tlak) DIFERENČNÍ TLAKOMĚRY – k měření tlakových rozdílů ROZDĚLENÍ TECHNICKÝCH TLAKOMĚRŮ podle funkčního principu: hydrostatické deformační pístové elektrické převodníky tlaku 24
HYDROSTATICKÉ TLAKOMĚRY využívá se účinku hydrostatického tlaku
p = h⋅ ρ ⋅ g
mírou tlaku je výška kapalinového sloupce h měření tlaku se převádí na měření délky údaj hydrostatických tlakoměrů je závislý na hustotě manometrické kapaliny a na teplotě spolehlivé a přesné přístroje využívané hlavně k laboratorním účelům nevýhodou je, že neposkytují signál vhodný pro dálkový přenos a pro další zpracování
25
HYDROSTATICKÉ TLAKOMĚRY U – tlakoměr nejčastěji skleněná U-trubice manometrické kapaliny: rtuť, voda, alkohol, tetrachlor nádobkový tlakoměr s potlačenou hladinou modifikace U-tlakoměru s jedním rozšířeným ramenem změna výšky hladiny v nádobce je velmi malá ⇒ odečítání výšky hladiny pouze v jednom rameni Mikromanometr – nádobkový tlakoměr se šikmou trubicí nakloněním ramene se zvýší citlivost
viz další typy a variace hydrostatických tlakoměrů uvedených v literatuře
26
MĚŘENÍ MALÝCH TLAKOVÝCH ROZDÍLŮ Hydrostatický tlakoměr se svislou trubicí a potlačenou hladinou Hydrostatický tlakoměr typu Betz
Hydrostatický tlakoměr typu Askania Schéma Hydrostatický tlakoměr se sklopenou trubicí a potlačenou hladinou
Provedení
27
DEFORMAČNÍ TLAKOMĚRY Při měření tlaku dochází k deformaci čidla, která se vhodným způsobem přeměňuje na jiný signál, který je vhodný pro další zpracování.
princip je založen na pružné deformaci a změně tvaru tlakoměrného prvku vlivem působení měřeného tlaku oblast použití je vymezena platností Hookeova zákona nejčastěji používané tlakoměry v průmyslu Nejčastěji používanými tlakoměrnými prvky jsou: – Bourdonova trubice – membrána – vlnovec 28
VLASTNOSTI DEFORMAČNÍCH TLAKOMĚRŮ VÝHODY – velká přestavující síla – robustní měřící systém – možnost připojení přídavných převodníků na elektrický signál (použití odporového, kapacitního či indukčnostního převodníku) – velký měřící rozsah – jednoduchost spolehlivost v provozu – jednoduchá obsluha a údržba
NEVÝHODY – elastická dopružování případně trvalá deformace během provozu – statická charakteristika vykazuje hysterezi – vyžadují pravidelnou kalibrační kontrolu 29
TRUBICOVÝ (BOURDONŮV) TLAKOMĚR BOURDONOVO PERO pro měření přetlaku i podtlaku zploštělá mosazná trubice eliptického průřezu, která se tlakem narovná nejpoužívanější typ deformačních tlakoměrů měřící rozsah 0 ÷ 2000 MPa
30
MEMBRÁNOVÉ TLAKOMĚRY pro měření přetlaku, podtlaku a diferencí tlaku tlakoměrný element – kovová membrána membrána je sevřena mezi dvěma přírubami tlak je možno přivádět z jedné strany nebo z obou stran průhyb membrány se přenáší na ukazovatel výhodou je malá setrvačná hmotnost membrány a proto možnost použití v provozech s chvěním a otřesy měřící rozsahy: do 4 MPa
31
VLNOVCOVÝ TLAKOMĚR tlakoměrný element je vlnovec - tenkostěnný kovový měch umístěný v pouzdře tlak je možno přivádět z jedné strany nebo z obou stran tuhost vlnovce a tím i průběh charakteristiky lze upravit vložením pružiny deformace vlnovce se přenáší na ukazovatel vlnovec má dobrou linearitu a značnou přestavující sílu často používaný prvek u pneumatických regulačních systémů měřící rozsahy: do 0,4 MPa
http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm
32
TLAKOMĚRY SE SILOVÝM ÚČINKEM PÍSTOVÉ TLAKOMĚRY píst přesného průřezu umístěný ve válci tlakové médium – vzduch, voda nebo olej tlaková síla na píst je kompenzována tíhou pístu a závaží měří na základě definice tlaku Gz, Gp - tíha závaží a pístu S - plocha pístu
p=
Gz + G p S
měření tlaku se převádí na měření síly silový účinek je kompenzován například závažím nebo pružinou použití hlavně ke kalibraci a ověřování vysoká přesnost 33
http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm
ELEKTRICKÉ PŘEVODNÍKY TLAKU snímače tlaku, které poskytují výstupní elektrický signál jsou vybaveny tlakoměrným prvkem jehož deformace se vlivem působení tlaku převádí na změnu elektrické veličiny jako je odpor, kapacita, náboj, atd. moderní a perspektivní snímače vybavené moderními elektronickými vyhodnocovacími obvody Nejčastější: – snímače tlaku s odporovými tenzometry – kapacitní snímače tlaku – piezoelektrické snímače tlaku
34
SNÍMAČE S ODPOROVÝMI TENZOMETRY ODPOROVÝ TENZOMETR využití piezorezistivního jevu při mechanickém namáhání v oblasti pružných deformací dochází u kovových vodičů nebo polovodičů ke změně jejich elektrického odporu fóliová rozeta pro membránové senzory tlaku KOVOVÉ ODPOROVÉ TENZOMETRY tenké odporové drátky ve tvaru vlásenky fóliové – vytvořené odleptáním kovové vrstvy
drátkový
35 fóliový
http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm
SNÍMAČE S ODPOROVÝMI TENZOMETRY POLOVODIČOVÉ TENZOMETRY řezáním broušením či leptáním z monokrystalu křemíku citlivější než kovové, závislost na teplotě provedení snímačů s křemíkovou membránou
36 http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm
DEFORMAČNÍ SENZORY TLAKU TRUBICOVÉ pružný člen je navržen tak, aby bylo snadné měřit jeho maximální deformaci senzory polohy
Obr. Senzor tlaku s Bourdonovou trubicí http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm
37
KAPACITNÍ SNÍMAČE TLAKU jedna elektroda kondenzátoru je tvořena membránou jejíž poloha se mění při působení tlaku změna vzdálenosti elektrod kondenzátoru se projeví změnou jeho kapacity
C = ε0 ⋅ ε r ⋅
S d
ε0 - permitivita vakua εr - relativní permitivita S - plocha elektrod d - vzdálenost elektrod Diferenciální kapacitní senzor s oddělovací kapalinou pro měření diference tlaku membrána tvoří střední pohyblivou elektrodu měřící rozsah: 100 Pa ÷ 40 MPa
38
http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm
PIEZOELEKTRICKÉ SNÍMAČE TLAKU Princip – piezoelektrický jev při mechanické deformaci některých krystalů (např. křemene, BaTiO3) vzniká uvnitř dielektrika polarizace a tím elektrický náboj PIEZOELEKTRICKÝ SENZOR výbrus z krystalu, který má piezoelektrické vlastnosti x – elektrická osa, y – mechanická osa na plochách kolmých k elektrické ose jsou naneseny elektrody velikost náboje Q je úměrná působící síle F
39
PIEZOELEKTRICKÉ SNÍMAČE TLAKU
http://e-automatizace.vsb.cz/ebooks/mmv/tlak/tlak_tlakomery_elektricke.htm
Podélný piezoelek. jev
Příčný piezoelek. jev
http://www.umel.feec.vutbr.cz/%7 Eadamek/uceb/DATA/s_6_1.htm
40
PIEZOELEKTRICKÉ SNÍMAČE TLAKU při silovém působení na výbrus vzniká náboj piezoelektrický snímač je generátorem náboje snímač představuje zdroj napětí s vysokým vnitřním odporem vhodný pro měření rychlých dějů vhodný pro měření za vysokých teplot měřící rozsah až do 100 MPa U=
Q k ⋅ Fx = C C
U – výstupní napětí snímače membrána piezoelektrické krystaly
elektroda
kryt
41
http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm
