Kompresory pístové Rozdělení Hlavní části Pracovní oběhy p.k.-princip činnosti Základní výpočty pro jednostupňový kompresor Několikastupňová komprese Základní výpočty pro dvoustupňový kompresor Uspořádání vícestupňových k. Rozvody a regulace p.k. Chlazení a mazání Ostatní druhy pneumostatických kompresorů Tyto stroje se používají na stlačování a dopravu plynů. Stlačený vzduch se užívá v hutnictví, hornictví, energetice, v chladírnách a mrazírnách,v průmyslu sklářském atd.. Velký rozmach má toto stlačené médium v zavádění automatizace a robotizace (pneumatické systémy). Kompresory jako celek (tzn. i ostatní druhy) patří mezi stroje hnané a tepelné. Rozdělení Pístové kompresory jsou převážně určeny pro střední a vysoké tlaky ale menší objemové průtoky. Celou skupinu kompresorů můžeme rozdělit podle tlaků sacích případně výtlačných: vývěvy...pv=0,1 MPa dmychadla...pv=0,1 až 0,3 MPa kompresory... pv=od 0,3 MPa výše Další dělení je možné podle počtu stupňů, pohonu, dopravované látky, způsobu chlazení atd. Hlavní části Z dalších obrázků ve výkladu vyplývají tyto hlavní části: -kliková skříň s klikovým mechanismem (zatím nejčastější způsob zajištění pohybu pístu) -píst a válec -ventily a jejich vývody (hrdla) -příslušenství (regulace, chlazení a mazání atd.) Pracovní oběhy píst.kompresoru - princip činnosti Tlakový diagram kompresoru se škodlivým prostorem - obr.A Škodlivým prostorem označujeme objem, který zůstane nad pístem při dosažení maximální levé polohy (horní úvrati). Mezi body 1 a 2 dochází k sání do pracovního prostoru nad pístem, sací ventil se otevře, výtlačný ventil je zavřený. Mezi body 2 a 3 dochází ke stlačování, oba ventily jsou zavřené. V úseku 34 dojde k otevření výtlačného ventilu, stlačený plyn je dopravován výtlačným hrdlem ven do potrubní sítě s tlakem pv. Mezi body 4 a 1 se píst pohybuje doprava (k dolní úvrati), ale plyn se nenasává, protože stlačený zbytek ve škodlivém prostoru Vš se rozpíná až na tlak sací ps. Vlastní nasávání objemu Vs nastane až mezi body 1 a 2. Je to tedy vlivem této expanze vždy menší objem než objem zdvihový Vz. Plocha uzavřená body 1234 představuje potřebnou práci pro zajištění funkce stroje, kterou musí dodat motor. Se znalostmi termomechaniky lze dovodit, že tato plocha bude nejmenší, pokud kompresní děj 23 a expanzní děj 41 budou isotermy (stroj by měl mít dokonalé chlazení válce). Opakem by byly tyto děje adiabatické a plocha pak největší s největší potřebnou prací ( stroj “dokonale izolován”). Skutečné děje polytropické pak budou kompromisními křivkami mezi těmito hraničními, ve skutečnosti nemožnými procesy. Tlakový diagram píst.kompresoru se škodlivým prostorem - skutečný (indikovaný) - obr B
1
kompress.doc
U skutečného oběhu musíme uvažovat také vlivy setrvačnosti zavírání a otevírání ventilů, které svou konstrukcí s určitou pohybující se hmotou (ventilové desky, pružiny atd.). Sací ventil se tedy otevře až při dosažení určitého sacího tlaku, která je menší jak atmosferický pa. Průtokové odpory pak způsobí zakolísání tlaku na začátku sacího děje. Naopak na konci výtlačného děje bude tento jev způsobovat zakmitání výtlačné křivky. Všechny tyto jevy pak způsobí celkově zvětšení plochy diagramu a tudíž potřebu větší,práce. Na velikost těchto výkmitů má vliv rychlost pístu a velikost ventilů v kompresoru, které způsobí velkou rychlost protékajícího plynu úzkými prostory ventilů, dochází ke škrcení a zvyšování teploty. Protože vlivem těchto všech jevů nelze nasát zdvihový objem celý definujeme objemovou účinnost
ηV =
Vs Vz
Uvažujeme-li expanzní děj 41 adiabatický můžeme psát (Vš=Vk...škodlivý objem lze také označit jako kompresní v souladu s teoriemi spalovacích motorů) následující rovnice, ze kterých lze odvodit vztah pro objemovou účinnost vyjádřenou obsažněji
V k + V z = V1 + V s p s .V1κ = p v .V kκ ⎤ ⎡⎛ p ⎞ 1 κ η V = 1 − ε . ⎢⎜ v ⎟ − 1⎥ ⎥⎦ ⎢⎣⎝ p s ⎠ ε = Vk Vz
kde κ (kappa) je exponent adiabaty. Hodnota poměrné velikosti škodlivého prostoru ε bývá 0,05 až 0,15 . Základní výpočty pro jednostupňový kompresor Rovnice pro objemový průtok
QV = i. S . L. n.η d = i .
π .D2 4
. λ . D. n.η d
Kde i je počet válců, λ je poměr délky zdvihu L ku průměru válce D, ηδ je dopravní účinnost ( je asi o 5% menší jak objemová účinnost) Stroj musí také vyhovovat určité dovolené střední pístové rychlosti při otáčkách kliky n
cs = 2. L. n Příkon kompresoru můžeme pro jednoduchost uvažovat pro děj isotermický
Pis = p s . QV . ln
pv ps
Užitečný (efektivní) příkon tj. příkon potřebný na pohánění kompresoru
Pe =
Pis
ηm
kde ηm je mechanická účinnost (0,85 až 0,95)
Několikastupňová komprese Z rozboru rovnic pro výpočet objemové účinnosti lze usoudit, že její hodnota je celkem vyhovující pro nižší výtlačné tlaky. Pokud tlaky porostou, zvětšuje se objem V1 a v důsledku toho se naopak zmenšuje skutečně nasátý objem plynu Vs(viz následující obrázek). Současně stoupá teplota, což nepříznivě působí na činnost výtlačných ventilů, zhoršuje se mazání a vzniká nebezpečí vznícení oleje. U jednostupňového kompresoru tedy může dojít k situaci, že se při určité situaci nemusí z výtlaku vytlačovat nic.
2
kompress.doc
Z těchto důvodů se komprese rozdělí do několika stupňů. Mezi jednotlivé stupně se vloží mezichladiče, které plyn částečně stlačený ochladí na původní teplotu. Je tedy zřejmé, že rozdělením celkové komprese na velký počet dílčích kompresí (teoreticky nekonečno) a vložením odpovídajícího velkého počtu mezichladičů by obálka všech těchto dějů vytvořila isotermu. Ta, jak bylo řečeno na počátku, dává nejmenší potřebný příkon. Tato vize je ale neekonomická, v praxi se užívají nejčastěji kompresory dvojstupňové, trojstupňové a čtyřstupňové. Na dalším schematu je naznačena kompresní situace pro dvojstupňový kompresor. Plocha “delta A” ukazuje uspořenou práci vzhledem k jednostupňovému stroji Indexy pro kompresní děje naznačují možné komprese adiabalické (a), polytropické (p), isotermické (i). Uspořená práce na pohon kompresoru bude opět největší pro isotermické komprese a nejmenší pro adiabatické komprese. Skutečné kompresní děje jsou polytropické, což je kompromisní reálná situace (částečně se kompresní teplo vysálá válcem a částečně se jím zvýší teplota stlačovaného plynu.
Základní výpočty pro dvoustupňový kompresor Jestliže je kompresní poměr v obou stupních stejný, je kompresní práce nejmenší. S odkazem na schema dvoustupňové komprese výše platí:
π=
pm pv = ⇒ pm = ps pm
ps . pv
Užijeme-li k vyjádření kompresního poměru pro dva stupně postup
π2 =
pm pv . = ps pm
ps . pv ps
.
pv ps . pv
=
pv ps
Pro n-stupňů vztah zobecníme
πn =n
pv ps
Předpokládáme v prvním i druhém stupni stejné otáčky, stejný zdvih , dopravní účinnost a je-li plyn ochlazen v mezichladičích na původní teplotu, uplatníme rovnici kontinuity a stavovou rovnici
V1 = S 1 . L
V2 = S 2 . L
S 1 . p1 = S 2 . p 2
Takže pro dvoustupňový kompresor vyjde
S 2 = S1 .
p1 p 1 = S1 . 1 = S1 . p2 pm π
(tlaky jsou sacími tlaky v jednotlivých stupních) Pro n-stupňovou kompresi zobecníme
S n = S1 .
1
π n−1 3
kompress.doc
Uspořádání vícestupňových kompresorů Na obr.A je naznačeno uspořádání dvoustupňového kompresoru jako dvouválcové kombinace. Klikový hřídel l.a 2.stupně je u jednotlivých klik pootočený o 90° (i vlastní válce). Počet válců zvyšuje náklady. Výhodou více válců je možnost lepšího vyvážení setrvačných sil. Na obr.B je uspořádání dvoustupňového kompresoru s diferenciálním pístem. Pístnice je funkčně svým průměrem druhým stupněm kompresoru. Na obr.C je obdobné uspořádání s diferenciálním pístem. Stroj však nemusí mít pístnici, křižák atd. a vyjde konstrukčně kratší. Do velkého pístu jde zakomponovat přímo uložení ojnice Na obr.D je opět uspořádání s diferenciálním pístem. První stupeň ale pracuje s oběmi plochami velkého průměru diferenciálního pístu, takže proces výtlaku na prvním stupni se děje v obou pohybech pístu (pracuje jakoby jednočinný ale vytlačuje jakoby dvojčinný). Druhý stupeň pak jednorázově (v jednom činu) toto množství vytlačí, pracuje obdobně jako v případě obr.C. Třístupňové a čtyřstupňové kompresory pak využívají různých kombinací předešlých případů, tzn. užívají několika oddělených válců nebo kombinují schemata s užitím diferenciálního pístu. Rozvody a regulace pístových kompresorů Rozvodové mechanismy (rozvody) Označujeme tímto části kompresoru, které řídí vstup a výstup plynu do válce a z něho. Musí mít dobrou těsnost, co nejmenší průtočnou plochu při dodržení malých průtočných odporů, malou hmotnost, nízkou hlučnost. Rozvody mohou být nucené (jejich otevírání a zavírání je mechanicky vázáno na pohyb pístu a klikového hřídele-analogie se ventilovými rozvody spalovacích motorů), nebo samočinné (jsou ovládány přetlakem nebo podtlakem plynu, dnes nejpoužívanější systém ale při velkých otáčkách musí být malý zdvih a tím příliš velké rozměry ventilu) Ventil talířový Dnes nejpoužívanější ventil. Jeho konstrukce je uzpůsobena k tomu, že hlavní části lze unifikovat pro konstrukci sacího i výtlačného ventilu a je to také vhodné uspořádání pro další konstrukční prvky regulace. Na obrázku vede je celek vertikálně “rozložen”. Do správné polohy se jednotlivé díly sevřou osovým svorníkem. Jedná se o případ ventilu pro sání. Plyn vstupuje do sedla zespodu a přemůže tlumící desku s pružinami, dojde k posunu ventilové desky nahoruotevření průtoku. Ve spodním pohledu je kombinace několika “odkrytí desek” tak, aby bylo zřejmé , jak jsou v jednotlivých dílcech provedeny ledvinovité výřezy. Do válce se pak tyto ventily montují buď vedle sebe (“na čelo válce”)- pak je válec většího průměru. Nebo se k sobě různě nakloní, ale tím se opět zhorší velikost škodlivého prostoru. Pokud chceme píst malý, může se
4
kompress.doc
provést také ventil kombinovaný (souose jsou na sobě ventil sací (větší průměr), a ventil výtlačný (menší průměr))
Regulace Úkolem regulace je odstranit rozdíly mezi dodávkou kompresoru a spotřebou stlačeného média spotřebičem. Tyto rozdíly-odchylky se využívají jako signály pro vlastní regulaci (akční veličina). Ze vztahu pro objemový průtok vyplývají způsoby regulace
QV = i. S . L. n.η d
a) Regulace přerušovaná -zapínáme a vypínáme kompresor. Energeticky výhodné. Užívá se u pohonu spalovacím motorem přes vypínací spojku. U elektromotorů nevýhodné, velké záběrové proudy. b) Regulace plynulá -měníme otáčky n .Nejjednodušší. Provádí se u pohonů s spalovacím motorem. -můžeme měnit dopravní účinnost ηδ několika způsoby: -trvalým odtlačením sání -uzavřením sání (plyn se ale ohřívá, nebezpečí výbuchu) -škrcením sání (možnost plynulé regulace, ale nevýhody předcházející...) -zvětšením škodlivého prostoru tzv.reduktorem -ovládáním sacího ventilu za každou otáčku ( v době, kdy má být uzavřen se odtlačuje odtlačovacím zařízením - plyn se přepustí “zpět”) (právě z toho důvodu jsou v talířovém ventilu nahoře ledvinové otvory pro odtlačovací “prsty”)
-odtlačováním výtlačného ventilu za každou otáčku (obdobná taktika...) Chlazení a mazání kompresorů Kompresor můžeme chladit: a) Vzduchem Hlavy a válce kompresoru jsou opatřeny žebry, které zvětšují plochu pro přestup tepla. Užívá se u malých a mobilních strojů. b) vodou Kolem válce je konstrukčně utvořen plášť, kterým proudí voda. Je užíván pro velké a střední stroje Stlačovaný plyn můžeme chladit: 1) Ve vzduchovém chladiči Je to obdoba automobilového chladiče, chladičem proudí stlačený plyn 2) Ve vodním chladiči
5
kompress.doc
Pro malé výkony je proveden, jako hadový (stočená trubka je ponořena do vody a trubkou protéká stlačený plyn). Pro velké výkony je to konstrukce používaná všeobecně pro výměníky tepla jako tzv. chladič svazkový. Systém je zřejmý z následujícího schematu. Ve střední části se svazek tenkostěnných trubek, kterými proudí voda (“podélně tam a zpět”). Okolo trubek pak proudí vzdušnina, jejíž cesta k výstupnímu hrdlu je několikrát změněna přepážkami. Tím se teplosměnná plocha intentivně využije v tzv.kombinovaném proudění. Vlastní uspořádání vnitřních trubek může být provedeno buď s trubkami “v zákrytu” (ve schematu), nebo prostřídaně tak, aby trubky byly zvenku “omývány” vzdušninou rovnoměrněji a “nezacláněly si”. Ostatní druhy pneumostatických kompresorů Kromě pístových kompresorů patří do této skupiny ještě další typy. Mohou mít velké otáčky, konstrukčně vycházejí menší ale mají většínou větší ztráty vlivem tření. Některé mohou být provedeny jako bezmazné (potřebná vlastnost pro chemické a potravinářské účely). Rotační kompresor lamelový Rotor 2 se otáčí s zasouvatelnými lamelami 3 (bývá jich 20-30) v dutině statoru 1. Mezilopatkový prostor se v jedné polorovině zvětšuje, v této části je realizováno sání. D druhé polorovině se naopak mezilopatkové prostory zmenšují, dochází ke kompresi plynu, který je odváděn do výtlačného hrdla. Hlavní konstrukční problém je v zajištění těsnosti lamel ve skříni statoru při malém tření. Stroje většinou nemají sací a výtlačné ventily.
Rotační vodokružná vývěva Pracuje na obdobném principu. Statorová skříň je v tomto případě nahrazena rotujícím vodním prstencem 2 ve válci 1. Rotor 3 má lopatky pevné, které se postupně více, či méně “zasouvají” do vodního prstence. Přívod a odvod plynu se realizuje bočními klínovými otvory. Stroj může pracovat i jako kompresor s dosažitelným tlakem až 0,5 Mpa. Rotující vodní prstenec přispívá k chlazení a může také přispět k odstraňování nečistot z dopravovaného plynu pohlcováním.
Rotační kompresor s krouživým pístem Píst 2 excentricky krouží v tělese statoru. Vysouvatelná lamela 2 pak odděluje od sebe sací a výtlačný prostor. Ve výtlačném kanále je samočinný ventil. Pro dokonalé dosednutí lamely na rotor se lamela nejenom vysouvá ale také mírně kýve, je přitlačována do záběru pružinou. Sací kanál ventil nemá.
6
kompress.doc
Šroubový kompresor V tělese 1 jsou vedle sebe uloženy dva rotory 2, které mají na sobě šroubovice profilů o velkém stoupání. Počet šroubovic a jejich profil je na obou rotorech různý ( počet vypouklých profilů je menší než “dutých” profilů). Rotory se vzájemně nedotýkají, jejich vzájemný pohyb určuje dvojice ozubených kol, která je mimo vlastní dutinu kompresoru (ve schematu nejsou zakreslené). Otáčky u malých strojů mohou být až 200 s-1. Dvourotorové (Rootsovo) dmychadlo Funkce je zřejmá ze schematu. Rotory se po sobě a ve skříni teoreticky smýkají bez vůle, prakticky s vůlí cca 0,1 mm, výroba je náročná. Z hlediska tvaru je na jednom rotoru uplatněna střídavě hypocykloida a epicykloida (2x). Vzhledem k charakteru změny tvaru mezirotorového prostoru je dodávka plynu nerovnoměrná, ve výtlačném potrubí kolísá tlak. Také u tohoto stroje je vzájemný pohyb obou rotorů zajišťován vnějším ozubeným převodem.
7
kompress.doc
