SVEUILITE U RIJECI TEHNIKI FAKULTET

KOMPRESORI Nositelj kolegija: Izv. prof. dr. sc. Branimir Pavkovi, dipl. ing. Suradnik: Aleksandar Bounovi, dipl. ing.

ii

SADRAJ 1. UVOD 1.1. PODJELA PO NAINU RADA 1.2. PODJELA PO IZVEDBI KUITA 1.3. PODJELA PO DOBAVI 1.4. PODJELA PO RADNIM TLAKOVIMA 1.5. GRANICE PRIMJENE 2. TERMODINAMIKE OSNOVE KOMPRESIJE 2.1. PROMJENE STANJA I RAD KOMPRESIJE 2.2. VIEKRATNA KOMPRESIJA 3. STAPNI KOMPRESORI (KOMPRESORI S OSCILIRAJUIM STAPOVIMA) 3.1. STUPANJ DOBAVE KOMPRESORA 3.2. IZMJENA TOPLINE IZMEU PLINA I STIJENKE CILINDRA 3. 3. STUPNJEVI DJELOVANJA 3.4. RAZVODNI SUSTAVI KOMPRESORA 3.4.1. SAMORADNI VENTILI 3.4.2. RAZVOD S RASPORIMA 3.5. REGULACIJA DOBAVE STAPNIH KOMPRESORA 3.5.1. POVREMENI PREKID PUNE DOBAVE 3.5.1.1. Povremeno ukljuivanje i iskljuivanje 3.5.1.2. Povremeno potpuno zatvaranje usisnog voda 3.5.1.3. Povremeno dranje usisnih ventila sa stalno podignutim ploicama 3.5.2. GRUBA PROMJENA DOBAVE 3.5.2.1. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom broja polova elektromotora 3.5.2.2. Regulacija promjenom veliine tetnog prostora 3.5.2.3. Regulacija iskljuivanjem pojedinih cilindara

iii

3.5.3. KONTINUIRANA REGULACIJA DOBAVE 3.5.3.1. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom frekvencije napajanja 3.5.3.2. Regulacija s usisnim ventilom upravljanim izvana 3.5.3.3. Vremenski promjenjiv dodatni tetni prostor 3.6. OSNIVANJE STAPNOG KOMPRESORA 3.7. IZVEDBE STAPNIH KOMPRESORA 3.8. PODMAZIVANJE STAPNIH KOMPRESORA 3.8.1. PRIRODNO PODMAZIVANJE KOMPRESORA 3.8.2. PRISILNO PODMAZIVANJE KOMPRESORA 3.8.3. PODMAZIVANJE CILINDARA I BRTVENIH PRSTENOVA 3.8.4. ULJA ZA KOMPRESORE 3.8.5. KONTROLA I ODRAVANJE 4. ROTORNI KOMPRESORI 4.1. KOMPRESORI S JEDNIM ROTOROM 4.1.1. LAMELNI KOMPRESORI 4.1.2. KOMPRESORI S EKSCENTRINIM ROTOROM 4.2. KOMPRESORI S DVA ROTORA 4.2.1. PUHALJKE 4.2.1.1. Puhaljke s istim profilima presjeka rotora 4.2.1.2. Puhaljke s razliitim profilima presjeka rotora 4.2.2. VIJANI KOMPRESORI S DVA ROTORA 4.3. VIJANI KOMPRESORI S JEDNIM ROTOROM 4.4. KOMPRESORI SA SPIRALAMA (SCROLL) 4.5. INDIKATORSKI DIJAGRAM I PROMJENJIVI PROTUTLAK 5. TURBOKOMPRESORI 5.1. OSNOVNE KONSTRUKCIJSKE ZNAAJKE 5.2. TEORETSKE OSNOVE RADA TURBOKOMPRESORA 5.2.1. BERNOULLIJEVA JEDNADBA 5.2.2. JEDNADBA KONTINUITETA 5.2.3. IMPULSNI STAVAK

iv

5.2.4. GLAVNE JEDNADBE STROJEVA NA STRUJANJE IDEALNO KOLO 5.2.5. STVARNO KOLO 5.2.6. VIEKRATNA KOMPRESIJA 5.3. RADNE KARAKTERISTIKE TURBOKOMPRESORA 5.3.1. RADNE KARAKTERISTIKE RADIJALNIH TURBOKOMPRESORA 5.3.2. RADNE KARAKTERISTIKE AKSIJALNIH TURBOKOMPRESORA 5.3.3. RADNE KARAKTERISTIKE TURBOKOMPRESORA I BRZINA VRTNJE 5.4. REGULACIJA DOBAVE TURBOKOMPRESORA

v

POPIS LITERATURE F. Bonjakovi: Nauka o toplini I Tehnika knjiga Zagreb, 1970. V. Brlek: Kompresor, Tehnika enciklopedija, Sv. 7, pp. 221-255. M. Andrassy: Stapni kompresori, Fakultet strojarstva i brodogradnje Zagreb, 2004. R. Jankov: Klipni kompresori, Mainski fakultet Beograd, 1984. R. Planck: Handbuch der Kltetechnik, Bd. 5 - Kaltgasmaschinen und Kaltdampfmaschinen, Springer Verlag, Berlin, 1966. M. I. Frenkel: Kolbenverdichter, VEB Verlag Technik, Berlin, 1969. Althouse, Turnquist, Bracciano: Modern Refrigeration and Air Conditioning, The Goodheart Willcox Company, Tinley Park, 2000. B. Eckert, E. Schnell: Axial - und Radial - Kompressoren, Springer Verlag, Berlin 1961.

KOMPRESORI

1

1. UVOD Kompresori su radni strojevi ili ureaji koji komprimiraju neki plin ili paru na vii tlak, odnosno plinovima ili parama povisuju energetsku razinu. Primjena komprimiranog zraka i drugih plinova ili para u suvremenoj proizvodnji i ivotu uope iroko je zastupljena, a ovdje se navode neke najvanije primjene. Komprimirani zrak se upotrebljava kao prijenosnik energije potrebne za provedbu mehanikih radnih zadataka, a uz to se esto upotrebljavao i njegov sadraj kisika da bi se omoguile od-reene kemijske reakcije. Stlaeni zrak upotrebljava se za pogon pneumatskih ekia, builica i ostalih alata, pneumatski transport rastresitih materijala, pneumatski transport kapljevina i drugih plinova, mijeanje i rasprivanje kapljevina, mijeanje i dovoenje kisika biolokim suspenzijama, filtriranje pod tlakom ili vakuumom, pogon visokih pei za proizvodnju sirovog eljeza, pogon metalurkih pei u proizvodnji elika i obojenih metala, punjenje kesona i dizanje potonulih brodova, ventilaciju rudnikih prostora i ureaja, pogon plinskih turbina i avionskih mlaznih motora, ukapljivanje zraka po Joule - Thomson-ovom prigunom efektu. Uz zrak i ostali komprimirani plinovi i pare veoma su vani u modernoj procesnoj i procesno kemijskoj proizvodnji. Povieni tlak, npr., poveava sposobnost kapljevina da apsorbiraju plinove. Povieni tlak i temperatura plinova omoguuju i ubrzavaju odvijanje njihovih meusobnih kemijskih reakcija. U tehnici hlaenja komprimiranje para radnih tvari rashladnim kompresorima omoguuje provedbu lijevih krunih procesa i ostvarivanje hlaenja ispod okoline temperature, sve do ekstremno niskih temperatura. Lijevi kruni procesi u podruju temperatura iznad okoline - ogrjevni procesi ili procesi dizalice topline omoguuju da se raspoloiva toplinska energija iz okoline komprimiranjem pare radne tvari procesa die na viu energetsku razinu, na viu temperaturu, i tako slui za grijanje uz razmjerno vrlo mali utroak energije. U procesnoj tehnici komprimiranje razliitih plinova i para koristi se kod punjenja i transporta komprimiranih plinova u elinim bocama i spremnicima, komprimiranja plinova pri transportu plinskim dalekovodima, ukapljivanja i razdvajanja plinskih smjesa, sinteze metanola (CO + 2H2 = CH3OH) pod tlakom npr. od 850 bara uz primjenu katalizatora, sinteza amonijaka (N2 + 6H2 = 2NH3) pod tlakom oko 1000 bara uz primjenu katalizatora, proizvodnja etilena, te klora i vinil-klorida u proizvodnji modernih plastinih masa, katalitiko hidriranje ugljene praine i masti pri tlakovima 200 - 700 bara i temperaturama 400 -450 C, npr. pri proizvodnji sintetinog benzina, komprimiranje ugljikovodika u naftnoj proizvodnji, krekiranje u rafinaciji nafte, komprimiranje radnih tvari u sustavima rashladnih ureaja, komprimiranje CO2 u prehrambenoj industriji, pivarstvu i proizvodnji gaziranih napitaka, te proizvodnji krutog CO2 (suhog leda) itd. 1.1. PODJELA PO NAINU RADA Po nainu rada razlikujemo volumetrijske i kompresore graene na strujnom (dinamikom) principu rada. Volumetrijski se princip rada sastoji u tome da se pomou konstrukcijskih elemenata ostvari u kompresoru takav prostor koji osigurava smanjenje volumena plina ili pare na putu od ulaza do izlaza iz kompresora. Na volumetrijskom principu rada grade se stapni (kompresori s oscilirajuim stapom) i rotorni (nazivaju se jo i kompresori s rotirajuim stapovima, a tu spadaju lamelni, s ekscentrinim rotorom, vijani i kompresori sa zavojnicom - " scroll").

KOMPRESORI

2

Na strujnom (dinamikom) principu rada grade se turbokompresori i ejektori. Plin se komprimira na dinamikom strujnom principu, pri emu se koristimo silama i pojavama koje se javljaju kod ubrzavanja i usporavanja plinske struje. Prema nainu voenja plinske struje turbokompresori se izvode kao radijalni i aksijalni. Ejektori - mlazni kompresori takoer spadaju u kompresore koji rade na strujnom principu rada.

Sl. 1.1. Podjela kompresora po nainu rada 1.2. PODJELA PO IZVEDBI KUITA Vrlo esta podjela kompresora, posebno onih koji se koriste u tehnici hlaenja je na tzv. otvorene, poluhermetike i hermetike izvedbe, ovisno o nainu ugradnje pogonskog motora. Kod otvorenog kompresora pogonski je motor odvojen od kompresora, hlaen zrakom, a kompresor treba imati brtvenicu vratila, kako bi se sprijeio izlaz radne tvari iz kompresora. Kod hermetikih i poluhermetikih kompresora elektromotor i kompresor ugrauju se u isto zabrtvljeno kuite, a namotaji elektromotora hlaeni su strujom radne tvari koja ulazi u kompresor. Zbog dobrog hlaenja elektromotori su manji nego li je to sluaj s motorima otvorenih kompresora. Kod poluhermetikog kompresora kuite je zatvoreno prirubnicom koja se moe rastaviti za potrebe servisa, dok je kod hermetikih kompresora kuite zavareno.

Kompresori

Strujni (dinamiki) Volumetrijski

Ejektor Radijalni Aksijalni

Rotorni Stapni

Jedan rotor Dva rotora

Lamelni

Tekuinski prsten Vijani Vijani Root

Klipnjaa Krina glava

Labirint Membrana

KOMPRESORI

3

Sl. 1.2. Otvorena izvedba rashladnog kompresora

Sl. 1.3. Poluhermetika izvedba rashladnog kompresora

Sl. 1.4. Hermetika izvedba rashladnog kompresora

KOMPRESORI

4

1.3. PODJELA PO DOBAVI Po dobavi se kompresori grubo mogu podijeliti na male (do 10 m3/min), srednje (10 do 100 m3/min) i velike (iznad 100 m3/min). Dobava se, ukoliko to nije drukije reeno, odnosi na stanje plina na usisnom prikljuku. 1.4. PODJELA PO RADNIM TLAKOVIMA U ovisnosti o konanom tlaku za koji je kompresor graen, mogu se razlikovati:

vakuum crpke koje slue za transport plinova i para iz prostora u kojima vlada podtlak puhaljke za konane tlakove do 3 bar, ija je namjena npr. za ispiranje kod dvotaktnih

motora, dobava zraka za visoke pei i sl. niskotlani kompresori za konane tlakove koji se kreu u priblinim granicama od 3

do 12 bar (pneumatski alati, automatska regulacija, rashladni ureaji i sl.). srednjetlani kompresori za konane tlakove koji se kreu u priblinim granicama od

10 do 150 bar (kemijska i naftna industrija, pokretanje razni mehanizama i ureaja i sl.).

visokotlani kompresori za konane tlakove koji se kreu u priblinim granicama od 200 do 2500 bar (kemijska industrija - sinteza plinova pod tlakom, punjenje boca sa stlaenim plinovima i sl.).

1.5. GRANICE PRIMJENE Stapni kompresori grade se i primjenjuju onda kada je potrebni kompresijski omjer s obzirom na dobavljenu koliinu plina velik, a turbokompresori, onda kada je potrebno dobavljati vrlo velike koliine plina uz relativno mali kompresijski omjer. Na Sl. 1.5. prikazane su pribline granice podruja rada za stapne, lamelne i vijane kompresore, te radijalne i aksijalne turbokompresore.

Sl. 1.5. Dobave i tlakovi kod primjene stapnih, lamelnih, vijanih i turbokompresora

Dobava [m3/s]

Tlak [bar]

KOMPRESORI

5

Na ordinati je nanesen postizivi tlak P [bar], a na apscisi dobava kompresora V [m3/s]. Oko granice izmeu podruja primjene stapnih kompresora s oscilirajuim stapom i turbokompresora nalaze se podruja rada lamelnih i vijanih kompresora. Prikazana podruja rada odnose se na kompresore jednokratne i viekratne kompresije. 2. TERMODINAMIKE OSNOVE KOMPRESIJE 2.1. PROMJENE STANJA I RAD KOMPRESIJE Proces kompresora moe prikazati u p,v-dijagramu kao proces koji se odvija izmeu dva stalna tlaka 1p i 2p . Stalni tlakovi mogu se odrati za sluaj beskonano velikih spremnika. Kod kompresora s oscilirajuim stapom se kretanjem stapa unutar cilindra od GMT ka DMT usisava plin iz prostora u kojem vlada stalni tlak 1p (promjena a-1), zatim se kretanjem stapa od DMT ka GMT plin komprimira (promjena 1-2) i istiskuje (promjena 2-b) u prostor u kojem vlada stalni tlak 2p . U sljedeem okretaju vratila ove se pojave ponavljaju, pa ih se naziva teoretskim ciklusom kompresora. To nije kruni proces u termodinamikom smislu, ve se ovim nazivom eli istaknuti ciklinost pojava. Razmatranja koja su ovdje prikazana na primjeru stapnog kompresora odnose se i na vijane, lamelne i turbokompresore, samo to se kod njih procesi usisavanja, istiskivanja i kompresije odvijaju istovremeno, dok se kod kompresora s oscilirajuim stapom ti procesi odvijaju u odvojenim vremenskim intervalima.

Sl. 2.1. p,V- dijagram procesa i shematski prikaz cilindra jednostupanjskog stapnog kompresora

p

p2

p11

2 b

a

p1

p2

KOMPRESORI

6

Ovako predoen proces je idealan proces. Zanemaren je tetni prostor i njegov utjecaj, nije uzeta u obzir tromost ventila i stvarna brzina njihova otvaranja. Kad se usviji politropska promjena stanja, zanemarena je i izmjena topline izmeu plina i stijenke cilindra. Za transport i kompresiju plina potrebno je utroiti rad, koji u sluaju stapnog kompresora obavlja neka periodiki promjenjiva sila F koja djeluje na povrinu stapa A savladavajui promjenjivi tlak plina u cilindru p , pa vrijedi

ApF = Kako je rad produkt sile i puta, tj.

FxW = , za neki elementarni pomak stapa sx d= vrijedi

sApsFW ddd == Kako je produkt sAd jednak promjeni volumena cilindra Vd za pomak sd , vrijedi

VpW dd = Integracijom se iz gornjeg izraza dobiva

= 21

dV

V

VpW

Ovaj je rad u p,V-dijagramu na slici 2.1. prikazan povrinom a-1-2-b-a i predstavlja rad procesa izmeu dva stalna tlaka (tehniki rad). Da bi se odredila zakonitost promjene tlaka u cilindru tijekom jednog ciklusa kompresije koristi se jednadba stanja

MRTpV = ili njezin diferencijalni oblik

MRTTMRpVVp dddd +=+ Takoer je za odreivanje rada tijekom jednog ciklusa potrebno koristiti jednadbu promjene stanja, koja za politropsku promjenu stanja glasi

konstpV n = Kod izotermne promjene stanja vrijedi 1=n , kod izentropske promjene stanja vrijedi =n .

KOMPRESORI

7

Rad usisavanja Prilikom usisavanja plina u cilindar u skladu s procesom prikazanim na sl. 2.1. mijenjaju se volumen i masa plina u cilindru, dok su tlak i temperatura stalni, tj 0d =T i 0d =p . Diferencijalni oblik jednadbe stanja je tada

MRTVp dd 11 =

a kada se gornji izraz uvrsti u izraz za rad = 21

dV

V

VpW dobije se

== 11 dd 11M

M

V

Vu

aa

MRTVpW

Kod idealnog je kompresora na poetku usisavanja masa plina u cilindru 01 =M , a volumen cilindra je takoer 01 =V , pa vrijedi

11MRTWu = , a kad se uzme u obzir jednadba stanja MRTpV = , moe se gornji izraz pisati u obliku

11VpWu = Rad istiskivanja Za rad istiskivanja vrijedi analogno

2222

22

dd MRTMRTVpWbb M

M

V

Vi === ,

pa slijedi kao i ranije

22VpWi = Rad kompresije Diferencijalni oblik jednadbe politropske promjene stanja glasi

0dd1 =+ pVVnpV nn Dijeljenjem s 1nV dobiva se

KOMPRESORI

8

pVVnp dd = Uvrtenjem u jednadbu stanja (diferencijalni oblik) uz 0d =M (jer su ventili zatvoreni i masa plina u cilindru se ne mijenja), dobiva se

TMRVnpVp ddd = Sreivanjem slijedi

TMRVnpVp ddd = i dalje

Tn

MRVp d1

d = Kako je za politropsku promjenu stanja najee 1>n (toplina se odvodi od plina) pie se

TnMRVp d

1d =

Tada je rad politrope

=2

1

d1

TnMRWp

Integracijom slijedi

( )

== 111 1

2112 T

TTnMRTT

nMRWp

Kako su obino kod kompresora poznati tlakovi 1p na usisu i 2p u tlanom vodu, uvrtenjem jednadbe za promjenu temperature kod politropske promjene stanja

nn

pp

TT

1

1

2

1

2

=

dobiva se

=

11

1

1

211n

n

p pp

nVpW

KOMPRESORI

9

Kod kompresije plina ili pare od tlaka p1 (stanje 1) i p2 (stanje 2) promjena stanja moe biti: izotermna (prilikom kompresije radnoj se tvari odvodi toplina tako da je konstT = ). Za izotermu je

1=n , pa karakteristina jednadba glasi

konstMRTpV == a nakon diferenciranja dobiva se diferencijalni oblik (uz konstR = , konstM = , konstT = )

VdpVp =d Iz gornjeg izraza i jednadbe stanja slijedi

pdpMRTVp =d

pa je rad izotermne kompresije

1

2lnd2

1

2

1ppMRT

ppMRTpdVW

p

p

V

Viz ===

izentropska

konsts = ; izmijenjena toplina 0=q ; a omjer temperatura na kraju i prije kompresije dobiva se iz

1

1

2

1

2

=

pp

TT

Rad izentropske kompresije je, analogno izrazu za rad politropske kompresije

=

11 1

211

pp

nVpWis

politropska

konsts ; izmijenjena toplina Tcq n= moe biti vea ili manja od 0; a omjer temperatura

na kraju i prije kompresije dobiva se iz n

n

pp

TT

1

1

2

1

2

= ;

1=

nncc vn

. Kao to je ranije reeno, rad za politropsku kompresiju je

KOMPRESORI

10

=

11

1

1

211n

n

p pp

nVpW

Na slici 2.2. prikazane su odgovarajue promjene stanja u p,v-dijagramu. Oigledno je da je rad za izotermnu kompresiju najmanji, a rad za izentropsku kmpresiju najvei, to je i logino jer se kod izotermne kompresije odvoenjem topline dodatmno smanjuje volumen plina u cilindru, pa je i potreban rad za kompresiju manji. Kod izentropske kompresije nema odvoenja topline, pa je potreban vei rad.

Sl. 2.2. Izotermna, izentropska i politropska kompresija s 1

KOMPRESORI

11

Tehniki rad i odvedena toplina pri politropskoj kompresiji

=

=

11

11

1

1

21

1

1

211,

nn

nn

tehnpol ppRT

nn

ppVp

nnW

( )12 TTcQ n =

1=

nncc vn

konstT Tehniki rad i odvedena toplina pri izentropskoj kompresiji analogno prethodnom izrazu, slijedi

=

=

11

11

1

1

21

1

1

211,

ppRT

ppVpW tehnis

0=Q

konstT

Tehniki rad i odvedena toplina pri izotermnoj kompresiji Za izotermu je 1=n

=

==

1

21

1

211, lnln p

pRTppVpWW iztehniz

izWQ = ; konstT = esto se u literaturi negativni predznak ispred gornjih izraza izostavlja, podrazumijevajui da se za kompresiju uvijek troi rad. Proces kompresije u T,s-dijagramu Izotermna kompresija 1-2iz Rad po 1 kg radne tvari (idealni plin) je ( )12 ssTl = .

KOMPRESORI

12

Rad je predoen povrinom a-1-2iz-b-a na slici 2.3.

Sl. 2.3. Izotermna kompresija u T,s-dijagramu Izentropska kompresija 1-2is Rad po 1 kg radne tvari je 12 hhl is = Rad je predoen povrinom a-1-2is-2iz-b-a na slici 2.4.

Sl. 2.4. Izentropska kompresija u T,s- dijagramu

T

s

p2

p1 1 2iz

l

b a

T

s

p2

p1

1 2iz

l

b a

2is

KOMPRESORI

13

Politropska kompresija 1-2pol Kod politropske kompresije vrijedi

KOMPRESORI

14

Politropska kompresija 1-2 U stvarnom kompresoru odvija se izmjena topline sa stijenkom cilindra koja je u poetku vie temperature pa se plinu dovodi toplina ( >n ) a na kraju kompresije nie temperature od plina, pa se plinu odvodi toplina (

KOMPRESORI

15

2.2. VIEKRATNA KOMPRESIJA Porastom kompresijskog omjera 12 / ppx = , raste pri izentropskoj i politropskoj kompresiji konana temperatura komprimiranog plina 2T . Ukoliko ova temperatura prekorai dozvoljenu temperaturu (ogranienje temperature je zbog opasnosti od promjene svojstava ulja za podmazivanje), treba primijeniti viekratnu kompresiju. Viestupanjski kompresori imaju hladnjak pare ili plina nakon svakog stupnja kompresije. Kod viekratne je kompresije konana temperatura 2T znatno nia nego je to kod jednostepene. Viekratna kompresija daje utedu na radu, i to kompresor ima vie stupnjeva, to je priblienje izotermnoj kompresiji vee (pod uvjetom da se plin ili para ohlade na poetnu temperaturu iza svakog stupnja). Poveanje kompresijskog omjera utjee na smanjenje stupnja dobave (utjecaj na 1 i 3 ). Kod viestupanjskih je kompresora stupanj dobave vii nego kod jednostupanjskih koji bi radili izmeu istih tlakova.

Sl. 2.8. Dvostupanjska (dvokratna) kompresija Plin se u hladnjaku iza prvog stupnja ohladi na temperaturu 1T . Hlaenje na 1T iza drugog stupnja ne utjee na proces kompresije, pa nije ni potrebno osim kod posebnih zahtjeva na stanje plina na ulazu u spremnik. Za kompresiju plina od 1p do 3p primijenjena je dvostepena kompresija. Za odabir tlakova u pojedinim stupnjevima postavlja se kriterij maksimalne utede na radu.

spremnik

hladnjak iza drugog stupnja - nije uvijek potreban

hladnjak

I

II

p1, T1

p2, T2

p2, T1

p3, T2

p3, T1

KOMPRESORI

16

Ako je

III LLL += , odnosno

+

=

11

11

1

2

322

1

1

211

nn

nn

ppVP

nn

ppVP

nnL ,

i uz 12211 RTVpVp == dolazi se do izraza za rad

+

=

21

1

2

3

1

1

21

nn

nn

pp

ppRT

nnL

Iz gornjeg se izraza vidi da za konstantne 1p i 3p vrijedi ( )2pLL = . Derivacijom ovog izraza po varijabli 2p i izjednaenjem s nulom dolazi se do zakljuka da e minimalni rad biti utroen kad je

2

3

1

2

pp

pp = .

U ovom e sluaju, usvoji li se da se eksponent politrope ne mijenja ( konstn = ), biti i rad u svakom stupnju jednak, a takoer e i povienje temperature u svakom stupnju biti jednako.

KOMPRESORI

17

Uteda na radu kod viekratne kompresije

Sl. 2.9. Dvokratna kompresija u p,V-dijagramu 1-2is,Ist jednostepena izentropska kompresija 1-2 - dvostepena izentropska kompresija s hlaenjem pare iza prvog stupnja na poetnu temperaturu

isl - uteda na radu

Sl. 2.10. Trokratna kompresija u p,V-dijagramu 1-2is,Ist jednostepena izentropska kompresija 1-2 - trostepena izentropska kompresija s hlaenjem pare iza prvog i drugog stupnja na poetnu temperaturu

isl - uteda na radu

p

V

iz

is

lis

1

2is,Ist p3

p2

p1

2

p

V

iz

is

lis

1

2is,Ist

p3

p2

p1

2 p4

KOMPRESORI

18

Sl. 2.11. Dvokratna izentropska kompresija s hlaenjem pare iza prvog stupnja na poetnu temperaturu, prikazana u T,s- dijagramu

Sl. 2.12. Trokratna izentropska kompresija s hlaenjem pare iza prvog i drugog stupnja na poetnu temperaturu, prikazana u, T,s- dijagramu

T

s

lis

1

2is,Ist

p3

p2

p1

2

2iz,Ist

T

s

lis

1

2is,Ist p3

p2

p1 2

2iz,Ist

p4

KOMPRESORI

19

Sl. 2.13. Dvokratna politropska kompresija s hlaenjem pare iza prvog stupnja na poetnu temperaturu, prikazana u T,s- dijagramu

Uteda na radu pri dvokratnoj kompresiji (politropskoj) Kompresija je izmeu tlakova 1p i 3p . Potrebno je odrediti utedu na radu u sluaju da se umjesto jednostepene primijeni dvostepena kompresija. Ako je kompresija izmeu 1p i 3p jednokratna, vrijedi

=

11

1

1

3111

nn

ppVP

nnL

Ako je kompresija izmeu 1p i 3p dvokratna, rad se dobiva kao suma radova kompresije u prvom i u drugom stupnju, pa vrijedi

III LLL +=2 , odnosno

+

=

11

11

1

2

322

1

1

2112

nn

nn

ppVP

nn

ppVP

nnL

Kako je 12211 RTVpVp == , a omjeri tlakova su odabrani tako da se ostvari maksimalna uteda na radu

T

s

lpol

1

2is,Ist

p3

p2

p1 2 2iz,Ist

KOMPRESORI

20

2

3

1

2

pp

pp =

dolazi se do izraza za rad

=

11

2

1

1

2112

nn

ppVp

nnL

Kao to je ve reeno, odabran je tlak 2p tako da je:

2

3

1

2

pp

pp =

Mnoenjem gornje jednadbe s 1

2

pp dobiva se

1

2

2

3

1

2

pp

pp

pp =

1

3

1

2

2

3

2

1

2

pp

pp

pp

pp ==

i

21

1

3

1

2

=

pp

pp

Uvrtenjem gornjeg izraza u izraz za 2L dobiva se

=

11

2

121

1

3112

nn

ppVP

nnL

Oduzimanjem 2L od 1L dobiva se uteda na radu

=

1211

121

1

3

1

1

31121

nn

nn

pp

ppVP

nnLL

KOMPRESORI

21

Kod razvoja navedenih izraza uzeto je da je konani tlak jednog stupnja kompresije jednak poetnom tlaku sljedeeg stupnja. To u stvarnosti nije mogue, jer se kod rashladnih ureaja javlja i pad tlaka u ventilima i hladnjacima pare. Ako je 1+Np konani tlak a 1p poetni tlak i N broj stupnjeva kompresije, a omjer kompresije u jednom stupnju

N

N

pp

pp

pp

ppx 1

3

4

2

3

1

2 ... +===== , onda je

N

N

NN xp

ppp

pp

pp

pp == ++ 1

3

4

2

3

1

2

1

1 ...

i odatle je

N N

ppx

1

1+= .

Npr. za dvokratnu je kompresiju 21

3

1

2

pp

ppx == .

Pomnoimo li prethodnu jednadbu s 1p , dobivamo

2132

1

213

2 pppppp ==

Zbog pada tlaka tlak na izlazu iz prethodnog stupnja razlikuje se od ulaznog tlaka u slijedei stupanj. Oznaimo li s 2'p tlak na izlazu iz prvog stupnja, a s 2p tlak na ulazu u drugi stupanj, pri emu je 22 pp > , kompresijski je omjer za prvi stupanj

1

2'ppx = , dok je

1

2

ppx = .

Oznaimo li s 2

2

ppk= , i pomnoimo izraz za x s

2

2

pp , dobiva se

kxpp

pp

pp

ppx ===

1

2

2

2

2

2

1

2 .

Ako se uzme da je k u svim stupnjevima isti, tada je

KOMPRESORI

22

N N

ppkx

1

1+= . Za srednje kompresijske omjere moe se uzeti da je pad tlaka oko 10%, tj. 1,1=k . Za primjer na slici 3.15. je 2=N , 11 =p bar a 3031 ==+ ppN bar. Usvojeno je 1,1=k .

Kompresijski je omjer 477,5130

22

1

3

2

3

1

2 =====pp

pp

ppx .

02,6477,51,1 === kxx

477,51477,512 === xpp bar

02,6102,612 === pxp bar

30477,5477,523 === xpp bar 33477,5027,623 === pxp bar

Sl. 2.14. Dvokratna kompresija s padom tlaka u hladnjacima Minimalni je broj stupnjeva ogranien dozvoljenom temperaturom koja se ne smije prekoraiti. kako je ve ranije reeno, ta se temperatura kree oko 1401352 > oC.

Obino kada je 1080

>=ppx , trebamo upotrijebiti dvostepenu kompresiju.

spremnik

hladnjak

hladnjak

I

II

p1

p2

p2

p3

p3

KOMPRESORI

23

3. STAPNI KOMPRESORI (KOMPRESORI S OSCILIRAJUIM STAPOVIMA)

Sl. 3.1. Shematski prikaz konstrukcije stapnog kompresora Kompresor s oscilirajuim stapovima spada u iru grupu stapnih kompresora koji rade na volumetrijskom principu rada. Pored ovog kompresora, u stapne kompresore spadaju i kompresori s rotirajuim stapovima. Naziv stapni kompresor koristi se najee za kompresor s oscilirajuim stapovima, dok se za kompresore s rotirajuim stapovima uobiajeno koristi naziv rotorni kompresori. U cilindru krunog poprenog presjeka 1 oscilatorno se kree stap (klip) 2, kao dio koljenastog mehanizma koji pored stapa i cilindra ine koljenasto vratilo 4, ojnica 3 s velikom i malom pesnicom, te temeljni i letei leajevi, ukljuujui i leaj osovinice klipa. Stap prevaljuje stapaj ija je duljina rs 2= dva puta s tijekom jednog okretaja osnog koljena i pritom se zaustavla u gornjoj mrtvoj toki GMT i donjoj mrtvoj toki DMT. Kutna brzina vrtnje osnog koljena je konstantna, dok je broj okretaja, odnosno frekvencija vrtnje izraena kao

2

== nf Brzina kretanja stapa mijenja se ovisno o kutu osnog koljena. U GMT (kut osnog koljena 0o) i DMT (kut osnog koljena 180o) njena je vrijednost 0=u , a najvia je za kut osnog koljena 90o i 270o.

1 cilindar 2 klip (stap) 3 ojnica 4 koljenasto vratilo 5 kuite kompresora 6 osno koljeno 7 mazivo ulje 8 ventilna ploa 9 poklopac cilindra 10 samoradni usisni ventil 11 samoradni tlani ventil 12 usisni vod 13 tlani vod

KOMPRESORI

24

Izmeu cilindra 1 i poklopca cilindra 9 smjetena je ventilska ploa 8 sa samoradnim usisnim ventilom 10 i tlanim ventilom 11. Ovi ventili omoguuju da na jednom dijelu puta stapa od GMT do DMT plin ulazi u cilindar iz usisnog voda 12, odmnosno da se na jednom dijelu puta stapa od DMT prema GMT komprimirani plin istiskuje u tlani vod 13. Djelovanje stapnog kompresora prilagouje se samo po sebi nametnutim vanjskim uvjetima rada. To znai da je kompresijski omjer 12 / ppx = u istom kompresoru promjenjiv i ovisan iskljuivo o tome kakav je tlak 1p u usisnom vodu ispred usisnog ventila, a kakav 2p iza tlanog ventila. Kompresijski omjer je dakle veliina koja nije uvjetovana konstrukcijom ili veliinom stapnog kompresora, odnosno brzinom njegove vrtnje n . Konstrukcija stapnih kompresora je sloena. Radi uvida u broj dijelova koji ulaze u sklop jednog stapnog kompresora, na slici 3.2 prikazano je kuite jednog otvorenog kompresora s leajevima, brtvenicama, kouljicama cilindra, poklopcem cilindra, ventilima i drugim dijelovima, a na slici 3.3 prikazan je koljenasti mehanizam s koljenastom osovinom, ojnicom, klipovima i klipnim prstenima.

Sl. 3.2. Kuite i dijelovi otvorenog stapnog esterocilindrinog kompresora

KOMPRESORI

25

Sl. 3.3. Koljenasti mehanizam esterocilindrinog stapnog kompresora u W izvedbi 3.1. STUPANJ DOBAVE KOMPRESORA Dobava kompresora je ona koliina plina ili pare koju dobavlja kompresor, i ukoliko nije drukije spomenuto, ta se koliina odnosi na stanje koje vlada na usisnom prikljuku kompresora.

Teoretska je dobava nzsdznVV st 4

2==& [m3/s]

gdje je sdVs 4

2= stapajni volumen, d promjer cilindra, s stapaj, z broj cilindara i n [s-1] brzina vrtnje. Stvarna je dobava manja i jednaka je te VV && = .

KOMPRESORI

26

Stupanj dobave t

e

VV&&= rauna se kao 4321 = i manji je od 1.

Utjecaj tetnog prostora uzima se u obzir kroz 1 Iz konstrukcijskih razloga i razloga pogonske sigurnosti ne moe se izbjei mali prostor izmeu stapa u GMT i glave cilindra. To je tzv. tetni prostor. On prvenstveno utjee na smanjenje dobave kompresora, dok na rad praktiki ne utjee. S 0c oznaavamo omjer volumena tetnog prostora i stapajnog volumena.

ss

AsAs

VVc

S

0000 === (esto se oznaava s 0 , to smo izbjegli radi oznake faktora hlaenja)

Za kompresore uobiajene izvedbe 08,003,00 =c . Kod viih tlakova i malog promjera cilindra ne mogu se ventili pogodno smjestiti, pa je )2,0(15,005,00 =c . Indikatorski dijagram kompresora dan je na slici 3.4.

Sl. 3.4. Indikatorski dijagram jednostepenog procesa stvarnog kompresora

V

p

p2

p1

Va Vs1 Vb

Vs V0

p1 p1 p'1

p2 O

M2

M1

d 1'

GMT DMT

KOMPRESORI

27

Usisni i tlani ventil rade automatski i otvaraju se uslijed razlike tlakova. Usisni se ventil otvara kod d, tj neto malo ispod tlaka 1p . Uslijed toga to jo nije do kraja otvoren, tlak i dalje pada do M1. U M1 ventil je potpuno otvoren. U 1' usisni se ventil zatvara. Kompresija tee od 1'. Kad stap prijee put koji odgovara volumenu bV postie se tlak 1p u cilindru. Tlani se ventil poinje otvarati u O, a maksimalno je otvoren u M2. Kad stap doe u GMT, ostaje u cilindru 0V plina i tlani se ventil zatvara. Kad se tlani ventil zatvori, na putu stapa od GMT do d nema usisavanja, jer tu ekspandira plin iz tetnog prostora. Usisavanje se ne vri na cijelom putu stapa s, ve na putu s-a. Tlakovi pri usisu i istiskivanju nisu konstantni jer su i brzine strujanja razliite zbog promjenjive brzine stapa, a na tlakove utjee i poloaj ploice ventila (povrina presjeka otvora ventila). Za 1 vrijedi izraz

s

as

VVV =1

Kako je

n

a ppVVV

1

1

200

=+

iz ega slijedi

= 1

1

1

20

n

A ppVV .

Uz S

A

VV=11 dobiva se izraz za 1 :

= 11

1

1

201

n

ppc , gdje je

SVVc 00 =

Iz gornjeg se izraza vidi da 1 ovisi o volumenu aV , koji je ovisan o tetnom prostoru 0V i toku linije ekspanzije iz tetnog prostora. to je vei aV , dobava je manja. Negativni, tetni utjecaj tetnog prostora biti e to vei to je vei volumen tetnog prostora 0V , to je

kompresijski omjer 1

2

pp vei, odnosno eksponent politropske ekspanzije plina iz tetnog

prostora n blie jedinici (politropa blie izotermi).

KOMPRESORI

28

Sl. 3.5. Utjecaj konanog tlaka kompresije, veliine tetnog prostora i eksponenta politrope n

na stupanj dobave Utjecaj pada tlaka 1p kod usisavanja - 2

aS

S

VVV=

12

Pad tlaka na usisnom ventilu je 111 ppp = .

Moe se sa zadovoljavajuom tonou izraunati 2 kao 1

1

1

11

1

12 1 p

pp

pppp ===

Neto detaljnija razrada prikazuje se u nastavku: Ako se pretpostavi izotermna promjena stanja, pri emu vrijedi ( )( ) ( )bosos VVVpVVpp +=+ 111 onda se uvrtenjem u izraz za 2

p p p p2 p2 p2

p1 p1 p1

p'2

V V V Va V0 V0 Va Va

n=1

n=

p2 mali, slijedi

V0 velik, slijedi velik Va

n=1, slijedivelik Va

n=, slijedi manji Va

V0

KOMPRESORI

29

aS

S

VVV=

12

dobiva 1

1

1

02

11ppc +=

Ako se pak pretpostavi politropska promjena stanja,

1

1

1

11

0

0

)1()1( n

s

bs

ppp

cVVcV

=+

+

slijedi

=+ 1

1

10

1)1( p

pncV

V

s

b ,

pa se dobiva

1

1

11

02

11pp

nc += .

Kod 10,005,00 =c , 5,11 =n i 9,08,01 = ( )1

12 8,09,01 p

p= , pa kad se dozvoli

greka od 10-20% u maloj vrijednosti 1p dobiva se 1

12 1 p

p= Uzimajui u obzir utjecaj tetnog prostora i utjecaj pada tlaka kod usisa dobiva se indicirani stupanj dobave i

S

Si V

V 1= baSS VVVV =1

211 =

S

Si V

V

Utjecaj zagrijavanja kod usisa - 3 Usisani se plin zagrijava od toplog usisnog ventila i stijenki cilindra, to uzrokuje povienje temperature od 1T na usisnom prikljuku na 1T . 1T je temperatura na kraju usisa, odnosno na poetku kompresije. Ovo povienje temperature uzrokuje smanjenje dobave.

KOMPRESORI

30

1

13

=

TT

Temperaturu 1T je teko odrediti raunskim putem. Ova temperatura ovisi o nainu hlaenja kompresora, omjeru tlakova (kompresijskom omjeru 12 / pp ), broju okretaja, veliini i izvedbi kompresora i ventila. Ovisnost 3 o kompresijskom omjeru 12 / pp i eksponentu politrope n prikazana je na

sliedeoj slici. Kako je n

n

pp

TT

1

1

2

1

2

= , slijedi da vei kompresijski omjer rezultira manjim 3 ,

te da vei eksponent politrope n takoer rezultira manjim 3 .

Sl. 3.6. Utjecaj eksponenta politrope n na stupanj dobave 3 Za procjenu vrijednosti 3 kod stapnih kompresora srednje veliine vrijedi empirijski izraz

= 1025,01

1

23 p

p Utjecaj propusnosti - 4 U stvarnom kompresoru postoji mogunost proputanja dijela mase plina za vrijeme komprimiranja mimo nedovoljno brtvljenog stapa i stijenke cilindra, kroz eventualno propusne usisne ventile, a takoer i uslijed protjecanja ve komprimirane pare kroz tlani ventil za vrijeme usisavanja (Vuji). Ovaj se gubitak uzima u obzir stupnjem propusnosti 4 , koji se prema podacima u literaturi za kompresore u dobrom stanju kree u granicama

98,095,04 = . (Vuji) Poveanjem 0p

p opada vrijednost 4 , a poveanjem broja okretaja kompresora 4 raste.

3

12 / pp

n=1,3

n=1,4

KOMPRESORI

31

Ukupni stupanj dobave Stupanj dobave 4321 = kree se prema podacima u literaturi od 0,7 do 0,85, a ponekad je samo 6,0= . To ovisi o tipu kompresora. Podaci se mogu nai i za 97,093,02 = pri temperaturi isparivanja 30oC, za 85,095,03 = za kompresijske omjere u granicama

53=x i za 98,095,04 = . Utjecaj broja okretaja kompresora na Kompresor moe raditi s promjenjivim brojem okretaja (npr. zbog regulacije njegove dobave). Ako isti kompresor radi s veim brojem okretaja od nominalnog, krae vrijeme koje stoji na raspolaganju za dotok plina u cilindar, te vei otpori strujanja kroz ventile imaju za posljedicu smanjenje usisane koliine plina, a time i stupnja dobave. Takoer se pri porastu broja okretaja iznad nominalnog za koji je kompresor projektiran, ventili zbog tromosti kasnije otvaraju i kasnije zatvaraju. Kasnije zatvaranje tlanog ventila (iza GMT, na putu prema DMT) moe uzrokovati povrat plina iz tlanog kolektora u kome vlada tlak 2p u cilindar u kome je tlak ve nii od 2p , a time i dodatno smanjenje stupnja dobave. Za svaki kompresor postoji optimalna brzina vrtnje n , za koju se dobiva najvea vrijednost stupnja dobave . Na slici su prikazani indikatorski dijagrami dobiveni raunalnom simulacijom za kompresor projektiran za nominalnu brzinu vrtnje 17,241 =n s-1 pri nominalnoj brzini vrtnje (debela crta) i pri dvostruko veoj brzini vrtnje 33,482 =n s-1 .

Sl. 3.7. Indikatorski dijagram za razliite brzine vrtnje kompresora (n2> n1) Utjecaj viekratne kompresije na stupanj dobave Jedan od razloga za primjenu viekratne kompresije kod veih kompresijskih omjera je i utjecaj tetnog prostora. Ako se izraz za 1 izjednai s nulom,

p

V

p2

p1

n1

n2 n2> n1

KOMPRESORI

32

011

1

1

20 =

n

s pp

VV

vidi se da za neki zadani tetni prostor 0V , odnosno kompresijski omjer postoji odreeni kompresijski omjer

n

s

VV

pp

+=

01

2 1

iznad kojeg kompresor vie ne moe dobavljati plin. to je vei 0V , to je taj kompreesijski omjer manji. Viekratna kompresija utjee na poveanje stupnja dobave . 1. Uslijed manjih kompresijskih omjera

1

2

pp manji je aV u odnosu na sluaj jednostepene

kompresije, a time je vei s

as

VVV =1

2. Kod viekratne kompresije, uslijed manjih kompresijskih omjera cilindri su hladniji, pa je i zagrijavanje plina od toplog cilindra manje. Time je 3 vei.

3.2. IZMJENA TOPLINE IZMEU PLINA I STIJENKE CILINDRA Usisani plin mijea se u cilindru s plinom koji je zaostao u tetnom prostoru i grije se uslijed izmjene topline sa stijenkom cilindra koja je ugrijana za vrijeme kompresije. Sl. 3.8. Indikatorski dijagram s prikazom smjera toka topline pri promjenama stanja

V

p

I

II

n

KOMPRESORI

33

Pri gibanju stapa od GMT ka DMT dolazi do ekspanzije plina iz tetnog prostora, a nakon otvaranja usisnog ventila do usisa. Na putu od DMT ka GMT dolazi do kompresije, odnosno nakon otvaranja tlanog ventila do istiskivanja plina. Kompresijom raste temperatura plina. Gibanjem stapa od DMT ka GMT, do toke II je temperatura plina u cilindru nia od temperature stijenke i toplina prelazi od stijenke cilindra na plin. Temperatura stijenke pada uslijed gubitka topline, a temperatura plina raste uslijed dovoenja topline i kao posljedica kompresije. Nakon toke II temperatura plina je via od temperature cilindra, pa toplina pone prelaziti s plina na stijenku cilindra. Odvoenje topline od plina na stijenku cilindra traje tijekom istiskivanja, te na jednom dijelu puta stapa tijekom ekspanzije plina iz tetnog prostora. U toki I temperature stijenke i plina su jednake. Vidimo da je uslijed ove izmjene topline kod stvarnog kompresora kompresija politropska, s promjenjivim eksponentom politrope n . Od 1 do II kompresija je s >n (dovoenje topline), dok je od II nadalje kompresija s n . Od II do 2 toplina se plinu odvodi. Entropija se smanjuje,

KOMPRESORI

34

odveden dio topline. Na poetku ekspanzije, od 3 do I, toplina se plinu odvodi i entropija se smanjuje. Od I do 4 toplina se plinu dovodi, entropija mu raste, ali temperatura i dalje pada zbog ekspanzije. Rad potreban za ekspanziju 1 kg plina od stanja 3 do stanja 4 predoen je povrinom d-4-3-e-c-d u T,s- dijagramu. Ekspanzija se moe odvijati i od stanja 3 do stanja 4'. To je sluaj za velike tetne prostore i male kompresijske omjere. Ekspanzija od stanja 3 do stanja 4. odnosi se na sluaj malih tetnih prostora i veih kompresijskih omjera. Rad kompresije odnosi se na 1 kg usisanog plina, a rad ekspanzije na 1 kg plina zaostalog u tetnom prostoru. (to znai da se rad kompresora ne moe izraunati kao razlika ova dva rada). 3. 3. STUPNJEVI DJELOVANJA Za vrijeme jednog stvarnog ciklusa izvri se rad W koji se rauna kao

= VpW d . Rad ili snaga koju troi neki stapni kompresor odreuje se pomou indikatorskog dijagrama. Indikatorski dijagam je u sutini p,V- dijagram pa e povrina koja na njemu obuhvati lik ciklusa biti u nekom mjerilu stvarni rad stvarnog kompresora kod kojeg su obuhvaeni svi dosad spomenuti utjecaji, odnosno odgovarati e vrijednosti integrala iz gornjeg izraza. Indikatorski se dijagram moe dobiti mjerenjem tlaka i pomaka stapa na kompresoru. Omjer indiciranog rada i stapajnog volumena naziva se specifini indicirani (unutranji) rad [J/m3] ili srednji indicirani (unutranji) tlak [Pa].

===

sssi V

VpVpVV

Lp dd1

Sl. 3.10. Indikatorski dijagram i srednji indicirani tlak

p

V

pi

VS

KOMPRESORI

35

Srednji indicirani tlak je onaj zamiljeni nepromjenjivi tlak koji bi, kad bi djelovao uzdu cijelog stapaja, troio jednaki rad koji troi i stvarni kompresor promjera cilindra D i stapaja s . Na slici 3.10 je prikazan indikatorski dijagram povrine A i odgovarajua jednaka povrina ija irina u nekom mjerilu odgovara stapajnom volumenu, a visina srednjem indiciranom tlaku ip . Iscrtkane povrine na slici su jednake.

Indicirana se snaga (od stapa predana plinu) moe raunati po izrazu nspdP ii 4

2=& za jedan cilindar kompresora. Indicirani izentropski stupanj djelovanja

i

isiis P

P&&=

isP& je snaga potrebna za izentropsku kompresiju.

iis pokazuje koliko je stvarni proces loiji od idealnog (zbog vika rada za politropsku kompresiju, zbog otpora u usisnim i tlanim ventilima, zbog zagrijavanja, propusnosti, nedovoljnog hlaenja kod viestupanjskih kompresora). Mehaniki stupanj djelovanja

e

im P

P&&=

gdje je eP& snaga na pogonskom vratilu kompresora.

m obuhvaa gubitke trenja i ovisi o izvedbi, podmazivanju i odravanju.Kod viestupanjskih kompresora m je to vei to je nii omjer tlakova u pojedinom stupnju. Dobre izvedbe 96,09,0 =m Viestupanjski kompresori 93,088,0 =m Mali jednoradni kompresori 85,0=m Izentropski stupanj djelovanja

e

isis P

P&&=

Slijedi is

ise

PP && = , tj. stvarna (efektivna) je snaga vea od teoretske.

KOMPRESORI

36

Izentropski stupanj djelovanja is sadri u sebi i mehaniki stupanj djelovanja

e

is

e

i

i

ismiisis P

PPP

PP

&&

&&

&& ===

Izotermni stupanj djelovanja Na isti nain kao i za izentropski, moe se provesti usporedba izotermnog idealnog procesa sa stvarnim.

Indicirani izotermni stupanj djelovanja i

iziiz P

P&&=

Izotermni stupanj djelovanja e

iziz P

P&&=

e

iz

e

i

i

izmiiziz P

PPP

PP

&&

&&

&& === .

3.4. RAZVODNI SUSTAVI KOMPRESORA 3.4.1. SAMORADNI VENTILI

Samoradni ventili su razvodni organi specifini za veinu stapnih kompresora. Gotovo svi stapni kompresori imaju samoradne ventile na usisnoj i na tlanoj strani. Iznimku ine jedino rotorni kompresori kod kojih se ili ugrauje samo tlani ventil ili nema niti jednog ugraenog samoradnog ventila. Djeluju kao protupovratni ventili tj. proputaju plin samo u jednom smjeru. Usisni ventil tako proputa plin iz usisnog voda u cilindar, a tlani ventil iz cilindra u tlani vod. Usisni i tlani ventil ine razvodne organe koji omoguavaju da tijekom puta stapa od GMT do DMT plin kroz usisni vod ulazi u cilindar tj. da se vri usisavanje, a nakon kompresije, na dijelu puta od DMT do GMT, ventili omoguavaju izlaz plina iz cilindra kroz tlani vod tj. istiskivanje plina. Tijekom usisavanja plina tlak u cilindru je nii od od tlaka usisnog voda zbog pada tlaka na usisnom ventilu. Tijekom istiskivanja tlak u cilindru je vii od tlaka tlanog voda, takoer zbog pada tlaka u tlanom ventilu. Djelovanje stapnog kompresora prilagouje se zbog navedenog samo po sebi nametnutim vanjskim uvjetima rada. To znai da je kompresijski omjer 12 / ppx = u istom kompresoru promjenjiv i ovisan iskljuivo o tome kakav je tlak 1p u usisnom vodu ispred usisnog ventila, a kakav 2p iza tlanog ventila. Kompresijski omjer je dakle veliina koja nije uvjetovana konstrukcijom ili veliinom stapnog kompresora, odnosno brzinom njegove vrtnje n . Samoradni ventili otvaraju se automatski, ve kod malih razlika tlakova. Postoje razliite izvedbe ovakvih ventila.

KOMPRESORI

37

Izvedba s koncentrinim rasporima Ova se izvedba sastoji iz:

sjedita ventila ploice opruge odbojnika (graninika)

Sl. 3.11. Izvedba ventila stapnog kompresora s koncentrinim rasporima

Sjedite ventila mora biti izraeno iz kvalitetnog lijevanog eljeza. Optereeno je udarcima ploice, a kroz otvore na sjeditu ventila struje plinovi velikom brzinom. Kod viih tlakova sjedite se izrauje i iz elika.

Ventilska ploica je najosjetljiviji dio ne samo ventila ve i cijelog kompresora. Moe biti izvedena iz jednog komada s odgovarajuim rasporima, ili iz vie prstena, ija je prednost da imaju maju masu i lake se obrauju. esto su izvedene kao opruge. Ploice moraju imati veliku otpornost na udar i im je mogue manju masu. Debljina ploice ovisi o veliini ventila i tlaku, a kree se od 0,8 do 4 mm. Ploice se izrauju iz legiranih elika. Na slici je prikazana osnovna izvedba. Kod nekih se izvedbi izmeu ploice i opruge postavlja jo ploica namijenjenih priguenju udara pri nalijeganju na odbojnik.

Opruge su potrebne za brzo i sigurno zatvaranje ventila. Ne smiju prouzroiti veliki otpor kod otvaranja. One takoer kod otvaranja spreavaju udarac ploice na odbojnik. Rade se iz kvalitetnog elika za opruge.

Odbojnik slui za ogranienje podizaja ploice i za pridravanje opruga. esto se koristi i za voenje ploica. Izrauje se iz lijevanog eljeza ili elika.

1 sjedite ventila 2 ploica ventila 3 opruga 4 priguna ploica 5 odbojnik 6 vijak 7 krunasta matica 8 prsten

1

5

8

3

4

2 Sklop ventila

Ploica

6 7

KOMPRESORI

38

Izvedba s ravnim rasporima Samoradni ventili sa ravnim rasporima vrlo su rairena vrsta ventila. Smjetaju se u cilindar na isti nain kao i ventil s koncentrinim rasporom. Konstrukcijski su neto jednostavniji i imaju manje dijelova. U sjeditu ventila urezani su ravni raspori koji se zatvaraju pomou sline ventilne ploice. Ploicu pritiu lisnata ventilna pera koja se oslanjaju na ventilni odbojnik. Podizanje ventilnih ploica odreeno je debljinom uloka koji ujedno slui i za voenje ploice. Svaka ploica vodi se zasebno to iziskuje vrlo preciznu i kvalitetnu obradu dijelova kako ne bi dolo do zaglavljivanja ili loma ploice. Kod nekih vrsta ovog tipa ventila, ventilna ploica i ventilno pero sloeni su u jedan element to pojednostavljuje konstrukciju.

Sl. 3.12. Izvedba ventila stapnog kompresora s ravnim rasporima Lamelni ventili Lamelni ventili namijenjeni su uglavnom manjim stapnim kompresorima koji se u hermetikoj ili poluhermetikoj izvedbi ugrauju u manje rashladne ureaje. U ventilnoj ploi nalaze se provrti usisnog i tlanog ventila koje zatvaraju lamelne ploice tlanog i usisnog ventila. Ploice su vrlo tanke i elastine te svojim progibom oslobaaju usisne odnosno tlane otvore pa posebne opruge nisu potrebne. Podizaj tlane ploice ogranien je stremenom koji je pomou svornjaka, opruga i osiguraa upet za ventilnu plou. Zatici slue za pozicioniranje ploice usisnog ventila, ali i cijelog ventilskog sklopa s obzirom na cilindar. Ventil se uvruje stezanjem izmeu poklopca cilindra i samog cilindra.

Sl. 3.13. Lamelni ventili stapnog kompresora - shematski prikaz

Presjek A-A

Presjek B-B

Presjek C-CProstorni pogled

1 ventilna ploa 2 lamelna ploica tlanog ventila 3 lamelna ploica usisnog ventila

2

3

1

KOMPRESORI

39

Sl. 3.14. Izvedba ventilske ploe i tlanog lamelnog ventila stapnog kompresora Ravnostrujni ventili Lamelni ventili, kao i oni sa ravnim i koncentrinim rasporima imaju zajedniku znaajku da je struja plina prilikom prolaska kroz njih prisiljena naglo skretati. Nakon to je prola raspore u ventilnoj ploi, struja plina treba zaobii ventilnu ploicu te potom proi i kroz raspore u odbojniku. To predstavlja dva uzastopna skretanja struje za 90, to utjee na pad tlaka u ventilu i volumetrijske gubitke.

Sl. 3.15. Izvedba ravnostrujnog ventila okruglog presjeka Ravnostrujni ventili smanjuju gubitke nastale uzastopnim skretanjem struje plina za 90. Kanali za prolaz plina usmjereni su gotovo okomito na ventilski sklop, a sama ventilna ploica takoer prati taj smjer. Ventilne ploice uklijetene su izmeu segmenata ventila i djeluju na slian nain kao u lamelnom ventilu. Odlikuju se neto manjim gubicima

usisni

tlani

brtva glave cilindra

graninik tlanog ventila

brtva ventilne ploe

vijak i osigura tlanog ventila

tlani ventil ventilna ploa

sklop ventilne ploe

KOMPRESORI

40

priguivanja. Kao posljedica vee debljine ventilne ploe pojavljuje se vei tetni prostor, a time i slabiji volumetrijski stupanj djelovanja uzrokovan tetnim prostorom. Etani ventili Etani ventili koriste se kod viestupanjskih kompresora kod kojih u zavrnim stupnjevima kompresije esto dolazi do nedostatka prostora za smjetaj ventila. Sadre po dva ili vie usisnih odnosno tlanih ventila smjetenih jedan iznad drugog. Time se na maloj tlocrtnoj povrini ostvaruju velike povrine presjeka otvora ventila ali se bitno poveava i tetni prostor.

Sl. 3.16. Izvedba etanog ventila Zahtjevi koji se postavljaju pred ventile su brojni:

Masa ploice treba biti to manja, tako da sile uslijed ubrzanja kod otvaranja i zatvaranja ventila budu to manje i da udarac ploice na sjedite i odbojnik bude to manji.

Presjeci za strujanje trebaju biti to vei, kako bi pad tlaka bio im manji. Mala ugradbena mjera. Velika pogonska sigurnost i trajnost.

Treba paziti i na izbor maziva, da ne bi dolo do zauljivanja ventila (sljepljivanje). Ventili se mogu smjestiti u glavi cilindra ili u samom cilindru. Ukoliko presjek jednog ventila nije dovoljan, moe se uzeti vie njih. Usisni i tlani ventili obino su jednaki, kako bi broj rezervnih dijelova bio manji. Kod tlanih je ventila vrijeme otvorenosti krae, jer je i manji volumen plina koji kroz njih mora protei. Ima izvedbi kod kojih su usisni i tlani ventili ujedinjeni u jedno kuite radi boljeg iskoritenja prostora. Kod kompresora niskog tlaka je esto se usporedno smjetaju usisni i tlani ventil u poklopac cilindra. Kod takvih su kompresora, zbog male gustoe plina, doputene vee brzine plina i i vei podizaj ploice. Zbog toga ventili ne smiju premaiti radijus cilindra i ne smiju biti veliki. Time ovakav smjetaj ventila omoguava najmanji udio tetnog prostora. Kod visokotlanih kompresora, u viim stupnjevima komprimiranja, ventile je zbog malog promjera cilindra potrebno smjestiti jedan nasuprot drugome. Takva konstrukcija omoguava mnogo vee udjele tetnog prostora, a samim time i vee volumetrijske gubitke. Usporedni i nasuprotni smjetaj ventila olakavaju nadzor i odravanje ventila jer je vaenje i umetanje ventila mogue bez odvajanja usisnog od tlanog voda.

KOMPRESORI

41

Koritenjem koncentrinih konstrukcija omogueno je bolje iskoritenje raspoloivog prostora. Kod ovoga konstrukcijskog tipa prstenasti tlani ventil obuhvaa usisni ventil dok je cijeli sklop pritisnut vijcima i ahurom na dosjednu plohu u cilindru kompresora. Kod rashladnih kompresora esta je izvedba koncentrinog ventilskog sklopa. Ventilna ploa tlanog ventila zatvara cilindar pritisnuta samo oprugom i na taj je nain osigurano odizanje cijelog ventilskog sklopa u sluaju hidraulikog udara. Usisni je ventil pomaknut na vei promjer oboda cilindra, ime su dobiveni vei presjeci za prestrujavanje plina u cilindar. Kod dvoradnih strojeva ugradnja ventila u poklopac cilindra na strani krine glave nije mogue i tada se ventili, radi simetrije, ugrauju bono u stijenku cilindra. Mogue su izvedbe sa ventilima okomitim na os cilindra i usporednim sa osi cilindra. Obje izvedbe daju neto vee udjele tetnog prostora od izvedbi sa ventilima u poklopcu cilindra.

Sl. 3.17. Smjetaj samoradnih ventila u poklopcu cilindra

KOMPRESORI

42

Sl. 3.18. Smjetaj samoradnih ventila u stijenku cilindra

KOMPRESORI

43

Proraun ventila

Sl. 3.19. Uz proraun samoradnih ventila s koncentrinim rasporima Tijekom usisa ili istiskivanja treba biti zadovoljena jednadba kontinuiteta, tj. protok kroz cilindar jednak je protoku kroz sjedite ventila.

sisim uAAu =

4

2dA = - povrina stapa mu - srednja stapna brzina, koja se izraunava kao

snum 2=

gdje je s [m] stapaj, a n [s-1] broj okretaja koljenastog vratila.

siA - povrina otvora u sjeditu ventila - stvarni prolazni presjek za strujanje

siu - srednja brzina plina kroz sjedite ventila Iz jednadbe kontinuiteta slijedi

si

msi u

AuA =

b1

dm1

b2

hmax h

dm2

usp

KOMPRESORI

44

Stvarni prolazni presjek za strujanje plina manji je za povrina mostia koji povezuju pojedine segmente raspora jednog prstena od povrine '

siA , koja se za primjer prikazan na slici 3.23.

izraunava kao:

=+= bdbdbdA mmmsi 2211 Obino je bbb == 21 , pa vrijedi

= msi dbA Dakle, zbog udjela mostia koji povezuju segmente raspora stvarna povrina za strujanje rauna se kao:

si

siAA= - (faktor 1> )

U ovisnosti o tlaku i izvedbi ventila se kree u granicama od 1,2 do 1,35, to znai da je za 20 do 35% umanjena povrina zbog veza prstenastih otvora. Za krune prstenaste otvore bez uvrenja sisi AA = , a inae je sisi AA > . Povrina raspora rA za podignutu ploicu je: ( ) ( ) ( ) ( )[ ] =+++++= mmmmmr dhhbdbdbdbdA 22211 pri emu je bbb == 21

Odnos povrina bh

dbdh

AAx

m

m

si

rv

22 ===

Odatle slijedi podizaj ploice

2vbxh =

vx ovisi o tome da li je kompresor brzohodni ili sporohodni. Orijentacijske vrijednosti su

sljedee:

3,0=vx za brzohodne kompresore 7,0=vx za sporohodne kompresore

KOMPRESORI

45

ogvsporohodngvbrzohodno xx < , pa je podizaj kod brzohodnih kompresora manji.

Sl. 3.20. Podizaj ploice h u ovisnosti o broju okretaja i tlaku.

spu - brzina strujanja kroz raspore. Brzine spu ne smiju biti prevelike, kako bi se priguenje prilikom usisavanja odnosno istiskivanja zadralo u zadovoljavajuim granicama. Na sljedeem su dijagramu prikazane maksimalne brzine spu , u ovisnosti o vrsti plina i tlaku. (pad tlaka je razmjeran kvadratu brzine i gustoi plina, a gustoa je ovisna o tlaku).

Sl 3.21. Maksimalne brzine spu , u ovisnosti o vrsti plina i tlaku

1 2 4 6 10 20 40 60 100 200 400 600 1000 p bar

usp ms-1

0

10 20

30 40

50 60 70 80

90

100

110

120

vodik

amonijak

freon (tlani v.)

freon (usisni v.)

zrak

6 5

4

3

2

1

0,6 100 200 300 400 500 1000 2000

n min-1

p = 1bar

25

1050

100200

5000.8

h [mm]

KOMPRESORI

46

3.4.2. RAZVOD S RASPORIMA Na tlanoj je strani ventil, a umjesto usisnih ventila su ugraeni raspori u cilindru. Ovakav se razvod primjenjuje uglavnom kod kompresora malih rashladnih ureaja, jer su gubici u odnosu na slobodan razvod vei. Ostvaren je uzduni protok komprimiranog plina kroz cilindar.

Sl. 3.22. Razvod s rasporima Kod kretanja stapa iz GMT prema DMTplin zaostao u tetnom prostoru ekspandira (promjena 1 2). Tlak u cilindru padne dosta nie od tlaka na usisnom prikljuku. Dok se raspori ne oslobode, nema usisavanja. Nakon otvaranja raspora napuni se cilindar na tlak 1p (promjena 2 2). Od 2 do 3 stap se kree ka DMT, a od 3 do 2 stap se kree od DMT ka GMT, ali usis jo uvijek traje. U 2 raspori se zatvore i kompresija moe poeti. Potreban je rad vei nego kod razvoda s automatskim ventilima.

p

V

p1 2'

1

2

3

DMT GMT

TV

raspor

KOMPRESORI

47

3.5. REGULACIJA DOBAVE STAPNIH KOMPRESORA Potrebna dobava kompresora nije uvijek jednaka dobavi za koju je kompresor odabran. Kod rashladnih kompresora je rashladno optereenje promjenjivo i nije jednako rashladnom uinku za koji je instalacija projektirana. Slino je i kod proizvodnje stlaenog zraka za prijenos energije ili rad ureaja automatske regulacije, ali i u svim ostalim primjenama gdje je potrebno komprimiranje. Zbog toga je potrebna regulacija dobave kompresora. Koliina plina koju kompresor dobavlja u nekom vremenu t jednaka je

nztVtVV s== & Iz gornje jednadbe vidi se da dobavu moemo mijenjati promjenom vremena rada kompresora t , promjenom brzine vrtnje n , promjenom broja radni cilindara z ako se radi o kompresoru s vie cilindara i promjenom stupnja dobave . Razlikujemo:

1. Povremeni prekid pune dobave 2. Grubu regulaciju dobave 3. Kontinuiranu regulaciju dobave

Ukupna dobava u vremenu rada kompresora uvijek treba biti jednaka potronji, samo se razlikuje vrijeme rada i trenutna dobava kod pojedinih sluajeva regulacije.

tVtVtVtVp 32211 &&&& ===

Sl. 3.23. Regulacija dobave kompresora

V&

t

3V&

pV&

1V&

2V&

KOMPRESORI

48

3.5.1. POVREMENI PREKID PUNE DOBAVE 3.5.1.1. Povremeno ukljuivanje i iskljuivanje Djeluje se na pogonski motor kompresora. Tlak u spremniku plina ili temperatura u hlaenoj prostoriji mijenjati e se tijekom vremena unutar zadanih granica. Uestalost promjena izmeu gornje i donje dozvoljene vrijednosti tlaka ili temperature ovisi o potronji plina ili rashladnom uinku i o razlici gornje i donje granice temperature ili tlaka. 3.5.1.2. Povremeno potpuno zatvaranje usisnog voda Djeluje se na ventil koji zatvara usisni vod, dok kompresor nastavlja raditi u praznom hodu. Kod viestupanjskih je kompresora ovo potrebno napraviti samo na niskotlanom stupnju. Zbog veeg podtlaka u cilindru moe doi do usisavanja ulja. Indikatorski je dijagram prikazan na sljedeoj slici.

Sl. 3.24. p,V- dijagram za sluaj regulacije dobave zatvaranjem usisnog voda 3.5.1.3. Povremeno dranje usisnih ventila sa stalno podignutim ploicama Djeluje se na usisni ventil, tako da se ploica dri podignutom pomou hvataa ili podizaa. Dranje usisnih ventila sa dignutim ploicama potrebno je provesti u svim stupnjevima i na svim cilindrima kompresora ako se eli ostvariti prekid pune dobave. Usisani se plin vraa u usisni vod, a p,V- dijagram izgleda kao na slici. Sl. 3.25. p,V- dijagram za sluaj regulacije dobave podizanjem ploice usisnog ventila

p

V

puna dobava

prazni hod

p

V

puna dobava

podignuta ploica

KOMPRESORI

49

Kod prijelaza od praznog hoda na puno optereenje, hvata oslobodi ploicu i ventil se pone automatski zatvarati i otvarati. Ovo nije podesno kod velikih kompresora koji imaju puno usisnih ventila. Hvata ili podiza mogu biti s pneumatskim ili hidraulikim pogonom. Na slijedeoj slici prikazan je mehanizam jednog ureaja za dranje otvorenog usisnog ventila s hidraulikim pogonom. Tlak ulja djeluje na stap 10 u hidraulikom cilindru 8. Stap preko poluge 5 pomie prsten 4 i s njime spojen prsten 1. Prsten 1 preko podizaa 7 podie ploicu usisnog ventila 6. Ovo se iskljuivanje moe provesti i na pojedinim cilindrima radi ostvarenja grube regulacije dobave.

Sl. 3.26. Mehanizam za podizanje ploice usisnog ventila

3.5.2. GRUBA PROMJENA DOBAVE 3.5.2.1. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom broja polova elektromotora Ova je regulacija mogua jer je dobava kompresora prema naprijed spomenutom izrazu proporcionalna broju okretaja n . Ta proporcionalnost nije direktna, jer se sa smanjenjem broja okretaja poveava stupanj dobave , odnosno stupanj dobave se smanjuje s poveanjem n . Danas se za pogon kompresora koriste najee asinhroni motori. Njihova je

brzina vrtnje odreena izrazom pfn = [s-1], gdje je f frekvencija izmjenine struje, a p broj

pari magnetskih polova. Kad se govori o gruboj promjeni dobave, misli se na mogunost promjene broja magnetnih polova asinhronog motora prekopavanjem broja pari polova motora s vie pari polova. Time je mogua samo gruba regulacija dobave u skokovima moguih brzina vrtnje. U novije vrijeme uestalo se koriste regulatori frekvencije napajanja, koji mogu osigurati kontinuiranu promjenu broja okretaja kompresora.

ulje pod tlakom

1

2

3

4

5

6 7

8 9 10

11

KOMPRESORI

50

3.5.2.2. Regulacija promjenom veliine tetnog prostora Ovom se regulacijom utjee na stupanj dobave . Kod viestupanjskih se kompresora mora sprovesti u svim stupnjevima, kako bi kompresijski omjer u svim stupnjevima ostao isti. Kod grube regulacije dobave otvaranjem ventila tetnom se prostoru dodaje jedan ili vie nepromjenjivih prostora 0V . Dodavanjem tetnog prostora pomie se ordinata u indikatorskom dijagramu lijevo, mijenjajui tako tok linija ekspanzije i kompresije. Na p,V- dijagramu prikazan je sluaj kad su kompresoru dodana dva tetna prostora, bV0 i cV0 . Potrebna veliina ukupnog tetnog prostora koja bi osigurala da kompresor bude potpuno rastereen dobiva se izjednaavanjem izraza za 1 s nulom, tj.

011

1

1

20 =

n

s pp

VV

iz ega slijedi

1

1

1

2

0

=n

s

pp

VV

Danas se zbog sloene i skupe izvedbe ova regulacija rijetko koristi, osobito za viecilindrine kompresore.

Sl. 3.27. Regulacija dobave promjenom veliine tetnog prostora

p

V

a

a

b

b

c

c

Vs

a b c

V0

V0b

V0c

V1

V2

a tetni prostor 0V b tetni prostor 0V + dodatni tetni prostor bV0 c tetni prostor 0V + dodatni tetni prostor bV0 + dodatni tetni prostor

V

KOMPRESORI

51

3.5.2.3. Regulacija iskljuivanjem pojedinih cilindara Ako kompresor ima vie paralelno povezanih cilindara, moe se dobava smanjiti djelominim iskljuivanjem. Kod viestupanjskih kompresora potrebno je ovu regulaciju provesti u svim stupnjevima. Ako je npr. dvostupanjski kompresor s 3 cilindra u prvom i 1 cilindrom u drugom stupnju, tada regulaciju drugog stupnja treba provesti na drugi nain, npr. 2.2. Ako je npr. 8 cilindrini, 6 cilindara u prvom i dva u drugom stupnju, pri smanjenju dobave na pola iskljuili bi tri cilindra u prvom i jedan u drugom stupnju. 3.5.3. KONTINUIRANA REGULACIJA DOBAVE Ova je regulacija najbolja, ali je obino najskuplja 3.5.3.1. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom frekvencije napajanja Mijenja se frekvencija napajanja pomou posebnih regulatora. Treba paziti na osiguranje potrebnog zakretnog momenta elektromotora za pogon kompresora kod razliitih brojeva okretaja i na pomazivanje kod niih brojeva okretaja. 3.5.3.2. Regulacija s usisnim ventilom upravljanim izvana Usisni se ventil dri otvoren na jednom dijelu puta stapa prilikom kompresije, tako da se jedan dio usisanog plina odmah istiskuje natrag u usisni vod. Ova se regulacija mora kod viestupanjskih kompresora provesti u svim stupnjevima. Ostvaruje se pomou mehanikog poluja, upravljanog hidrauliki, pneumatski ili elektromagnetski. Sl. 3.28. p,V- dijagram za sluaj regulacije dobave izvana upravljanim usisnim ventilom

p p

V

a b c

Puno optereenje - a Smanjena dobava b a do b istiskivanje plina u usisni vod (ventil otvoren), u b poinje kompresija Smanjena dobava c - jo manja nego za sluaj b a do c istiskivanje plina i tek u c pone kompresija

KOMPRESORI

52

3.5.3.3. Vremenski promjenjiv dodatni tetni prostor Ako se predvidi dodatni tetni prostor koji ima podesivi stap, moe se omoguiti kontinuirana promjena veliine dodatnog tetnog prostora. Stap moe biti pokretan servomotorom.

Sl. 3.29. Regulacija dobave vremenski promjenjivom kontinuiranom promjenom veliine tetnog prostora

Jo jedna izvedba regulacije s vremenski promjenjivim dodatnim tetnim prostorom prikazuje se u nastavku. Kod pune dobave ventil b je zatvoren (dodatni je prostor iskljuen). Sila u opruzi je 0=F . Proces u dijagramu predoen je povrinom 1-2-3-4. Promjene su slijedee: 1-2 ekspanzija plina iz tetnog prostora; 2-3 usis; 3-4 kompresija; 4-1 istiskivanje. to je podeena sila u opruzi vea, to e dobava biti manja. Sila u opruzi je u ravnotei sa silom kojom mali stap d djeluje na oprugu. zs pAF = gdje je pA povrina stapa d, a zp tlak u cilindru. Ventil b se zatvara kad je tlak u cilindru vei od zp i otvara kad je tlak u cilindru manji od zp . U toki 6 se otvara ventil b, pa se ekspanzija nastavlja po liniji 6-2'. Kompresija tee od 3 do 5, a u toki 5 se ventil b zatvara, tetni prostor je manji i kompresija tee po strmijoj liniji od 5 do 4'. Novi je proces 1-6-2'-3-5-4'-1. Promjene su slijedee: 1-6 ventil b je zatvoren; 6-2' ventil b je otvoren; Za vrijeme usisa od 2' do 3 ventil b je otvoren, kao i za vrijeme kompresije od 3 do 5; od 5 do 4' ventil b je zatvoren. Vidi se da je od 3 do 5 linija kompresije poloitija nego to bi bila da je ventil b zatvoren. Od 5 do 4' linija kompresije je strmija jer je tetni prostor iskljuen. Ako je dodatni tetni prostor a dovoljno velik, moe se provesti kontinuirana regulacija od 0 do 100% optereenja. Promjena sile opruge e moe se izvriti runim kolom ili pomou servomotora.

s

V0=f(s)

KOMPRESORI

53

Sl. 3.30. Regulacija dobave s vremenski promjenjivim dodatnim tetnim prostorom

p1

p2

pz

pz1

pz2

1

2' 3

4

c d

5

4'

6

2

x y

Vmin Vz

Vs V0 V0d Vs Va

a

bc e

d

KOMPRESORI

54

3.6. OSNIVANJE STAPNOG KOMPRESORA Ovdje spadaju odreivanje tipa gradnje kompresora, broja stupnjeva, brzine vrtnje, broja i dimenzija cilindara. Tip kompresora odreuje se iskustveno i tu postoji niz razliitih rjeenja, ovisno o namjeni, posebnim zahtjevima i konstrukcijskim rjeenjima koje su razvili razliiti proizvoai. Brzina vrtnje kree se u irokim granicama (1,5 do 25 s-1), obino je nia za vee kompresore. Ogranienje brzine vrtnje je zbog potrebe ogranienja inercijalnih sila, ali i zbog ogranienja padova tlaka u ventilima. Na odabir broja stupnjeva kompresora kod zadanog kompresijskog omjera utjee veliina stupnja dobave, potrebna snaga i ogranienje temperature na kraju kompresije, vezano na odranje svojstava ulja za podmazivanje. Dimenzije cilindara jednostupanjskih kompresora Dobava kompresora izraena je kao:

snzDnzVV s 4

2 ==& gdje je n brzina vrtnje, z broj cilindara, s stapaj, D promjer cilindra i stupanj dobave. je omjer stapaja i promjera cilindra, i to je vana karakteristika koja odlikuje razliite kompresore. Kod brzohodnih kompresora je manji ( 9,07,0 = ) nego je to sluaj kod sporohodnih kompresora ( 1> ). Vei znai i veu brzinu stapa, a time i veu brzinu strujanja kroz ventile. Zato se za plinove i pare vee gustoe (npr. u rashladnoj tehnici) kompresori grade s manjim .

Ds=

Kombinacijom izraza za dobavu V& [m3/s] i dobiva se

34

nzVD &=

ime je mogue odrediti promjer cilindra temeljem iskustveno odabranog omjera , broja cilindara z i odabrane brzine n za zadanu dobavu kompresora V& i stupanj dobave koji se odreuje za zadani omjer tlakova 12 pp temeljem ranije prikazanih izraza za izraunavanje .

KOMPRESORI

55

3.7. IZVEDBE STAPNIH KOMPRESORA Prema nainu izvedbe, smjetaju i primjeni osnovnih elemenata kompresora (cilindar, stap, ventili, stapni mehanizam i kuite) razlikuju se meusobno tipovi kompresora. Neke od osnovnih izvedbi prikazane su na slici 3.31.

Sl. 3.31. Izvedbe stapnih kompresora S obzirom na izvedbu, cilindri mogu biti jednoradni i dvoradni. Kod jednoradnih se plin komprimira samo s jedne strane (Sl. 3.31. a), a kod dvoradnih s obje strane stapa (Sl. 3.31. b). Mehanizam kompresora s dvoradnim cilindrima mora se graditi s krinom glavom, obzirom na mogunost brtvenja stapnog prostora Na Sl. 3.32 prikazan je shematski prikaz (a) i presjek

a b c d

e f g h

i j k

l m n

KOMPRESORI

56

(b) jednog dvoradnog kompresora s krinom glavom. S 1 je oznaena gornja vodilica stapajice, 2 je prsten za ulje stapajice, 3 je brtvenica cilindra i 4 stap.

Sl. 3.32. Dvoradni kompresor s krinom glavom Cilindri mogu biti izvedeni kao leei (Sl. 3.31. a, b) ili stojei (Sl. 3.31. c, d). Obino se brzohodni kompresori manje i srednje dobave grade s jednoradnim stojeim cilindrima, dok se sporohodni kompresori za velike dobave grade s leeim dvoradnim cilindrima. Cilindri mogu biti smjeteni u obliku slova V i W (Sl. 3.31. e, f). Kod stojeih cilindara ili onih smjetenih u obliku V ili W moe biti poredano dva ili vie jednakih cilindara u redu, pa se tada govori o linijskim izvedbama (Sl. 3.31. g, h i Sl. 3.33).

KOMPRESORI

57

Sl. 3.33. Rashladni jednostupanjski kompresor u linijskoj W izvedbi - popreni i uzduni presjek

Izvedba kompresora moe biti i u obliku slova L, bilo sa jednoradnim ili dvoradnim cilindrima (Sl. 3.33. o, p). To je specijalni sluaj V izvedbe.

KOMPRESORI

58

Sl. 3.34. L izvedbe stapnih kompresora Izvedbe viestupanjskih kompresora Izvedbe s vie cilindara su pogodne za serijsku gradnju, posebno ako se koriste cilindri istih ddimenzija. Na prikazanom primjeru tri cilindra su paralelno spojena u I stupanj, dok etvrti cilindar slui za drugi stupanj kompresije.

Sl. 3.35. Izvedba viestepenog kompresora s vie istih cilindara Mogue je za svaki stupanj upotrijebiti cilindar odgovarajueg promjera. Time se smanjuje broj cilindara. Ovakva se konstrukcija koristi uglavnom za male kompresore.

Sl. 3.36. Izvedba viestepenog kompresora s cilindrima razliitih promjera Cilindri mogu ili moraju biti razliitih dimenzija, ako se u njima provodi dvostepena ili viestepena kompresija. Tada takoer mogu biti smjeteni u redu (Sl. 3.31. g, h), ali se ee takvi kompresori izvode kao opozitna (bokser) izvedba (Sl. 3.31. i, j, k) ili kao udvojena izvedba (Sl. 3.31. l, m), odnosno tandem izvedba (Sl. 3.31. n).

o p

I II

I II

KOMPRESORI

59

Sl. 3.37. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora za zrak u V izvedbi

Sl. 3.38. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora u L izvedbi

KOMPRESORI

60

Sl. 3.39. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora u L izvedbi Izvedbe viestupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima Prednosti izvedbi sa stepenastim stapovima su jednostavan pogon i jednostavno izjednaenje sila koje djeluju na stapni mehanizam. Nedostaci su velike mase u gibanju, teko brtvljenje prstenastih prostora. Kod ovakvih kompresora treba voditi rauna:

da sile koje djeluju na stap pri kretanju od GMT ka DMT i natrag budu to je mogue vie jednake

da brtvljenje bude to bolje, da prvi stupanj u kojem se javlja podtlak ne granii s pogonskim prostorom (sisanje

ulja), da demontaa stapa i ostalih dijelova bude to jednostavnija, da kompresijski omjer meu stupnjevima bude po mogunosti jednak, ali pritom treba

paziti na izjednaenje stapnih sila, da niskotlani stupanj bude po mogunosti izveden kao puni cilindar sa stapnim

prstenovima na jednom promjeru,

KOMPRESORI

61

da se pri kretanju stapa u jednom smjeru u niem stupnju provodi kompresija, a u viem usis, kako ne bi dolo do pada tlaka u hladnjaku.

Svi ovi zahtjevi ne mogu biti stovremeno zadovoljeni, pa se za odreene svrhe nae kompromis. Izvedbe dvostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

Sl. 3.40. Izvedbe dvostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima Nedostaci izvedbe a su u tome to su sile na stapu udvostruene, jer se istovremeno odvija usis ili kompresija u oba stupnja. Prvi stupanj granii s karterom, pa je mogua poveana potronja mazivog ulja i oneienje plina tim uljem. Izvedba b povoljnija je to se tie sila, prvi stupanj je povoljnije smjeten, ali je nepovoljnija za brtvljenje od izvedbe a. Izvedba c je skuplja, jer je potreban mehanizam s krinom glavom. Izvedba c ima prednosti izvedbi a i b, a nema njihove mane. Prostor oznaen s x nije predvien za kompresiju. Izvedbe trostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

Sl. 3.41. Izvedbe trostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

c a b

II

I

I

II

I

II

x

III

I

II

Ia

Ib

III

II

KOMPRESORI

62

Izvedbe etverostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

Sl. 3.42. Izvedbe etverostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

I II III

IV

IV

d4

I A

II III

d2 d3 d1

IV II Ib Ia III

d4 d2

d1 d3

KOMPRESORI

63

Peterostupanjski kompresor sa stepenastim stapovima

Sl. 3.43. Izvedba peterostupanjskog kompresora sa stepenastim stapovima Izvedbe viestupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima i vie cilindara Trostupanjski

Sl. 3.44. Izvedba trostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa etverostupanjski

Sl. 3.45. Izvedba etverostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa

II

A

III Ib

Ia

V IV

Ib Ia III

II

IV

I

II

III

KOMPRESORI

64

esterostupanjski

Sl. 3.46. Izvedba esterostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa

I I

V III

II

II VI IV

KOMPRESORI

65

3.8. PODMAZIVANJE STAPNIH KOMPRESORA Pravilno podmazivanje je od najvee vanosti za rad kompresora. Uloga podmazivanja ukljuuje smanjenje trenja izmeu dijelova u meusobnom kretanju, brtvljenje zazora izmeu stapa i cilindra i odvoenje topline. Od ulja se oekuje da stvara uljni film izmeu dodirnih povrina, smanjuje toplinu trenja hlaenjem i odvoenjem topline, smanjuje troenje dijelova, smanjuje gubitke trenja i potrebnu snagu, smanjuje proputanje plinova i ostvari brtvljenje zazora izmeu stapa i cilindra, titi dijelove od korozije, te smanjuje naslage i taloge. Pravilno podmazivanje ukljuuje odabir kvalitetnog ulja za tono odreene uvjete rada, pravilno skladitenje i obradu ulja, te dobavu optimalnih koliina ulja u svrhu boljeg stupnja iskoristivosti kompresora. Vezano za ove imbenike, javljaju se jo i zahtjevi za odgovarajuom istoom plinova na ulazu i na putu kroz kompresor, te redovnim kontrolama, ienjem i odravanjem mehanikih dijelova kompresora i svih ostalih usko povezanih sustava. Razlikujemo dva temeljna naina podmazivanja kompresora: prirodno i prisilno 3.8.1. PRIRODNO PODMAZIVANJE KOMPRESORA Podmazivanje kompresora prskanjem, odnosno uljnom maglom Podmazivanje moe biti u potpunosti izvedeno metodom prskanja. Ovakav tip podmazivanja kompresora je izveden na nain da izdanak - raspriva na ojnici pri svakom okretaju koljenastog vratila proe kroz ulje u karteru te ga na taj nain raspri u uljnu maglu koja prodire na sva mjesta u kompresoru gdje je potrebno podmazivanje i brtvljenje.

Slika 3.47. Sustav podmazivanja uljnom maglom dvoradnog kompresora

KOMPRESORI

66

Podmazivanje kompresora s uljnom prstenovima Kod ovog, takoer prirodnog naina podmazivanja kompresora mazivo ulje dobavlja pomou dva uljna prstena ovjeena o koljenasto vratilo. Oni su svojim donjim djelom uronjeni u ulje u karteru. Rotacija vratila povlai ih sa sobom te se ulje adhezijskim i viskoznim silama dovodi u ljeb koljenastog vratila, gdje se tada centrifugalnom silom transportira kroz provrt vratila kojim se razvodi do leajeva. Ulje koje na kraju izlazi iz leteih leajeva koljenastog vratila raspruje se uslijed rotacije te na taj nain proizvodi uljnu maglu za podmazivanje glavnih leajeva i cilindara. 3.8.2. PRISILNO PODMAZIVANJE KOMPRESORA Prisilno podmazivanje kod brzohodnih kompresora najee se provodi pomou zupaste uljne pumpe gonjene koljenastim vratilom. Ulje koje dolazi iz uljne pumpe preko regulatora tlaka razvodi se provrtima koljenastog vratila do glavnih i leteih leajeva, a esto i kroz ojnicu do leajeva osovinice stapa. Na slici 3.46. prikazan je shematski kompresor sa prisilnim podmazivanjem.Zupasta pumpa crpi ulje iz kartera tanka kroz filter. Prolaskom kroz filter ulje se dalje tlai do koljeniaste osovine odakle se izbuenim kanalima dovodi do temeljnih leajeva a po potrebi kanalima u konjeniastoj osovini i stapajici do leteih leajeva i leajeva krine glave. Tlani sustavi su opremljeni sa usisnim preistaima, kontrolnim ventilima, te u sluaju veih kompresora i rashladnikom ulja te sigurnosnim ventilima za zaustavljanje kompresora u sluaju pada tlaka. Kuita su izvedena da odvajaju neistoe i prainu od ulja te da spreavaju proputanje.

Sl. 3.48. Shema sustava tlanog podmazivanja kompresora

1. Uljna pumpa 4. Razdjelnik regulatora dobave 1'. Uljna pumpa (shematski prikaz) 5. Uljna komora 2. Ventil za regulaciju visokog tlaka 6. Ventil za regulaciju niskog tlaka 3. Cjevovod prema regulatoru dobave 7. Uljna komora brtvenice

KOMPRESORI

67

3.8.3. PODMAZIVANJE CILINDARA I BRTVENIH PRSTENOVA Za razliku od podmazivanja leajeva i kuita, sustav podmazivanja cilindara i brtvenih prstenova mora to pouzdanije tlaiti ulje na vie tlakove u svrhu podmazivanja radnih povrina cilindara i ojnica. Koliina ulja u svakoj toki mora biti tono onolika koliko je potrebno za pravilno podmazivanje. Koliina podmazivanja u svakoj toki je kritina, svaka prekomjerna koliina ulja je tetna, i moe dovest do razbijanja ventila, stvaranja naslaga na prstenima a moe se i akumulirati u cjevovodima. Ovi sistemi moraju opskrbljivati tono odreenom koliinom ulja svaku toku, sa mogunou nadzora i blokadom protoka ulja. 3.8.4. ULJA ZA KOMPRESORE Tipovi ulja za podmazivanje leajeva Tipovi ulja koja se koriste za podmazivanje leajeva i pokretnih dijelova moraju udovoljavati zahtjevima proizvoaa opreme, ali openito se moraju koristiti kvalitetna, nedeterdentna mineralna ulja. Ta ulja moraju sadravati inhibitore za hru i oksidaciju i aditive protiv pjenjenja. Aditivi protiv pjenjenja ulja su jako bitni kod kompresora koji se podmazuju prskanjem. Ulje se moe oneistiti stranom tvari kao i zbog prisutnosti vlage zbog kondenzacije i zbog toga interval zamjene ulja ovisi o radnim uvjetima okoline. Ulje se treba redovito kontrolirati kako bi se utvrdilo optimalno vrijeme zamjene ulja. Redovitom kontrolom ulja se odreuje i istroenost pojedinih komponenti. Sintetska kompresorska ulja Sintetska ulja su sve vie prihvaena kao kompresorska ulja zbog svoje vie temperature samozapaljenja te sposobnosti da onemogui stvaranje karbonskih naslaga na ventilima i klipnim prstenima. Upotreba sintetskih ulja smanjuje koliinu dobave ulja za 1/3 u odnosu na mineralna ulja. To znai da e se manje ulja cijediti niz cjevovod, smanjena mogunost od poara, iako treba voditi rauna o tome da nijedno ulje nije u potpunosti otporno na vatru i na eksploziju. Nekoliko vrsta sintetskih ulja koristi se za podmazivanje kompresora: Fosfatni esteri imaju vatrootporna svojstva i pokazala su se kao dobra ulja za podmazivanje kompresora. Polialkalni glikoli dostupna su kao topivi u vodi i kao netopivi u vodi. Kad su se koristila pravilnog viskoziteta, pokazala su se jako dobrima ali nisu vatrootporna. Fluorougljici potpuno vatrootporni, pogodni za podmazivanje zranih kompresora, ali su skupi. Diesteri i polialfa-olefini koriste se najee kao ulja za kompresore. Ako se mineralno ulje u sustavu zamjenjuje sa sintetskim uljem, potrebno je detaljno ienje cjevovoda, kao i cilindara kompresora i svih komponenti. Sintetsko ulje e uzrokovati

KOMPRESORI

68

otapanje i ispiranje svih naslaga pa moe doi do kvara. Zato je potrebno kompresor zaustaviti nakon kraeg rada sa sintetskim uljem, i ponovo oistiti sustav. 3.8.5. KONTROLA I ODRAVANJE Kompresor i sve njegove komponente moraju se redovito pregladavati u intervalima koji ovise o nekoliko radnih uvjeta. Zamjena istroenih ili polomljenih dijelova, zamjena brtvi, zamjena ulja u kuitu, ienje kuita, tlanih lubrikatora i filtera zraka, skidanje naslaga sa ventila, tlanih cjevovoda, hladnjaka, kouljica to su sve radovi koje treba redovito obavljati. U sluaju detaljnijeg pregleda, cijeli sustav se mora temeljito testirati a to ukljuuje sljedee: Sustav ulja: ienje filtera i punjenje kartera do propisanog nivoa, tlaenje sustava, provjera proputanja, kontrola tlak a ulja, te rad alarma i sklopki za zaustavljanje u nudi. Cilindri kompresora: Odspojiti svaki tlani cjevovod ulja od cilindra, napuniti tank lubrikatora odgovarajuim uljem, pustiti lubrikator u rad, provjeriti protok ulja. Za kompresore koji nemaju lubrikatore pogonjene motorom, moe se runom pumpom tlaiti svaki tlani vod. Uklanjanje naslaga: ako se velike koliine naslaga nalaze na ventilima i u tlanim vodovima, ukazuju da se koristi neadekvatno ulje, i zbog toga se vie ulja troi, oneiuju usisani zrak. Zamjena ulja u karteru: period zamjene ulja u kuitu uvelike ovisi o istoi atmosfere oko kompresora. Ulje se mora ispustiti dok je jo toplo, a kuite se mora obrisati krpom prije ulijevanja novog ulja. Kemijska sredstva za ienje se obino ne koriste, a nikako se ne smiju koristiti zapaljiva sredstva za ienje. Tlani sustav podmazivanja: odravanje sustava ukljuuje redovito ienje kontrolnihstakala, pumpi i tankova. Kad se koriste kontrolna stakla sa tekuinom, tekuina moe postati maglovita ili moe biti pomijeana s uljem. U oba sluaja, stakla se moraju oistiti i napuniti istom tekuinom. Neistoe kao to su praina i talog se nakupljaju u tankovima, te se moraju redovito istiti ali unutar perioda od jedne godine u ovisnosti o istoi vanjske atmosfere. Posude za uvanje ulja: samo se iste bave smiju koristiti za uvanje kompresorskih ulja i moraju biti dobro zatvorene kad nisu u upotrebi. Prljave bave mogu biti izvor oneienja ulja. Galvanizirane (sloj cinka) metalne bave se ne bi smjela koristiti za kompresorska ulja. Cink moe reagirati s nekim komponentama ulja, ili sa produktima kisika te stvoriti viskoznu metalnu sapunicu koja dovodi do zgunjavanja ulja i ubrzava oksidaciju ulja. ienje filtera zraka: intervali ienja filtera zraka ovise o lokalnim uvjetima, te o kapacitetu i tipu filtera, koliini zraka i koliini praine u zraku.

KOMPRESORI

69

4. ROTORNI KOMPRESORI Rotorni kompresori spadaju u kompresore koji rade na volumetrijskom principu rada, dakle svojim aktivnim potisnim elementima prisiljavaju plin da zauzme manji prostor. Dok se u stapnim kompresorima promjena volumena plina ostvaruje pomakom stapa u cilindru, kod rotornih se kompresora to ostvaruje promjenom relativnog zakretanja stapa u odnosu na cilindar. Moe se dakle rei da stap rotira s obzirom na os cilindra. Rotorni se kompresori izgrauju s jednim ili dva rotora. Svim je rotornim kompresorima zajedniko to da sadre samo rotirajue pokretne mase, pa se mogu statiki i dinamiki dobro uravnoteiti. Zbog toga se mogu odabrati visoke brzine vrtnje

50025=n s-1. Time rotorni kompresori mogu biti malih dimenzija i velikih dobava, uz mogunost postizanja niskih (puhaljke) i srednjih (lamelni i vijani kompresori) kompresijskih omjera. 4.1. KOMPRESORI S JEDNIM ROTOROM Ovi kompresori grade se kao lamelni kompresori i kompresori s ekscentrinim rotorom. Rotor ili lamele kod ovih kompresora kliu po unutranjem obodu cilindra, pa treba biti osigurano dobro podmazivanje. Zbog toga komprimirani plin sadri odreene koliine mazivog ulja. U ovu grupu spadaju i vijani kompresori s jednim rotorom, o kojima e biti rijei kod vijanih kompresora. 4.1.1. LAMELNI KOMPRESORI Lamelni kompresori svladavaju kompresijske omjere 45,2 =x , a uz dvostepenu kompresiju i 87 =x . Najvie se primjenjuju kao booster kompresori u rashladnim ureajima industrijskog tipa, veih rashladnih uinaka, za rad u stupnju niskog tlaka, gdje kompresijski omjeri nisu veliki i gdje nema velikih zahtjeva za regulaciju rashladnog uinka.

Sl. 4.1. Lamelni kompresor - geometrija

fmax a b

c k

1 2

d

p2,T2 e f p1,T1

p1

a b

e

r

R

2/ 2/

2/ 2/

f

maxf

KOMPRESORI

70

Sl. 4.2. Lamelni kompresor - primjer konstrukcije

Lamelni kompresori imaju valjkasti rotor okruglog presjeka s utorima po obodu u koje su uloene slobodne lamele. Broj lamela se odabire od 62=m (manji kompresori), pa do

16>m (za velike rashladne uinke). Okretanjem rotora centrifugalna sila djeluje na slobodne lamele koje se izvlae iz rotora i svojim slobodnim izvodnicama nalijeu na unutranju povrinu cilindra po kojem kliu. Plin se komprimira promjenom veliine prostora izmeu dvije lamele. Kada lamela 1 (sl. 4.1) prijee preko ruba a na cilindru, plin usisnog tlaka 1p i temperature 1T zatvoren je izmeu dvije lamele i cilindra. Prostor

lfV maxmax = (gdje je l duljina rotora) je geometrijski najvei mogui prostor, pa se on smatra usisanim volumenom. Kada lamela 2 prijee preko ruba d na cilindru otvara se spoj s tlanim vodom, a lamela 1 potiskuje pred sobom komprimirani plin u tlani vod. U lamelnim je kompresorima kompresijski omjer 12 ppx = ovisan o geometrijskim odnosima konstrukci