Branimir Pavkovic - Kompresori

Download Branimir Pavkovic - Kompresori

Post on 27-Jun-2015

1.093 views

Category:

Documents

6 download

TRANSCRIPT

SVEUILITE U RIJECI TEHNIKI FAKULTET

KOMPRESORI

Nositelj kolegija: Suradnik:

Izv. prof. dr. sc. Branimir Pavkovi, dipl. ing. Aleksandar Bounovi, dipl. ing.

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

ii

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

iii

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

iv

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.

v

KOMPRESORI

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 odreene 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").

1

KOMPRESORI

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.

Kompresori Strujni (dinamiki) Volumetrijski

Ejektor

Radijalni

Aksijalni

Rotorni Jedan rotor Dva rotora

Stapni

Tekuinski prsten Vijani Lamelni

Vijani

Labirint Klipnjaa Krina glava Membrana Root

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.

2

KOMPRESORI

Sl. 1.2. Otvorena izvedba rashladnog kompresora

Sl. 1.3. Poluhermetika izvedba rashladnog kompresora

Sl. 1.4. Hermetika izvedba rashladnog kompresora

3

KOMPRESORI

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.

Tlak [bar]

Dobava [m3/s]

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

4

KOMPRESORI

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 p1 i p2 . 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 p1 (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 p2 . 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.

p b 2 p2

a p1

1

p1

p2

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

5

KOMPRESORI

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

F = ApKako je rad produkt sile i puta, tj.

W = Fx ,za neki elementarni pomak stapa x = d s vrijedi

d W = F d s = Ap d sKako je produkt Ad s jednak promjeni volumena cilindra d V za pomak d s , vrijedi

dW = p dVIntegracijom se iz gornjeg izraza dobivaW=V2

V1

p dV

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

pV = MRTili njezin diferencijalni oblik

p d V + V d p = MR d T + RT d M Takoer je za odreivanje rada tijekom jednog ciklusa potrebno koristiti jednadbu promjene stanja, koja za politropsku promjenu stanja glasi pV n = konst Kod izotermne promjene stanja vrijedi n = 1 , kod izentropske promjene stanja vrijedi n = .

6

KOMPRESORI

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 d T = 0 i d p = 0 .

Diferencijalni oblik jednadbe stanja je tadap1 d V = RT1 d M

a kada se gornji izraz uvrsti u izraz za rad W =V1 M1

V2

V1

p dV

dobije se

Wu =

Va

p d V = RT d M1 1 Ma

Kod idealnog je kompresora na poetku usisavanja masa plina u cilindru M 1 = 0 , a volumen cilindra je takoer V1 = 0 , pa vrijedi

Wu = RT1M 1 , a kad se uzme u obzir jednadba stanja pV = MRT , moe se gornji izraz pisati u obliku Wu = p1V1Rad istiskivanja

Za rad istiskivanja vrijedi analogno Wi =Vb

V2

p2 d V = RT2 d M = RT2 M 2 ,M2

Mb

pa slijedi kao i ranije Wi = p2V2Rad kompresije

Diferencijalni oblik jednadbe politropske promjene stanja glasi npV n1 d V + V n d p = 0 Dijeljenjem s V n1 dobiva se

7

KOMPRESORI

np d V = V d pUvrtenjem u jednadbu stanja (diferencijalni oblik) uz d M = 0 (jer su ventili zatvoreni i masa plina u cilindru se ne mijenja), dobiva se p d V np d V = MR d T Sreivanjem slijedi

p d V np d V = MR d Ti daljep dV = MR dT 1 n

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

p dV =

MR dT n 1

Tada je rad politropeMR Wp = dT n 1 1 Integracijom slijediWp = MR (T2 T1 ) = MR T1 T2 1 T n 1 n 1 1 2

Kako su obino kod kompresora poznati tlakovi p1 na usisu i p2 u tlanom vodu, uvrtenjem jednadbe za promjenu temperature kod politropske promjene stanja T2 p2 = T1 p1 dobiva sen 1 p1V1 p2 n 1 Wp = n 1 p1 n 1 n

8

KOMPRESORI

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 T = konst ). Za izotermu je n = 1 , pa karakteristina jednadba glasi

pV = MRT = konsta nakon diferenciranja d...