TEHNIKA HLAĐENJA

90

6. KOMPRESORI Kompresori su radni strojevi koji komprimiraju neki plin ili paru na viši tlak. Po načinu rada razlikujemo volumetrijske i kompresore građene na strujnom (dinamičkom) principu rada. Volumetrijski se princip rada sastoji u tome da se pomoću 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 oscilirajućim stapom) i rotorni (nazivaju se još i kompresori s rotirajućim stapovima, a tu spadiju lamelni, s ekscentričnim rotorom, vijčani i scroll kompresori sa zavojnicom). Na strujnom (dinamičkom) principu rada grade se turbokompresori i ejektori. Plin se komprimira na dinamičkom strujnom principu, pri čemu se koristimo silama i pojavama koje se javljaju kod ubrzavanja i usporavanja plinske struje. Prema načinu vođenja plinske struje turbokompresori se izvode kao radijalni i aksijalni. Ejektori - mlazni kompresori također spadaju u kompresore koji rade na strujnom principu rada. O njima će biti govora u poglavlju koje se odnosi na rashladne uređaje s mlaznim duhaljkama (ejektorske rashladne uređaje). Vrlo česta podjela kompresora koji se koriste u tehnici hlađenja je na tzv. otvorene, poluhermetičke i hermetičke izvedbe, ovisno o načinu ugradnje pogonskog motora. Kod otvorenog kompresora pogonski je motor odvojen od kompresora, hlađen zrakom, a kompresor treba imati brtvenicu vratila, kako bi se spriječio izlaz radne tvari iz kompresora. Kod hermetičkih i poluhermetičkih kompresora elektromotor i kompresor ugrađuju se u isto zabrtvljeno kućište, a namotaji elektromotora hlađeni su strujom radne tvari koja ulazi u kompresor. Zbog dobrog hlađenja elektromotori su manji nego li je to slučaj s motorima otvorenih kompresora. Kod poluhermetičkog kompresora kućište je zatvoreno prirubnicom koja se može rastaviti za potrebe servisa, dok je kod hermetičkih kompresora kućište zavareno.

Sl. 6.1. Otvorena (a), poluhermetička (b) i hermetička (c) izvedba rashladnog kompresora

a) b) c)

TEHNIKA HLAĐENJA

91

6.1. STAPNI KOMPRESORI (KOMPRESORI S OSCILIRAJUĆIM STAPOVIMA) Po dobavi se stapni kompresori 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 drukčije rečeno, odnosi na stanje plina na usisnom priključku. 6.1.1. Proces kompresije Teoretski se proces stapnog kompresora može prikazati u p,v-dijagramu kao proces koji se odvija između dva tlaka 1p i 2p . Kretanjem stapa unutar cilindra od GMT ka DMT usisava se 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 slijedećem okretaju vratila ove se pojave ponavljaju, pa ih se naziva teoretskim ciklusom kompresora. To nije kružni proces u termodinamičkom smislu, već se ovim nazivom želi istaknuti cikličnost pojava. Sl. 6.2. p,V-dijagram procesa i shematski prikaz cilindra jednostepenog stapnog kompresora Ovako predočen proces je idealan proces. Pretpostavlja se da kompresor radi s idealnim plinom. Zanemaren je štetni prostor i njegov utjecaj, nije uzeta u obzir tromost ventila i stvarna brzina njihova otvaranja, te je zanemarena izmjena topline između plina i stijenke cilindra. Površina a-1-2-b-a u p,V-dijagramu predstavlja rad procesa između dva stalna tlaka (tehnički rad). Promjena stanja između 1 i 2 može biti:

a) izotermna (prilikom kompresije radnoj se tvari odvodi toplina tako da je konstT = )

b) izentropska konsts = ; 0=q ; κκ 1

1

2

1

2

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

pp

TT

c) politropska konsts ≠ ; Tcq nΔ= ; n

n

pp

TT

1

1

2

1

2

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ;

1−−

=nncc vn

κ

pp2

p11

2 b

a

p1

p2

TEHNIKA HLAĐENJA

92

Sl. 6.3. Izotermna, izentropska i politropska kompresija s 1<n<κ u p,v-dijagramu Tehnički rad i odvedena toplina pri izotermnoj kompresiji :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

1

21

1

211 lnln

ppRT

ppVpLiz ; izLQ = ; konstT =

Tehnički rad i odvedena toplina pri izentropskoj kompresiji:

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

−−

1pp

RT1

1pp

Vp1

L

1

1

21

1

1

211is

κκ

κκ

κκ

κκ ; 0=Q ; konstT ≠

Tehnički rad i odvedena toplina pri politropskoj kompresiji:

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

−−

1pp

RT1n

n1pp

Vp1n

nLn

1n

1

21

n1n

1

211pol ; TMcQ nΔ= ;

1−−

=nncc vn

κ ;

konstT ≠

p

v

p1

p2 2iz 2is 2pol

pol 1<n<κ

iz n=1

is

1

TEHNIKA HLAĐENJA

93

6.1.2. Stupanj dobave kompresora Dobava kompresora je ona količina plina ili pare koju dobavlja kompresor, i ukoliko nije drukčije spomenuto, ta se količina odnosi na stanje koje vlada na usisnom priključku kompresora.

Teoretska je dobava nzsdznVV st 4

2π==& [m3/s]

gdje je sdVs 4

2π= 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 && λ= .

Stupanj dobave t

e

VV&

&=λ računa se kao 4321 λλλλλ = i manji je od 1.

6.1.2.1. Utjecaj štetnog prostora – uzima se u obzir kroz 1λ Iz konstrukcijskih razloga i razloga pogonske sigurnosti ne može se izbjeći mali prostor između stapa u GMT i glave cilindra. To je tzv. štetni prostor. On prvenstveno utječe na smanjenje dobave kompresora, dok na rad praktički ne utječe. S 0c označavamo omjer volumena štetnog prostora i stapajnog volumena.

ss

AsAs

VVc

S

0000 === (često se označava s 0ε , što smo izbjegli radi oznake faktora hlađenja)

Za kompresore uobičajene izvedbe 08,003,00 −=c . Kod viših 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 slijedećoj slici. Usisni i tlačni ventil rade automatski i otvaraju se uslijed razlike tlakova. Usisni se ventil otvara kod d, tj nešto malo ispod tlaka 1p . Uslijed toga što još nije do kraja otvoren, tlak i dalje pada do M1. U M1 ventil je potpuno otvoren. U 1' usisni se ventil zatvara. Kompresija teče od 1'. Kad stap prijeđe put koji odgovara volumenu bV postiže se tlak 1p u cilindru. Tlačni se ventil počinje otvarati u O, a maksimalno je otvoren u M2. Kad stap dođe u GMT, ostaje u cilindru 0V plina i tlačni se ventil zatvara. Kad se tlačni ventil zatvori, na putu stapa od GMT do d nema usisavanja, jer tu ekspandira plin iz štetnog prostora. Usisavanje se ne vrši na cijelom putu stapa s, već na putu s-a. Tlakovi pri usisu i istiskivanju nisu konstantni jer su i brzine strujanja različite zbog promjenjive brzine stapa, a na tlakove utječe i položaj pločice ventila (površina presjeka otvora ventila).

TEHNIKA HLAĐENJA

94

Sl. 6.4. Indikatorski dijagram jednostepenog procesa stvarnog kompresora Za 1λ vrijedi izraz

s

as

VVV −

=1λ

Kako je

n

a ppVVV

1

1

200 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=+ iz čega slijedi

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1

1

20

n

A ppVV , dobiva se sa

S

A

VV

−=11λ izraz za 1λ :

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 11

1

1

201

n

ppcλ , gdje je

SVVc 0

0 =

Iz gornjeg se izraza vidi da 1λ ovisi o volumenu aV , koji je ovisan o štetnom prostoru 0V i toku linije ekspanzije iz štetnog prostora. Što je veći aV , dobava je manja. Negativni, štetni utjecaj štetnog prostora biti će to veći što je veći volumen štetnog prostora 0V , što je

kompresijski omjer 1

2

pp veći, odnosno eksponent politropske ekspanzije plina iz štetnog

prostora n bliže jedinici (politropa bliže izotermi).

V

p

p2

p1

Va Vs1 Vb

Vs V0

Δp1 p1

p'1

p2 O

M2

M1

d 1'

GMT DMT

TEHNIKA HLAĐENJA

95

6.1.2.2. Utjecaj pada tlaka 1pΔ kod usisavanja - 2λ

aS

S

VVV−

= 12λ

Pad tlaka na usisnom ventilu je 111 ppp ′−=Δ .

Može se sa zadovoljavajućom točnošću izračunati 2λ kao 1

1

1

11

1

12 1

pp

ppp

pp Δ

−=Δ−

=′

=λ

6.1.2.3. Utjecaj zagrijavanja kod usisa - 3λ Usisani se plin zagrijava od toplog usisnog ventila i stijenki cilindra, što uzrokuje povišenje temperature od 1T na usisnom priključku na 1′T . 1′T je temperatura na kraju usisa, odnosno na početku kompresije. Ovo povišenje temperature uzrokuje smanjenje dobave.

1

13

′

=TTλ

Temperaturu 1′T je teško odrediti računskim putem. Ova temperatura ovisi o načinu hlađenja kompresora, omjeru tlakova (kompresijskom omjeru 12 / pp ), broju okretaja, veličini i izvedbi kompresora i ventila. Ovisnost 3λ o kompresijskom omjeru 12 / pp i eksponentu politrope n prikazana je na

sljedećoj slici. Kako je n

n

pp

TT

1

1

2

1

2

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= , slijedi da veći kompresijski omjer rezultira manjim 3λ ,

te da veći eksponent politrope n također rezultira manjim 3λ . Za procjenu vrijednosti 3λ kod stapnih kompresora srednje veličine vrijedi empirijski izraz

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−= 1025,01

1

23 p

pλ

6.1.2.4. Utjecaj propusnosti - 4λ U stvarnom kompresoru postoji mogućnost propuštanja dijela mase plina za vrijeme komprimiranja mimo nedovoljno brtvljenog stapa i stijenke cilindra, kroz eventualno propusne usisne ventile, a također i uslijed protjecanja već komprimirane pare kroz tlačni ventil za vrijeme usisavanja (Vujić). Ovaj se gubitak uzima u obzir stupnjem propusnosti 4λ , koji se prema podacima u literaturi za kompresore u dobrom stanju kreće u granicama

98,095,04 −=λ . Povećanjem 0p

p opada vrijednost 4λ , a povećanjem broja okretaja

kompresora 4λ raste. Stupanj dobave 4321 λλλλλ = kreće se prema podacima u literaturi od 0,7 do 0,85, a ponekad je samo 6,0=λ . To ovisi o tipu kompresora. Podaci se mogu naći i za 97,093,02 −=λ pri temperaturi isparivanja –30oC, za 85,095,03 −=λ za kompresijske omjere u granicama

53−=x i za 98,095,04 −=λ .

TEHNIKA HLAĐENJA

96

6.1.2.5. Utjecaj broja okretaja kompresora na stupanj dobave λ Kompresor može raditi s promjenjivim brojem okretaja (npr. zbog regulacije njegove dobave). Ako isti kompresor radi s većim brojem okretaja od nominalnog, kraće vrijeme koje stoji na raspolaganju za dotok plina u cilindar, te veći otpori strujanja kroz ventile imaju za posljedicu smanjenje usisane količine plina, a time i stupnja dobave. Također se pri porastu broja okretaja iznad nominalnog za koji je kompresor projektiran, ventili zbog tromosti kasnije otvaraju i kasnije zatvaraju. Kasnije zatvaranje tlačnog ventila (iza GMT, na putu prema DMT) može uzrokovati povrat plina iz tlačnog kolektora u kome vlada tlak 2p u cilindar u kome je tlak već niži od 2p , a time i dodatno smanjenje stupnja dobave. Za svaki kompresor postoji optimalna brzina vrtnje n , za koju se dobiva najveća vrijednost stupnja dobave λ . Na slici 6.5. su prikazani indikatorski dijagrami dobiveni računalnom simulacijom za kompresor projektiran za nominalnu brzinu vrtnje 17,241 =n s-1 pri nominalnoj brzini vrtnje (tanja crta) i pri dvostruko većoj brzini vrtnje 33,482 =n s-1 (deblja crta). Sl. 6.5. Indikatorski dijagram za različite brzine vrtnje kompresora (n2> n1) 6.1.3. Izmjena topline između plina i stijenke cilindra Usisani plin miješa se u cilindru s plinom koji je zaostao u štetnom prostoru i grije se uslijed izmjene topline sa stijenkom cilindra koja je ugrijana za vrijeme kompresije. Pri gibanju stapa od GMT ka DMT dolazi do ekspanzije plina iz štetnog prostora, a nakon otvaranja usisnog ventila do usisa. Na putu od DMT ka GMT dolazi do kompresije, odnosno nakon otvaranja tlačnog ventila do istiskivanja plina. Kompresijom raste temperatura plina. Gibanjem stapa od DMT ka GMT, do točke II je temperatura plina u cilindru niža od temperature stijenke i toplina prelazi od stijenke cilindra na plin. Temperatura stijenke pada uslijed gubitka topline, a temperatura plina raste uslijed dovođenja topline i kao posljedica kompresije. Nakon točke II temperatura plina je viša od temperature cilindra, pa toplina počne prelaziti s plina na stijenku cilindra. Odvođenje topline od plina na stijenku cilindra traje tijekom istiskivanja, te na jednom dijelu puta stapa tijekom ekspanzije plina iz štetnog prostora. U točki I temperature stijenke i plina su jednake. Vidimo da je uslijed ove izmjene topline kod stvarnog kompresora kompresija politropska, s

p

V

p2

p1

n1

n2 n2> n1

TEHNIKA HLAĐENJA

97

promjenjivim eksponentom politrope n . Od 1 do II kompresija je s κ>n (dovođenje topline), dok je od II nadalje kompresija s κ<n (odvođenje topline). Sl. 6.6. Indikatorski dijagram s prikazom smjera toka topline pri promjenama stanja Sl. 6.7. Promjene stanja plina u T,s- dijagramu za kompresiju i ekspanziju prema sl. 6.6. Od 1-2 je kompresija usisanog plina od 1p do 2p . Na početku kompresije, od 1 do II toplina se plinu dovodi. To ima za posljedicu porast entropije. Pri ovoj je promjeni κ>n . Od II do 2 toplina se plinu odvodi. Entropija se smanjuje, κ<n . Zbog kompresije, temperatura plina i dalje raste. Rad potreban za kompresiju 1 kg plina od stanja 1 do stanja 2 predočen je površinom a-1-2-f-b-a u T,s- dijagramu. Od 3 do 4 je ekspanzija plina koji je zaostao u štetnom prostoru od 2p do 1p . Na početku ekspanzije temperatura ovog plina je 3T i vrijedi 23 TT < , jer je tijekom istiskivanja plinu odveden dio topline. Na početku 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 predočen je površinom d-4-3-e-c-d u T,s- dijagramu.

T

s

p2

p1

1

2 3

4 4'

II I

b c a d

f e

V

p

I

II

κ<n

κ>n

TEHNIKA HLAĐENJA

98

Ekspanzija se može odvijati i od stanja 3 do stanja 4'. To je slučaj za velike štetne prostore i male kompresijske omjere. Ekspanzija od stanja 3 do stanja 4. odnosi se na slučaj malih štetnih prostora i većih kompresijskih omjera. Rad kompresije odnosi se na 1 kg usisanog plina, a rad ekspanzije na 1 kg plina zaostalog u štetnom prostoru. (to znači da se rad kompresora ne može izračunati kao razlika ova dva rada). 6.1.4. Stupnjevi djelovanja Za vrijeme jednog stvarnog ciklusa izvrši se rad L koji se računa kao ∫−= VpL d .

Rad ili snaga koju troši neki stapni kompresor određuje se pomoću indikatorskog dijagrama. Indikatorski dijagram je u suštini p,V- dijagram pa će površina koja na njemu obuhvati lik ciklusa biti u nekom mjerilu stvarni rad stvarnog kompresora kod kojeg su obuhvaćeni svi dosad spomenuti utjecaji, odnosno odgovarati će vrijednosti integrala iz gornjeg izraza. Indikatorski se dijagram može dobiti mjerenjem tlaka i pomaka stapa na kompresoru. Omjer indiciranog rada i stapajnog volumena naziva se specifični indicirani (unutrašnji) rad [J/m3] ili srednji indicirani (unutrašnji) tlak [Pa].

∫ ∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=−==

sssi V

VpVpVV

Lp dd1

Srednji indicirani tlak je onaj zamišljeni nepromjenjivi tlak koji bi, kad bi djelovao uzduž cijelog stapaja, trošio jednaki rad koji troši i stvarni kompresor promjera cilindra D i stapaja s . Na slici je prikazan indikatorski dijagram površine A i odgovarajuća jednaka površina čija širina u nekom mjerilu odgovara stapajnom volumenu, a visina srednjem indiciranom tlaku

ip . Iscrtkane površine na slici su jednake.

Indicirana se snaga (od stapa predana plinu) može računati po izrazu nspdP ii 4

2π=& za

jedan cilindar kompresora.

Sl. 6.8. Indikatorski dijagram i srednji indicirani tlak

p

V

pi

VS

TEHNIKA HLAĐENJA

99

Indicirani izentropski stupanj djelovanja: i

isiis P

P&

&=−η

isP& je snaga potrebna za izentropsku kompresiju.

iis−η pokazuje koliko je stvarni proces lošiji od idealnog (zbog viška rada za politropsku kompresiju, zbog otpora u usisnim i tlačnim ventilima, zbog zagrijavanja, propusnosti, nedovoljnog hlađenja kod višestepenih kompresora).

Mehanički stupanj djelovanja definiran je izrazom: e

im P

P&

&=η

gdje je eP& snaga na pogonskom vratilu kompresora.

mη obuhvaća gubitke trenja i ovisi o izvedbi, podmazivanju i održavanju.Kod višestepenih kompresora mη je to veći što je niži omjer tlakova u pojedinom stupnju. Dobre izvedbe 96,09,0 −=mη Višestepeni kompresori 93,088,0 −=mη Mali jednoradni kompresori 85,0=mη

Izentropski stupanj djelovanja: e

isis P

P&

&=η

Slijedi is

ise

PP

η

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

Izentropski stupanj djelovanja isη sadrži u sebi i mehanički stupanj djelovanja

e

is

e

i

i

ismiisis P

PPP

PP

&

&

&

&

&

&=== − ηηη

TEHNIKA HLAĐENJA

100

6.1.5. Odstupanje stvarnog rashladnog procesa od teoretskog Kod teoretskog smo procesa sve pojedinačne procese koji se odvijaju u rashladnom uređaju smatrali povrativima, dok oni to ustvari nisu. Pretpostavljena je bila izentropska kompresija

konsts = , tj. pretpostavili smo da nema izmjene topline između stijenki cilindra i pare. Nadalje, pretpostavili smo da u isparivaču i kondenzatoru, kao i u spojnim cjevovodima nema pada tlaka. Kod stvarnih se procesa isparivanje odvija u isparivaču uz promjenjivi tlak (uslijed pada tlaka pri strujanju), što uzrokuje i promjenjivu, sve nižu temperaturu isparivanja. Zbog toga kompresor u stvarnom rashladnom procesu siše paru radne tvari s nižeg tlaka nego što je to u teoretskom procesu. Komprimirana para utiskuje se u stvarni kondenzator pri većem tlaku nego u teoretskom procesu. Zbog pada tlaka pri strujanju kroz kondenzator, na izlazu iz kondenzatora biti će tlak niži od tlaka na ulazu.

Sl. 6.9. Odstupanje stvarnog rashladnog jednostepenog procesa od teoretskog Usisni i tlačni ventil otvaraju se automatski i to pri usisavanju zbog utjecaja podtlaka UVpΔ i pri istiskivanju pod utjecajem nadtlaka TVpΔ . Para izlazi iz isparivača kao suhozasićena, sa stanjem 1. Na putu od isparivača do kompresora pari se zbog dovođenja topline mijenja stanje od 1 do 2. Promjena stanja 2-3-4-M-5-6-7 odvija se pri prolazu pare kroz kompresor, od usisnog do tlačnog priključka. Promjena od stanja 2 do 3 je prigušivanje pri prolazu kroz usisni ventil, dok je promjena od 6 do 7 prigušivanje pare pri prolazu kroz tlačni ventil. Tu se u oba slučaja javlja porast entropije i mali pad temperature. Promjena od stanja 3 do 4 predstavlja dovođenje topline prilikom usisa. Stanje 4 je na kraju usisa i na početku kompresije. Od 4 do 5 odvija se kompresija uz izmjenu topline. Dok se proces kompresije 4-M-5 odvija uz pojačano odvođenje topline (npr. u kompresoru hlađenom vodom), proces 4-M'-5' odvijao bi se u slabije hlađenom kompresoru (npr. hlađenom zrakom).

T

s

T0, p0

T, p

p0-Δpe p0-Δpe- ΔpUV

p+Δpc p+Δpc+ ΔpTV

12

34

56

7

89

10

M

M'

5'6'

7'

p

p0

a cb d

e

f

g

TEHNIKA HLAĐENJA

101

Dok su stijenke cilindra toplije, odvija se prijelaz topline od stijenke na plin, entropija raste i temperatura plina raste. U M raste temperatura plina, ali nema izmjene između stijenke i pare. Od M do 5 toplina se od pare odvodi na stijenku, entropija se smanjuje,ali temperatura pare i dalje raste zbog kompresije. Promjena od 5 do 6 je hlađenje pare prije izlaska iz cilindra. Sa stanjem 7 para ulazi u kondenzator, a izlazi sa stanjem 8, pri tlaku nižem za cpΔ . Promjena od 8 do 9 je pothlađivanje kapljevine, pri čemu je pad tlaka zanemariv. Promjena od 9 do10 je prigušivanje u prigušnom ventilu od tlaka p na tlak 0p . Od 10 do 1 je promjena stanja pare prilikom isparivanja. Pritom tlak padne za epΔ . Iz dijagrama je vidljivo da se u usporedbi s teorijskim procesom specifični rashladni učinak smanjio (teoretski je specifični rashladni učinak predočen površinom b-c-e-10-b, dok je specifični rashladni učinak stvarnog procesa predočen površinom b-d-1-10-b). Potreban se rad povećao (rad teoretskog procesa predočen je površinom a-b-10-e-f-g-8-9-a, dok je rad stvarnog procesa predočen površinom a-b-10-1-2-3-4-5-6-7-8-9-a) 6.1.6. Kapacitet hlađenja kompresora – rashladni učinak 0Q

Sl. 6.10. T,s-dijagram jednostepenog parnog rashladnog procesa Specifični rashladni učinak 510 ′−= hhq [kJ/kg] Rashladni učinak 00 qMQ && = [kW]

Protok radne tvari 1

1 vV

VM ee

&&& == ρ [kg/s]

Stvarni volumenski protok radne tvari te VV λ= [m3/s]

Teoretska je dobava nzsdznVV st 4

2π== [m3/s]

T

s

T, p

T0, p0

p

p0

q0

T

T0

Tp

1

2

3'

5'

TEHNIKA HLAĐENJA

102

gdje je sdVs 4

2π= stapajni volumen, d promjer cilindra, s stapaj, z broj cilindara i n [s-1]

brzina vrtnje.

Tako je vnqzsdvq

nzsdqnzsdQ 0

2

1

02

01

2

0 444πλπλρπλ ===& [kW]

vq0 je volumetrijski rashladni učinak [kJ/m3]

Stupanj dobave λ ovisi o konstrukciji kompresora, omjeru tlakova (koji je funkcija temperatura isparivanja i kondenzacije), eksponentima politropske ekspanzije i kompresije, vrsti radne tvari

( )R,,,,,, 000

0 TTcnmppc λλλ =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Specifični rashladni učinak je funkcija temperature isparivanja, temperature kondenzacije i temperature pothlađenog kondenzata, kao i vrste radne tvari

( )R,,, 000 TTTqq p= Gustoća 1ρ je funkcija tlaka isparivanja određene radne tvari ( )R,01 pρρ = .

Volumetrički rashladni učinak 101

00 ρq

vq

q v == [kJ/m3] mjerodavan je za radni volumen

kompresora. Ovisno o namjeni rashladnog uređaja mogu se definirati različiti normirani (etalonski) procesi, po kojima se mogu uspoređivati rashladni uređaji slične namjene. Jedan takav proces definiran je kod slijedećih temperatura:

30=ϑ oC 25=pϑ oC 150 −=ϑ oC

Rashladni učinak koji postiže rashladni uređaj sa određenim kompresorom kod tih temperatura naziva se nominalnim rashladnim učinkom kompresora

vnnn nqzsdQ 0

2

0 4πλ=& [kW]

Kod nekih je drugih temperatura 0,, TTT p , rashladni učinak vnqzsdQ 0

2

0 4πλ=& [kW]

Dijeljenjem prethodnih dviju jednadžbi dobiva se

TEHNIKA HLAĐENJA

103

vnn

v

vnn

v

n qq

nqzsd

nqzsd

QQ

0

0

0

2

0

2

0

0

4

4λλ

πλ

πλ==

&

&

Poznavanjem vrijednosti za nQ0

& koja se često daje u podacima za pojedini kompresor, može se odrediti njegov rashladni učinak kod nekih drugih temperatura

vnn

vn q

qQQ

0

000 λ

λ&& = [kW]

Kad se izračuna vq0 za različite radne tvari pri temperaturama 30=ϑ oC, 25=pϑ oC i 150 −=ϑ oC, dobivaju se slijedeće vrijednosti: Tab. 6.1. Volumetrijski rashladni učinci nekih radnih tvari Radna tvar 15−′′h [kJ/kg] 25h′ [kJ/kg] 0q [kJ/kg] 15−′′ρ [kg/m3] vq0 [kJ/m3]R 717 (NH3) 1444,0 317,7 1126,3 1,966 2214,31 R 744 (CO2) 436,6 274,9 161,7 60,64 9805,49 R 290 (C3H8) 557,6 265,6 292,0 6,506 1899,75 R 22 (CHF2Cl) 399,2 230,3 168,6 12,9 2178,81 R 134a (CH2FCF3) 389,6 234,5 155,1 8,287 1285,31

Odnos 428,431,221449,9805

3

2

0

0 ==vNH

vCO

qq

. Iz ovoga se vidi da je za postizavanje istog rashladnog

učinka, radni volumen kompresora koji radi s amonijakom 4,428 puta veći od radnog volumena kompresora koji radi s ugljičnim dioksidom. Za neke druge temperature, ovi se odnosi mijenjaju. 6.1.7. Višestupanjska kompresija Djelovanje stapnog kompresora prilagođuje se samo po sebi nametnutim vanjskim uvjetima rada. To znači da je kompresijski omjer 12 / ppx = u istom kompresoru promjenjiv i ovisan isključivo o tome kakav je tlak 1p u usisnom vodu ispred usisnog ventila, a kakav 2p iza tlačnog ventila. Kompresijski omjer je dakle veličina koja nije uvjetovana konstrukcijom ili veličinom stapnog kompresora, odnosno brzinom njegove vrtnje n . Porastom kompresijskog omjera 12 / ppx = , raste pri izentropskoj i politropskoj kompresiji konačna temperatura komprimiranog plina 2T . Ukoliko ova temperatura prekorači dozvoljenu temperaturu (ograničenje temperature je zbog opasnosti od promjene svojstava ulja za podmazivanje), treba primijeniti višestupanjsku kompresiju. Višestupanjski kompresori imaju hladnjak pare ili plina nakon svakog stupnja kompresije. Kod višestupanjske je kompresije konačna temperatura 2T znatno niža nego je to kod jednostepene.

TEHNIKA HLAĐENJA

104

Višestupanjska kompresija daje uštedu na radu, i što kompresor ima više stupnjeva, to je približenje izotermnoj kompresiji veće (pod uvjetom da se plin ili para ohlade na početnu temperaturu iza svakog stupnja). Povećanje kompresijskog omjera utječe na smanjenje stupnja dobave (utjecaj na 1λ i 3λ ). Kod višestupanjskih je kompresora stupanj dobave λ viši nego kod jednostupanjskih koji bi radili između istih tlakova. Za kompresiju plina od 1p do 3p primijenjena je dvostepena kompresija. Za odabir tlakova u pojedinim stupnjevima postavlja se kriterij maksimalne uštede na radu.

Ako je III LLL += , odnosno ⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

+⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

−−

11

11

1

2

322

1

1

211

nn

nn

ppVP

nn

ppVP

nnL ,

uz 12211 RTVpVp ==

dolazi se do izraza za rad ⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

−−

21

1

2

3

1

1

21

nn

nn

pp

ppRT

nnL

iz kojeg se vidi da za konstantne 1p i 3p vrijedi ( )2pLL = . Derivacijom ovog izraza po varijabli 2p i izjednačenjem s nulom dolazi se do zaključka da će

minimalni rad biti utrošen kad je 2

3

1

2

pp

pp

= .

U ovom će slučaju, usvoji li se da se eksponent politrope ne mijenja ( konstn = ), biti i rad u svakom stupnju jednak, a također će i povišenje temperature u svakom stupnju biti jednako. Minimalni je broj stupnjeva ograničen dozvoljenom temperaturom koja se ne smije prekoračiti. kako je već ranije rečeno, ta se temperatura kreće oko 1401352 −>ϑ oC.

Obično kada je 1080

−>=ppx , trebamo upotrijebiti dvostepenu kompresiju.

Višestupanjska kompresija utječe na povećanje stupnja dobave λ iz sljedećih razloga:

1. Uslijed manjih kompresijskih omjera 1

2

pp manji je aV u odnosu na slučaj jednostepene

kompresije, a time je veći s

as

VVV −

=1λ

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

TEHNIKA HLAĐENJA

105

6.1.8. Razvodni sustavi stapnih kompresora 1. Slobodni razvod (ventili koji rade automatski) 2. Razvod s rasporima 6.1.8.1. Automatski ventili To su ventili koji se otvaraju automatski, već kod malih razlika tlakova. Postoje različite izvedbe ovakvih ventila. Izvedba ventila s koncentričnim rasporima sastoji se iz sjedišta ventila, pločice, opruga i odbojnika (graničnika).

Sl. 6.11. Presjek kroz ventil stapnog kompresora Sjedište ventila mora biti izrađeno iz kvalitetnog lijevanog željeza. Opterećeno je udarcima pločice, a kroz otvore na sjedištu ventila struje plinovi velikom brzinom. Kod viših tlakova sjedište se izrađuje i iz čelika. Ventilska pločica može biti izvedena iz jednog komada s odgovarajućim rasporima, ili iz više prstena. Često su izvedene kao opruge. Pločice moraju imati veliku otpornost na udar i čim je moguće manju masu. Debljina pločice ovisi o veličini ventila i tlaku, a kreće se od 0,8 do 4 mm. Pločice se izrađuju iz legiranih čelika. Opruge su potrebne za brzo i sigurno zatvaranje ventila. Ne smiju prouzročiti veliki otpor kod otvaranja. One također kod otvaranja sprečavaju udarac pločice na odbojnik. Rade se iz kvalitetnog čelika za opruge. Odbojnik služi za ograničenje podizaja pločice i za pridržavanje opruga. Često se koristi i za vođenje pločica. Izrađuje se iz lijevanog željeza ili čelika. Zahtjevi koji se postavljaju pred ventile:

• Masa pločice treba biti što manja, tako da sile uslijed ubrzanja kod otvaranja i zatvaranja ventila budu što manje i da udarac pločice na sjedište i odbojnik bude što manji.

• Presjeci za strujanje trebaju biti što veći, kako bi pad tlaka bio čim manji.

b1

dm1

b2

hmax h

dm2

usp sjedište

sjedište

pločica

opruge odbojnik

TEHNIKA HLAĐENJA

106

• Mala ugradbena mjera. • Velika pogonska sigurnost i trajnost.

Treba paziti i na izbor maziva, da ne bi došlo do zauljivanja ventila (sljepljivanje). Ventili se mogu smjestiti u glavi cilindra ili u samom cilindru. Ukoliko presjek jednog ventila nije dovoljan, može se uzeti više njih. Usisni i tlačni ventili obično su jednaki, kako bi broj rezervnih dijelova bio manji. Kod tlačnih je ventila vrijeme otvorenosti kraće, jer je i manji volumen plina koji kroz njih mora proteći. Ima izvedbi kod kojih su usisni i tlačni ventili ujedinjeni u jedno kućište radi boljeg iskorištenja prostora. Geometrijske karakteristike ventila Jednadžba kontinuiteta glasi

sisim uAAu =

4

2πdA = - površina stapa

mu - srednja stapna brzina

siA - površina otvora u sjedištu ventila - stvarni prolazni presjek za strujanje

siu - srednja brzina plina kroz sjedište ventila Odatle je:

si

msi u

AuA =

Za primjer prikazan na slici 6.10. vrijedi:

∑=+=′ bdbdbdA mmmsi πππ 2211 Obično je bbb == 21 , pa vrijedi

∑=′ msi dbA π Stvarni prolazni presjek za strujanje plina siA manji je od siA'

sisi AA ϕ=′ (faktor 1>ϕ )

ϕsi

siAA′

= - stvarni prolazni presjek za strujanje plina

U ovisnosti o tlaku i izvedbi ventila ϕ se kreće u granicama od 1,2 do 1,35 što znači da je za 20 do 35% umanjena površina zbog veza prstenastih otvora.

TEHNIKA HLAĐENJA

107

Za kružne prstenaste otvore bez učvršćenja sisi AA =′ , a inače je sisi AA >′ . Površina raspora rA za podignutu pločicu je:

( ) ( ) ( ) ( )[ ] ∑=++−+++−= mmmmmr dhhbdbdbdbdA πππππ 22211 pri čemu je bbb == 21

Odnos površina bh

dbdh

AAx

m

m

si

rv

ϕϕππ 22

===∑∑

Odatle slijedi podizaj pločice

ϕ2vbxh =

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

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

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

Sl. 6.12. Podizaj pločice h u ovisnosti o broju okretaja i tlaku.

spu - brzina strujanja kroz raspore. Brzine spu ne smiju biti prevelike. Na slijedećem su dijagramu prikazane maksimalne brzine spu , u ovisnosti o vrsti plina i tlaku.

6 5 4 3

2

1

0,6100 200 300 400500 1000 2000

n min-1

p = 1bar

25

1050

100200

5000.8

h [mm]

TEHNIKA HLAĐENJA

108

Sl 6.13. Maksimalne brzine spu , u ovisnosti o vrsti plina i tlaku 6.1.8.2. Razvod s rasporima Na tlačnoj je strani ventil, a umjesto usisnih ventila su raspori u cilindru. Ovakav se razvod primjenjuje uglavnom kod kompresora malih rashladnih uređaja, jer su gubici u odnosu na slobodan razvod veći.

Sl. 6.14. Razvod s rasporima

p

V

p1 2'

1

2

3

DMTGMT

TV

raspor

1 2 4 6 10 20 40 60 100 200400 6001000p bar

usp ms-1

010 20 30 40 506070 80 90

100 110 120

vodik

amonijak

freon (tlačni v.)

freon (usisni v.)

zrak

TEHNIKA HLAĐENJA

109

Kod kretanja stapa iz GMT prema DMTplin zaostao u štetnom prostoru ekspandira (promjena 1 –2). Tlak u cilindru padne dosta niže od tlaka na usisnom priključku. 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 kreće ka DMT, a od 3 do 2 stap se kreće od DMT ka GMT, ali usis još uvijek traje. U 2’ raspori se zatvore i kompresija može početi. Potreban je rad veći nego kod razvoda s automatskim ventilima. 6.1.9. Regulacija dobave stapnih kompresora Potrebna dobava kompresora nije uvijek jednaka dobavi za koju je kompresor odabran. Kod rashladnih kompresora je rashladno opterećenje promjenjivo i nije jednako rashladnom kapacitetu za koji je instalacija projektirana. Zbog toga je potrebna regulacija dobave kompresora. Kako je količina plina koju kompresor dobavlja u nekom vremenu t jednaka

nztVV sλ= , dobavu možemo mijenjati promjenom vremena rada kompresora t , promjenom brzine vrtnje n , promjenom broja radni cilindara z ako se radi o kompresoru s više cilindara i promjenom stupnja dobave λ . 6.1.9.1. Povremeni prekid pune dobave Povremeno uključivanje i isključivanje kompresora – Djeluje se na pogonski motor kompresora. Tlak u spremniku plina ili temperatura u hlađenoj prostoriji mijenjati će se tijekom vremena unutar zadanih granica. Učestalost promjena između gornje i donje dozvoljene vrijednosti tlaka ili temperature ovisi o potrošnji plina ili rashladnom učinku i o razlici gornje i donje granice temperature ili tlaka. Povremeno potpuno zatvaranje usisnog voda kompresora – Djeluje se na ventil koji zatvara usisni vod, dok kompresor nastavlja raditi u praznom hodu. Kod višestepenih je kompresora ovo potrebno napraviti samo na niskotlačnom stupnju. Zbog većeg podtlaka u cilindru može doći do usisavanja ulja. Indikatorski je dijagram prikazan na slijedećoj slici.

Sl. 6.15. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave zatvaranjem usisnog voda

p

V

puna dobava

prazni hod

TEHNIKA HLAĐENJA

110

Povremeno držanje usisnih ventila sa stalno podignutim pločicama – Djeluje se na usisni ventil, tako da se pločica drži podignutom pomoću hvatača ili podizača. Držanje usisnih ventila sa dignutim pločicama potrebno je provesti u svim stupnjevima i na svim cilindrima kompresora ako se želi ostvariti prekid pune dobave. Usisani se plin vraća u usisni vod, a p,V- dijagram izgleda kao na slici 6.13.

Sl. 6.16. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave podizanjem pločice usisnog ventila Kod prijelaza od praznog hoda na puno opterećenje, hvatač oslobodi pločicu i ventil se počne automatski zatvarati i otvarati. 6.1.9.2. Gruba promjena dobave Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom broja polova elektromotora – Ova je regulacija moguća jer je dobava kompresora prema naprijed spomenutom izrazu proporcionalna broju okretaja n . Ta proporcionalnost nije direktna, jer se sa smanjenjem broja okretaja povećava stupanj dobave λ , odnosno stupanj dobave se smanjuje s povećanjem n . Danas se za pogon kompresora koriste najčešće asinhroni motori. Njihova je

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

pari magnetskih polova. Kad se govori o gruboj promjeni dobave, misli se na mogućnost promjene broja magnetnih polova asinhronog motora prekopčavanjem broja pari polova motora s više pari polova. Time je moguća samo gruba regulacija dobave u skokovima mogućih brzina vrtnje. U novije vrijeme učestalo se koriste regulatori frekvencije napajanja, koji mogu osigurati kontinuiranu promjenu broja okretaja kompresora. Regulacija promjenom veličine štetnog prostora – ovom se regulacijom utječe na stupanj dobave λ . Kod višestepenih se kompresora mora sprovesti u svim stupnjevima, kako bi kompresijski omjer u svim stupnjevima ostao isti. Kod grube regulacije dobave otvaranjem ventila štetnom se prostoru dodaje jedan ili više nepromjenjivih prostora 0VΔ . Dodavanjem štetnog prostora pomiče se ordinata u indikatorskom dijagramu lijevo, mijenjajući tako tok linija ekspanzije i kompresije. Na p,V- dijagramu prikazan je slučaj kad su kompresoru dodana dva štetna prostora, bV0Δ i cV0Δ . Potrebna veličina ukupnog štetnog prostora koja bi

p

V

puna dobava

podignuta pločica

TEHNIKA HLAĐENJA

111

osigurala da kompresor bude potpuno rasterećen dobiva se izjednačavanjem izraza za 1λ s

nulom, tj. 011

1

1

20 =⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

n

s pp

VV iz čega slijedi

1

1

1

2

0

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

n

s

pp

VV

Sl. 6.17. Skica izvedbe i p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave promjenom veličine štetnog prostora a – štetni prostor 0V ; b– štetni prostor 0V + dodatni štetni prostor bV0Δ ; c–

štetni prostor 0V + dodatni štetni prostor bV0Δ + dodatni štetni prostor cV0Δ Danas se zbog složene i skupe izvedbe ova regulacija rijetko koristi, osobito za višecilindrične kompresore. Regulacija isključivanjem pojedinih cilindara – ako kompresor ima više paralelno povezanih cilindara, može se dobava smanjiti djelomičnim isključivanjem. Kod višestepenih kompresora potrebno je ovu regulaciju provesti u svim stupnjevima. Ako je npr. dvostepeni kompresor s 3 cilindra u prvom i 1 cilindrom u drugom stupnju, tada regulaciju drugog stupnja treba provesti na drugi način. Ako je npr. 8 cilindrični, 6 cilindara u prvom i dva u drugom stupnju, pri smanjenju dobave na pola isključili bi tri cilindra u prvom i jedan u drugom stupnju. 6.1.9.3 Kontinuirana regulacija dobave Ova je regulacija najbolja, ali je obično najskuplja. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom frekvencije napajanja –mijenja se frekvencija napajanja pomoću posebnih regulatora. Treba paziti na osiguranje potrebnog zakretnog momenta elektromotora za pogon kompresora kod različitih brojeva okretaja i na pomazivanje kod nižih brojeva okretaja.

V0

ΔV0b

ΔV0c

V1

V2

p

V

a

a

b

b

c

c

Vs

a b c

TEHNIKA HLAĐENJA

112

Regulacija s usisnim ventilom upravljanim izvana – usisni se ventil drži 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 višestepenih kompresora provesti u svim stupnjevima. Ostvaruje se pomoću mehaničkog polužja, upravljanog hidraulički, pneumatski ili elektromagnetski. Sl. 6.18. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave izvana upravljanim usisnim ventilom a – puno opterećenje; od a do b – istiskivanje plina (ventil podignut), u b počinje kompresija Još manja dobava je kad je od a do c istiskivanje plina i tek u c počne kompresija. Vremenski promjenjiv dodatni štetni prostor – Ako se predvidi dodatni štetni prostor koji ima podesivi stap (djelovanjem sila opruga i tlakova, ili upravljano izvana servomotorom) može se omogućiti kontinuirana promjena veličine dodatnog štetnog prostora. Jedan primjer dan je na slici 6.16. Kod pune dobave ventil b je zatvoren (dodatni je prostor isključen). Sila u opruzi je 0=F . Proces u dijagramu predočen je površinom 1-2-3-4. Promjene su slijedeće: 1-2 ekspanzija plina iz štetnog prostora; 2-3 usis; 3-4 kompresija; 4-1 istiskivanje. Što je podešena sila u opruzi veća, to će dobava biti manja. Sila u opruzi je u ravnoteži sa silom kojom mali stap d djeluje na oprugu. zs pAF = gdje je pA površina stapa d, a zp tlak u cilindru. Ventil b se zatvara kad je tlak u cilindru veći od zp i otvara kad je tlak u cilindru manji od zp . U točki 6 se otvara ventil b, pa se ekspanzija nastavlja po liniji 6-2'. Kompresija teče od 3 do 5, a u točki 5 se ventil b zatvara, štetni prostor je manji i kompresija teče po strmijoj liniji od 5 do 4'. Novi je proces 1-6-2'-3-5-4'-1. Promjene su slijedeće: 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 položitija nego što bi bila da je ventil b zatvoren. Od 5 do 4' linija kompresije je strmija jer je štetni prostor isključen.

p p

V

a b c

TEHNIKA HLAĐENJA

113

Ako je dodatni štetni prostor a dovoljno velik, može se provesti kontinuirana regulacija od 0 do 100% opterećenja. Promjena sile opruge e može se izvršiti ručnim kolom ili pomoću servomotora.

Sl. 6.19. Regulacija dobave s vremenski promjenjivim dodatnim štetnim 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

bce

d