kompresori

100 Toplinski strojevi i uređaji

3.3 KOMPRESIJA U VIŠE STUPNJEVA

S krajnjim tlakom kompresije raste temperatura radnog medija, dovedena snaga, sile u mehanizmu i habanje dijelova, uz istovremeno smanjenje kapaciteta kompresora. Pritom postoji i granica iza koje dolazi do eksplozije smjese para ulja za podmazivanje i zraka. Dopuštena temperatura na koju komprimiramo zrak iznosi 200 °C (kod jednostepenih kompresora). Da bi se otklonili svi ti problemi, radni medij komprimiramo u više stupnjeva (maksimalno 7) uz hlađenje radnog medija među stupnjevima. Ti se hladnjaci nazivaju i međuhladnjaci. Ekonomični omjer tlakova na jednom stupnju se kreće u području ψ = 3....8.

3.3.1 Tlakovi i temperature

Omjer tlakova na stupnju i ukupni omjer tlakova

Ako stupnjeve kompresora označimo rimskim brojevima, te ako ulaz i izlaz iz k-tog stupnja označimo indeksima k i k+1, pri čemu se posljednji odnosi na stanje iza međuhladnjaka, tada za stupanj ili cijeli kompresor sa i stupnjeva imamo:

k

kk p

p 1+=ψ ( 3.58 )

ikuk ψψψψψψ ..........321= ( 3.59 )

1

111

2

3

1

2 ...........p

pp

pp

ppp

pp i

i

i

k

ki

+++ ==ψ ( 3.60 )

Ukoliko uzmemo da su omjeri tlakova po stupnju uzajamno jednaki, tj. ψ =ψk = konst, tada je:

1

1'p

piuk

+==ψψ ( 3.61 )

ψlog

log1

1

=

+

pp

i

i

( 3.61 )

i i

pp

1

1+=ψ ( 3.62 )

Kompresori 101

Tlakovi u cilindru

Pri usisu i istiskivanju, na k-tom stupnju kompresora, tlakovi su p'k i p"k+1. Oni se razlikuju od tlakova na stupnju pk i pk+1 za pad tlaka gubitaka strujanja radnog medija. Mjerenje ovih gubitaka vrši se za cilindar i međuhladnjak pri istiskivanju iz k-1 stupnja i usisu u k-ti stupanj:

kkR ppp ′−′′=∆2 (od izlaza iz k-1 stupnja do usisa u k-ti stupanj) ( 3.63 )

kkR ppp −′′=∆ ( 3.64 )

Rkk ppp ∆−=′ ( 3.65 )

Omjer tlakova na stupnju

k

k

k

kk p

pc

pp 11 ++ =

′′′

=′ψ (stvarni omjer tlakova) ( 3.66 )

c = 1.05 ... 1.25

U proračunu treba kod 1. stupnja uzeti:

( ) 11 98.0....86.0 pp =′ ( 3.67 )

a ostale vrijednosti su:

12 pp ′′=′′ ψ ( 3.68 )

12 pp ψ= ( 3.69 )

22 pppR −′′=∆ ( 3.70 )

Rppp ∆−=′ 22 ( 3.71 )

Temperature

Kao usisna tempratura ta,k za k-ti stupanj uzima se temperatura iza međuhladnjaka. Ulazna temperatura za 1 stupanj kompresora ta,1 se uzima kao:

( )20...151, += aa tt °C vodom hlađeni kompresori ( 3.72 )

( )30...251, += aa tt °C zrakom hlađeni kompresori ( 3.73 )

kako bi hladnjaci bili ekonomični i kako se nebi trošila prevelika snaga za pogon ventilatora, odnosno preveliki protok rashladne vode.


Slika 3.10 Kompresija u dva stupnja a) shema povezivanja, b) shema izvedbe, c) p-V dijagram, d) T-s dijagram

3.3.2 Kapacitet i snaga

Kapacitet i volumen

Maseni protok &mf ili volumni protok &Vf mogu se bez osobitih problema mjeriti iza međuhladnjaka, odnosno tlačnog spremnika. Za mjerenje masenog protoka na usisu &ma i volumnog protoka &Va potrebno je, radi umirivanja pulzacija strujanja, uporabiti poseban spremnik. Potrebni volumen stroja, odnosno njegovih cilindara, može se odrediti iz:

nVV&

= ( 3.74 )

Kompresori 103

gdje je n brzina vrtnje. Za određivanje volumena po stupnjevima polazi se od normnog volumena V0 i od pretpostavke da nema propuštanja u cilindrima, tj. uz Vf,a = Va,k po jednadžbi stanja idealnog plina:

p

kakH

k

kaka

VV

TpTp

VV

λ,

,

0

,00,

=

=( 3.75 )

Volumen se smanjuje s povećanjem tlaka pk i sniženjem temperature usisa ta,k.

Izotermna snaga

Iz volumenskog protoka & , ,Vf a k radnog medija iza međuhladnjaka i stanja na usisu u stupanj pk, Ta,k izotermna snaga za k-ti stupanj je:

∑=

=i

kkkkafis pVP

1,, lnψ& ( 3.76 )

Ako su omjeri tlaka po stupnjevima jednaki i ako je usisna temperatura na svim stupnjevima jednaka, tj. Ta,k =Ta,2 , osim Ta,1, i uz pretpostavku da nemamo propuštanja radnog medija dobivamo:

1,

2,1,12,2,

a

affkfk T

TVpVpVp &&& == ( 3.77 )

( ) ψln111,

2,1,,1

−+=

a

aafis T

TiVpP & ( 3.78 )

S povećanjem temperature Ta,2 kod nedovoljnog hlađenja u međuhladnjaku, povećava se potrebna snaga, a prema jednadžbi (3.75) i površina klipa, a time i sile u koljenastom mehanizmu.

Efektivna snaga

Iz jednadžbe (3.23) slijedi:

PP P

eis

is e

is

is i m= =

η η η, ,( 3.79 )

Stupnjevi djelovanja su iskustvene vrijednosti i mijenjaju se od proizvođača do proizvođača kompresora (vidi sliku 3.11). Smanjenje indiciranog izotermnog stupnja djelovanja ηis,i s povećanjem broja stupnjeva prouzročeno je porastom temperatura u kompresoru (toplije stijenke itd.).


Slika 3.11 Izvedbe kompresora s više stupnjeva kompresije i – broj stupnjeva, a) dobava i izotermni stupanj djelovanja, b) dopušteni omjer tlakova po stupnju

3.4 IZVEDBE KOMPRESORA

Uobičajene izvedbe kompresora kao klipnih strojeva, obzirom na raspored cilindara, prikazane su u 2. poglavlju. Kod višestepenih kompresora, sa smanjenjem njihovog stapajnog volumena, s međuhladnjacima i spojnim cjevovodima, kod viših tlakova se postavljaju mnogi problemi u konstrukciji, tako da je njihovo rješavanje rezultiralo u različitim izvedbama s posebnim oblicima klipa i rasporedom stupnjeva.

Kompresori 105

3.4.1 Osnove konstrukcije

Izvedbe klipova

Razlikujemo klipove i stapove s glatkim plaštom i stupnjevite klipove s različitim promjerima plašta na jednom klipu. Prvi se koriste kod cilindara u kojima je smješten samo jedan stupanj, dok se posljednji koriste u cilindrima u kojima je udruženo više stupnjeva kompresije.

Stapovi sa stapajicom koriste se kod dvoradnih strojeva, tako da je radni medij s obje strane stapa. Sile u polužju su relativno male. Sile se preko stapajice i križne glave prenose na ojnicu i koljenasto vratilo.

Primjena klipova omogućuje kompaktnu izvedbu stroja, manjih dimenzija nego kod primjene stapova. Zbog manjih masa u gibanju, klipovi mogu raditi kod većih brzina vrtnje. U čelu klipa mogu biti smješteni usisni ventili, koji traže veliku protočnu površinu i omogućuju izvedbu vrlo malih štetnih prostora.

Stupnjeviti klipovi s paketima klipnih prstenova izvode se za maksimalno pet stupnjeva kompresije objedinjenih u jednom cilindru. Oni mogu biti spojeni bilo na stapajicu, bilo na ojnicu. Njihovom primjenom štedi se na broju koljenastih mehanizama, međutim iziskuju složene izvedbe cilindara, otežanu montažu i uzrokuju zbog svojih velikih masa velike inercijalne sile, kao i velike štetne prostore.

Podjela stupnjeva

Pri podjeli stupnjeva možemo se rukovoditi po nekoliko kriterija:

1 Jednake sile u polužju pri gibanju klipa u jednom ili u suprotnom smjeru. Na taj način i koljenasti mehanizam može biti manji.

2 Pri istiskivanju jednog stupnja mora slijedeći stupanj biti u usisu, kako nebi došlo do nakupljanja mase i kompresije u međuhladnjacima.

3 Čim manje razlike tlaka među susjednim prostorima, kako bi se izbjegla potreba za brtvljenjem. 4 Manji promjeri cilindra kod viših stupnjeva, kako bi se zadržao isti hod klipa i kako bi sile u polužju

bile manje, a time i trenje u mehanizmu.

Zahtjevima pod brojem 1 i 2 može se konstrukcijski udovoljiti kada je stroj izveden s cilindrima u više redova i kada je broj cilindara u nasuprotnim redovima jednak. Zahtjevima pod brojevima 3 i 4 možemo udovoljiti kod linijske izvedbe rasporeda cilindara. U praksi se mora naći kompromis, s prvenstvenim poštivanjem zahtjeva u točkama 1 i 2 Jednake sile u polužju mehanizma moguće je ostvariti tako da se uključuju posebni cilindri bez ventila koji su spojeni na tlačni vod k-tog stupnja. Prvi nulti stupanj A0 je tada spojen na usisni vod (vidi sliku 12.d).

3.4.2 Razdioba stupnjeva

Uobičajene izvedbe rasporeda cilindara su V, W i bokser izvedbe. Kompresori s glatkim klipovima imaju do 8 cilindara i najviše 4 stupnja kompresije, zbog poteškoća u brtvljenju i izjednačavanju sila u mehanizmu. Maksimalna brzina vrtnje od 2000 min-1 uvjetovana je izvedbom usisnih i tlačnih pretlačnih ventila.


Slika 3.12 Izvedbe kompresora a) s jednim stupnjem, b) do h) s više stupnjeva kompresije

Kompresori sa stapovima i stapnim mehanizmom rade sa brzinama vrtnje do 750 min-1. Oni se koriste za višestepene kompresore s višim brojem stupnjeva zbog prednosti u primjeni stapajice i njenom dobrom brtvljenju, kao i višim stupnjevima djelovanja (male brzine strujanja).

Zračno hlađenje se koristi samo kod manjih kompresora do stapajnog volumena od 5 l/cilindru. Za veće stapajne volumene koristi se hlađenje kompresora vodom. Kod većeg broja stupnjeva kompresije, međuhladnjaci iziskuju mnogo mjesta, tako da se obično smještaju ispod strojarnice u podrumu ispod kompresora. Kod L i ⊥ rasporeda cilindara međuhladnjaci se mogu smjestiti u prostor između redova cilindara.

Kompresori sa stupnjevitim klipovima se često označavaju prema broju koljena na koljenastom vratilu.

Kompresori 107

Jednostepeni kompresor

Raspored cilindara kod jednostepenih kompresora, hlađenih zrakom, je obično u V ili W izvedbi, s klipovima, za kapacitete do 2 m3/min i tlakove do 7 bar. Oštru konkurenciju čine im rotacijski i vijčani kompresori. Područja primjene su u napajanju komprimiranim zrakom u malim pogonima, za građevinske radove (s dizelmotornim pogonom) i za transport praškastih materijala u silosima i kod vozila. Kompresori za rashladne uređaje izvode se u W izvedbi (do 5 redova cilindara), s ukupno do 10 cilindara (2 koljena na koljenastom vratilu), za tlakove do 15 bara (slika 3.12a) .

Dvostepeni kompresor

Ovdje se radi o izvedbama s glatkim i stupnjevitim klipovima i stapovima, čak i u izvedbama s križnom glavom, s rasporedom cilindara u V, W, L i bokser, rijetko u linijskoj izvedbi. Koriste se uglavnom za kompresiju zraka na tlakove do 30 bara.

Kod stupnjevitih klipova, 1. stupanj kompresije može biti u prstenastom prostoru (slika 3.12c), tako da su ispunjeni su zahtjevi u točkama 3 i 4. Ukoliko je u tom prostoru smješten 2. stupanj (slika 3.12b), ispunjeni su zahtjevi u točkama 1 i 2. Ako kod linijskog rasporeda cilindara zamijenimo prostor 1. stupnja prostorom A0 (slika 3.12e), dobivamo jednake cilindre. Kod velikih strojeva s križnom glavom (slika 3.12d), 2. stupanj je na donjoj strani stapa, gdje se lako može izvesti brtvljenje na stapajici. Stupnjeviti klipovi sastoje se, radi smanjenja mase, iz dvije uske ploče montirane na zajedničkoj stapajici. Prostor između ta dva stapa (prostor A0) služi za uravnoteženje vršnih tlakova.

Kompresori s rasporedom cilindara u V i W izvedbi karakteriziraju se kompaktnom konstrukcijom. Inercijske sile 1. reda se uravnotežuju protuutezima. Uobičajena je izvedba prikazana na slici 3.12f, s klipovima različite veličine, ali jednake mase, zatim izvedba na slici 3.12g s jednakim stepenastim klipovima i malim silama u mehanizmu i izvedba prema slici 3.12h, koja prikazuje W izvedbu, kod koje je moguće zadržati jednake klipove samo za određeni omjer tlakova. Izvedbe prema slici 3.12f, g i h imaju najveće kapacitete od ~ 2, 3 i 8 m3/min pri brzinama vrtnje od 1500 min-1. Niže srednje brzine klipa i manji stapaji kod većih protoka omogućuju smještaj ventila veće površine.

Serije kod jednostepenih i dvostepenih kompresora pojednostavnjuju proizvodnju i opskrbu rezervnim dijelovima. Tako su kod kompresora sa rasporedom cilindara u liniji (slika 3.12e) uzajamno izmjenjivi klipovi i poklopci cilindara, kod V i W izvedbi (slike 3.12f i h) dodatno su izmjenjivi cilindri 2. stupnja.

Trostepeni kompresor

Trostepeni kompresori (slika 3.13) koriste se za omjere tlakova do 40 ... 200. Jednostavni stupnjeviti klipovi (slika 3.13a) ne ispunjavaju zahtjev točke 1, u 3. stupnju nisu ispunjeni zahtjevi točke 3, a u 2. stupnju zahtjevi točke 4. Dvoradni klip 1. stupnja (slika 3.13b) umanjuje sile u polužju, a primjenom križne glave olakšano je brtvljenje 2. stupnja. Najpovoljnija je izvedba s rasporedom cilindara u ⊥ (slika 3.13c). Ovdje je za zadovoljavanje zahtjeva iz točke 2 potreban pomak koljena za 90°.


Slika 3.13 Izvedbe kompresora s tri stupnja kompresije

Kompresori s četiri do sedam stupnjeva

Na slici 3.14 prikazani su kompresori s četiri ili više stupnjeva. Kod velikih protoka aksijalni kompresori zamjenjuju početne dvoradne stupnjeve kompresora. Na taj se način smanjuju mase, povećava se brzina vrtnje i smanjuju se dimenzije kompresora.

Kod stupnjevitih klipova četverostepenog kompresora (slika 3.14a) s A0 prostorom za udovoljavanje zahtjeva točke 1, nisu ispunjeni uvjeti samo po točki 2 kod 2. i 3. stupnja, odnosno po točki 3 kod 4. stupnja. Ovakva izvedba zbog toga predstavlja optimum kompromisa. Četverostepeni kompresor sa L izvedbom (slika 3.14b) koristi jednoradne stunjevite klipove u ležećim i u stojećim cilindrima. Pomoću puffer prostora A0 ispunjen je zahtjev točke 1, a ostali su stupnjevi tako raspoređeni, da se brtvljenje obavlja prema najmanjim razlikama tlaka. Zahtjeve po točki 3 ne može se ispuniti u 3. i 4. stupnju, dok je zahtjev po točki 2 ispunjen samo kod kuta od 90°.

Na slici 3.14c prikazan je šesterostepeni kompresor. S dvoradnim 1. i 2. stupnjem, ovaj kompresor ima dva geometrijski jednaka stupnjevita klipa. Linijski raspored cilindara se, ovisno o mjestu za montažu, može izvesti sa stojećim ili ležećim cilindrima. Oba cilindra se mogu postaviti u bokser rasporedu cilindara.

Kompresori 109

Slika 3.14 Izvedbe kompresora s četiri stupnja kompresije

3.5 KONSTRUKCIJA I POGONSKE KARAKTERISTIKE

3.5.1 Konstrukcija

Konstrukcijom je utvrđena izvedba, broj stupnjeva, dimenzije cilindra, sile u polužju i pogon kompresora. Za proračun je potrebno poznavati radne karakteristike: kapacitet, stanje usisa, vrstu radnog medija i potrebnu snaga.

Izvedba

Izvedba kompresora je osim po pogonskim karakteristikama, određena serijama proizvođača. Vrsta radnog medija utječe na izbor materijala i oblikovanje dijelova u kontaktu sa radnim medijem, posebno brtvi i klipnih prstenova, o čemu ovisi i sigurnost rada stroja. Pored uobičajenih izvedbi (slika 3.12) ima vrlo mnogo različitih specijalnih izvedbi, kao što su npr. hermetski zatvorene izvedbe


kompresora za rashladne uređaje. Srednja brzina klipa je cs = 2 ... 8 m/s, pri čemu se manje vrijednosti usvajaju za veće strojeve.

Ako kompresor za dati stupanj kompresije ima z cilindara, promjer cilindra je:

πzA

D kk 2= ( 3.80 )

Stapaj možemo odrediti iz usvojene srednje brzine klipa:

nc

s s

2= ( 3.81 )

Izračunati promjer klipa treba zaokružiti prema dimenzijama klipnih prstenova (npr. prema DIN 24910).

Iako su moguće brzine vrtnje i iznad 3000 min-1, zbog trajnosti ventila u praksi se ne prelazi iznad brzina vrtnje od 2000 min-1.

Dimenzije cilindara

Preporuke se kod izbora dimenzija cilindra mogu dati samo u širokim okvirima, zbog velikog mnoštva izvedbi.

Uz konstantni omjer tlakova na stupnju, u rasponu ψ =3 ... 6 i prema ukupnom omjeru tlakova za cijeli kompresor može se odrediti broj stupnjeva kompresije. Dopuštene vrijednosti prikazane su na slici 3.11b. Tlak po stupnjevima je:

11 pp k

k−=ψ usisni tlak u k-ti stupanj

( 3.82 )

11 pp ii ψ=+ tlak na zadnjem stupnju

Ako je stapajni volumen pri normnom stanju jednak V0, uz zanemarivanje svih propuštanja, volumenski protok, odn. kapacitet na usisu u k-ti stupanj je:

0

,00, Tp

TpVV

k

kaka

&& = ( 3.83 )

Za usisnu temperaturu uzima se:

( )25...101,, += aka tt °C ( 3.84 )

Uz stupanj dobave λD i stupanj zahvaćanja λZ dobivamo:

kZkD

kakH

VV

,,

,, λλ

&& = ( 3.85 )

Kompresori 111

Za jedan stupanj kompresije sa svim pripadnim cilindrima mora biti zadržan maseni protok, tako da je:

nVnsAV kHkkH ,, ==& ( 3.86 )

Uz cs = 2 s n dobivamo ukupnu površinu klipa za dati stupanj kompresije:

s

kHkHk c

Vns

VA ,, 2 &&

== ( 3.87 )

Sile u mehanizmu

Za površinu klipa Ak uz tlakove radnog medija u cilindru p"k+1 i p'k sile u mehanizmu su p"k+1Ak i p'kAk tijekom hoda istiskivanja, odnosno hoda usisa. Ovdje moramo uzeti još i utjecaj atmosferskog tlaka pa na stapajicu ili na donju stranu klipa. Ukoliko sile za vrijeme hoda klipa u jednom smjeru nisu jednake silama pri hodu klipa u suprotnu stranu, njihova razlika treba biti čim manja. Manje razlike uklanjaju se podešavanjem razlika tlakova, a veće razlike primjenom mrtvih prostora tzv. puffer prostora

3.5.2 Pogonske karakteristike

Radne karakteristike se prikazuju u različitim dijagramima, u ovisnosti o jednoj ili više varijabli.

Osnovne karakteristike predstavljaju kapacitet kompresora volumenski protok, (sveden na normno stanje), kao i izotermna i efektivna snaga kompresora, sve u funkciji omjera tlaka za cijeli kompresor. Iz dijagrama se mogu odrediti slijedeće veličine:

Hpaf VV && λ=, kapacitet kompresora sveden na stanje usisa ( 3.88 )

=

1

2,1 ln

pp

VpP afis& izotermna snaga kompresora ( 3.89 )

gise PPP ∆+= efektivna snaga za pogon kompresora ( 3.90 )

RTZRg PPPP ++=∆ gubici na snazi ( 3.91 )

gdje je PR gubitak zbog trenja strujanja, PZ je gubitak u cilindru, a PRT su mehanički gubici.

Kao nezavisna varijabla prema kojoj se vrši prikazivanje dijagrama najčešće se koristi izlazni tlak p2 ili brzina vrtnje n. Krivulje se odnose na jedan stupanj. Ako se koriste za ukupni kompresor, najveći utjecaj promjene izlaznog tlaka je na posljednjem stupnju.


Slika 3.15 a) Dobava i b) snaga kompresora s dva cilindra u V izvedbi s jednim stupnjem s promjerom cilindra 100 mm i stapajem 60 mm koji dobavlja pri brzini vrtnje 1500 min-1

pri različitom tlaku dobave

Utjecaj povećanja tlaka kompresije

Kod povećanja krajnjeg tlaka kompresije i konstantne brzine vrtnje (slika 3.15) vrijedi slijedeće: teorijski protok &VH je konstantan (pri konstantnoj brzini vrtnje n) dok se stvarni protok & ,Vf a smanjuje za gubitke u dobavi:

Kompresori 113

Slika 3.16 a) Dobava i b) snaga kompresora s dva cilindra u V izvedbi s jednim stupnjem s promjerom cilindra 100 mm i stapajem 60 mm koji dobavlja na tlak od 8 bar

pri promjenljivoj brzini vrtnje

afH VVV ,&&& −=∆ ( 3.92 )

Razlog tome je jaki utjecaj povećanja zaostale mase u štetnom prostoru i njene veće ekspanzije, kao i veće grijanje stroja zbog viših tlakova kompresije.


Izotermna snaga Pis (slika 3.15b) raste teorijski po logaritamskoj krivulji (crtkano), dok se u stvarnosti zbog smanjenja kapaciteta kompresora, ona smanjuje. Efektivna snaga Pe raste, pošto gubici:

RTZRg PPPP ++=∆ ( 3.93 )

jako rastu izvan područja minimuma pri položaju maksimuma za izotermnu snagu Pis. Efektivni stupanj djelovanja ηis,e ima maksimum 0.47 pri tlaku 5 bara. Specifična efektivna snaga po jedinici kapaciteta P Ve f a

&, naglo raste s približno 6 na 10.3 kW/(m3 min).

Utjecaj povećanja brzine vrtnje

Ako pri konstantnom izlaznom tlaku povećavamo brzinu vrtnje kompresora (slika 3.16) teorijski kapacitet &V V nH H= će rasti linearno, dok je porast stvarnog kapaciteta manji zbog povećanja gubitaka strujanja i većeg zagrijavanja radnog medija na stijenkama pri većim brzinama strujanja (veće su vrijednosti koeficijenta prelaza topline). Time se smanjuje i vrijednost stupnja punjenja λp.

Izotermna snaga raste počev od nule, teorijski ona raste linearno (crtkana krivulja), dok u stvarnosti ona raste nešto sporije, zbog sporijeg rasta stvarnog kapaciteta & ,Vf a . Promjena efektivne snage neznatno odstupa od pravca. Izotermni efektivni stupanj djelovanja ηis,e smanjuje se vrlo sporo. Specifična snaga P Ve f a

&, raste također vrlo sporo. Shodno tome i pogonski moment Md ostaje skoro

konstantan, što je općepoznata karakteristika pogona kompresora (tzv. "kompresorska karakteristika").

Za približne proračune može se uzeti da su kapacitet &,Vf a i efektivna snaga Pe proporcionalni

brzini vrtnje, a da je pogonski moment Md konstantan.

Slika 3.16 Utjecaj podjele omjera tlakova po stupnjevima za kompresor s dva stupnja kompresije (tlak p1 = 1 bar)

Kompresori 115

Utjecaj omjera tlakova

U dvostepenom kompresoru (slika 3.17), što je veći tlak p2, zbog gubitaka strujanja u međuhladnjaku, to je manji krajnji tlak kompresije p3. Ako smo s p1 označili tlak usisa, tada je omjer tlakova:

1

21 p

p=ψ ( 3.94 )

11

3

2

32 p

ppp

ψψ == ( 3.95 )

211

3 ψψψ ==pp

uk ( 3.96 )

Kako je p1 otprilike konstantan, ψuk je linearno proporcionalan krajnjem tlaku kompresije p3. Za prikazanu izvedbu se uzima ψ1 =ψ2 = 3, pa je prema tome ψuk = 9.

Slika 3.18 Polje karakteristika za jedan kompresor s jednim stupnjem kompresije

Dijagrami karakteristika

Dijagrami karakteristika (slika 3.18) prikazuje karakteristike rada kompresora u vrlo širokom području i daju podatke za promjene kapaciteta & ,Vf a , efektivnu snagu Pe i efektivni izotermni stupanj djelovanja ηis,e pri tlaku kompresije p2 i brzini vrtnje n. Izbor stroja vrši se tako da se izabere za najveći kapacitet koji se traži od kompresora, dok će se svi manji kapaciteti podesiti sustavom regulacije kompresora.


U dijagramu karakteristika (slika 3.18) prikazane su krivulje konstantnog kapaciteta &,Vf a .

Kapacitet raste s brzinom vrtnje i smanjuje se s povećanjem tlaka p2, zbog utjecaja štetnog prostora i propuštanja. Da bi zadržali isti kapacitet kod višeg tlaka potrebno je povećati brzinu vrtnje. Veće odstupanje krivulja konstantnog kapaciteta od vertikale ukazuje na veći utjecaj gubitaka propuštanja na promjenu kapaciteta.

Krivulje konstantne snage ukazuju da se snaga povećava s povećanjem tlaka i s povećanjem brzine vrtnje. Ako držimo konstantnu snagu kompresora, povećanjem brzine vrtnje opada krajnji tlak kompresije. Ako želimo postići viši tlak, uz konstantnu efektivnu snagu, moramo smanjiti brzinu vrtnje. Ovu tendenciju pokazuje posebno sama izotermna snaga:

=

1

21 ln

ppnVpP Hpis λ ( 3.97 )

Iz krivulja jednake izotermne snage Pis = konst slijedi:

nVpP

Hp

is

epp λ112 = ( 3.98 )

što otprilike odgovara i promjeni efektivne snage.

Krivulje konstantnog stupnja djelovanja ukazuju na maksimume stupnja djelovanja pri tlaku od 5 do 6 bara. Njihova vrijednost opada s povećanjem brzine vrtnje.

Ako pratimo liniju konstantnog tlaka vidimo da s brzinom vrtnje rastu kapacitet i efektivna snaga, a da opada stupanj djelovanja. Ako pratimo krivulju konstantne brzine vrtnje vidimo da se kapacitet smanjuje, a snaga povećava s povećanjem tlaka kompresije.

3.6 UPRAVLJANJE KOMPRESORA (VENTILI)

Upravljački organi zatvaraju radni prostor pri kompresiji od točke 1 do točke 2 (slika 3.19) i pri ekspanziji od točke 3 do točke 4. Oni omogućuju spajanje cilindra s usisnim vodom tijekom usisa od točke 4 do točke 1 i cilindra s tlačnim vodom tijekom istiskivanja od točke 2 do točke 3. Točke upravljanja su prema tome: 1. trenutak otvaranja usisnog ventila UVO (usisni ventil otvara),2. trenutak zatvaranja usisnog ventila UVZ,3. trenutak otvaranja tlačnog (ispušnog) ventila IVO i4. trenutak zatvaranja tlačnog (ispušnog) ventila IVZ.

Pretlačni ventili

Pretlačni ventili su upravljani razlikom tlaka i djeluju samostalno. Oni se samostalno prilagođavaju točkama procesa i ne iziskuju zasebni mehanizam za njihovo kontrolirano otvaranje ili zatvaranje. Oni se mogu upotrebljavati do brzina vrtnje od 3000 min-1 i temperatura od 250 °C.

Kompresori 117

Slika 3.19 Podizaj ventila i brzina klipa u ovisnosti o kutu koljena i vremenu

Mehanički upravljani ventili

Koljenasto vratilo preko para zupčanika pogoni bregasto vratilo, čiji brijegovi preko posebnih mehanizama otvaraju i zatvaraju ventile. Ovakav se pogon koristi kod jako zaprljanih medija, a ventili se prave sa sjedištem iz elastomera.

Klizni pločasti (šiber) ventili i raspori

Ovakvi ventili se koriste uglavnom kod vakuumskih pumpi. Atmosferski tlak potiskuje pločasti šiber na svoje ležište, a s koljenastog vratila uzimamo pogon za otvaranje i zatvaranje šibera.

3.6.1 Izvedbe i način djelovanja

Izvedba

Kod ventila (slika 3.20) razlikujemo fiksno sjedište ventila 1, pomične pločice ventila 2 i brtve. Opruge 3 pomažu vraćanje pločice ventila na njezino sjedište. Pomoću prigušne pločice 4 prigušuje se udarac pri otvaranju, a pomoću graničnika 5 ograničava se maksimalni hod ventila. Spajanje svih djelova u paket vrši se pomoću vijka 6 s maticom 7 i osiguračem. Zatik 9 spriječava okretanje dijelova 2, 3 i 4 tijekom rada. Presjeci tvore prstenaste kanale kroz koje prestrujava radni medij.

Način rada

Pločica ventila 2 otvara se kada je tlak na sjedištu 1 viši od tlaka iza pločice. Kod usisnog ventila sjedište leži u kućištu (slika 3.20a), a kod tlačnog ventila (slika 3.20b) u radnom prostoru. Kod otvaranja ventila (slika 3.19) potrebno je najprije ubrzati pločicu ventila, za što je potrebna nešto veća razlika tlaka. Pločica ventila pri udarcu u graničnik i zavibrira, a dio vibracija induciran je i samim strujanjem radnog

GMT DMT GMT

UVO UVZ TVO TVZ


medija oko pločice. Za ublažavanje i prigušenje tih vibracija koristi se prigušna pločica 4. Protočni presjek ventila odabire se prema maksimalnim dopuštenim brzinama strujanja za pojedine medije.

Slika 3.20 Samostalni ventil a) tlačni, b) usisni

Posebne izvedbe

Ventili se izvode u raznim izvedbama. Oni se konstruiraju za uvažavanje određenih kriterija, kao što su: • čim veća protočna površina,• čim manja masa pokretnih dijelova,• čim manja udarna opterećenja,• čim manje trenje i• čim manji štetni prostori.

Kod koncentričnih ventila (slika 3.21a) izvode se tako da kanali ventila leže koncentrično prema osi cilindra, obično je u sredini usisni ventil 1, a po opsegu tlačni ventil 2, kako bi se čim bolje odvodila toplina. Ovakva izvedba ventila vrlo dobro koristi raspoloživi presjek cilindra. Tako izvedeni ventili

Kompresori 119

imaju relativno velike zazore i tvore vrlo male štetne prostore. Njihovo brtvljenje i demontaža su otežani. Koriste se kod manjih kompresora s većim brzinama vrtnje.

Ventili s elastičnim trakama (slika 3.21b) imaju ravne paralelne kanale i sastoje se iz sjedišta 1 s limom za pričvršćenje 2, ventilskih pločica 3 s oprugama 4, graničnika hoda 5 i držača 6. Pločice ventila 3 deformiraju se kao lisnate opruge i praktički rade bez trenja. Šumovi i udarci prigušuju se zračnim jastukom koji se formira između dijelova 3 i 4 tijekom otvaranja ventila. Ovi ventili tvore male štetne prostore i koriste se kod suhih (bezuljnih) kompresora i kod vakuumskih pumpi.

Spiralni ventil (slika 3.21c) ima spoj 2 između unutarnjeg prstena 3, koji je pričvršćen na graničnik hoda 1, i ostatka prstena 4, čija je brtvena površina fino brušena i koji se slobodno giba, ovisno o razlici tlaka. Tako dobivamo gibanje bez trenja, pa su ovi ventili pogodni za suhe kompresore.

Etažni ventili (slike 3.21d i e) objedinjuju usisne 1 i tlačne ventile 2 za bolju primjenu raspoloživog presjeka cilindra. Etažni ventili imaju dvije grupe s više kanala. Veliki protočni presjeci ventila kod ove izvedbe popraćeni su i većim štetnim prostorom. Ovakva izvedba otežava pristup organima za regulaciju rada kompresora.

Slika 3.21 Izvedbe ventila a) koncentrični ventil, b) ventil s elastičnim trakama, c) spiralni ventil, d-e) etažni ventili

Kompresori 121

Slika 3.23 Podaci za proračun ventila a) dopuštena brzina strujanja za različite plinove, b) najveći hod ventila, c) životni vijek ventila

kkS

SSkS v

AvA

ρρ

,

1,11,, = ( 3.102 )

Ako usvojimo da je pad tlaka na svim ventilima kod višestepenog kompresora jednak i da je koeficijent ξ = konst, tada je:

21,1

2, SkSk vv ρρ = ( 3.103 )


kSkS AA

ρρ1

1,, = ( 3.104 )

Ako smo pretpostavili kapacitet kompresora kao:

KsH AcV =& ( 3.105 )

gdje je cs srednja stapna brzina, maseni protok kompresora je:

KskkpKspHpf AcAcVm ρλρλρλ ,11,11, === && ( 3.106 )

Uz konstantni stupanj dobave λp = konst dobivamo:

kKkK AA

ρρ1

1,, = ( 3.107 )

iz čega vidimo da se i površine klipa smanjuju kod viših stupnjeva kompresije i to brže nego protočne površine ventila. Viši stupnjevi kompresije prema tome iziskuju relativno veće protočne površine ventila, tako da kod viših stupnjeva često treba primjenjivati posebne konstrukcije ventila.

3.6.3 Ugradnja ventila

Različite izvedbe ventila nude široke mogućnosti ugradnje. Izbor ventila utječe na način hlađenja, izvedbu klipa i na konstrukciju cilindra i cilindarske glave. Kod manjih kompresora ventili se ugrađuju u cilindarsku glavu. Kod većih strojeva s križnom glavom ventili se ugrađuju i u stijenku cilindra, posebno kod viših stupnjeva kompresije. Kompresori kod rashladnih strojeva sadrže često veoma interesantne konstrukcije ventila i njihova smještaja.

Ugradnja u cilindarsku glavu

Pojedinačni ventili se mogu ugraditi paralelno, vertikalno ili koso obzirom na uzdužnu os cilindra (slika 3.24a i b). Usisni 1 i tlačni ventil 2 leže u svojim gnijezdima 3 i 4. Ventili su pritisnuti na svoja ležišta pomoću vijka 5 i zvona 7. Poklopac 6 je brtvljen mekom brtvom 8 i vijcima je pričvršćen za cilindarsku glavu. Vijak 5 ima posebno izvedeno brtvljenje. Ovakva izvedba omogućuje skidanje ventila bez potrebe da se skidaju dijelovi cjevovoda ili da se skine cilindarska glava.

Koncentrični ventili (slika 3.24c) su postavljeni koncentrično osi cilindra. Usisni 1 i tlačni 2 dio ventila pritisnuti su na svoje ležište 4 vijcima 3. Tlačni dio se prema usisnom dijelu brtvi bakrenim prstenovima 5. Da bi se skinuo ventil potrebno je skinuti cilindarsku glavu.

Kompresor rashladnog uređaja (slika 3.24d) ima usisni ventil s 20 privodnih otvora 3 u prirubnici 4 cilindarske košuljice. U prirubnici se nalazi i 4 klipova 5 za držanje usisnog ventila otvorenim radi potreba regulacije. Sjedište 6 tlačnog ventila 2, koje je istovremeno graničnik hoda za usisni ventil 1, ima otvore 7 za odvod ulja i pritisnuto je oprugom 8 na prirubnicu 4. Na taj se način prilikom istjecanja ukapljenog rashladnog medija podiže cijeli ventil i znatno povećava protočni presjek, čime se spriječavaju teža oštećenja stroja.

Kompresori 123

Slika 2.24 Ugradnja ventila u cilindarsku glavu a) ventili usporedo, b) ventili nasuprot jedan drogome, c) koncentrični ventil, d) ventil po obodu

Slika 3.25 Smještaj ventila u cilindarsku košuljicu

Smještaj ventila u cilindarsku košuljicu

Smještaj ventila u cilindarsku košuljicu (slika 3.25) koristi se kod dvoradnih strojeva, gdje je veći dio cilindarske glave zauzet brtvom stapajice. Osi ventila mogu biti paralelne ili okomite na os cilindra.


3.7 REGULACIJA KOMPRESORA

Kod kompresora se najčešće regulira tlak komresije, rijetko tlak usisa ili kapacitet kompresora. Za jedan sustav regulacije tlaka (slika 3.26) vrijedi:

Slika 3.26 Regulacija tlaka kompresora a) dijagram toka signala, b) rad pri naglom skoku i postupnoj promjeni

Proces

Proces koji se želi regulirati sadrži kompresor sa pogonskim motorom, cjevovode, spremnike i sistem hlađenja. Ulazne veličine regulacije su željene vrijednosti i signali poremećaja i izlazne regulirane veličine. Proces teži da sistem dovede u ravnotežu, tj. da izlazne veličine odgovaraju željenim vrijednostima i ponaša se tako da s vremenskom konstantom T1 teži k ravnoteži. Vremenska konstanta ovisi o volumenima spremnika i cjevovoda i raste s njihovim povećanjem.

Zadana veličina je protok kompresora Y Vf→ & , odnosno signal postavnom uređaju regulacije kompresora. Na nju utječe izvršni postavni organ (otvorenost pojedinih ventila u mreži, napon na pogonskom elektromotoru, dovod goriva motoru s unutarnjim izgaranjem).

Poremećaj je trenutno traženi kapacitet kompresora Z Ve→ & koji ovisi o potrošnji u mreži i ne ovisi o regulacijskom krugu. pored traženog kapaciteta to mogu biti promjene tlaka na usisu, promjena brzine vrtnje pogonskog motora, hlađenje itd.

Regulator

Ulazne veličine u regulator su regulacijska veličina X px→ i željena veličina p2, odnosno W (traženi tlak u mreži). Izlazna veličina regulatora je signal za postavni organ Y Vf→ & . Ovi regulatori rade uglavnom kao regulatori u dvije točke, međutim mogu raditi i kao P ili PI regulatori.

Regulacijska veličina je traženi konstantni tlak px. U praksi nije potrebno precizno održavanje konstantnog tlaka od strane sustava. Mjerni uređaji su pretežito mehanički i sastoje se iz klipa i opruge.

Kompresori 125

Njihovo podešenje se ne može mijenjati kontinuirano tijekom rada kompresora, već se namještaju na jednu vrijednost kada kompresor miruje.

Pomoćnu energiju za pogon postavnih organa obično uzimamo od komprimiranog medija. Tlak radnog medija je oko 6...8 bara, dok je propis za tlak za pneumatsku signalizaciju normiran na 1.2 ... 2 bara. Pneumatsku energiju koristimo uglavnom za pogon postavnih organa većih ventila.

Slika 3.27 Regulacija tlaka u dvije točke a) dijagram sustava, b) dijagram promjene tlaka u vremenu, c) dijagram učestalosti uključivanja u

ovisnosti o potrošnji

3.7.1 Regulacija u dvije točke

Regulacija u dvije točke ima široku primjenu kod kompresora. Izvedba takvih regulatora je robustna i sigurna u pogonu. Postavni organ kod manjih kompresora isključuje i uključuje elektromotor, ili kod većih kompresora drži usisni ventil otvoren. Tamo gdje to nije moguće zbog izvedbe ventila (etažni ventil ili kod vijčanih i krilnih kompresora), vrši se prigušenje ili zatvaranje usisnog voda.

Regulator 1 (slika 3.27a) uključuje, kada je tlak px u spremniku 2 dostigao tlak uključivanja puk, pogon kompresora 3 preko postavnog organa 4 i kod dostizanja tlaka isključivanja pisk isključuje pogon. Tijekom uključenosti pogona Tuk (slika 3.27b) tlak px raste od puk na pisk, a za to vrijeme kompresor radi s kapacitetom &

,Vf a . Za vrijeme dok je kompresor isključen Tisk svo napajanje se vrši iz akumulacije u spremniku, tako da tlak u spremniku pada s pisk na puk. Tijekom cijele periode T = Tuk + Tisk u izlazni cjevovod otječe volumenski protok &Ve .

Ukoliko je otjecanje &Ve = 0 , tada je Tuk = 0, pa je prema tome Tisk → ∞ . Pri & &V Ve f= je Tisk = 0, a Tuk → ∞ . Ova dva slučaja predstavljaju krajnje granice regulacije.

Frekvencija uključivanja ovisi o volumenima spremnika i mreže cjevovoda. Tijekom uključenosti kompresora u spremnik dotječe volumen:

( ) ukef TVVV && −=∆ ( 3.108 )


a tijekom isključenosti kompresora iz spremnika istječe volumen:

iskeTVV &=∆ ( 3.109 )

Kako obje promjene volumena ∆V moraju biti jednake, tada uz omjer α možemo pisati:

f

e

VV&

&=α ( 3.110 )

( ) ukf TVV &α−=∆ 1 ( 3.111 )

iskf TVV &α=∆ ( 3.112 )

( ) iskfukf TVTVV && αα =−=∆ 1 ( 3.113 )

( )isk

f

uk

f

TV

TV && αα −

=1

( 3.114 )

Sada možemo dobiti izraze za vremena i frekvenciju uključivanja i isključivanja:

αα−= 1

ukisk TT ( 3.115 )

αααα

−==−+=+=1

1 iskukukukiskuk

TTTTTTT ( 3.116 )

iskuk TTTf αα −=== 11

( 3.117 )

Iz jednadžbi (3.36 i 3.39) dobivamo:

( )α−∆=1f

uk VVT

&( 3.118 )

( )V

Vf f

∆−=

&αα 1 ( 3.119 )

Funkcija ( ) 21 xxxxy −=−= ima svoj maksimum pri:

021 =−=′ xy ( 3.120 )

za vrijednost x = 1/2. Maksimalna vrijednost je tada:

Kompresori 127

( )4125.025.05.05.0max ==−== yy ( 3.121 )

Maksimalna frekvencija uključivanja se postiže za 21==

f

e

VV&

&α :

( )V

Vff f

∆===

45.0max

&α ( 3.122 )

pa dobivamo:

( ) max14 ff αα −= ( 3.123 )

Ukoliko se p1 i T1,a odnose na stanje usisa, a VB i TB na stanje u spremniku, tada je prema jednadžbi stanja promjena mase u spremniku:

11,

1 ρVTR

pVTR

pVm

aB

B ∆=∆

=∆

=∆ ( 3.124 )

Iz jednadžbe (3.40) vidljivo je da maksimalna frekvencija uključivanja kompresora ovisi o volumenu spremnika. Potrebni volumen spremnika možemo izračunati za zadanu dopuštenu frekvenciju uključivanja:

1,

1,

max41

a

BafB Tp

TpVf

V∆

=&

( 3.125 )

Ovdje se ve„inom uzima TB ≈ Ta,1. Opravdane veličine spremnika komprimiranog zraka rade s razlikama tlaka između dviju točaka uključenja i isključenja oko ∆p = 0.5 ... 2 bar i s frekvencijama uključivanja f = 30 ... 60 h-1.

Karakteristike regulacije prikazane su na slici 3.27b i c. Ako sa Guk i Gisk označimo srednje vrijednosti neke veličine za vrijeme uključenosti Tuk ili isključenosti Tisk, tada je srednja vrijednost tijekom periode:

iskuk

iskiskukuksr TT

TGTGG++

= ( 3.126 )

Veličina G se može odnositi na volumenske protoke &Ve i &Vf , na zakretni moment Md, na efektivnu snagu Pe i snagu pogonskog motora PA. Kako je pri isključenju kompresora 0=V& , tada vrijedi ravnoteža:

( ) ukfiskuke TVTTV && =+ ( 3.127 )

Ako razlike točaka uključenja i isključenja nisu prevelike, veličine Guk i Gisk se neznatno mijenjaju. Kada je kompresor isključen, tada je tijekom vremena Tisk kompresor isključen pa je:


Md = Pe = PA = 0

pa prema tome ne dolazi do gubitaka praznog hoda.

Regulator

Regulator pored toga što služi za uključivanje ili isključivanje volumenskog protoka (bilo ukopčavanjem kompresora ili otvaranjem ventila), služi i za rasterećenje tlaka kompresora prilikom upućivanja kompresora, kada u spremniku vlada nazivni tlak. Na taj se način smanjuje potezni moment motora za pogon kompresora, tako da se može ugraditi i manji pogonski motor.

Presostat vrši uključivanje, pri dostizanju tlaka puk, i isključivanje, pri tlaku pisk, pogonskog elektromotora i u sebi objedinjuje regulator i izvršni organ. Kako pri dostizanju tlaku puk kompresor miruje, on se tijekom upućivanja mora dovesti rasterećen do tlaka puk.

Regulator s oprugom ili utegom ima klip s dvije različite radne površine, koji je opterećen oprugom ili utegom. Razlika radnih površina određuje razliku tlaka, a prednapon opruge ili uteg određuju veličinu srednjeg tlaka. Kod uključivanja klip spaja dovod radnog medija na pogon izvršnog organa, tako da je cjevovod tijekom rada kompresora otvoren, a pri prekidu rada, tlačni vod se zatvara, kako se radni medij nebi vraćao preko kompresora.

Slika 3.28 Regulator tlaka s oprugom

Izvedeni regulator sa oprugom

Na slici 3.28 prikazan je regulator s oprugom. Klizač 1 leži sa svojom čeonom površinom A na sjedištu 2 i pritisnut je oprugom 3 On se pomiče kada je tlak u spremniku narastao na px = pisk. Kada se odmaknuo, tlak sada djeluje na veću površinu A + ∆A, pa je izvršni organ SG spojen s tlačnim

Kompresori 129

spremnikom preko veze FB. Kada je sila tlaka na vešu površinu manja od sile u opruzi, tj. kada je tlak pao na vrijednost px = puk, klip će krenuti naprijed i prekinuti dovod radnog medija izvršnom organu tako što ponovno sjedne na svoje sjedište 4, a izvršni organ dođe u vezu s atmosferskim tlakom pa. Kompresor počinje s radom, tlak px raste i cijeli se proces ponavlja.

Prema slici 3.28, uz c kao krutost opruge 3 i hod klizača h = fuk - fisk, razlika u dužini opruge je:

( ) iskaisk fcAApAp +∆+≥ uvjet otvaranja ( 3.128 )

( ) ( ) ukauk fcAApAAp +∆+≤∆+ uvjet zatvaranja ( 3.129 )

∆++

−+∆=∆+

−−+

∆+=−=∆

AAhf

Af

cAAp

AAf

cpA

fc

AApppp iskisk

auk

aisk

aukisk 1 ( 3.130 )

dobivamo sređivanjem:

AAhc

AAfc

pAAp isk

a ∆+−

∆+

+∆=∆ ( 3.131 )

Podešavanje se vrši tako da se tlak puk namješta pritezanjem opruge 3 pomoću vijka 5. Razlika tlaka ∆p se prema jednadžbi 3.44 povećava smanjenjem hoda klizača do odbojnika, tako da se skidaju umetci 6.

Za rasterećenje pri startanju služi vreteno 7 s maticom 8, tako da se vreteno povuče, kako bi dobili spoj između SG i FB i kako nebi došlo do otvaranja ventila cjevovoda, dok kompresor nije postigao nazivnu brzinu vrtnje.

Izvršni organi

Kod regulacije u dvije točke (slika 3.29) imamo samo dva položaja: punu ili nikakvu dobavu. Izvršni organ pomoću cilindra sa klipom 2 i oprugom 3 djeluje na uređaj za uklop. Ako je cilindar 1 preko regulatora RG spojen na spremnik FB, tlak preko izvršnog organa prekida dobavu, a ako je spojen s atmosferom, opruga vraća izvršni organ u položaj mirovanja i dobava se ponovno uspostavlja. Izvedbe izvršnih organa su različite.

Na slici 3.29a prikazan je izvršni organ koji drži otvoren usisni ventil za vrijeme dok je dobava isključena. Tlak radnog medija koji djeluje na klip mora savladati slijedeće sile: silu u opruzi, silu trenja, silu zastojnog tlaka i tlaka na stražnjoj strani ventila. Zastojni tlak na pločici ventila zbog strujanja medija odgovara otprilike srednjem indiciranom tlaku praznog hoda.

Na slici 3.29c prikazan je izvršni organ koji djeluje na zatvaranje usisnog voda. Veliki klip tog izvršnog organa mora sigurno brtviti na sjedištu. Kako pri usisu nastaje veći podtlak u cilindru, nastaje velika razlika tlaka, tako da dolazi do većeg prikupljanja ulja, što nadalje još više onečišćuje radni medij. Kod kompresora s klipnim mehanizmom ovakav se izvršni organ koristi u kombinaciji s etažnim ventilom. Klipovi kompresora s takvom regulacijom imaju dodatne prstene strugače ulja.


Slika 3.29 Izvršni organi regulacije a) djelovanje na otvaranje usisnog ventila, b) p-V dijagram za rad s otvorenim usisnim ventilom,

c) djelovanje na zatvaranje usisnog ventila, e) p-V dijagram za rad sa zatvorenim usisnim ventilom

3.7.2 Kontinuirana regulacija

Kontinuirana regulacija se koristi kod kompresora s kapacitetom većim od 10m3/min. Regulatori koji se koriste imaju obično karakteristike P i PI regulatora. Kao pogonski medij za izvršne organe koristi se radni medij pod tlakom. Izvršni organi su obično ukomponirani u konstrukciju samog kompresora i njegovih dijelova.

Princip primjene zastojnog tlaka

Ukoliko izvršni organ drži otvoren usisni ventil, pri istrujavanju radnog medija nastaje zastojni tlak ps (slika 3.30b) koji ima svoj maksimum pri otprilike 50% podizaja. Usisni ventil s takvim podešavanjem (slika 3.30a) je izveden tako da upravljački tlak ps djeluje u cilindru 1 na klip 2. Na klip je pričvršćen hvatač 3 koji zahvaća pločice usisnog ventila 4. Pomoću vijka 5 i opruge 6 vrši se podešavanje ventila na zastojni tlak. Pokretni dijelovi se izvode što je moguće lakši, kako bi se utjecaj inercijalnih sila dijelova sveo na minimum.

Način rada prikazan je na slici 3.30b. Ventil zatvara kada je sila tlaka podešavanja veća od sile zastojnog tlaka. Povećanjem tlaka podešavanja smanjuje se kapacitet kompresora (točke a i b). Zbog inercijalnih sila i sila trenja reakcija kasni, tako da se postiže maksimalno 40% najvišeg masenog protoka.

Kompresori 131

Ako se krivulje kompresije i zastojnog tlaka sijeku iza njihovog maksimuma (točka b), kapacitet kompresora se može i dalje smanjivati.

Ovakva regulacija koristi se kod visokotlačnih kompresora, gdje usisni tlakovi u posljednji stupanj kompresije iznose do 300 bara.

Slika 3.30 Kontinuirana regulacija primjenom zastojnog tlaka

Regulacija promjenom štetnog volumena

Ako štetni volumen Vc povećamo tako da mu dodatno spojimo volumen ∆Vc, krivulje kompresije i ekspanzije će, od trenutka pripajanja dodatnog volumena pri tlaku pz, teći mnogo položenije. Na taj način povećati će se i gubitak na volumenu ∆VRu,a za usis, tako da će se kapacitet kompresora smanjiti (točke a i b na slici 3.31b).

Područje podešavanja je:

min,max,,max,, RuRumDDha VVVVV ∆−=−= ( 3.132 )

Prema jednadžbi (3.9) imamo:

hanha

c VV

V ,1,

1β

ψ=

−=∆ ( 3.133 )

Kvocijent β koji je funkcija omjera tlakova na stupnju ψ smanjuje se s povećanjem omjera tlakova ψ, gdje se kao opravdane uzimaju sve vrijednosti za ψ > 2.

Ventil za podešavanje (slika 3.31a) sastoji se iz cilindra 1 sa klipom 2 koji je opterećen oprugom 3, tako da djeluje preko hvatača 4 na pločice ventila 5. Silu u opruzi reguliramo ručnim kolom 6 putem vretena 7. Ventil spaja kompresijski prostor kompresora sa štetnim prostorom ∆Vc kada je sila tlaka u cilindru na pločice usisnog ventila manja od sile tlaka pz, kojega određujemo oprugom, i sile tlaka py na klip. Promjenom tlaka py možemo pneumatski upravljati sa regulacijom dobave kompresora. što je veći


tlak py, to se ranije otvara ventil i dobava kompresora se smanjuje. Isto se to događa i kada ručno pritežemo oprugu 3.

Slika 3.21 Kontinuirana regulacija tlaka uključivanjem štetnoga prostora

Regulacija promjenom brzine vrtnje

Regulacija dobave kompresora može se izvršiti i regulacijom brzine vrtnje. Na taj način se donekle pokriva različiti pad tlaka pri različitim oduzimanjima i koji ćemo pokriti povećanjem brzine vrtnje. Ukoliko pogonski stroj, pomoću kojega pokrećemo kompresor, ima regulaciju brzine vrtnje, tada se regulacija kompresora može spojiti s regulacijom brzine vrtnje.

Ukoliko je pogonski stroj motor s unutarnjim izgaranjem, neugodne strane takvog pogona su u relativno visokoj brzini vrtnje praznog hoda i neophodnom zaletu motora do te brzine vrtnje pri upućivanju. Zbog toga su za regulaciju tlaka pri vrlo malim dobavama potrebne posebne mjere, npr. regulacija u dvije točke. Ukoliko motor nema regulaciju brzine vrtnje potrebno je ograničenje maksimalne brzine vrtnje.

Kompresori 133

Kod dizelskog motora, regulator tlaka 1 pomiče ručicu goriva na pumpi za ubrizgavanje goriva 2 ili pomiče referentnu točku regulatora brzine vrtnje 3. U ovoj posljednjoj varijanti (slika 3.32) pri smanjenju potrošnje radnog medija &Ve raste tlak px, tako da regulator smanjuje brzinu vrtnje n, a time i dovod goriva.

Slika 3.32 Regulacija kompresora promjenom brzine vrtnje pogonskog stroja

Kod Ottovog motora regulator tlaka djeluje izravno na leptir rasplinjača. Ovi motori moraju biti opremljeni ograničenjem maksimalne dopuštene brzine vrtnje.

Ako se kao pogonski stroj koristi elektromotor, najekonomičnije je da se koristi asinhroni elektromotor, čija je brzina vrtnje gotovo konstantna (vrlo malo klizanje).

Izmjenični elektromotori s otpornicima omogućuju promjenu brzine vrtnje u rasponu do 30% nazivne brzine vrtnje. Pored toga, tiristorskim upravljanjem može se brzina vrtnje mijenjati u mnogo širim granicama. Tiristorska regulacija može se primjeniti i kod istosmjernih elektromotora. Donju brzinu vrtnje kod tiristorske regulacije ograničava hlađenje stroja, tako da se umjesto vlastitog sustava hlađenja (ventilator na osovini elektromotora) zamjenjuje sa posebnim sustavom hlađenja poseban elektromotor za pogon ventilatora za hlađenje .

3.8 IZVEDENI KOMPRESORI

Ovdje će biti opisane samo osnovne izvedbe kompresora, kakve se najčešće susreću u praksi.

Jednostepeni kompresor u V izvdebi

Na slici 3.33 prikazan je jednostepeni kompresor u V izvedbi. Njegov kapacitet je 49 m3/h zraka, tlak zraka je 9 bara. Potrebna snaga za pogon je 6.3 kW pri 1450 min-1 (pogon asinhronim elektromotorom).

Pogonski mehanizam kompresora se sastoji iz klipova 1 sa ojnicama 2, koji su uzajamno spojeni osovinicom klipa 3. Na koljeno koljenastog vratila 4 vezane su jedna pored druge ojnice 2 nasuprotnih cilindara. Na ramenima koljena 6 su pričvršćeni protuutezi 7, koji pri kutu među cilindrima od 90° potpuno uravnotežuju centrifugalne sile rotirajućih masa i inercijalne sile translacijskih masa 1 reda. Na desnom kraju koljenastog vratila je zamašnjak 9 na kojega je spojena elastična spojka pomoću vijaka 9. Kućište 10 je izvedeno u tunelskoj izvedbi i na svojim krajevima ima ležajne štitove 11 i 12, s ležajevima

Motor Kompresor

Regulator tlaka Regulator brzine vrtnje


za koljenasto vratilo 4. Ležajni štitovi se mogu skinuti s kućišta. Na kućište je vijcima pričvršćen cilindar 13. Bočni poklopac 14 omogućuje skidanje ojnica 2, koje se zajedno s klipom izvlače kroz cilindar kadaje skinuta cilindarska glava 15. Preko odzračnog ventila 16 izjednačava se tlak u kućištu s tlakom okoline.

Slika 3.33 Izvedba maloga kompresora s jednim stupnjem kompresije

Zrak se usisava klipom 1 kroz usisni filter 17 i usisnih ventila 18 u cilindar 13. Nakon kompresije on se tlači preko ispušnog ventila 19 u hladnjak 20. Iza hladnjaka zrak prolazi kroz odvajač vlage i ulja 21 sa sigurnosnim ventilom 22 prema priključku potrošača 23. Usisni i ispušni ventil 18 i 19 smješteni su u cilindarskoj glavi 15. Regulator tlaka 24 s regulacijom u dvije točke djeluje preko izvršnih organa 25 na usisne ventile, regulirajući tako tlak pri različitim potrošnjama zraka.

Zamašnjak 8 je sa svojim paocima izveden kao ventilator, tako da su paoci ujedno krila 26 ventilatora. Rashladni zrak hladi cijevi hladnjaka 20 savijene u obliku spirale i nakon toga hladi rebra 27 cilindra 13 i cilindarske glave 15. Za podmazivanje služi klipna pumpa 28, koja siše ulje iz uljne kade 29 i tlači ga u tlačni vod 30. Ulje se dalje razvodi na ležajeve koljenastog vratila i na ojnice 2. Klip 1 i njegova osovinica podmazani su uljem koje prska sa ležajeva ojnice, i koje se ponovno slijeva u uljnu kadu 29. Pomoću kontrolnog štapa 31 i pokazivača nivoa 32 vrši se provjera razine ulja u kompresoru.

Dvostepeni kompresor u L izvedbi

Na slici 3.34 prikazan je dvostepeni kompresor u L izvedbi. On ima dva dvoradna stupnja s promjerima cilindra 290 i 470 mm, te stapaj od 260 mm. Pri efektivnoj snazi od 200 kW i brzini vrtnje od 500 min-1, kapacitet kompresora je 32 m3/min pri tlaku od 10 bara. Kompresor je hlađen vodom i ima stapni mehanizam s križnom glavom. Zrak se najprije usisava u prvi stupanj 1 kroz usisne ventile 2 i preko ispušnih ventila 3 istiskuje se kroz međuhladnjak 4. Odatle se zrak usisava u 2. stupanj 5 preko usisnih ventila 6 i preko ispušnih ventila 7 odvodi se na hlađenje, odvlaživanje i prema potrošaču.

Kompresori 135

Slika 3.34 Izvedba dvoradnog kompresora s dva stupnja kompresije i rasporedom cilindara u L izvedbi

Trostepeni kompresor

Na slici 3.35 prikazan je trostepeni kompresor zraka. Njegov kapacitet je 1.25 m3/min pri tlaku od 70 bara za potrebe pneumatski upravljanih visokonaponskih prekidača u elektrotehnici. Zrak se usisava preko usisnog filtera 1 u prvi stupanj I kompresora, nakon čega se hladi u međuhladnjaku K1, dalje se komprimira u drugom stupnju II i hladi u međuhladnjaku K2. Nakon kompresije u trećem stupnju III zrak se kroz hladnjak K3 tlači prema potrošačima. Treći stupanj kompresora III ima vođeni klip 2, koji ujedno zatvara pufer prostor A0 za potrebe izjednačenja sila. Ventili su izvedeni s trakama (slika 3.21b). Iza 1. stupnja kompresije smješten je sigurnosni ventil 3.

Zrak za hlađenje priprema se u zamašnjaku (ventilatoru) 2 i on hladi orebrene cijevi hladnjaka i rebra cilindara. Kao hladnjaci zraka služe orebrene spojne cijevi među različitim stupnjevima kompresije. Cijevi su dovedene bliže ventilatoru radi boljeg hlađenja.


Tri ojnice 5 spojene su na zajedničko koljeno 6, jedna pored druge. Koljenasto vratilo 7 je izvedeno sa jednim čeonim koljenom 6. Na ramenu koljena izveden je protuuteg 8. Prema zamašnjaku 2 postavljen je kuglučni ležaj 9. Podmazivanje kompresora se vrši pomoću trnova 10 na ojnicama 2. Regulacija tlaka se vrši kao regulacija u dvije točke. Na trećem stupnju kompresije postavljen je nepovratni ventil 11, koji je spojen s centrifugalnim regulatorom 12 sa kuglama, čije se karakteristike mijenjaju putem opruge 13.

Slika 3.35 Izvedba kompresora s tri stupnja kompresije

3.9 POSEBNE IZVEDBE KLIPNIH KOMPRESORA

3.9.1 Rotacijski krilni kompresor

Radni prostor kod rotacijskog krilnog kompresora mijenja se po obodu rotora periodički s okretanjem rotora. Volumen radnog prostora mijenja se od maksimalnog do minimalnog i obratno, što odgovara radu klipnog kompresora. Rotacijski krilni kompresori se koriste za kompresiju zraka i plinova. Njihove dimenzije su male, masa je također mala, a inercijskih sila nema. Ovi kompresori nemaju ventila.

Jednostepeni kompresori koriste se za omjere tlakova od ψ = 2 ... 5, a dvostepeni do ψ = 6. Zračno hlađenje kompresora koristi se do kapaciteta od 150 m3/h, a vodeno hlađenje za kompresore do kapaciteta od 300 m3/h. Uobičajena brzina vrtnje je 1000 do 1500 min-1. Ukoliko rade kao vakuumske pumpe, ovi kompresori u dvostepenoj izvedbi mogu postići vakuum od 98%. Ubrizgavanje tekućine u usisnu struju radnog medija omogućuje kapacitete do 3800 m3/h pri tlakovima do 9 bara kod jednostepenih i do 1000 m3/h pri tlakovima do 16 bara u dvostepenoj izvedbi. Ni u kom slučaju temperatura radnog medija ne smije prijeći temperaturu isparavanja ubrizgane tekućine. Obično se koristi ubrizgavanje ulja za podmazivanje.

U kućištu 1 slika 3.36 smješten je s ekscentricitetom e rotor 2, sa žlijebovima u kojima su smještena krilca 3, koja centrifugalna sila potiskuje na van. U srpastom prostoru, između rotora i kućišta,

Kompresori 137

krilca ograničavaju prostore, čiji presjek nalikuje trapezu. Radni medij se usisava iz usisnog otvora 4 i tlači u izlazni otvor 5. Početak i kraj usisa određuje položaj rubova d i a, a ispuh rubovi b i c.

Slika 3.36 Krilni rotacijski kompresor

Ćelija koja je zatvorena krilcima, rotorom i kućištem povećava svoj volumen od točke A do točke B i ponovno smanjuje od točke B do točke A. Zaostali radni medij u ćeliji u točki A ekspandira kako se ćelija vrtnjom rotora premješta prema točki B. Otkrivanjem usisnog ruba d počinje usis u ćeliju. Kada je ćelija došla do točke B, tj. kada joj je volumen najveći, ćelija prelazi preko ruba a, kojim se zatvara usis. Usisani radni medij se komprimira u ćeliji i tek otkrivanjem ruba b dolazi do istiskivanja komprimiranog medija. Ako smo s D označili promjer statora, a s d promjer rotora, s L dužinu rotora, sa z broj krilaca, s δ debljinu krilaca, najveći volumen radnog prostora među krilcima će biti:

( ) ( ) ( )dDzDdD

zdDDA −

−=−−−= δπδπ 1

max ( 3.134 )

LAV maxmax = ( 3.135 )

Maksimalni volumen približno odgovara stapajnom volumenu kod klipnih strojeva, pošto je:

minmax VVVs −= ( 3.136 )

a Vmin se teorijski može uzeti da je jednak nuli, odnosno da ovisi o veličini potrebnog zazora. Ukupni stapajni volumen kompresora ovisi o ekscentricitetu e:

DdD

De −==

2ε ( 3.137 )

( )( ) ( )LzDDLdDzDLAzVH δπεδπ −=−−== max ( 3.138 )

Izvedeni ekscentricitet se kreće u granicama ε = 0.11 ... 0.14, pri čemu se više vrijednosti odnose na vakuumske pumpe ili kompresore s ψ = 2.5. Dužina rotora je L/D = 2.0 ... 3.0 (kod kompresora


podmazivanih uljnom maglom) ili L/D =1.7 ... 2.3 (kod suhih kompresora). Debljina krilaca je δ /ε = 3.8 kod čeličnih krilaca.

Kapacitet kompresora je:

Hpaf VV && λ=, ( 3.139 )

gdje je λp = 0.6 ... 0.7. Više vrijednosti se odnose na veće strojeve. Kapacitet kompresora jako ovisi o zazorima na krilcima, tj. o pogonskom stanju kompresora.

Usis i ispuh kompresora definiran je položajem robova a, b, c i d, tako da ovdje ne možemo koristiti druge načine regulacije osim promjenom brzine vrtnje ili regulacije u dvije točke.

3.9.2 Vijčani kompresor

Vijčani kompresor ima dva rotora u obliku vijaka s navojima suprotnih smjerova, tako da se jedan vijak odvaljuje po drugome. U aksijalnom smjeru se volumen radnih prostora zatvorenih između korjena vijka, kućišta i brijega navoja smanjuje. Ovi kompresori rade na principu potiskivača. Habanje ovakvih kompresora je malo, nema inercijskih sila, a mogu raditi i sa zaprljanim medijem. Stupanj djelovanja je malen, a tehnologija izrade iziskuje vrlo kvalitetnu i točnu obradu. Svoju raširenost u primjeni mogu zahvaliti samo napretku tehnologije odvaljnog glodanja.

Kapacitet ovakvih kompresora kreće se u rasponu 50 do 500 m3/min. S maksimalno četiri stupnja postižu se tlakovi kompresije od 40 bara. Maksimalni omjer tlaka po stupnju je ψ = 3.5 za suhe rotore ili ψ = 8 za rotore s podmazivanjem uljnom maglom. Temperatura radnog medija ne smije prekoračiti 250 °C, kako nebi došlo do zaribavanja rotora. Promjer rotora iznosi do 650 mm. Pri obodnoj brzini od 80 do 120 m/s dostižu se brzine vrtnje do 6000 min-1.

Slika 3.37 Par vijaka u vijčanom kompresoru

Glavni rotor 1 i poredni rotor 2 (slika 3.37) imaju razmak a. Rotori se vrte u kućištu 3 Na rubu 4 usisnog kanala zubi vijka su izvan zahvata. Tu dolazi do proširenja poprečnog presjeka i volumena za usis. Daljnim okretanjem smanjuju se presjeci A1 i A2 zbog geometrije rotora u smjeru strujanja radnog

Kompresori 139

medija prema kompresiji Ko. Na rubu izlaznog otvora 5, zubi vijaka ponovno dolaze u zahvat i počinje istiskivanje uz smanjivanje presjeka. Zahvat rotora mora omogućiti da nema nikakvih štetnih prostora, uz čim bolje brtvljenje. Povećanjem brzine vrtnje povećava se i omjer tlakova na stupnju.

Ako je površina presjeka zuba A1s i A2s, te ako je L dužina rotora, stapajni volumen vijčanog kompresora je:

( )LAAV ssH 21 += α ( 3.140 )

Faktor α odnosi se na omjer stvarne prema teorijskoj površini prostora među zubima vijka. Kod kuta navoja od 250° (od položaja početka do položaja kraja) je α ≈ 1, a pri kutu navoja od 450° je α ≈ 0.75. Ukoliko s n označimo brzinu vrtnje, kapacitet kompresora će biti:

( ) nLAAV sspf 21 += αλ& ( 3.141 )

Stupanj dobave je λp = 0.7... 0.95. Veličinu stupnja punjenja određuje omjer tlakova, koji je kod većih vrijednosti λp manji.

Glavni rotor ima obično 4 zuba na vijku, a poredni rotor po 6 zubi. Ozubljenje, većinom simetrično, ima kut navoja od ~300°. Obodna brzina rotora je za omjer tlakova ψ = 2...4 pri 80 do 120 m/s kod kompresora zraka. Omjer vanjskog promjera prema dužini rotora iznosi L/D = 1 .... 1.65. Pri ovakvim omjerima progibi rotora su vrlo mali, kako pri zračnostima od ε / d = 0.0006 kod suhih rotora nebi došlo do zaribavanja.

Slika 3.38 Izvedbe vijčanih kompresora a) kompresor bez podmazivanja, b) kompresor s podmazivanjem

Kompresori sa suhm rotorima (slika 3.38a) postižu omjer tlakova na stupnju od ψ = 4. Njihovi glavni rotor 1 i poredni rotor 2, s pogonom 3 imaju jake rukavce 4 u kliznim ležajevevima 5. Tako se dobija vrlo kruta konstrukcija. Sinhronizacija gibanja rotora vrši se putem vanjskih parova zupčanika 6 i 7. Hlađenje kod takvog kompresora je vodom u rashladnim prostorima 8 u kućištu.

Kod kompresora s podmazivanjem, podmazivanje se vrši pomoću uljne magle koja se stvara na strani usisa. Znatno manja izvedba ima omjer tlakova na stupnju od ψ = 15, gotovo četverostruko obzirom na suhi kompresor. Kako su rotori podmazani, otpada par zupčanika za sinhronizaciju rotora, kao i


hlađeno kućište. Rotor im mnogo manje osnace 4 koji su uležišteni u kugličnim ležajevima 5. Kod ovih kompresora je iza hladnjaka zraka potrebno postaviti odvajač ulja.

3.9.3 Suhi kompresori

Kod suhih kompresora ne vrši se podmazivanje uljem, kako bi radni medij ostao čim čistiji, npr. u prehrambenoj industriji, pri bojanju komprimiranim zrakom itd. Pokretni dijelovi ovakvih kompresora imaju brtve iz grafita ili teflona. Kako se dijelovi ne smiju podmazivati, redovno se koristi stapni mehanizam s križnom glavom. Radi čim boljeg odvajanja radnog medija od ulja, klipovi se izvode s velikom dužinom, tako da su ti strojevi veći od uobičajenih. Kako ni ventili ne smiju biti podmazivani, koristi se spiralni ventil (slika 3.21c).

3.9.4 Kompresori za najviše tlakove

Pri tlakovima kompresije od 10000 bara, radni medij u tlačnom vodu ima vrlo visoku gustoću i pad tlaka pri strujanju je vrlo visok. Radni medij se ponaša slično tekućinama. Glavni problem brtvljenja riješava se kompletima brušenih brtvi i kompresijskim prstenima u koje se tlači ulje pod nekoliko puta većim tlakom. Svi dijelovi izloženi habanju, kao što su brtve i ventili moraju biti pristupačni za popravak i izmjene.

Na slici 3.39 prikazan je jedan visokotlačni kompresor, kapaciteta 40 t/h pri tlaku 3000 bara za potrebe kemijske industrije. Efektivna snaga iznosi 6 MW. Plin se usisava kroz usisni ventil 1 i kroz međukomad 2 ulazi u cilindar 3 sa brtvama 4. Klip 5 ga nakon toga istiskuje preko tlačnog ventila 6. Elastični vijci 7 drže dijelove 2, 3 i 4 zajedno i omogućuju njihovo lagano skidanje. Pogon kompresora vrši se pomoću koljenastog vratila 8 i ojnica 9 na križnu glavu 10. Ovi dijelovi su zbog velikih sila u mehanizmu obilno dimenzionirani obzirom na klip.

Slika 3.39 Izvedba kompresora za najviše tlakove (za petrokemijsku industriju)

Documents

kompresori