Kurz technickej kryogeniky

Úvod

Všeobecný účel kompresora je transport a/alebo zvýšenie tlaku prietoku plynu. Plyny pretekajú potrubím z vysokého tlaku na nízky tlak, takže premiestnenie alebo preprava plynu vyžaduje, aby jeho počiatočný tlak bol vyšší ako konečný tlak. Plyny sú tiež stlačené, aby sa uľahčili priaznivé chemické reakcie pri vysokom tlaku. Existujú dva hlavné typy kompresie: dynamická kompresia a volumetrická kompresia. Dynamická kompresia generuje tlak transformáciou kinetickej energie toku plynu na tlak. Objemová kompresia vytvára tlak kontinuálnym znižovaním objemu dostupného pre prúd plynu.

Princípy stlačenia plynu

Keď je plyn stlačený, zo vstupného tlaku P1 na výstupný tlak P2, objem klesá z V1 na V2 a teplota sa zvyšuje z T1 na T2 (obrázok 1).

V konvenčnom plynovom kompresore sa objem zmenšuje (čo by malo spôsobiť mierny pokles teploty) a zvyšuje sa tlak (čo by malo spôsobiť podstatné zvýšenie teploty). Pretože zvýšenie tlaku má väčší vplyv na teplotu ako zníženie objemu, musí plyn vystupovať z kompresora pri vyššej teplote. Výsledný nárast teploty sa nazýva kompresné teplo.

Funkciou kompresora je zvýšenie tlaku vzduchu alebo plynu.

Typ kompresie

Existujú dva hlavné typy kompresorov:

Objemové kompresory

Dynamické kompresory

Klasifikácia kompresora

OBJEMOVÝ	kompresor	DYNAMICKÉ
ALTERNATÍVNE	MEMBRÁNOVÝ PIEST	ODSTROJ AXIÁLNE EJECTOR
OTOČNÝ	TEKUTÝ KRÚŽOK ČEPELE FILET

Objemová kompresia

Piestový/piestový kompresor je objemový kompresor. Sanie, stlačenie a evakuácia kvapaliny (plynu) sa dosahuje pohybom piestov a ovládaním regulačných ventilov. Tieto kompresory sa všeobecne používajú pre vysoký hydrostatický tlak/nízky prietok. Obrázok 6 zobrazuje jednostupňový kompresor a dvojstupňový kompresor.

Počas fázy nasávania sa regulačné ventily nasávania otvoria a piest sa spustí. Počas fázy kompresie sú všetky regulačné ventily zatvorené a piest stúpa. Vo fáze odtoku sa otvárajú regulačné ventily odtoku.

Piestové kompresory sú objemové kompresory, v ktorých je kompresným a posuvným prvkom vratný piest (kmitajúci „tam a späť“) vo vnútri valca. Tento typ kompresora sa vyznačuje piestami s vlastným pohonom, ktoré sú poháňané ojnicami (hnanými tyčami) kľukového hriadeľa, pričom kompresia prebieha v hornej časti piestu pri každom otočení kľukového hriadeľa. Piestový kompresor poskytuje pulzujúci tok plynu. Tlmiče impulzov môžu tento nedostatok zvyčajne eliminovať (obrázok 2).

Usporiadanie valcov

Väčšina štandardných projektov používa štýl W, vertikálne V, radové alebo poloradiálne usporiadanie valcov (obrázok 3).

Opis technológie a vybavenia

ventily

Vstupné aj výstupné ventily pre jednostupňové kompresory sú typu automatického tlaku, ktorý sa otvára a zatvára pri malom rozdiele tlaku. Na zaistenie rýchleho pôsobenia sú prvky ventilu ľahké a primerané pre nízky tlak. Keď sa ventily otvoria, zvyšujúci sa tlak pružiny minimalizuje nárazové sily na ventilové prvky a tiež zníži hladinu hluku. Každý ventil sa musí pri každom otáčaní kľukového hriadeľa raz otvoriť a zatvoriť. Ventily v kompresore pracujúcom pri 700 otáčkach za minútu sa budú otvárať a zatvárať 42 000-krát za hodinu, viac ako 1 000 000-krát denne a 367 920 000-krát ročne. Ventily majú menej ako 1/10 sekundy na otvorenie a umožnenie vstupu plynu a potom sa zatvoria. Každý ventil to musí robiť s minimálnym odporom, inak dôjde k strate napájania.
Existujú štyri základné konštrukcie ventilov, ktoré sa používajú v rôznych kompresoroch. Sú to:

gombíkový ventil,
spätný ventil,
kanálový ventil,
kruhový kruhový ventil.

Gombíkový ventil

Rýhovaný ventil (s kanálom)

Spätný ventil/tlmič

Kruhový kruhový ventil alebo kotúčový ventil

Tesniace systémy piestových kompresorov

Princíp labyrintu sa vzťahuje na extrémne malý voľný priestor medzi tesniacim prvkom a opačnou stranou, ktorý vytvára zanedbateľné mechanické trenie. Valec alebo valce kompresora sú usporiadané vertikálne nad kľukovým hriadeľom. Kompresia prebieha v prostredí bez obsahu oleja.

Technika labyrintového tesnenia sa používa v aplikáciách, kde nie sú vo valci povolené mazivá a kde nie sú akceptované abrazívne častice v procesnom plyne. To platí pre kompresiu kyslíka, kde je prvoradá bezpečnosť.

Obrázky 6 a 7 ilustrujú, ako funguje tesnenie bludiska. Obrázok 6 zobrazuje bezolejový sektor kompresora.

Labyrintové tesnenie (obrázok 7) má veľké množstvo škrtiacich bodov (uzáver) [3] a objemové komory [4] usporiadané do série. Každý bod uškrtenia [3] funguje ako extrémne malý otvor, v ktorom sa energia tlaku transformuje na kinetickú energiu. Postupné volumetrické komory [4] znižujú rýchlosť plynu a premieňajú kinetickú energiu na energiu tepla a víru.

Rotačné kompresory s kvapalinovým krúžkom sú stroje, v ktorých sa voda alebo iná kvapalina používa v rotujúcom prvku na pohyb kvapaliny (obrázok 7).
Termodynamická účinnosť tohto typu kompresora je nízka. Väčšina potrebnej energie sa spotrebuje cirkuláciou vody. Z tohto dôvodu sa tieto stroje používajú iba na nebezpečné plyny alebo na malé prietoky v aplikáciách, pre ktoré je spotreba energie druhoradá.

Kompresory s lopatkami alebo kompresory s lopatkami sú stroje, v ktorých sa pozdĺžne lopatky posúvajú v radiálnom smere v rotore, ktorého os je mimo stredu (excentrický) vzhľadom na os valca.
Každý kompresor má vo vnútri chladiaceho plášťa výstredne uložený rotor. Rotor je vybavený lopatkami, ktoré sa môžu radiálne pohybovať dovnútra a von zo štrbín (drážok). Nože sú odstredivou silou tlačené k stene valca a kvapalina (plyn) je stlačená pri rotácii rotora.

Roots rotačné kompresory sú stroje, v ktorých sa dva laločnaté rotory, vzájomne prispôsobené, otáčajú vo valci. Daný objem tekutiny sa zavedie do bodu 1. Tento objem sa prevedie do bodu 2 bez stlačenia. Keď sa objem tekutiny prenesie do bodu 3, kvapalinový stĺpec z odtoku kompresora tekutinu stlačí.

Je dôležité si uvedomiť, že nestláča kompresor, ale pôsobenie kvapaliny nachádzajúcej sa na výstupe z kompresora.

Laboratórne kompresory sú zvyčajne obmedzené na aplikácie s nízkym prietokom.

Dynamická kompresia

Existujú dva hlavné typy dynamických kompresorov:

odstredivý kompresor a
kompresor s axiálnym prietokom.

Odstredivý alebo radiálny kompresor Skladá sa z jedného alebo viacerých rotorov namontovaných na jednom hriadeli alebo niekoľkých hriadeľoch.

Rotory sú oproti smeru otáčania vybavené reverznými lopatkami. U týchto kolies kvapalina zvyšuje svoju rýchlosť od stredu k okrajom v dôsledku zvýšenia rotácie/polomeru kolesa. Kvapalina prechádza do difuzéra (kde sa objem zväčšuje). Difúzor je ten, ktorý s dobrou účinnosťou určuje pokles rýchlosti kvapaliny a transformuje ju na zvýšenie tlaku. Za difúzorom tekutina prúdi k ďalšiemu rotoru alebo k medzichladiču.

Dobrým spôsobom, ako tomu porozumieť, je uviazať kameň na šnúrku. Ak začnete hojdať kameňom so šnúrkou nad hlavou, kameň sa pokúsi uniknúť z miesta, kde je uviazaný o šnúrku (radiálna rýchlosť). Ak kameň niečo zasiahne, jeho pohybová energia sa premení na tlakovú energiu. Presne to sa deje v odstredivom kompresore. Lopatky na rotore zvyšujú rýchlosť častíc plynu a vzďaľujú sa od hriadeľa a dosahujú radiálnu rýchlosť. Potom plyn prichádza do kontaktu s niekoľkými stacionárnymi štruktúrami kompresora, nazývanými difuzéry alebo membrány, ktoré spomaľujú častice plynu, čo spôsobuje zvýšenie tlaku. Skriňa kompresora potom zhromažďuje plyn z difuzéra a smeruje ho do výstupu. Pomáha tiež transformovať energiu rýchlosti na tlak.

Odstredivé kompresory môžu pozostávať z jedného alebo viacerých poschodí. Dvojstupňový odstredivý kompresor jednoducho znamená dve sériovo usporiadané kolesá kompresora. Prvý stupeň stlačenia vzduchového kompresora dosahuje jeho odsávanie z atmosféry. Jeho evakuácia je ašpiráciou pre druhú etapu. Ak je potrebných niekoľko krokov, každý ďalší krok využije ašpiráciu z predchádzajúcej evakuácie.

Môžu existovať dva typy odstredivých kompresorov:

viacstupňový odstredivý kompresor, kde každé poschodie usporiadané na inom hriadeli, môže mať inú rýchlosť, príp
všetky rotory môžu byť na rovnakom hriadeli a majú rovnakú rýchlosť pre každé poschodie, ako je to znázornené na obrázku 10.

spojka

Medzi pastorokovým hriadeľom kompresora a ovládacím prvkom kompresora (motor/turbína) je namontovaná spojka. Krútiaci moment je určený na nastavenie pre malé odchýlky od súosovosti, ktoré sa môžu vyskytnúť počas prevádzky kompresora. Spojky môžu byť niekoľkých typov (so zubami, tuhé, polopružné alebo membránové).

Hlavnými požiadavkami na vysoko výkonné spojky sú vysoký krútiaci moment a schopnosť vysokých otáčok, nízka hmotnosť a malé rozmery, krátky moment konzoly (prevísajúci moment) a nízka zvyšková nerovnováha. Spojovacie zariadenie musí byť schopné prenášať konštrukčný krútiaci moment systému pri maximálnej nepretržitej rýchlosti po dlhšiu dobu. Musí byť schopný zvládnuť prechodové momenty rýchlosti a zaťaženia v podmienkach odchýlky od súososti/rovnobežnosti a s minimálnym dopadom na systém pohonu (obrázok 7).