Műszaki kriogenika - tanfolyam
Bevezetés
A kompresszor általános célja a gázáram nyomásának szállítása és/vagy növelése. A gázok a csöveken keresztül nagy nyomástól alacsony nyomásig áramlanak, ezért a gáz kiszorításához vagy szállításához meg kell követelni, hogy a kezdeti nyomása nagyobb legyen, mint a végső nyomás. A gázokat összenyomják az előnyös kémiai reakciók elősegítése érdekében nagy nyomáson. A tömörítésnek két fő típusa van: a dinamikus és a volumetrikus tömörítés. A dinamikus kompresszió nyomást generál azáltal, hogy a gázáram mozgási energiáját nyomássá alakítja. A volumetrikus kompresszió nyomást generál azáltal, hogy folyamatosan csökkenti a gázáram számára elérhető térfogatot.
A gáz tömörítésének alapelvei
Gáz összenyomásakor a P1 bemeneti nyomástól a P2 kimeneti nyomásig a térfogat V1-ről V2-re csökken, és a hőmérséklet T1-ről T2-re nő (1. ábra).
Egy hagyományos gázkompresszorban a térfogat csökken (ennek enyhe hőmérséklet-csökkenést kell okoznia), és megnő a nyomás (ennek jelentős hőmérséklet-emelkedést kell okoznia). Mivel a nyomás növekedése nagyobb hatással van a hőmérsékletre, mint a térfogat csökkenése, a gáznak magasabb hőmérsékleten kell kilépnie a kompresszorból. Az ebből adódó hőmérséklet-emelkedést kompressziós hőnek nevezzük.
A kompresszor feladata a levegő vagy a gáz nyomásának növelése.
A tömörítés típusa
A kompresszoroknak két fő típusa van:
Térfogat kompresszorok
Dinamikus kompresszorok
Kompresszor osztályozás
| TÉRFOGAT | KOMPRESSZOROK | DINAMIKUS |
| ALTERNATÍV | MEMBRANE PISTON | CENTRIFUGÁLIS TENGELYIRÁNYÚ KATAPULT |
| FORGÓ | FOLYADÉKOS GYŰRŰ Pengék FILÉ |
Térfogati tömörítés
A dugattyús/dugattyús kompresszor egy volumetrikus kompresszor. A folyadék (gáz) elszívása, összenyomása és ürítése a dugattyúk mozgatásával és a vezérlőszelepek működtetésével érhető el. Ezeket a kompresszorokat általában magas hidrosztatikus nyomás/alacsony áramlási sebesség esetén alkalmazzák. A 6. ábra mutatja az egyfokozatú és a kétfokozatú kompresszort.
A szívó szakaszban a szívásszabályozó szelepek kinyílnak és a dugattyú leereszkedik. A kompressziós fázis során az összes vezérlőszelep zárva van, és a dugattyú felemelkedik. A leeresztési szakaszban a leeresztő szabályozó szelepek kinyílnak.
A dugattyús kompresszorok pozitív elmozdulású kompresszorok, amelyekben a kompressziós és elmozdító elem egy henger belsejében egy oda-vissza mozgó dugattyú. Ezt a kompresszor-típust az önjáró dugattyúk jellemzik, amelyeket a főtengely összekötő rúdjai (hajtórúdjai) hajtanak, és az összenyomás a dugattyú felső részében, a főtengely minden egyes forgatásakor történik. A dugattyús kompresszor pulzáló gázáramot biztosít. Az impulzuscsillapítók általában kiküszöbölhetik ezt a hiányosságot (2. ábra).
A hengerek elrendezése
A legtöbb szokásos projekt a W stílusú, függőleges V stílusú, soros vagy félig radiális hengerelrendezést használja (3. ábra).
A technológia és a berendezések leírása
szelepek
Az egylépcsős kompresszorok be- és kimeneti szelepei egyaránt automatikus nyomástípusok, amelyek kis nyomáskülönbség mellett nyílnak és záródnak. A gyors működés érdekében a szelepelemek könnyűek és arányosak az alacsony nyomáshoz. Amint a szelepek kinyílnak, a növekvő rugónyomás minimalizálja a szelepelemekre ható ütőerőket, és csökkenti a zajszintet is. Minden szelepnek egyszer kell nyitnia és záródnia minden forgattyústengely forgásakor. A 700 fordulat/perc sebességgel működő kompresszor szelepei óránként 42 000-szer nyitnak és záródnak, naponta több mint 1 000 000-szer és évente 367 920 000-szer. A szelepeknek kevesebb, mint 1/10 másodperc nyitva van, és engedik a gáz bejutását, majd záródását. Minden szelepnek ezt minimális ellenállással kell megtennie, különben elvész az áram.
Négy alapvető szelep kialakítás létezik, amelyeket különböző kompresszorokban használnak. Ezek:
- gombos szelep,
- ellenőrizd a szelepet,
- csatornaszelep,
- körgyűrűs szelep.
Gombszelep
Recézett szelep (csatornával)
Visszacsapó szelep/csappantyú
Körgyűrűs vagy tárcsás szelep
Dugattyús kompresszor tömítő rendszerek
A labirintus elve a tömítőelem és az ellenkező oldal között rendkívül kis szabad térre utal, ami elhanyagolható mechanikai súrlódást eredményez. A kompresszor henger vagy hengerek függőlegesen vannak elrendezve a főtengely felett. A tömörítés olajmentes környezetben történik.
A labirintusos lezárási technikát olyan alkalmazásokban alkalmazzák, ahol kenőanyagok nem engedhetők be a hengerben, és ahol a folyamatgázban lévő csiszoló részecskéket nem fogadják el. Ez igaz az oxigéntömörítésre, ahol a biztonság a legfontosabb.
A 6. és 7. ábra szemlélteti a labirintus pecsét működését. A 6. ábra a kompresszor olajmentes szektorát mutatja.
A labirintus pecsétnek (7. ábra) nagy számú fojtási pontja van (záródás) [3] és térfogati kamrái [4], sorba rendezve. Minden fojtási pont [3] rendkívül kicsi nyílásként működik, amelyben a nyomás energiája kinetikus energiává alakul. Az egymást követő térkamrák [4] csökkentik a gáz sebességét, és a mozgási energiát hő- és örvényenergiává alakítják.
Rotációs kompresszorok folyadékgyűrűvel olyan gépek, amelyekben vizet vagy más folyadékot használnak egy forgó elemben a folyadék mozgatásához (7. ábra).
Az ilyen típusú kompresszorok termodinamikai hatékonysága alacsony. A szükséges energia nagy részét a víz keringése használja fel. Ezért ezeket a gépeket csak veszélyes gázokhoz vagy alacsony áramlásokhoz használják olyan alkalmazásokban, amelyekben az energiafogyasztás másodlagos.
A lapátkompresszorok vagy a lapátkompresszorok olyan gépek, amelyekben a hosszanti lapátok sugárirányban csúsznak egy olyan forgórészben, amelynek tengelye a henger tengelyéhez képest középen van (excenteres).
Mindegyik kompresszornak van egy excentrikusan felszerelt rotora a hűtőkabát belsejében. A rotor olyan pengékkel van ellátva, amelyek szabadon sugárirányban mozoghatnak a réseken (barázdákon belül). A lapátokat centrifugális erővel tolják a hengerfal felé, és a folyadék (gáz) összenyomódik, amikor a rotor forog.
Gyökér rotációs kompresszorok olyan gépek, amelyekben két karéjos rotor, egymáshoz igazodva, hengerben forog. Adott térfogatú folyadékot vezetünk be az 1. pontba. Ezt a térfogatot tömörítés nélkül átvezetjük a 2. pontba. Amikor a folyadék térfogata átkerül a 3. pontba, a kompresszor leeresztő folyadékoszlopa összenyomja a folyadékot.
Fontos megérteni, hogy nem a kompresszor tömörül, hanem a kompresszor kimenetén elhelyezkedő folyadék hatása.
A lebeny kompresszorok általában alacsony áramlású alkalmazásokra korlátozódnak.
Dinamikus tömörítés
A dinamikus kompresszoroknak két fő típusa van:
- centrifugális kompresszor és
- axiális áramlású kompresszor.
Centrifugális vagy radiális kompresszor egy vagy több rotort tartalmaz, amelyek egy tengelyre vannak telepítve, vagy több tengely.
A rotorok a forgásirányhoz képest tolatópengékkel vannak felszerelve. Ezekben a kerekekben a folyadék növeli a sebességet a közepétől a széléig, a kerék forgásának/sugarának növekedése miatt. A folyadék átjut egy diffúzorba (ahol a térfogat bővül). A diffúzor az, amely meghatározza a folyadék sebességének csökkenését, jó hatásfokkal átalakítva azt a nyomás növekedésévé. A diffúzor után a folyadék a következő rotorra vagy egy köztes hűtőbe áramlik.
Ennek megértésére jó módszer, ha egy követ kötözünk egy húrhoz. Ha elkezdi lengetni a követ a húrral, a feje fölött, a kő megpróbál elmenekülni onnan, ahol a húrhoz van kötve (radiális sebesség). Ha a kő eltalál valamit, a mozgás energiája nyomás energiává alakul. Pontosan ez történik a centrifugális kompresszorban. A rotor lapátjai növelik a gázrészecskék sebességét, és eltávolodnak a tengelytől, elérve a radiális sebességet. Ezután a gáz érintkezésbe kerül a kompresszor több álló szerkezetével, úgynevezett diffúzorokkal vagy membránokkal, amelyek lassítják a gázrészecskéket, ami nyomásnövekedést okoz. Ezután a kompresszor háza összegyűjti a gázt a diffúzorból és a kimenetre irányítja. Segít abban is, hogy a sebesség energiáját nyomássá alakítsa.
A centrifugális kompresszorok egy vagy több emeletből állhatnak. A kétfokozatú centrifugális kompresszor egyszerűen két sorba rendezett kompresszor kereket jelent. A légkompresszor kompressziójának első szakasza a légkörből éri el törekvését. Kiürítése a törekvés a második szakaszra. Ha több lépésre van szükség, minden további lépés felveszi az előző kiürítés törekvését.
Kétféle centrifugális kompresszor lehet:
- a többlépcsős centrifugális kompresszor, ahol minden emelet különböző tengelyre van elrendezve, eltérő sebességű lehet, ill
- minden rotor ugyanazon a tengelyen lehet, és minden emeleten azonos a sebessége, amint azt a 10. ábra mutatja.
csatolás
A kompresszor fogaskerék-tengelye és a kompresszor (motor/turbina) működtetője között tengelykapcsoló van felszerelve. A nyomaték célja a koaxialitástól a kompresszor működése során előforduló kis eltérések figyelembevétele. A tengelykapcsolók többféle típusúak lehetnek (fogakkal, merevek, félig hajlékonyak vagy membránosak).
A nagy teljesítményű tengelykapcsolók fő követelményei a nagy nyomaték és a nagy sebességű képesség, az alacsony súly és a kis méret, a rövid konzolnyomaték (túlfüggesztett pillanat) és az alacsony maradék egyensúlyhiány. A tengelykapcsolónak képesnek kell lennie arra, hogy a rendszer legnagyobb nyomatékát hosszabb ideig továbbítsa maximális folyamatos sebességgel. Képesnek kell lennie a sebesség és a terhelés átmeneti momentumainak kezelésére a koaxialitástól/párhuzamosságtól való eltérés esetén, és a meghajtórendszerre gyakorolt minimális hatással (7. ábra).