COMPRESOARE CU PISTON CU MISCARE RECTILINIE ALTERNATIVA

COMPRESOARE CU PISTON CU MISCARE RECTILINIE ALTERNATIVA

1. Compresorul teoretic

Compresorul cu piston avand miscare rectilinie alternativa este format (fig. 2.1) dintr-un cilindru (C), in interiorul caruia se deplaseaza pistonul (P). Antrenarea pistonului in miscare recilinie alternativa se realizeaza prin intermediul unui mecanism biela-manivela. Pistonul se deplaseaza intre doua pozitii limita (punctul mort interior si punctul mort exterior), descriind cursa (S). Cilindrul este inchis de catre o chiulasa, in care se gasesc racordurile de aspiratie si de evacuare, precum si supapele respective (S_a, S_r). In cazul compresorului teoretic se presupune ca atunci cand pistonul ajunge in p.m.i., acesta se lipeste perfect de chiulasa.

Ciclul de functionare al compresorului este format din urmatoarele faze:

• 2 - comprimarea gazului, atunci cand pistonul se deplaseaza de la p.m.e. la p.m.i.;
• b - deschiderea supapei de refulare (S_r) si refularea gazului, la presiunea constanta p₂; ca urmare, presiunea din cilindru scade de la p₂ la p₁, transformare ce are loc la volum constant (b a);
• a 1 - deplasarea pistonului de la p.m.i. la p.m.e., insotita de deschiderea supapei de aspiratie (S_a) si de intrarea gazului in cilindru, la presiunea constanta p₁.

Raportul dintre presiunea de refulare p₂ si presiunea de aspiratie p₁ se numeste raport de crestere a presiunii:

Volumul descris de catre piston in timpul deplasarii de la p.m.e. catre p.m.i. se numeste cilindree si se determina cu relatia:

unde D este diametrul pistonului smt, iar S este cursa acestuia smt.

Lucrul mecanic consumat de catre compresor este suma algebrica a lucrurilor mecanice corespunzatoare fiecarei faze de functionare:

Pentru faza de comprimare (1-2), procesul poate fi (fig. 2.2):

• izoterm - procesul 1 2i;
• adiabatic - procesul 1 2a;
• politropic, cu 1<n<k - procesul 1
• politropic, cu n>k - procesul 1 2", daca gazul primeste caldura din exterior.

In cazul unei comprimari izoterme, lucrul mecanic de comprimare va fi (vezi 1.4.3):

Daca se presupune ca procesul de comprimare este adiabatic, lucrul mecanic este dat de relatia (vezi 1.4.4):

Evident, in cazul unei comprimari politropice, lucrul mecanic devine:

Procesul a 1 este izobar, iar lucrul mecanic corespunzator variatiei de volum este (vezi 1.4.2):

Similar, pentru procesul 2 b rezulta:

Transformarea b a este izocora, iar lucrul mecanic corespunzator variatiei de volum este nul.

Tinand cont de aceste relatii, lucrul mecanic total consumat pe ciclu devine:

• pentru comprimarea izoterma:

• pentru comprimarea adiabatica:

• pentru comprimarea politropica

Din relatii precum si din fig. 2.2 se observa ca:

deci comprimarea izoterma asigura cel mai mic consum de lucru mecanic; in realitate, procesul de comprimare este politropic.

Debitul de gaz refulat se poate determina cu relatia:

in care i este numarul de cilindri ai compresorului, iar n este turatia arborelui de antrenare srot/mint.

2. Compresorul tehnic (cu spatiu mort)

In realitate, atunci cand pistonul se gaseste la p.m.i., intre piston si chiulasa exista un spatiu (volum mort) necesar deoarece trebuie montate supapele si pentru ca trebuie evitata situatia in care pistonul ar lovi chiulasa. Notand cu V₀ volumul spatiului mort (fig. 2.3) se defineste coeficientul spatiului mort sau   gradul volumetric de compresie ca fiind:

cu valori cuprinse intre 0,03 si 0,15 (3.15%), in functie de tipul si destinatia compresorului, marimea acestuia etc.

Din diagrama de functionare (fig. 2.3) se remarca existenta urmatoarelor faze de functionare:

• 2 - comprimarea gazului, atunci cand pistonul se deplaseaza de la p.m.e. la p.m.i.;
• 3 - deschiderea supapei de refulare (S_r) si refularea gazului, la presiunea constanta p₂;
• 4 - destinderea gazului ramas in cilindru, odata cu deplasarea pistonului catre p.m.e.;
• 1 - aspiratia gazului, la presiunea constanta p₁.

Din cauza existentei spatiului mort, pe o parte din cursa de aspiratie a pistonului (de la p.m.i. la p.m.e.) are loc destinderea gazului din spatiul mort; ca urmare, volumul de gaz aspirat (care la compresorul teoretic este egal cu cilindreea) este V_a < V_S. Raportul dintre volumul aspirat si cilindree se numeste coeficient teoretic de umplere sau grad teoretic de umplere:

in care V₁ si V₄ sunt volumele corespunzatoare punctelor respective de pe diagrama de functionare. Daca tinem cont ca procesul 4 este o destindere politropica de exponent n, volumul corespunzator punctului (4) devine:

iar gradul teoretic de umplere devine:

Existenta spatiului mort face ca presiunea maxima de refulare a compresorului sa fie limitata. Din fig. 2.4 se observa ca prin cresterea presiunii de la p₂ la p₂', volumul de gaz aspirat scade de la V_a la V_a' si gradul teoretic de umplere scade; ca urmare, debitul compresorului scade. In cazul extrem in care presiunea de refulare atinge valoarea p_max, volumul de gaz aspirat devine nul (m=0); presiunea corespunzatoare acestei situatii este:

Din acest motiv obtinerea unor presiuni de refulare mari impune utilizarea comprimarii in mai multe trepte, dupa cum se va arata mai departe.

Presupunand ca procesele de comprimare 2 si destindere 3 4 sunt politropice de exponent n, se demonstreaza ca lucrul mecanic consumat de catre compresor este:

in care v_a este volumul specific al gazului aspirat. Se observa ca, deoarece v_a < v₁, lucrul mecanic consumat de compresorul tehnic este mai mic decat cel al compresorului teoretic:

l_t < l'

Debitul de gaz refulat este:

deci Q_t'< Q_t.

3. Functionarea reala a compresorului tehnic

Diagrama reala de functionare a unui compresor este prezentata in fig. 2.5. Se observa urmatoarele diferente fata de diagrama din fig. 2.3:

• sfarsitul comprimarii (punctul 2) intervine in momentul in care diferenta dintre presiunea din cilindru si presiunea p₂ din conducta de refulare devine suficient de mare pentru a deschide supapa de refulare;
• pe parcursul refularii presiunea scade; in punctul (3), diferenta dintre presiunea din cilindru si presiunea p₂ din conducta de refulare devine insuficienta pentru a mai mentine deschisa supapa de refulare;
• deschiderea supapei de aspiratie are loc atunci cand diferenta Dp_amax dintre presiunea din cilindru si presiunea din conducta de aspiratie devine suficient de mare (punctul 4);

• in punctul (1), diferenta dintre presiunea din cilindru si presiunea din conducta de aspiratie Dp_a devine insuficienta pentru a mentine deschisa supapa de aspiratie;
• pe parcursul comprimarii si destinderii exponentul politropic variaza continuu de la valori mai mari decat exponentul adiabatic pana la valori mai mici decat exponentul adiabatic;
• coeficientul de umplere este afectat de existenta spatiului mort, de pierderile prin neetanseitati, de rezistenta introdusa de supapa de aspiratie, de incalzirea agentului pe conducta de aspiratie:

in care m este coeficientul teoretic de umplere, m_sa este coeficientul de debit datorat caderii de presiune pe supapa de aspiratie (cu valori cuprinse intre 0,9 si 0,97), m_i este coeficientul de debit datorat incalzirii gazului aspirat (0,9.0,95), iar m_n este coeficientul de debit datorat pierderilor prin neetanseitati (0,95.0,98).

Pentru compresoarele frigorifice, producatorii furnizeaza, de obicei, diagrame de variatie ale coeficientului de umplere in functie de raportul de crestere a presiunii si de agentul frigorific utilizat (fig. 2.6).

4. Comprimarea in trepte

Dupa cum s-a aratat anterior, exista o limitare a presiunii maxime de refulare a unui compresor (fig. 2.4); cresterea presiunii de refulare conduce la scaderea volumului de gaz aspirat.

In acelasi timp, rapoartele mari de crestere a presiunii pot conduce la incalzirea excesiva a gazului si compresorului; se pot atinge astfel nivele de temperaturi care sa conduca la deteriorarea uleiului utilizat pentru ungerea compresorului.

Din aceste motive, pentru obtinerea unor presiuni de refulare mari (practic, pentru compresoare frigorifice ) se utilizeaza compresoare cu mai multe trepte de comprimare. In fig. 2.7 este prezentata schema de principiu a unui compresor cu doua trepte de comprimare. Gazul refulat de catre prima treapta (I) trece printr-un racitor (R) in care are loc micsorarea temperaturii sale si este apoi aspirat in cea de a doua treapta de comprimare (II).

Racirea gazului intre cele doua trepte de comprimare se poate face cu apa, aer sau, pentru compresoarele frigorifice, prin procedee speciale.

Deoarece prin comprimare volumul specific al gazului scade (densitatea creste), cele doua trepte de comprimare au diametre diferite ale cilindrilor (diametru mai mare pentru prima treapta si mai mic pentru cea de a doua).

Reprezentarea in diagrama p - V a comprimarii in doua trepte este prezentata in fig. 2.8, in care curba (1-2') corespunde comprimarii intr-o singura treapta, de la presiunea p₁ la presiunea p₂. In cazul comprimarii in doua trepte, procesul de comprimare in prima treapta are loc de la presiunea p₁ la presiunea p_x (curba 1-c); urmeaza apoi racirea gazului, la presiune constanta (procesul c-e) si comprimarea in cea de a doua treapta (procesul e-2). Se observa ca, fata de comprimarea intr-o singura treapta, comprimarea in doua trepte asigura micsorarea lucrului mecanic de comprimare (scadere proportionala cu suprafata hasurata) si reducerea temperaturii gazului la iesirea din compresor (temperatura corespunzatoare punctului 2 este mai mica decat cea corespunzatoare punctului 2'). In plus, prin racirea gazului intre cele doua trepte, procesul de comprimare pe ansamblu se apropie mai mult de izoterma T₁ = const. (linia intrerupta de pe diagrama), ceea ce explica reducerea lucrului mecanic consumat de catre compresor.

Se poate demonstra ca, daca se mentin aceleasi rapoarte de crestere a presiunii pentru cele doua trepte, presiunea intermediara p_x este data de relatia: