Compresoare

Comprimarea gazelor in tehnica se efectueaza cu ajutorul unor masini de lucru numite compresoare, care pot ridica presiunea la valori de pana la 1000 bar. Compresorul aspira aer dintr-o sursa de joasa presiune, ii mareste presiunea si il refuleaza intr-o incinta de presiune ridicata. Compresorul este actionat de un motor electric. Astfel, energia electrica este transformata in energie potentiala de presiune a aerului. Compresorul este un generator pneumatic.

Cresterea presiunii se poate realiza intr-un singur etaj (compresor monoetajat) sau, pentru valori mari, in mai multe trepte de comprimare (compresoare polietajate).

Compresoarele pot fi rotative, cu functionare continua, sau volumice, cu functionare intermitenta. Cele mai utilizate compresoare volumice sunt cele cu piston si cele cu membrana.

1.Compresorul teoretic, monoetajat, cu piston

Compresorul teoretic presupune inexistenta spatiului mort, adica pistonul evacueaza tot gazul aflat in zona de lucru. Cursa pistonului se realizeaza intre punctul mort intern, care corespunde suprafetei interne a chiulasei si punctul mort extern. Ambele sunt puncte in care viteza pistonului trece prin valoarea 0, atunci cand sensul de deplasare se schimba.

Ciclul teoretic de comprimare (fig.1.a) este format din urmatoarele procese:

4-1 transformare izobara (aspiratia);

1-2 comprimare;

2-3 transformare izobara (evacuarea);

3-4 transformare izocora.

Fig. 1 Ciclul de comprimare in cazul compresorului teoretic. Schita cilindrului cu piston

Lucrul mecanic tehnic consumat de compresor, l_c, este proportional cu aria 12341. Fiind un lucru mecanic primit de sistem, el are valoare negativa. Marimea ariei 12341 depinde de tipul procesului de compresie 1-2, care poate fi:

izoterm, 1-2_T;

adiabatic, 1-2a;

politropic, 1-2p, cu exponentul politropic .

Fig. 2 Variante de realizare a compresiunii in cazul compresorului teoretic:

1-2_T izoterma, 1-2_a adiabata, 1-2_p politropa

Din figura 2, se observa ca cel mai mic consum de lucru mecanic corespunde izotermei (1-2_T). In practica, un proces izoterm presupune o viteza foarte mica de desfasurare, deci nu este un proces utilizabil.

Calculul lucrului mecanic tehnic consumat de compresor, in timpul unui ciclu, pentru comprimarea unui kilogram de gaz este:

Folosind relatia (1) si ecuatia caracteristica a politropei:

se poate determina lucrul mecanic tehnic consumat, pentru cazul cel mai general , al transformarii politropice:

Particularizand coeficientul n al politropei se determina lucrul mecanic tehnic, l_t , atat pentru izoterma, cat si pentru adiabata.

In timpul functionarii, compresorul trebuie racit. Racirea gazului comprimat, deci apropierea de izoterma, imbunatateste regimul de lucru. Sistemul de racire al compresorului trebuie sa evacueze o cantitate de caldura ale carei valori maxime corespund racirii pana la izoterma starii 1. Racirea de la starea 2_p la starea 2_T presupune evacuarea unei sarcini termice:

Sistemul de racire al compresorului evacueaza aceasta sarcina termica in mediul exterior. Sistemul este alcatuit dintr-o camasa de apa cu radiator de racire. Pentru compresoarele de mai mica putere, racirea se face cu aer, suprafata exterioara a cilindrului si a chiulasei fiind nervurate pentru o intensificare a schimbului termic.

2.Compresorul real, monoetajat, cu piston

Fig.3 Ciclul de comprimare in cazul compresorului tehnic (real), monoetajat

Compresorul tehnic (real) monoetajat lucreaza dupa ciclul reprezentat in figura 3. La sfarsitul cursei de evacuare, in cilindru mai ramane volumul V₃, volum care ocupa spatiul mort. Rolul acestui volum de gaz neevacuat este de a proteja compresorul la suprasolicitari mecanice cauzate de blocarea eventuala a supapelor, sau de incompresibilitatea lichidelor patrunse intamplator in cilindru.

Principalele marimi care caracterizeaza compresorul:

cilindreea

;

spatiul mort relativ-arata cat la suta din volumul cilindreei reprezina volumul spatiului mort

;

• gradul de umplere- arata cat la suta din volumul cilindreei reprezina volumul de gaz aspirat

.

Relatia de legatura intre spatiul mort relativ si gradul de umplere este:

Se observa ca presiunea de refulare, p₂, influenteaza marimea gradului de umplere. In fig.4 s-a considerat ca presiunea de aspiratie este aceeasi si spatiul mort relativ este constant.

Din relatia (7) rezulta ca pe masura ce presiunea de refulare p₂ creste, gradul de umplere scade. Pentru valoarea maxima a presiunii de refulare :

gradul de umplere se anuleaza. Rezulta ca presiunea de refulare p₂ trebuie sa aiba valori strict mai mici decat valoarea p_2Max.

Fig.4.Cresterea presiunii de refulare conduce la diminuarea gradului de umplere

Lucrul mecanic consumat de compresor variaza atat in functie de natura comprimarii 1-2, cat si de natura destinderii 3-4 a volumului de gaz din spatiul mort. Destinderea 1-2, ca si comprimarea 3-4, poate fi izoterma, adiabata sau politropa. Se pot concepe o infinitate de combinatii in care compresia si destinderea sa fie de aceeasi natura, sau de natura diferita.

Ciclul compresorului tehnic (fig.3) poate fi considerat ca fiind format din ciclul unui compresor teoretic 12ae1 si ciclul unei masini care ar produce lucru mecanic prin destinderea gazului din spatiul mort, 34ea3. Pentru ambele cicluri se calculeaza lucrul mecanic cu relatia (2), scrisa pentru valoarea corespunztoare a exponentului n. Valorile obtinute se insumeaza algebric, obtinandu-se lucrul mecanic consumat de compresorul real, monoetajat.

Relatia la care se ajunge, considerand atat compresia, cat si destinderea de natura politropica, este de forma:

Studiind dependenta lucrului mecanic consumat de gradul de umplere, rezulta ca, pentru gaze biatomice si , valoarea maxima a lucrului mecanic consumat se obtine pentru valoarea gradului de umplere:

, respectiv pentru presiunea de refulare: .

Aceste valori trebuie evitate, pentru a evita consumul maxim de lucru mecanic.

In realitate, ciclul unui compresor tehnic cu piston nu prezinta nici admisia si nici refularea ca transformari izobare. Datorita inertiei supapelor si pentru a acoperi pierderile de sarcina pe circuit, apar suprapresiuni atat pe circuitul de aspiratie, Δp_a, cat si pe cel de refulare, Δp_r. Astfel, in cursa de admisie 4 presiunea din cilindru este de fapt mai mica decat cea din coloana de aspiratie, iar in cursa de refulare 2^'-3, presiunea gazului din interiorul cilindrului este mai mare decat cea din coloana de refulare. Aceste diferente de presiune asigura deplasarea gazului.

Fig.5 Ciclul real al compresorului tehnic cu piston

3.Compresorul tehnic (real), polietajat, cu piston

Limita impusa pentru presiunea de refulare a unui compresor monoetajat, conform relatiei (8), poate fi depasita prin constructia unui compresor polietajat. Un compresor polietajat este un ansamblu de compresoare monoetajate montate in serie (astfel incat refularea unuia sa fie legata la admisia urmatorului compresor).

Fig.6 Schema unui compresor cu doua etaje

Fiecare etaj de compresiune este, de fapt, un compresor monoetajat. Intre etajele de compresiune se monteaza un racitor de gaz, care diminueaza lucrul mecanic consumat de compresor. In fig. 6 este reprezentata schema unui compresor cu doua trepte de compresiune.

La un compresor polietajat, la care se cunosc presiunile de aspiratie si de refulare se pune problema determinarii presiunilor intermediare, pe baza conditiei de minimizare a lucrului mecanic consumat.

Fig.7 Procesele corespunzaoare unui compresor cu doua etaje de compresie [7](izotermele corespunzatoare principalelor stari s-au trasat cu linie intrerupta)

Se apeleaza la compresorul teoretic polietajat, deoarece concluziile sunt valabile si pentru compresorul tehnic. Racirea maxima a agentului, intre etaje, se efectueaza pana la izoterma starii 1 In fig.7 punctul 2 corespunde functionarii fara racire, caz in care starea finala ar fi F, iar punctul 2 corespunde functionarii cu racirea agentului intre etaje. Racirea este un proces izobar, care se desfasoara intre starile 2 si 2

Determinarea presiunilor intermediare se face in ipoteza:

in cazul unui compresor cu n etaje de compresiune.

Lucrul mecanic consumat este minim daca raportul de compresiune, X, este acelasi pentru fiecare etaj:

,

deci vom avea relatia intre presiuni:

In cazul in care aceste conditii se respecta, functionarea compresorului este optima. Daca intretinerea compresorului este defectuoasa, lucrul mecanic consumat creste. De exemplu, depunerea de piatra pe tevile racitorului intermediar face ca punctele 1, 2 , 3^',.n^' sa nu se mai situeze pe aceeasi izoterma, izoterma punctului 1, ci pe izoterme diferite. Lucrul mecanic consumat creste, iar randamentul compresorului se reduce.

4.Instalatii de preparare si comprimare a aerului

O instalatie de pregatire si comprimare a aerului se compune din compresorul propriu-zis, filtru de praf, filtru pentru vaporii de ulei, sistem de uscare si racire a aerului, un rezervor de aer comprimat (rezervor tampon) pentru cazuri de avarie, dispozitive si aparate de reglare a presiunii (fig.8).

Fig. Schema simplificata a unei instalatii de preparare si comprimare a aerului:1.filtru de praf; 2.supapa de aspiratie; 3.elemente de etansare; 4.ansamblu piston; 5. arbore cotit; 6.baie ulei; 7.rezervor tampon; motor electric; 9.filtru ulei; 10.supapa de refulare

Utilizarea aerului umed nu este permisa, deoarece in diferite componente ale sistemului pneumatic temperatura poate cobori astfel incat vaporii de apa sa condenseze sau chiar sa inghete. fenomenul trebuie evitat pentru a nu periclita miscarea relativa a piselor. Instalatiile sunt echipate cu sisteme de uscare a aerului. Vaporii de ulei, proveniti din lubrifierea echipajului mobil, sunt retinuti de filtre speciale, pentru a nu infunda componente sau a nu degrada reperele din cauciuc ale sistemului

Intrebari test

1.Lucrul mecanic consumat de un compresor teoretic cu piston este minim

daca procesul de comprimare se desfasoara dupa o:

a)izoterma;.

b)adiabata; a) b) c)

c)politropa.

2. Procesul real de comprimare intr-un compresor cu piston este considerat

a)izoterm;..

b)adiabat; a) b) c)

c)politropic.

3.Lucrul mecanic tehnic consumat de un compresor teoretic, monoetajat, cu piston:

a) are valoare negativa, fiind un lucru mecanic primit de sistem;

b) are valoare pozitiva, fiind un lucru mecanic primit de sistem; a) b) c)

c)are valoarea minima atunci cand procesul de compresie este considerat izoterm.

4.Compresorul real, monoetajat cu piston:

a)nu prezinta spatiu mort la sfarsitul cursei de evacuare;..

b)este caracterizat de gradul de umplere, ; a) b) c)

c)este caracterizat de o valoare maxima a presiunii de refulare, .

5.Gradul de umplere al unui compresor real reprezinta:

a)cilindreea compresorului;..

b)raportul dintre volumul aspirat si cilindreea compresorului; a) b) c)

c)raportul dintre volumul mort si cilindreea compresorului.

6.Volumul mort al unui compresor real cu piston :

a)protejaza compresorul la supraincalzire;

b)diminueaza cilindreea teoretica a compresorului; a) b) c)

c)protejaza compresorul la suprasolicitari mecanice, datorita compresibilitatii gazului.

7.Racirea compresorului, de la temperatura reala, T_2, la o temperatura T_1, apropiata de temperatura corespunzatoare unei compresiuni izoterme:

a)permite diminuarea lucrului mecanic consumat de compresor;

b)consta in evacuarea sarcinii termice ; a) b) c)

c)contribuie la imbunatatirea functionarii compresorului.

Cresterea presiunii de refulare a unui compresor tehnic cu piston se poate obtine prin:

a)izolarea termica a peretilor cilindrului;..

b)montarea in paralel a mai multor etaje de comprimare;   a) b) c)

c)montarea in serie a mai multor etaje de comprimare.

Problema 1

.Un compresor monoetajat teoretic (fara volum mort) cu piston are cilindreea El aspira aer la presiunea si temperatura si il refuleaza la presiunea . Considerand compresiunea ca fiind un proces la temperatura constanta, sa se calculeze lucrul mecanic tehnic consumat de compresor la un ciclu de functionare. Care este puterea consumata de compresor, daca functioneaza la turatia de ?

Rezolvare

Fig.1P Ciclul de functionare al unui compresor teoretic, monoetajat, cu piston

Lucrul mecanic tehnic consumat de compresor este dat de relatia:

unde volumul poate fi exprimat in functie de presiune scriind legea transformarii izoterme:

Deci,

Puterea consumata de compresor este data de produsul dintre lucrul mecanic consumat in timpul unui ciclu si turatie (exprimata in rotatii pe secunda):

Considerand aceleasi date ca in problema 1., sa se calculeze lucrul mecanic tehnic consumat in timpul unui ciclu, in cazul in care compresiunea este o transformare politropica, avand . La ce temperatura, T₂, este refulat aerul?

Un compresor real, monoetajat, cu piston aspira aer la presiunea si temperatura si refuleaza la presiunea . Debitul masic de aer vehiculat de compresor este Se cunoaste caldura specifica sub presiune constanta a aerului . Se considera ca, atat compresiunea, cat si destinderea sunt transformari politropice cu exponentul . Sa se calculeze fluxul de caldura care trebuie evacuat pentru ca functionarea compresorului in timpul compresiunii sa poata fi considerata izoterma.

Intrebari test

1.a; 2.c; 3.a,c; 4.b,c; 5.b; 6.b,c; 7.a,b,c; c.

Probleme

2.Rezolvare

Lucrul mecanic tehnic consumat de compresor este dat de relatia:

unde volumul poate fi exprimat in functie de presiune scriind legea transformarii politrope:

Deci,

Temperatura la care este refulat aerul comprimat este:

, rezulta

Observatie In cazul comprimarii politropice lucrul mecanic consumat este mai mare , in modul, decat in cazul comprimarii izoterme.

3.Rezolvare

Racirea compresorului trebuie facuta astfel incat sa se evacueze fluxul termic corespunzator diferentei dintre temperatura starii 2p si temperatura starii 1. In fig.4.temperatura starii 2p reprezinta temperatura gazului dupa o comprimare politropica, iar temperatura starii 1 este temperatura gazului la admisie, deci temperatura la care s-ar desfasura comprimarea izoterma.

Fig.4. Ciclul de comprimare al unui compresor real cu piston. Cele doua curbe trasate cu linie subtire reprezinta izotermele corespunzatoare temperaturilor T₁ si, respectiv, T_2p