Kompresor

W przypadku innych zastosowań zobacz Sprężarka (ujednoznacznienie) .

Mała stacjonarna sprężarka powietrza do oddychania pod wysokim ciśnieniem do napełniania butli nurkowych

Wysokociśnieniowa sprężarka tłokowa firmy Belliss and Morcom, stosowana w przemyśle rozlewniczym

Sprężarka jest urządzeniem mechanicznym, które zwiększa ciśnienie gazu poprzez zmniejszenie jego objętości . Sprężarka powietrza jest specyficznym rodzajem sprężarki gazu.

Sprężarki są podobne do pomp : obie zwiększają ciśnienie płynu i oba mogą transportować płyn przez rurę . Główną różnicą jest to, że celem sprężarki jest zmiana gęstości lub objętości płynu, co jest w większości osiągalne tylko w przypadku gazów. Gazy są ściśliwe, podczas gdy ciecze są stosunkowo nieściśliwe, więc sprężarki są rzadko używane do cieczy. Głównym zadaniem pompy jest zwiększanie ciśnienia i transport cieczy.

Wiele sprężarek można stopniować, to znaczy płyn jest sprężany kilka razy w krokach lub etapach, aby zwiększyć ciśnienie tłoczenia. Często drugi stopień jest fizycznie mniejszy niż stopień główny, aby pomieścić już sprężony gaz bez zmniejszania jego ciśnienia. Każdy stopień dodatkowo spręża gaz i zwiększa jego ciśnienie, a także temperaturę (jeśli nie stosuje się chłodzenia międzystopniowego).

typy

Główne i ważne typy sprężarek gazu są zilustrowane i omówione poniżej:

Pozytywne przemieszczenie

Sprężarka wyporowa to system, który spręża powietrze poprzez przemieszczenie mechanicznego połączenia zmniejszającego objętość (ponieważ zmniejszenie objętości spowodowane przez tłok w termodynamice jest uważane za wyparcie tłoka).

Innymi słowy, sprężarka wyporowa to taka, która działa poprzez zasysanie określonej objętości gazu z wlotu, a następnie zmuszanie tego gazu do wyjścia przez wylot sprężarki. Wzrost ciśnienia gazu jest przynajmniej częściowo spowodowany pompowaniem go przez sprężarkę z masowym natężeniem przepływu, które nie może przejść przez wylot przy niższym ciśnieniu i gęstości wlotu.

Sprężarki tłokowe

Główny artykuł: Sprężarka tłokowa

Napędzana silnikiem sześciocylindrowa sprężarka tłokowa, która może pracować z dwoma, czterema lub sześcioma cylindrami.

Sprężarki tłokowe wykorzystują tłoki napędzane wałem korbowym. Mogą być stacjonarne lub przenośne, mogą być jednostopniowe lub wielostopniowe i mogą być napędzane silnikami elektrycznymi lub silnikami spalinowymi. Małe sprężarki tłokowe o mocy od 5 do 30 koni mechanicznych (KM) są powszechnie spotykane w zastosowaniach motoryzacyjnych i są zwykle przeznaczone do pracy przerywanej. Większe sprężarki tłokowe o mocy znacznie przekraczającej 1000 KM (750 kW) są powszechnie spotykane w dużych zastosowaniach przemysłowych i naftowych. Ciśnienia tłoczenia mogą wahać się od niskiego do bardzo wysokiego ciśnienia (>18000 psi lub 180 MPa). W niektórych zastosowaniach, takich jak sprężanie powietrza, wielostopniowe sprężarki dwustronnego działania są uważane za najbardziej wydajne dostępne sprężarki i są zazwyczaj większe i droższe niż porównywalne jednostki rotacyjne. Innym typem sprężarki tłokowej, zwykle stosowanej w samochodowych klimatyzacji kabin , jest sprężarka z tarczą sterującą lub z płytą wahliwą, która wykorzystuje tłoki poruszane przez tarczę sterującą zamontowaną na wale (patrz osiowa pompa tłokowa ).

Sprężarki stosowane w gospodarstwie domowym, warsztatach domowych i mniejszych miejscach pracy to zazwyczaj sprężarki tłokowe o mocy 1½ KM lub mniejszej z dołączonym zbiornikiem odbiorczym.

Sprężarka liniowa to sprężarka tłokowa, w której tłok jest wirnikiem silnika liniowego.

Ten typ sprężarki może sprężać szeroką gamę gazów, w tym czynnik chłodniczy, wodór i gaz ziemny. Z tego powodu znajduje zastosowanie w szerokim zakresie zastosowań w wielu różnych gałęziach przemysłu i może być zaprojektowany do szerokiego zakresu pojemności, o różnej wielkości, liczbie cylindrów i rozładunku butli. Charakteryzuje się jednak większymi stratami wynikającymi z prześwitu, oporem zaworów wylotowych i ssących, waży więcej, jest trudny w utrzymaniu ze względu na dużą liczbę ruchomych części i ma nieodłączne wibracje.

Sprężarka tłokowa z cieczą jonową

Główny artykuł: Sprężarka tłokowa z cieczą jonową

Sprężarka tłokowa cieczy jonowej , sprężarka jonowa lub pompa tłokowa cieczy jonowej to sprężarka wodoru oparta na tłoku cieczy jonowej zamiast metalowego tłoka, jak w sprężarce tłokowo-metalowej membrany .

Sprężarki śrubowe

Schemat sprężarki śrubowej

Główny artykuł: Sprężarka śrubowa

Sprężarki śrubowe wykorzystują dwie zazębione, obracające się spiralne śruby wyporowe , które wtłaczają gaz do mniejszej przestrzeni. Są one zwykle używane do ciągłej pracy w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych i mogą być stacjonarne lub przenośne. Ich zastosowanie może wynosić od 3 koni mechanicznych (2,2 kW) do ponad 1200 koni mechanicznych (890 kW) oraz od niskiego ciśnienia do umiarkowanie wysokiego ciśnienia (> 1200 psi lub 8,3 MPa).

Klasyfikacje sprężarek śrubowych różnią się między innymi w zależności od stopni, metod chłodzenia i typów napędów. Sprężarki śrubowe są produkowane komercyjnie w wersjach zalanych olejem, zalanych wodą i suchych. Wydajność sprężarek rotacyjnych zależy od osuszacza powietrza, , a wybór osuszacza powietrza to zawsze 1,5-krotność objętościowej wydajności sprężarki.

Istnieją projekty z pojedynczą śrubą lub trzema śrubami zamiast dwóch.

Sprężarki śrubowe mają mniej ruchomych elementów, większą wydajność, mniej wibracji i udarów, mogą pracować ze zmiennymi prędkościami i zazwyczaj mają wyższą wydajność. Małe rozmiary lub niskie prędkości wirnika są niepraktyczne ze względu na nieodłączne wycieki spowodowane luzem między wnękami sprężania lub śrubami a obudową sprężarki. Zależą one od dokładnych tolerancji obróbki, aby uniknąć dużych strat wycieków i są podatne na uszkodzenia, jeśli są obsługiwane nieprawidłowo lub niewłaściwie serwisowane.

Sprężarki łopatkowe

Ekscentryczna pompa łopatkowa

Zobacz też: Pompa łopatkowa

Sprężarki łopatkowe składają się z wirnika z kilkoma łopatkami umieszczonymi w promieniowych szczelinach wirnika. Wirnik jest montowany z przesunięciem w większej obudowie, która ma albo okrągły, albo bardziej złożony kształt. Gdy wirnik się obraca, ostrza wsuwają się i wysuwają ze szczelin, utrzymując kontakt z zewnętrzną ścianą obudowy. W ten sposób obracające się ostrza tworzą serię rosnących i malejących objętości. Sprężarki łopatkowe są, obok sprężarek tłokowych, jedną z najstarszych technologii sprężarkowych.

Przy odpowiednich połączeniach portów urządzeniami mogą być sprężarki lub pompy próżniowe. Mogą być stacjonarne lub przenośne, mogą być jednostopniowe lub wielostopniowe i mogą być napędzane silnikami elektrycznymi lub silnikami spalinowymi. Maszyny z suchymi łopatkami są używane przy stosunkowo niskich ciśnieniach (np. 2 bary lub 200 kPa lub 29 psi) do przemieszczania materiałów sypkich, podczas gdy maszyny z wtryskiem oleju mają niezbędną wydajność objętościową do osiągnięcia ciśnień do około 13 barów (1300 kPa; 190 psi) w jednym etapie. Sprężarka łopatkowa dobrze nadaje się do napędu silnikiem elektrycznym i jest znacznie cichsza w działaniu niż równoważna sprężarka tłokowa.

Sprężarki łopatkowe mogą mieć sprawność mechaniczną około 90%.

Toczący się tłok

Sprężarka tłokowa

Tłok toczny w sprężarce z tłokiem tocznym pełni rolę przegrody między łopatką a wirnikiem. Toczący się tłok dociska gaz do nieruchomej łopatki.

Dwie z tych sprężarek można zamontować na tym samym wale, aby zwiększyć wydajność oraz zredukować wibracje i hałas. Konstrukcja bez sprężyny jest znana jako sprężarka typu swing.

W chłodnictwie i klimatyzacji ten typ sprężarki jest również znany jako sprężarka rotacyjna, a sprężarki śrubowe są również nazywane po prostu sprężarkami śrubowymi.

Oferuje wyższą wydajność niż sprężarki tłokowe ze względu na mniejsze straty wynikające z prześwitu między tłokiem a obudową sprężarki, jest od 40% do 50% mniejszy i lżejszy dla danej wydajności (co może mieć wpływ na koszty materiałów i wysyłki, gdy jest stosowany w produkcie) , powoduje mniejsze wibracje, ma mniej elementów i jest bardziej niezawodny niż sprężarka tłokowa. Jednak jego konstrukcja nie pozwala na osiągnięcie wydajności powyżej 5 ton chłodniczych, jest mniej niezawodna niż inne typy sprężarek i mniej wydajna niż inne typy sprężarek ze względu na straty wynikające z objętości prześwitu.

Sprężarki spiralne

Mechanizm pompy spiralnej

Główny artykuł: Sprężarka spiralna

Sprężarka spiralna , znana również jako pompa spiralna i spiralna pompa próżniowa , wykorzystuje dwie przeplatane spiralnie łopatki do pompowania lub sprężania płynów , takich jak ciecze i gazy . Geometria łopatek może być ewolwentowa , spiralna Archimedesa lub krzywe hybrydowe. Działają płynniej, ciszej i niezawodniej niż inne typy sprężarek w dolnym zakresie głośności.

Często jeden ze zwojów jest nieruchomy, podczas gdy drugi krąży mimośrodowo bez obracania się, w ten sposób zatrzymując i pompując lub ściskając kieszenie płynu między zwojami.

Ze względu na minimalny prześwit między stałą spiralą a spiralą orbitalną, sprężarki te mają bardzo wysoką sprawność objętościową .

Sprężarki te są szeroko stosowane w klimatyzacji i chłodnictwie, ponieważ są lżejsze, mniejsze i mają mniej ruchomych części niż sprężarki tłokowe, a także są bardziej niezawodne. Są jednak droższe, więc chłodnice Peltiera lub sprężarki rotacyjne i tłokowe mogą być stosowane w zastosowaniach, w których koszt jest najważniejszym lub jednym z najważniejszych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu systemu chłodniczego lub klimatyzacyjnego.

Ten typ sprężarki był używany jako doładowanie w silnikach Volkswagena G60 i G40 na początku lat 90.

W porównaniu ze sprężarkami tłokowymi i walcowymi, sprężarki spiralne są bardziej niezawodne, ponieważ mają mniej elementów i prostszą konstrukcję, są bardziej wydajne, ponieważ nie mają luzu ani zaworów, a ich zaletą jest mniejszy skok ciśnienia i mniejsze wibracje . Jednak w porównaniu ze sprężarkami śrubowymi i odśrodkowymi sprężarki spiralne mają niższą sprawność i mniejszą wydajność.

Sprężarki membranowe

Główny artykuł: Sprężarka membranowa

Sprężarka membranowa (znana również jako sprężarka membranowa ) jest wariantem konwencjonalnej sprężarki tłokowej. Sprężanie gazu następuje poprzez ruch elastycznej membrany zamiast elementu wlotowego. Ruch tam iz powrotem membrany jest napędzany przez pręt i mechanizm wału korbowego. Tylko membrana i skrzynia sprężarki mają kontakt ze sprężonym gazem.

Stopień ugięcia oraz materiał, z którego wykonana jest membrana, ma wpływ na żywotność sprzętu. Zasadniczo sztywne metalowe membrany mogą przemieszczać tylko kilka centymetrów sześciennych objętości, ponieważ metal nie może wytrzymać dużych stopni zginania bez pękania, ale sztywność metalowej membrany pozwala na pompowanie przy wysokich ciśnieniach. Gumowe lub silikonowe membrany są w stanie wytrzymać głębokie skoki pompowania przy bardzo dużym zgięciu, ale ich niska wytrzymałość ogranicza ich zastosowanie do zastosowań niskociśnieniowych i należy je wymienić, gdy wystąpi kruchość plastiku.

Sprężarki membranowe są używane do wodoru i sprężonego gazu ziemnego ( CNG ), a także w wielu innych zastosowaniach.

Trzystopniowa sprężarka membranowa

Zdjęcie po prawej stronie przedstawia trzystopniową sprężarkę membranową używaną do sprężania wodoru do 6000 psi (41 MPa) do użytku w prototypowej stacji tankowania sprężonego wodoru i sprężonego gazu ziemnego (CNG) zbudowanej w centrum Phoenix w Arizonie przez Arizona Public Firma usługowa (firma elektryczna). Do sprężania gazu ziemnego zastosowano sprężarki tłokowe . Tłokowa sprężarka gazu ziemnego została opracowana przez firmę Sertco .

Prototypowa stacja paliw alternatywnych została zbudowana zgodnie ze wszystkimi obowiązującymi w Phoenix przepisami dotyczącymi bezpieczeństwa, ochrony środowiska i budynków, aby pokazać, że takie stacje paliw można budować na obszarach miejskich.

Dynamiczny

Kompresor pęcherzyków powietrza

Znany również jako trompe . Mieszanina powietrza i wody wytworzona w wyniku turbulencji może wpaść do podziemnej komory, w której powietrze oddziela się od wody. Ciężar spadającej wody ściska powietrze w górnej części komory. Zatopiony wylot z komory umożliwia wypłynięcie wody na powierzchnię na niższej wysokości niż wlot. Wylot w sklepieniu komory doprowadza sprężone powietrze na powierzchnię. Obiekt działający na tej zasadzie został zbudowany na rzece Montreal w Ragged Shutes niedaleko Cobalt w Ontario w 1910 roku i dostarczał 5000 koni mechanicznych do pobliskich kopalni.

Sprężarki odśrodkowe

Jednostopniowa sprężarka odśrodkowa

Jednostopniowa sprężarka odśrodkowa, początek XX wieku, G. Schiele & Co., Frankfurt nad Menem

Główny artykuł: Sprężarka odśrodkowa

Sprężarki odśrodkowe wykorzystują obracającą się tarczę lub wirnik w ukształtowanej obudowie, aby wtłaczać gaz do krawędzi wirnika, zwiększając prędkość gazu. Sekcja dyfuzora (kanału rozbieżnego) przekształca energię prędkości w energię ciśnienia. Stosowane są przede wszystkim do ciągłej, stacjonarnej obsługi w branżach takich jak rafinerie ropy naftowej , zakłady chemiczne i petrochemiczne oraz zakłady przetwórstwa gazu ziemnego . Ich zastosowanie może wynosić od 100 koni mechanicznych (75 kW) do tysięcy koni mechanicznych. Dzięki wielokrotnemu stopniowaniu mogą osiągać wysokie ciśnienia wyjściowe, przekraczające 1000 psi (6,9 MPa).

Ten typ sprężarek, wraz ze sprężarkami śrubowymi, jest szeroko stosowany w dużych systemach chłodniczych i klimatyzacyjnych. Istnieją sprężarki odśrodkowe z łożyskami magnetycznymi (lewitacja magnetyczna) i sprężarki odśrodkowe z łożyskami powietrznymi.

Wiele dużych zakładów naśnieżających (takich jak ośrodki narciarskie ) korzysta z tego typu sprężarek. Stosowane są również w silnikach spalinowych jako doładowania i turbosprężarki . Sprężarki odśrodkowe są stosowane w małych silnikach z turbiną gazową lub jako końcowy stopień sprężania średnich turbin gazowych.

Sprężarki odśrodkowe są największymi dostępnymi sprężarkami, oferują wyższą wydajność przy częściowych obciążeniach, mogą być bezolejowe przy zastosowaniu łożysk powietrznych lub magnetycznych, co zwiększa współczynnik przenikania ciepła w parownikach i skraplaczach, ważą do 90% mniej i zajmują 50% mniej miejsca niż sprężarki odśrodkowe sprężarki tłokowe są niezawodne i tańsze w utrzymaniu, ponieważ mniej elementów jest narażonych na zużycie i generują jedynie minimalne wibracje. Jednak ich początkowy koszt jest wyższy, wymagają bardzo precyzyjnej CNC , wirnik musi obracać się z dużą prędkością, co sprawia, że ​​małe sprężarki są niepraktyczne, a skoki ciśnienia stają się bardziej prawdopodobne. Uderzenia to odwrócenie przepływu gazu, co oznacza, że ​​gaz przechodzi od strony tłocznej do strony ssącej, co może spowodować poważne uszkodzenia, szczególnie w łożyskach sprężarki i jej wale napędowym. Jest to spowodowane ciśnieniem po stronie tłocznej, które jest wyższe niż ciśnienie wyjściowe sprężarki. Może to powodować przepływ gazów tam iz powrotem między sprężarką a wszystkim, co jest podłączone do jej przewodu tłocznego, powodując oscylacje.

Sprężarki diagonalne lub o przepływie mieszanym

diagonalne lub o przepływie mieszanym są podobne do sprężarek odśrodkowych, ale mają promieniową i osiową składową prędkości na wyjściu z wirnika. Dyfuzor jest często używany do zmiany kierunku przepływu ukośnego w kierunku osiowym, a nie promieniowym. W porównaniu do konwencjonalnej sprężarki odśrodkowej (o tym samym stosunku ciśnień stopni) wartość prędkości obrotowej sprężarki o przepływie mieszanym jest 1,5 razy większa.

Sprężarki osiowe

Animacja sprężarki osiowej.

Główny artykuł: Sprężarka osiowa

Sprężarki osiowe to dynamicznie obracające się sprężarki, które wykorzystują układy przypominających wachlarze płatów powietrznych do stopniowego sprężania płynu. Stosowane są tam, gdzie wymagane są wysokie natężenia przepływu lub kompaktowa konstrukcja.

Układy płatów są ustawione w rzędach, zwykle parami: jeden obrotowy i jeden nieruchomy. Obracające się płaty, znane również jako łopaty lub wirniki , przyspieszają płyn. Stacjonarne płaty, zwane również stojanami lub łopatkami, spowalniają i przekierowują kierunek przepływu płynu, przygotowując go na łopaty wirnika następnego stopnia. Sprężarki osiowe są prawie zawsze wielostopniowe, a przekrój poprzeczny kanału gazowego zmniejsza się wzdłuż sprężarki, aby utrzymać optymalną osiową liczbę Macha . Powyżej około 5 stopni lub stosunku ciśnień projektowych 4: 1 sprężarka nie będzie działać, jeśli nie zostanie wyposażona w takie funkcje, jak nieruchome łopatki o zmiennym kącie (znane jako zmienne łopatki kierujące wlotem i zmienne stojany), możliwość częściowego ujścia powietrza wzdłuż sprężarki (znany jako upust międzystopniowy) i podzielony na więcej niż jeden zespół wirujący (znany na przykład jako podwójne szpule).

Sprężarki osiowe mogą mieć wysoką wydajność; około 90% politropowych w ich warunkach projektowych. Są one jednak stosunkowo drogie, wymagają dużej liczby komponentów, wąskich tolerancji i wysokiej jakości materiałów. Sprężarki osiowe są stosowane w średnich i dużych turbin gazowych , przepompowniach gazu ziemnego i niektórych zakładach chemicznych.

Hermetycznie zamknięte, otwarte lub półhermetyczne

Mała hermetycznie zamknięta sprężarka w typowej chłodziarce lub zamrażarce konsumenckiej ma zwykle zaokrągloną stalową obudowę zewnętrzną trwale zespawaną, która uszczelnia gazy robocze wewnątrz układu, w tym przypadku czynnik chłodniczy R600a . Nie ma drogi wycieku gazów, na przykład wokół uszczelnień wału silnika. W tym modelu plastikowa górna część jest częścią automatycznego rozmrażania , który wykorzystuje ciepło silnika do odparowania wody.

Sprężarki stosowane w systemach chłodniczych muszą wykazywać prawie zerowy wyciek, aby uniknąć utraty czynnika chłodniczego , jeśli mają działać przez lata bez obsługi. Wymaga to zastosowania bardzo skutecznych uszczelnień, a nawet wyeliminowania wszystkich uszczelnień i otworów w celu stworzenia hermetycznego systemu. Sprężarki te są często opisywane jako hermetyczne , otwarte lub półhermetyczne , aby opisać, w jaki sposób sprężarka jest zamknięta i jak znajduje się napęd silnika w stosunku do sprężanego gazu lub pary. Niektóre sprężarki poza usługami chłodniczymi mogą być również do pewnego stopnia hermetycznie uszczelnione, zwykle podczas obsługi toksycznych, zanieczyszczających lub drogich gazów, przy czym większość zastosowań niezwiązanych z chłodzeniem dotyczy przemysłu petrochemicznego.

W sprężarkach hermetycznych i większości półhermetycznych sprężarka i silnik napędzający sprężarkę są zintegrowane i działają w osłonie gazu pod ciśnieniem systemu. Silnik jest przeznaczony do pracy w sprężonym gazowym czynniku chłodniczym i może być przez niego chłodzony. Otwarte sprężarki mają zewnętrzny silnik napędzający wał, który przechodzi przez korpus sprężarki i opierają się na obrotowych uszczelnieniach wokół wału, aby utrzymać ciśnienie wewnętrzne.

Różnica między hermetycznym a półhermetycznym polega na tym, że hermetyczny wykorzystuje jednoczęściową spawaną stalową obudowę, której nie można otworzyć w celu naprawy; jeśli hermetyk zawiedzie, jest po prostu wymieniany na zupełnie nową jednostkę. Półhermetyczny wykorzystuje dużą odlewaną metalową obudowę z uszczelnionymi pokrywami ze śrubami, które można otworzyć w celu wymiany elementów silnika i sprężarki. Podstawową zaletą hermetycznego i półhermetycznego jest brak możliwości wycieku gazu z układu. Główną zaletą sprężarek otwartych jest to, że mogą być napędzane dowolnym źródłem napędu, co pozwala na dobór najodpowiedniejszego silnika do danego zastosowania, a nawet źródeł nieelektrycznych, takich jak silnik spalinowy czy turbina parowa , a po drugie silnik otwartej sprężarki można serwisować bez otwierania jakiejkolwiek części układu chłodniczego.

Otwarty system ciśnieniowy, taki jak klimatyzator samochodowy, może być bardziej podatny na wyciek gazów roboczych. Otwarte systemy opierają się na smarze w systemie, który rozpryskuje się na komponentach pompy i uszczelnieniach. Jeśli nie jest używany wystarczająco często, smar na uszczelkach powoli odparowuje, a następnie uszczelki zaczynają przeciekać, aż system przestanie działać i trzeba go naładować. Dla porównania, system hermetyczny lub półhermetyczny może stać nieużywany przez lata i zwykle można go ponownie uruchomić w dowolnym momencie bez konieczności konserwacji lub utraty ciśnienia w systemie. Nawet dobrze nasmarowane uszczelki będą z czasem wydzielać niewielką ilość gazu, szczególnie jeśli gazy chłodnicze są rozpuszczalne w oleju smarowym, ale jeśli uszczelnienia są dobrze wykonane i konserwowane, straty te są bardzo niskie.

Wadą sprężarek hermetycznych jest brak możliwości naprawy lub konserwacji napędu silnikowego, aw przypadku awarii silnika konieczna jest wymiana całej sprężarki. Kolejną wadą jest to, że przepalone uzwojenia mogą zanieczyścić całe układy, co wymaga całkowitego odpompowania układu i wymiany gazu (może się to również zdarzyć w sprężarkach półhermetycznych, w których silnik pracuje w czynniku chłodniczym). Zazwyczaj sprężarki hermetyczne są stosowane w tanich, fabrycznie montowanych towarach konsumpcyjnych, gdzie koszt naprawy i robocizny jest wysoki w porównaniu do wartości urządzenia, a bardziej opłacalny byłby zakup nowego urządzenia lub sprężarki. Sprężarki półhermetyczne są stosowane w średnich i dużych instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych, gdzie naprawa i/lub regeneracja sprężarki jest tańsza w porównaniu z ceną nowej. Sprężarka hermetyczna jest prostsza i tańsza w budowie niż sprężarka półhermetyczna lub otwarta.

Termodynamika sprężania gazów

Sprężarka izentropowa

Sprężarkę można wyidealizować jako wewnętrznie odwracalną i adiabatyczną , a więc izentropowe urządzenie stanu ustalonego, co oznacza, że ​​zmiana entropii wynosi 0.

Można obliczyć zmianę entalpii dla procesu przepływowego.

dH = VdP + TdS

Izentropowe dS wynosi zero.

dH = VdP

Procesy izentropowe bez przepływu, takie jak niektóre sprężarki wyporowe, mogą wykorzystywać inne równanie.

dH = PdV

Definiując cykl sprężania jako izentropowy , można osiągnąć idealną wydajność procesu, a idealną wydajność sprężarki można porównać z rzeczywistą wydajnością maszyny. Kompresja izotropowa stosowana w ASME PTC 10 odnosi się do odwracalnego, adiabatycznego procesu kompresji

Sprawność izentropowa sprężarek:

${\ Displaystyle \ eta _ {C} = {\ Frac {\ rm {izentropowy \; sprężarka \; praca}}} {\ rm {rzeczywista \; sprężarka \ ;praca}}}={\frac {W_{s}}{W_{a}}}\cong {\frac {h_{2s}-h_{1}}{h_{2a}-h_{1}}} }$

${\ Displaystyle h_ {1}}$ jest entalpią w stanie początkowym

${\ Displaystyle h_ {2a}}$ jest entalpią w stanie końcowym dla rzeczywistego procesu

${\ displaystyle h_ {2s} }$ to entalpia w stanie końcowym procesu izentropowego

Minimalizacja pracy wymaganej przez sprężarkę

Porównanie sprężarek odwracalnych i nieodwracalnych

Porównanie postaci różniczkowej bilansu energetycznego dla każdego urządzenia Niech będzie $ciepłem$ , $pracą$ będzie energią kinetyczną i $pe$$}$ displaystyle energia potencjalna. Rzeczywista sprężarka:

${\ Displaystyle \ delta q_ {akt} - \ delta w_ {akt} = dh + dke + dpe}$

Sprężarka rewersyjna:

$\ Displaystyle \ delta q_ {rev} - \ delta w_ {rev} = dh + dke + dpe}$

Prawa strona każdego typu sprężarki jest równoważna, więc:

${\ Displaystyle \ delta q_ {akt} - \ delta w_ {akt} = \ delta q_ {rev} - \ delta w_ {obrót silnika}}$

przeorganizowanie:

$\ Displaystyle \ delta w_ {rev} - \ delta w_ {akt} = \ delta q_ {rev} - \ delta q_ {działać}}$

Podstawiając znane równanie do ostatniego równania i dzieląc oba wyrazy przez T: ${\ Displaystyle \ delta q_ {rev} = Tds}$

$\ Displaystyle {\ Frac {\ delta w_ {rev} - \ delta w_ {akt}} {T}} = ds -{\frac {\delta q_{akt}}{T}}\geq 0}$

Ponadto re ${\ Displaystyle ds \ geq {\ Frac {\ delta q_ {akt}} {T}}}$ T to [temperatura bezwzględna] ( ${\ Displaystyle T \ geq 0 }$ ), co daje: $\ Displaystyle \ delta w_ {rev} \ geq \ delta w_ {akt}}$ lub ${\ Displaystyle w_ {rev }\geq w_{akt}}$

Dlatego pracochłonne urządzenia, takie jak pompy i sprężarki (praca jest ujemna) wymagają mniej pracy, gdy działają odwracalnie.

Wpływ chłodzenia podczas procesu sprężania

Wykres Pv (objętość właściwa w funkcji ciśnienia) porównujący procesy izentropowe, politropowe i izotermiczne między tymi samymi granicami ciśnienia.

izentropowy : nie obejmuje chłodzenia, proces politropowy : obejmuje pewne chłodzenie proces izotermiczny : obejmuje maksymalne chłodzenie

Przyjmując następujące założenia, praca wymagana dla sprężarki do sprężenia gazu od do ${\ displaystyle P_ {2}$$}$ jest następująca dla każdego procesu: P 1

${\ Displaystyle P_ {1}}$ i ${\ Displaystyle P_ {2}}$

Procesy przepływu VdP

Wszystkie procesy są wewnętrznie odwracalne

Gaz zachowuje się jak gaz doskonały ze stałymi ciepłami właściwymi

izentropowy ( $\ Displaystyle Pv ^ {k} = stała}$ , gdzie $\ Displaystyle k = C_ {p} / C_ {v}}$ ) :

${\ Displaystyle W_ {comp,in}={\frac {kR(T_{2}-T_{1})}{k-1}}={\frac {kRT_{1}}{k-1}}\left[\left ({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(k-1)/k}-1\right]}$

politropowy ( ${\ Displaystyle Pv ^ {n} = stała}$ ):

${\ Displaystyle W_ {comp,in}={\frac {nR(T_{2}-T_{1})}{n-1}}={\frac {nRT_{1}}{n-1}}\left[\left ({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(n-1)/n}-1\right]}$

izotermiczny ( $\ Displaystyle T = stała}$ lub ${\ Displaystyle Pv = stała}$ ):

${\ Displaystyle W_ {comp, in} = RTln \ lewo ({\ Frac {P_ {2}} {P_ {1}}} \ Prawidłowy)}$

Porównując trzy wewnętrznie odwracalne procesy sprężania gazu doskonałego z $,$${\ Displaystyle Pv ^ {k} = stała}$ pokazują że kompresja $izentropowa$ ) wymaga najwięcej pracy i kompresji izotermicznej ( $\ Displaystyle T = stała}$ lub $= stała}$$\ Displaystyle Pv ^ {n} = stała}$ ) wymaga najmniejszej ilości pracy. Dla procesu politropowego ( ) praca in maleje wraz ze spadkiem wykładnika, n, poprzez zwiększenie oddawania ciepła podczas procesu sprężania. Jednym z powszechnych sposobów chłodzenia gazu podczas sprężania jest stosowanie płaszczy chłodzących wokół obudowy sprężarki.

Sprężarki w idealnych cyklach termodynamicznych

Idealny cykl Rankine'a 1->2 Sprężanie izentropowe w pompie Idealny cykl Carnota 4->1 Sprężanie izentropowe Idealny cykl Otto 1->2 Sprężanie izentropowe Idealny cykl Diesla 1->2 Sprężanie izentropowe Idealny cykl Braytona 1->2 Sprężanie izentropowe w a sprężarka Idealna kompresja pary Chłodzenie Cykl 1->2 Sprężanie izentropowe w sprężarce UWAGA: Założenia izentropowe mają zastosowanie tylko w przypadku cykli idealnych. Cykle w świecie rzeczywistym mają nieodłączne straty spowodowane nieefektywnymi sprężarkami i turbinami. System świata rzeczywistego nie jest prawdziwie izentropowy, ale jest raczej wyidealizowany jako izentropowy do celów obliczeniowych.

Temperatura

Główny artykuł: przepisy dotyczące gazu

Sprężanie gazu zwiększa jego temperaturę .

Dla przemiany politropowej gazu:

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {przypadki} pV ^ {n} = {\ tekst {stała}} = p_ {1} V_{1}^{n}=p_{2}V_{2}^{n}\strzałka w prawo {\frac {p_{2}}{p_{1}}}\ =\left({\frac {V_{ 1}}{V_{2}}}\right)^{n}&\\{\frac {p^{\frac {n-1}{n}}}{T}}={\text{stała} }={\frac {p_{1}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{1}}}={\frac {p_{2}^{\frac {n-1}{ n}}}{T_{2}}}\strzałka w prawo \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}={ \frac {T_{2}}{T_{1}}}&\end{przypadki}}}$

Praca wykonana przy politropowej kompresji (lub rozprężaniu) gazu w zamkniętym cylindrze.

${ \displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}^{n}\int _{V_{1}}^{V_{2}} V^{-n}dV={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}(V_{2}^{1-n}-V_{1}^{1 -n})={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}V_{1}^{1-n}\left({\frac {V_{2}^ {1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\prawo)=}$

${\ Displaystyle = {\ Frac {p_ {1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n-1}-1\right) ={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac { n-1}{n}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {T_{2}}{T_{1} }}-1\prawo)}$

Więc

${\ Displaystyle W = - {\ Frac {p_ {1} V_ {1}} {n-1}} \ left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)}$

gdzie p to ciśnienie, V to objętość, n przyjmuje różne wartości dla różnych procesów kompresji (patrz poniżej), a 1 i 2 odnoszą się do stanu początkowego i końcowego.

• Adiabatyczny - Model ten zakłada, że ​​żadna energia (ciepło) nie jest przekazywana do ani z gazu podczas sprężania, a cała dostarczona praca jest dodawana do energii wewnętrznej gazu, co powoduje wzrost temperatury i ciśnienia. Teoretyczny wzrost temperatury wynosi:

${\ Displaystyle T_ {2} = T_ {1} \ lewo ({\ Frac {p_ {2}} {p_ { 1}}}\right)^{(\kappa -1)/\kappa }}$

gdzie T ₁ i T ₂ w stopniach $Rankine'a$ lub kelwinach , p 2 _i p 1 _to bezwzględne i ciepła właściwego (około 1,4 dla powietrza). Wzrost stosunku powietrza do temperatury oznacza, że ​​kompresja nie podlega prostemu stosunkowi ciśnienia do objętości. Jest to mniej wydajne, ale szybkie. Sprężanie lub rozprężanie adiabatyczne dokładniej odwzorowuje rzeczywistość, gdy sprężarka ma dobrą izolację, dużą objętość gazu lub krótką skalę czasową (tj. wysoki poziom mocy). W praktyce ze sprężonego gazu zawsze będzie wydzielać się pewna ilość ciepła. Zatem wykonanie idealnej sprężarki adiabatycznej wymagałoby doskonałej izolacji cieplnej wszystkich części maszyny. Na przykład nawet metalowa rurka pompki rowerowej nagrzewa się podczas sprężania powietrza w celu napełnienia opony. Opisana powyżej zależność między temperaturą a stopniem sprężania oznacza, że ​​​​wartość $dla$$($ adiabatycznego wynosi ciepła właściwego).

• Izotermiczny - Model ten zakłada, że ​​sprężony gaz pozostaje w stałej temperaturze podczas procesu sprężania lub rozprężania. W tym cyklu energia wewnętrzna jest usuwana z układu w postaci ciepła z taką samą szybkością, z jaką jest dodawana w wyniku mechanicznej pracy sprężania. Sprężanie lub rozprężanie izotermiczne dokładniej oddaje rzeczywistość, gdy sprężarka ma dużą powierzchnię wymiany ciepła, małą objętość gazu lub długą skalę czasową (tj. mały poziom mocy). Sprężarki wykorzystujące chłodzenie międzystopniowe pomiędzy stopniami sprężania są najbliższe osiągnięciu idealnej kompresji izotermicznej. Jednak za pomocą praktycznych urządzeń nie można osiągnąć idealnej kompresji izotermicznej. Na przykład, jeśli nie masz nieskończonej liczby stopni sprężania z odpowiednimi intercoolerami, nigdy nie osiągniesz idealnej kompresji izotermicznej.

W przypadku procesu izotermicznego wynosi 1, więc wartość całki pracy dla procesu izotermicznego wynosi: ${\ displaystyle n}$

${ \displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}\int _{V_{1}}^{V_{2}}{\frac { 1}{V}}dV=p_{1}V_{1}\ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}=-p_{1}V_{1}\ln \left({ \frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)}$

Po ocenie praca izotermiczna okazuje się być niższa niż praca adiabatyczna.

• Politropowy - Model ten uwzględnia zarówno wzrost temperatury gazu, jak i pewną utratę energii (ciepła) do elementów sprężarki. Zakłada się, że ciepło może przedostawać się do układu lub go opuszczać, a praca wału wejściowego może objawiać się zarówno zwiększonym ciśnieniem (zwykle praca użyteczna), jak i podwyższoną temperaturą powyżej adiabatycznej (zwykle straty spowodowane wydajnością cyklu). Wydajność kompresji to stosunek wzrostu temperatury przy teoretycznym 100% (adiabatyczny) do rzeczywistego (politropowy). Kompresja politropowa użyje wartości $n$ between 0 (a constant-pressure process) and infinity (a constant volume process). For the typical case where an effort is made to cool the gas compressed by an approximately adiabatic process, the value of $n$ will be between 1 and $\kappa$.

Kompresja etapowa

W przypadku sprężarek odśrodkowych konstrukcje komercyjne obecnie nie przekraczają stopnia sprężania większego niż 3,5 do 1 na żadnym stopniu (dla typowego gazu). Ponieważ sprężanie podnosi temperaturę, sprężony gaz musi być schładzany między etapami, dzięki czemu sprężanie jest mniej adiabatyczne i bardziej izotermiczne. Chłodnice międzystopniowe (chłodnice międzystopniowe) zwykle powodują częściową kondensację, która jest usuwana w separatorach pary i cieczy .

W przypadku małych sprężarek tłokowych koło zamachowe sprężarki może napędzać wentylator chłodzący, który kieruje powietrze z otoczenia przez chłodnicę międzystopniową sprężarki dwustopniowej lub wielostopniowej.

Ponieważ sprężarki śrubowe mogą wykorzystywać środek chłodząco-smarujący w celu zmniejszenia wzrostu temperatury w wyniku sprężania, bardzo często przekraczają stopień sprężania 9 do 1. Na przykład w typowej sprężarce nurkowej powietrze jest sprężane w trzech etapach. Jeśli każdy stopień ma stopień sprężania 7 do 1, sprężarka może wytworzyć ciśnienie 343 razy większe od atmosferycznego (7 × 7 × 7 = 343 atmosfery ). (343 atm lub 34,8 MPa lub 5,04 ksi )

Silniki napędowe

Istnieje wiele opcji silnika napędzającego sprężarkę:

• Turbiny gazowe napędzają sprężarki osiowe i odśrodkowe, które są częścią silników odrzutowych .
• W przypadku dużych sprężarek możliwe są turbiny parowe lub wodne .
• Silniki elektryczne są tanie i ciche dla sprężarek statycznych. Małe silniki odpowiednie do domowych urządzeń elektrycznych wykorzystują jednofazowy prąd przemienny . Większe silniki mogą być używane tylko tam, gdzie dostępne jest przemysłowe zasilanie prądem przemiennym trójfazowym .
• Silniki wysokoprężne lub silniki benzynowe nadają się do sprężarek przenośnych i sprężarek pomocniczych.
• W samochodach i innych typach pojazdów (w tym w samolotach, łodziach, ciężarówkach itp.) z silnikami wysokoprężnymi lub benzynowymi moc wyjściową można zwiększyć poprzez sprężenie powietrza dolotowego, dzięki czemu można spalić więcej paliwa na cykl. Silniki te mogą napędzać sprężarki za pomocą własnej mocy wału korbowego (ta konfiguracja nazywana jest doładowaniem ) lub wykorzystywać spaliny do napędzania turbiny podłączonej do sprężarki (ta konfiguracja nazywana jest turbosprężarką ) .

Smarowanie

Sprężarki napędzane silnikiem elektrycznym mogą być sterowane za pomocą VFD lub falownika , jednak wiele hermetycznych i półhermetycznych sprężarek może pracować tylko w zakresie lub przy stałych prędkościach, ponieważ mogą one zawierać wbudowane pompy olejowe. Wbudowana pompa olejowa jest podłączona do tego samego wału, który napędza sprężarkę i wtłacza olej do łożysk sprężarki i silnika. Przy niskich prędkościach do łożysk dociera niewystarczająca ilość oleju, co ostatecznie prowadzi do uszkodzenia łożyska, podczas gdy przy dużych prędkościach nadmierne ilości oleju mogą zostać utracone z łożysk i sprężarki oraz potencjalnie do przewodu tłocznego z powodu rozpryskiwania. W końcu olej się skończy, a łożyska pozostaną niesmarowane, co prowadzi do awarii, a olej może zanieczyścić czynnik chłodniczy, powietrze lub inny gaz roboczy.

Aplikacje

Sprężarki gazu są używane w różnych zastosowaniach, w których potrzebne są wyższe ciśnienia lub mniejsze objętości gazu:

• W transporcie rurociągowym oczyszczonego gazu ziemnego z miejsca wydobycia do konsumenta sprężarka jest napędzana silnikiem napędzanym gazem upuszczanym z rurociągu. Dzięki temu nie jest potrzebne żadne zewnętrzne źródło zasilania.
• W transporcie morskim ładunków i operacjach ładunkowych przez gazowce .
• Rafinerie ropy naftowej, zakłady przetwarzania gazu ziemnego, zakłady petrochemiczne i chemiczne oraz podobne duże zakłady przemysłowe wymagają sprężania gazów pośrednich i końcowych.
• chłodnicze i klimatyzacyjne wykorzystują sprężarki do przenoszenia ciepła w obiegach chłodniczych (patrz chłodnictwo ze sprężaniem pary ).
• Systemy turbin gazowych sprężają zasysane powietrze do spalania .
• Oczyszczone lub wyprodukowane gazy o małej objętości wymagają sprężenia w celu napełnienia butli wysokociśnieniowych do zastosowań medycznych , spawalniczych i innych.
• Różne procesy przemysłowe, produkcyjne i budowlane wymagają sprężonego powietrza do zasilania narzędzi pneumatycznych .
• W produkcji i rozdmuchiwaniu plastikowych butelek i pojemników PET .
• Niektóre samoloty wymagają sprężarek do utrzymania ciśnienia w kabinie na wysokości.
• Niektóre typy silników odrzutowych — takie jak silniki turboodrzutowe i turbowentylatorowe — sprężają powietrze potrzebne do spalania paliwa. Turbiny silnika odrzutowego napędzają sprężarkę powietrza do spalania.
• W nurkowaniu podwodnym , samodzielnych aparatach oddechowych , tlenoterapii hiperbarycznej i innych urządzeniach podtrzymujących życie sprężarki dostarczają gaz oddechowy pod ciśnieniem bezpośrednio lub za pośrednictwem pojemników do przechowywania gazu pod wysokim ciśnieniem, takich jak butle nurkowe . W nurkowaniu z zasilaniem powierzchniowym sprężarka powietrza jest zwykle używana do dostarczania powietrza o niskim ciśnieniu (10 do 20 barów) do oddychania.
• Okręty podwodne używają sprężarek do przechowywania powietrza do późniejszego wykorzystania do wypierania wody z komór wypornościowych w celu dostosowania pływalności.
• Turbosprężarki i sprężarki doładowujące to sprężarki, które zwiększają osiągi silnika spalinowego poprzez zwiększenie masowego przepływu powietrza wewnątrz cylindra, dzięki czemu silnik może spalać więcej paliwa, a tym samym wytwarzać więcej mocy.
• szynowe i ciężkie pojazdy drogowe wykorzystują sprężone powietrze do obsługi hamulców pojazdów szynowych lub drogowych oraz różnych innych systemów ( drzwi , wycieraczki szyby przedniej , silnik , sterowanie skrzynią biegów itp.).
• Stacje paliw i warsztaty samochodowe używają sprężonego powietrza do napełniania opon pneumatycznych i zasilania narzędzi pneumatycznych.
• Tłoki przeciwpożarowe i pompy ciepła służą do podgrzewania powietrza lub innych gazów, a sprężanie gazu jest tylko środkiem do tego celu.
• Sprężarki rotacyjne są często używane do dostarczania powietrza w pneumatycznych liniach transportowych dla proszku lub ciał stałych. Osiągane ciśnienie może wynosić od 0,5 do 2 bar g.

• 

  Nurkowa sprężarka powietrza w obudowie redukującej hałas

Zobacz też

• Sprężarka osiowa – Maszyna do ciągłego sprężania gazu
• Zwiększanie ciśnienia w kabinie - proces utrzymywania wewnętrznego ciśnienia powietrza w samolocie
• Wentylator odśrodkowy — Wentylator mechaniczny, który wymusza promieniowy ruch płynu na zewnątrz
• Sprężone powietrze – Powietrze pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego
• Osuszacz sprężonego powietrza – Systemy filtrów do redukcji wilgotności sprężonego powietrza
• Elektrochemiczna sprężarka wodoru
• Tłok ognia – Narzędzie do rozpalania ognia
• Łożysko foliowe – Rodzaj łożyska powietrznego
• Silnik na gorące powietrze - silnik spalinowy wykorzystujący powietrze jako płyn roboczy
• Sprężarka z wirnikiem prowadzonym - Rodzaj rotacyjnej sprężarki gazu z wyporem dodatnim
• Sprężarka wodoru – Urządzenie do zwiększania ciśnienia gazowego wodoru
• Sprężarka liniowa - Sprężarka gazu, w której tłok jest napędzany przez siłownik liniowy
• Sprężarka z pierścieniem cieczowym - rodzaj obrotowej pompy wyporowej.
• Sprężarka wodorkowa – Sprężarka wodorowa oparta na absorpcji i desorpcji wodoru
• Sprężarka Natterera – rodzaj ręcznej sprężarki powietrza
• Cylinder pneumatyczny – Urządzenie mechaniczne ze sprężonym gazem
• Rura pneumatyczna – System transportu sprężonego powietrza lub próżni
• Sprężarka tłokowa (sprężarka tłokowa)
• Dmuchawa Rootsa - pompa wyporowa (sprężarka krzywkowa)
• Współczynnik poślizgu – Miara poślizgu płynu w wirniku sprężarki lub turbiny
• Trompe – Sprężarka powietrza napędzana wodą
• Chłodzenie ze sprężaniem pary - Proces chłodzenia
• Sprężarka powietrza o zmiennej prędkości — Sprężarka powietrza wykorzystująca technologię napędu o zmiennej prędkości