Základy procesního inženýrství. Stroje na dopravu a stlačování vzdušniny

Transkript

1 Základy procesního inženýrství Stroje na dopravu a stlačování vzdušniny

2 Doprava a stlačování vzdušniny Kompresní poměr: tlak na výstupu/tlak na vstupu Ventilátory - kompresní poměr 1.1 Dmychadla - kompresní poměr 1 4 Kompresory - kompresní poměr > 1.1 Nízkotlaké kompresní poměr > 2.5 Středotlaké kompresní poměr Vysokotlaké kompresní poměr Hyperkompresory kompresní poměr >300 Vývěvy - pracuje s proměnným kompresním poměrem

3 Doprava a stlačování vzdušniny Princip práce: Kompresory objemové tlaku pomocí objemu prostoru s přímočarým vratným pohybem pístu s rotačním pohybem pístu: s jedním pístem se dvěma písty speciální konstrukce Kompresory dynamické tlaku pomocí rychlosti plynu - proudové (ejektory) - rotační turbokompresory: radiální axiální kombinované

4 Kompresory Základní parametry kompresorů Výkon kompresoru dopravované množství Příkon kompresoru energie na hřídel kompresoru Kompresní poměr - tlak na výstupu/tlak na vstupu

5 Kompresory s vratným pohybem pístu pracovní prostor ve tvaru válce, je uzavřen hlavou válce a pohyblivým pístem pohyb pístu je řízen úplným, nebo zkráceným klikovým mechanismem píst je těsněn pístními kroužky, u dvojčinného stroje je pístní tyč těsněna ucpávkami. rozvod plynu je tvořen převážně samočinnými ventily, které jsou umístěny většinou v hlavě válce. pouze výjimečně se u některých vývěv setkáme s nuceným ovládáním ventilů

6 Ideální kompresor pracuje s ideálním plynem a přeměna energie probíhá beze ztrát (ideální stroj) nemá škodlivý prostor je jednostupňový velikost pracovního prostoru je shodná s velikostí pracovního prostoru I. stupně skutečného kompresoru a stejný je i počet otáček pracovní prostor je dokonale utěsněn oběh není uzavřen, sání a výtlak probíhají při p=konst. T=konst. komprese je izotermická pro přímo chlazené stroje a izoentropická pro stroje, které nejsou chlazeny přímo

7 Ideální kompresor p/v diagram

8 Reálný kompresor pracuje se skutečným plynem (vazkým) a přeměna energie probíhá se ztrátami Komprese je polytropická s proměnnou hodnotou polytropického exponentu (V první fázi komprese je teplota plynu nižší, než teplota stěn pracovního prostoru, během komprese se teplota plynu zvyšuje. První část komprese probíhá s ohřevem plyna a druhá s odvodem tepla plynu chlazením stěn). Pokles tlaku není okamžitý, je zpožděn zpětnou expanzí plynu, který zůstane po uzavření výtlačného ventilu ve škodlivém prostoru. Sání probíhá s tlakem nižším, než je tlak okolí a tato diference je dána odporem sacího traktu. Při začátku sání je pokles o něco větší, což je dáno nutností překonat odpor proti otevření sacího ventilu. Obdobný je nárůst tlaku na konci komprese

9 Reálný kompresor Výkon reálného kompresoru Výkon ideálního kompresoru Realita REALITA Škodlivý prostor Netěsnosti Sdílení tepla během plnění Vliv tlaku během plnění

10 Reálný kompresor p/v diagram

11 Kompresory s vratným pohybem pístu Příslušenství: Chlazení pracovního prostoru a výstupní chladič, u vícestupňových kompresorů chlazení plynu mezi jednotlivými stupni. Mazání pracovního prostoru a klikového mechanismu Čištění plynu na vstupu do kompresoru Čištění plynu na výstupu z kompresoru Pojištění proti překročení tlaku Regulace výkonnosti

12 Vícestupňové kompresory KOMPRESNÍ POMĚR škodlivý prostor teplota na konci komprese proto dělení kompresorů do více stupňů

13 Vícestupňové kompresory USPOŘÁDÁNÍ KOMPRESORŮ jednostupňové x vícestupňové jednoválcové x víceválcové více válců menší rozměry menší hmotnost pohyblivých části menší chvění při provozu stroje vícestupňové také jednoválcové s diferenciálními písty. písty jednočinné (s jednou činnou plochou) nebo dvojčinné víceválcové řadové, do V, do W případně do L, u větších strojů protiběžné uspořádání (tzv. BOXERY), kdy válce jsou uspořádány v jedné rovině a vždy dva jsou pootočeny o 180. Smyslem tohoto uspořádání je vyrovnání kinetického působení pístů při chodu stroje

14 Vícestupňové kompresory Jednostupňový s jednočinným pístem Jednostupňový s dvojčinným pístem Dvoustupňový s dvojčinným diferenciálním pístem

15 Vícestupňové kompresory Uspořádání do V Uspořádání do W

16 Vícestupňové kompresory

17 Regulace objemových kompresorů Změnou otáček motoru Zastavováním a spouštěním kompresoru Přepouštěním výtlaku do sání Odtlačením sacích ventilů Uzavřením sání Změnou škodlivého prostoru (Reduktorem)

18 Regulace objemových kompresorů Změnou otáček motoru Zastavováním a spouštěním kompresoru Přepouštěním výtlaku do sání Odtlačením sacích ventilů Uzavřením sání Změnou škodlivého prostoru (Reduktorem)

19 Rotační objemové kompresory píst vykonává rotační pohyb jeden píst kompresory křídlové kompresory lamelové kompresory vodokružné dva písty Rootsova dmychadla šroubové kompresory není periodický vratný pohyb pístu klidnější chod nepotřebují ke svému chodu rozváděcí orgány (ventily) vhodné pro nízké kompresní poměry dvoustupňové se stavějí na tlaky 0.2 Mpa až 0.9 MPa

20 Křídlové kompresory též lamelové nebo komůrkové. ve válcovým pracovním prostoru se otáčí excentricky umístěný válec, který má podélné drážky, v nichž jsou posuvně umístěny destičky (křídla, nebo lamely) sací kanál končí v místě, kde je objem pracovní komůrky největší a výtlačný kanál je umístěn v místě, kde je její objem nejmenší velikost těchto objemů určuje kompresní poměr. se stoupajícím počtem křídel se zlepšuje využití obsahu válce (typicky křídel menší tlakový rozdíl mezi sousedními prostory dopravní účinnost bývá regulace: změnou otáček, uzavřením sání i výtlaku a u malých strojů automatickým zastavováním a spouštěním

21 Křídlové kompresory

22 Vodokružné kompresory (vývěvy) křídlový (lopatkový) kompresor s pevnými lopatkami Před spuštěním se naplní pracovní prostor do dané výšky vodou při najetí se odstředivou silou vytvoří po obvodu vrstva vody, která uzavře komůrky lopatek, jejichž objem se při otáčení mění Sací kanál je zaústěn v místě, kde je objem komůrky je největší a výtlačný v místě, kde je objem nejmenší. Nevýhoda: komprimovaný plyn je během komprese trvale ve styku s vodou a proto má po kompresi vysoký obsah vlhkosti proto nejčastěji jako vývěvy

23 Vodokružné kompresory (vývěvy)

24 Rootsova dmychadla otáčení dvou vhodně tvarovaných pístů písty během celé otáčky těsní mezi sebou a při doteku se stěnou pracovního prostoru proti této stěně písty mají různý smysl otáčení Při otáčení se vytvoří komůrka, kterou je komprimovaný plyn dopravován za stálého tlaku od sacího kanálu k výtlačnému její objem se nemění, jde tedy o tzv. rázovou kompresi, kdy se zvyšování tlaku ve výtlačném potrubí děje přidáváním dalšího plynu do výtlaku. výhodné pro malé kompresní poměry, při jednostupňovém provedení je kompresní poměr Má-li mít kompresor dobrou účinnost, musí mít malou osovou vůli mezi písty a víky. Dopravní účinnost je závislá na výtlačném tlaku a na otáčkách

25 Rootsova dmychadla

26 Šroubové kompresory rotory mají obvykle stejný vnější průměr a tvoří je šroubová tělesa s různým tvarem a počtem zubů Na rozdíl od Rootsových dmychadel se plyn postupně stlačuje

27 Šroubové kompresory Vstup a výstup plynu do komor není radiální, ale šikmý a pracovní pochod má 4 fáze: Sání Dopravování Stlačování Vytlačování

28 Šroubové kompresory spojují výhody turbokompresorů i kompresorů pístových a nemají nepříznivé vlastnosti obou strojů. Nevýhodou jejich je hluk s vysokou frekvencí, způsobovaný ne dosti plynulým sáním a vytlačováním plynu. K odstranění hluku se budují v sacím i ve výtlačném potrubí tlumiče hluku. Regulace šroubových kompresorů: změnou počtu otáček, změnou plnění obtokovým ventilem, který umožňuje část plynu nasátého do mezer mezi zuby rotorů ještě před jeho stlačením přepustit zpět do sáni uzavřením sání samočinným zastavováním a spouštěním (u menších strojů)

29 Dynamické kompresory Vytvářejí zvyšování tlaku plynů kontinuálně ze změny hybnosti jeho proudu. Rozdělení dynamických kompresorů: Proudové kompresory (ejektory) Lopatkové kompresory (turbokompresory) Radiální Axiální Radiálně axiální Diagonální (pouze u ventilátorů)

30 Proudové kompresory Lavalova dýza, směšovací komora a difuzor potřebují pomocné (pracovní) médium o určitém tlaku (pára, stlačený vzduch, stlačený dopravovaný plyn ze zásobníku) pracovní médium proudí Lavalovou trubicí nadkritickou rychlostí (řádově 1000 m/s) do směšovací komory, kde vyvolává podtlak tento podtlak přisává z odsávaného prostoru nasávacím hrdlem dopravovaný plyn, který je strháván pracovním mediem do směšovací hubice a pokračuje do difuzoru, kde se jeho kinetická energie změní v tlakovou

31 Proudové kompresory Výhody: Nevýhody: Použití: Jednoduchá konstrukce kompresoru Nízké pořizovací náklady Schopnost dopravovat znečištěné plyny Potřeba pracovního média, stlačeného jiným strojem Při použití páry dochází k výraznému zvyšování vlhkosti dopravovaného plynu Parní vývěvy, odsávání technologických plynů (např. kychtový plyn v hutích (obvykle jako pracovní médium dopravovaný plyn ze zásobníku)

32 Turbokompresory Lopatkové rotační stroje Ke zvyšování tlaku dochází zvýšením rychlosti v oběžných kolech a následným sníženém rychlosti v kolech statorových dojde k přeměně kinetické energie plynu na energii tlakovou. Stupeň kompresoru tvoří jedno rotorové a jedno statorové kolo. Podle převládajícího směru proudění rozeznáváme: Radiální Axiální Radiálně axiální Diagonální (u ventilátorů a dmychadel)

33 Radiální turbokompresory RTK Stupeň turbokompresoru = oběžné kolo (rotor), rozváděcí kolo (stator) a výstupní kanál tvaru spirální skříně

34 Radiální turbokompresory RTK Vícestupňový radiální turbokompresor

35 Radiální turbokompresory RTK Nasávaný plyn proudí do rotoru v axiálním směru. V rotoru se jeho směr změní na radiální. Rotor se otáčí vysokou rychlostí (obvodová rychlost m/s, u leteckých turbokompresorů m/s). Část stlačení je vyvolána odstředivou silou. Po výstupu z oběžného kola dochází ke zpomalení plynu v difuzoru (lopatky rozváděcího kola statoru) a tím ke zvýšení tlaku. Poměrné stlačení v jednou stupni radiálního turbokompresoru (RTK) d = 2.5 (u speciálních RTK až 10)

36 Radiální turbokompresory Ztráty netěsností objemové (unikají do okolí) cirkulační (které se dostanou do proudu nasávaného plynu v sání kompresoru a vrací se zpět do stroje) nasávané množství (Vn) je větší, než množství dopravované do výstupního kanálu z kompresoru (Vd) o ztráty objemové, ale kompresor musí zpracovávat množství (VR), které je větší než množství nasávané

37 Charakteristiky RTK Nezávislý parametr: dopravované množství Závislosti: tlak p = f(v d ) příkonu P = f(v d ) účinnosti = f(v d ) někdy se uvádí závislost měrné spotřeby energie na výkonu e = f(v d ), kde e = P/V d

38 Charakteristiky RTK Pumpování kompresoru

39 Axiální turbokompresory ATK V axiálním turbokompresoru proudí stlačovaný plyn po plochách válcových nebo jim podobných souosých s osou rotoru. Ve srovnání s RTK je to pohyb mnohem jednodušší a proto lze účinnost přeměny energie v jednom stupni ATK předpokládat vyšší. Komprimovaný plyn vstupuje do vstupního statoru, kterým je upravován jeho směr pro první stupeň. Protože plyn proudí ve směru osy, je u 1 = u 2 a nárůst unášivé rychlosti na jednom stupni tedy nulový. Z toho důvodu je stlačení na jednom stupni ATK d 1.6 a pro dosažení vyššího tlaku je nutno použít poměrně velkého počtu stupňů. účinnost přeměny energie v jednom stupni ATK je vyšší, než u RTK, ale v důsledku většího počtu stupňů nemusí být celková účinnost ATK vyšší

40 Axiální turbokompresory ATK

41 Axiální turbokompresory ATK

42 Charakteristiky ATK význam a rozdělení charakteristik ATK je stejné, jako u RTK rozdílné jsou jejich průběhy RTK ATK

43 Charakteristiky ATK Na první pohled je patrno, že všechny charakteristiky jsou v oblasti nejvyšších výkonů velmi strmé a to omezuje užitný pracovní rozsah ATK. Charakteristika tlaková je tvořena v podstatě pouze stabilní větví, která začíná kritickým bodem a poměrně strmě spadá k maximálnímu průtoku, který je spojen se zahlcením lopatkových soustav při dosažení zvukové rychlosti v jejich nejužších průřezech. Charakteristika účinnostní má maximum vpravo od kritického bodu a v oblasti nejvyšších průtoků velmi rychle klesá k maximálnímu průtoku

44 Regulace TK Změnou otáček

45 Regulace TK Škrcením v sání

46 Regulace TK Škrcením ve výtlaku

47 Regulace TK Odpouštěním

48 Práce dvou kompresorů Paralelní připojení

49 Práce dvou kompresorů Sériové připojení

50 Kompresorové stanice usnadňuje provoz a obsluhu umožňuje zřídit společné olejové a vodní hospodářství usnadňuje napojení na společný rozvod komprimovaného plynu s možností různého zapojení jednotlivých kompresorů provoz kompresoru v optimálních podmínkách (max. účinnost, max. ochrana před vnějšími vlivy) zároveň chránit okolí před vlivem kompresoru (chvění a hluk)

51 Kompresorové stanice Strana sání Tlaková ztráta na sání Pístové kompresory společné sací potrubí TK samostatné sací potrubí osazeno Filtry k zachycení pevných částic v kombinaci s tlumičem hluku měřením a regulací množství plynu (nejčastěji Venturiho trubice). Škrticí klapka pro regulaci výkonu kompresoru Mechanické nečistoty v plynu Viskózní filtry Promývací (20 kpa) Vložky ( Pa) ESP (20Pa)

52 Kompresorové stanice Chlazení plynu V průběhu a po kompresi se chladí kvůli snížení kompresní práce pístové kompresory - přímé chlazení pracovního prostoru a v mezichladičích mezi stupni turbokompresory pouze v mezichladičích a po kompresi se dochlazuje v dochlazovači (výstupním chladiči) kde zároveň dochází k zachycení vlhkosti. Spotřeba vody v kompresních stanicích se pohybuje v hodnotách litrů na 1m 3 plynu bez použití dochlazovačů, při použití dochlazovači se spotřeba vody až zdvojnásobí. Chlazení se používá obvykle s průtočným systémem (u malých jednotek) nebo cirkulační, při kterém se voda ochlazuje okolním vzduchem

53 Kompresorové stanice Chlazení plynu Možnost využití odpadního tepla je s ohledem na nízké teploty chladící vody je možné pouze s použitím tepelných čerpadel. Zařízení na výtlačné části zpětná klapka uzavírací armatura dochlazovač odlučovač vlhkosti (u pístových kompresorů odlučovač vlhkosti a oleje) vzdušník

54 Kompresorové stanice Měření provozních parametrů kontrola provozu a funkce průběžné sledování na straně plynu: teplota a tlak v sání teplota a tlak na výtlaku teplota a tlak za mezichladiči, teplota za dochlazovačem. dodávané, resp. nasávané množství, na straně chladící vody: teplota a tlak na vstupu ke stroji, teplota za mezichladiči a dochlazovačem, teplota za chladiči oleje případně za chladičem hnacího stroje

55 Kompresorové stanice Měření provozních parametrů kontrola provozu a funkce průběžné sledování v mazacím okruhu: tlak a teplota za olejovým čerpadlem, tlak oleje po redukci teplota oleje v ložiskách průtok oleje ložisky hnací stroj podle druhu stroje hodnoty potřebné k určení příkonu a hospodárnosti provozu

56 Zásady mechanické stability Skladování stlačených plynů Vzdušníky tvaru válce s vydutými čely Plynojemy: válcové, kulové Konstrukce Stabilizační konstrukční prvky u vysokých tlaků exploze u vakua deformace nebo inkluze zařízení