3. DOPRAVA PLYNŮ Ve výrobních procesech se často dopravují a zpracovávají plyny za tlaků odlišných od tlaku atmosférického. Podle poměru stlačení, tj. poměru tlaků před a po kompresi, jsou stroje na dopravu a kompresi plynů rozlišovány na ventilátory, dmychadla, kompresory a vývěvy. Vývěvy na rozdíl od dříve vyjmenovaných zařízení nasávají vzduch při tlaku nižším než atmosférickém a stlačují jej na tlak atmosférický. 3.1 CHOVÁNÍ PLYNŮ Molekuly plynů se v nádobě volně pohybují a při tom naráží na její stěny. Tím vyvozují tlak plynu na stěnu nádoby (tlak p je definován jako síla F působící na jednotku plochy A, tj. p = F/A). Čím je objem stejného množství plynu menší, tím je více nárazů na stěny nádoby za jednotku času a tím je větší tlak plynu. S klesajícím objemem tlak plynu stoupá. Čím je teplota plynu vyšší, tím se molekuly pohybují rychleji. Počet nárazů a jejich účinek na stěnu nádoby stoupají. S rostoucí teplotou se tlak plynu stoupá. Vztah mezi tlakem p, objemem V a absolutní teplotou T vyjadřuje stavová rovnice ideálního plynu p V = n R T kde n je počet molů plynu a R je univerzální plynová konstanta. Tato stavová rovnice vyhovuje s dobrou přesností i reálným plynům za nízkých tlaků a teplot. Při stlačování vkládáme do systému práci a tím se podle 1. věty termodynamické zvyšuje vnitřní energie systému U = q + w kde U je vnitřní energie systému, q a w je teplo a práce systémem přijatá. Vnitřní energie systému U je součet všech energií systému, jako je vazebná energie jader atomů, energie pohybu nukleonů a elektronů, vazebná energie elektronů v atomech, energie vazeb mezi atomy, potenciální energie (vzájemné působení částic) a kinetická energie částic plynu. Vloženou prací (stlačením plynu) můžeme změnit jen kinetickou energii částic plynu, protože ostatní energie jsou příliš vysoké v porovnání s prací vloženou do systému. Kinetická energie částic plynu se projevuje jako teplota plynu (ekvipartiční princip). Zvýšení kinetické energie částic se tedy projeví zvýšením teploty plynu. Proto se plyn při adiabatické kompresi (stlačením za podmínky, že systém s okolím nevyměňuje teplo, tj. není ochlazován odvodem tepla) zahřívá (horká spodní část ruční hustilky při pumpování pneumatiky) a při adiabatické expanzi se, až na výjimky, ochlazuje (tvorba tuhého oxidu uhličitého, tzv. suchého ledu při expanzi plynu z tlakové láhve přes sáček z hustého filtru). Ke kompresi plynu za isotermních podmínek je nutné vynaložit následující mechanickou práci: 1
Plyn je stlačen v pístu z výchozího stavu o tlaku p 1 a objemu V 1 do konečného stavu o tlaku p 2 a objemu V 2. Na píst o ploše A, který je původně v rovnováze s tlakem p 1, začneme působit silou F tak, aby v konečném stavu byl píst v rovnováze s tlakem p 2, tj. F = p 2 /A. Při tom se vertikální poloha pístu se změnila o d. Práce vykonaná je tedy součin síly a změny polohy pístu w = F x d = p 2 x A x d Součin A x d představuje změnu objemu plynu, tj. (V 2 V 1 ). Vykonaná práce na stlačení plynu z výchozího tlaku p 1 na konečný tlak p 2 je tedy w = p 2 x /(V 2 V 1 ) Za izotermních podmínek se plyn řídí Boylovým zákonem p V = konst Zvýšením tlaku 10x se tedy sníží jeho objem 10x. Práce vynaložená na izotermní kompresi 1 molu plynu z 1 na 10 atm w = 10 x (22 2.2) = 198 L.atm Práce vynaložená na izotermní kompresi 1 molu plynu z 10 na 100 atm w = 100 x (2.2 0.22) = 198 L.atm Je zřejmé, že na stlačení plynu z 1 na 10 MPa je třeba vynaložit stejnou práci jako na stlačení plynu z 10 MPa na 100 MPa. 3.2 VENTILÁTORY Ventilátory jsou plyny stlačovány a především dopravovány. Výkon ventilátorů je uváděn v objemovém průtoku plynu přepočítaném na Nm 3.hod -1 (objem plynu za normálních podmínek, tj. tlaku 100 kpa a teploty 25 C) se současným uvedením rozdílu tlaku mezi sacím a výtlačným hrdlem. Objemové průtoky plynů bývají 10 2 10 7 Nm 3.h -1. Výkon ventilátorů je regulovatelný buď změnou otáček motoru nebo škrcením průtoku plynu klapkami nebo žaluziemi. Z hlediska konstrukce jsou rozlišovány ventilátory osové (axiální) a ventilátory radiální. Axiální ventilátory, obr. 1.3.1, se používají pro větší objemové průtoky a menší pracovní tlaky. U axiálních ventilátorů působí lopatky vrtule tlakem na vzduch, tím zvyšují jeho rychlost a také mírně tlak proudícího vzduchu. Nasávají i vytlačují vzduch axiálně, Obr. 3.2.1 Axiální ventilátor 2
ve směru hřídele oběžného kola vrtule. Ke zvětšení statické složky celkového přetlaku slouží difuzor (difuzorem u axiálních ventilátorů je rozšiřující se potrubí na výstupu), v němž se část kinetické energie proudícího média změní na energii tlakovou podle Bernoulliho principu (kap. 2. Doprava kapalin). U radiálních ventilátorů, obr. 3.2.2, vstupuje vzduch do ventilátoru osově, ale pak proudí radiálně. Lopatkové kolo udělí plynu kinetickou energii, která se ve spirálové skříni zpomalením pohybu mění na tlakovou energii. Princip jejich funkce a konstrukce je velmi podobná odstředivým čerpadlům. Dle výtlačného tlaku plynu jsou rozlišovány ventilátory rovnotlaké, kde rozdíl tlaku na vstupu a výstupu je minimální a přetlakové, kde tlak na vstupu je menší než na výstupu. Přetlakové ventilátory dělíme na nízkotlaké, středotlaké a vysokotlaké. Obr. 3.2.2 Radiální ventilátor Nízkotlaké ventilátory přetlak do 1 kpa mají oběžné kolo ve tvaru bubnu s krátkými hustými lopatkami na obvodu s otáčkami oběžného kola 500 900 ot.min -1. Jsou určeny pro dopravu velkých objemů plynů (až 10 6 Nm 3.hod -1 ) s nízkým přetlakem. Zpravidla se jedná o ventilátory osové (axiální) umístěné v ose potrubí nebo radiální se širokým sacím hrdlem a oběžným kolem s větším počtem úzkých, hustě vedle sebe umístěných, lopatek. Středotlaké ventilátory - přetlak 1 4 kpa s otáčkami oběžných kol 1000 2000 ot.min -1. jsou zpravidla jednostupňové radiální ventilátory. Oběžné kolo je užší, většího průměru a s menším počtem dlouhých lopatek. Jsou určeny pro dopravu velkých objemů plynů (až 10 4 Nm 3.hod -1 ). Vysokotlaké ventilátory přetlak do 10 kpa s otáčkami oběžných kol 1500 2000 ot.min -1 jsou určeny pro dopravu menších objemů plynů (až 10 3 Nm 3.hod -1 ). Zpravidla se jedná o vícestupňové radiální ventilátory. Oběžná kola jsou přibližně stejná jako u středotlakých radiálních odstředivých ventilátorů, ale mají vyšší počet otáček. V případě vícestupňových ventilátorů je plyn z výtlaku na obvodu jedné skříně přepouštěn do sání k ose oběžného kola následujícího stupně. 3.3 DMYCHADLA Dmychadly jsou stlačovány plyny. Výkon dmychadel je udáván jako objemový průtok plynu přepočítaný na Nm 3.min -1 se současným uvedením maximálního provozního tlaku. Dle výkonnosti jsou dmychadla dělena na malá s výkonem do 10 Nm 3.min -1, střední s výkonem do 30 Nm 3.min -1 a velká s výkonem nad 30 Nm 3.min -1. Výkon dmychadel je regulovatelný škrcením průtoku plynu nebo výjimečně změnou otáček motoru. 3
Dmychadlo Rootsovo, obr. 3.3.1, pracující na principu rotujících ledvin, které odčerpávají vzduch ze vstupu a vyfukují je na výstupu, lze použít jako vývěvu nebo kompresor. Jeho výroba je náročná na přesné obrobky a pečlivou montáž, které rozhodují o objemové účinnosti a výkonu. Provozně je velmi spolehlivé díky malému počtu pohyblivých dílů. Pracovní plochy musí být mazány minerálními tuky. Komprimovaný plyn vždy obsahuje zbytky maziv. 2 Obr. 3.3.1 Rootsovo dmychadlo 3.4 KOMPRESORY Kompresory stlačují plyny na vyšší tlaky. Obecně platí, že pro menší tlaky a velké objemy stlačených plynů jsou používány přednostně kompresory rotační, naopak pro vysoké tlaky a menší objemy stlačených plynů jsou používány kompresory pístové vícestupňové. Výkon kompresorů je uváděn jako objemový průtok plynů přepočítaný na Nm 3.hod -1 se současným uvedením maximálního provozního tlaku. Nm 3 je objem plynu za atmosférického tlaku a teplotě 25 C. Dle výkonnosti jsou kompresory děleny na malé s výkonem do 10 Nm 3.min -1, střední s výkonem 10-30 Nm 3.min -1 a velké s výkonem nad 30 Nm 3.min -1. Výkon kompresorů je regulovatelný v úzkém rozmezí buď plynule změnou otáček pohonu, nebo skokem vypínáním válců u pístových kompresorů. U turbokompresorů také bývá výkon regulován obtokem komprimovaného plynu z výtlaku do sání (bypass). Podle provozního tlaku jsou rozlišovány kompresory s provozním tlakem do 1.0 MPa, středotlaké s provozním tlakem do 10 MPa a vysokotlaké s provozním tlakem nad 10 MPa. Podle principu činnosti jsou rozlišovány kompresory pístové (jednočinné nebo dvojčinné) a rotační. Podle počtu stupňů jsou rozlišovány kompresory - jednostupňové, dvoustupňové a vícestupňové. Pístové kompresory, obr. 3.4.1, jsou určeny pro menší objemy plynů (řádově 10 3 Nm 3.h -1 ) ale stlačených až na stovky MPa. Jejich konstrukce a funkce je principielně obdobou pístových čerpadel. Rozdíly v průběhu pracovního cyklu jsou způsobeny skutečností, že plyny jsou, na rozdíl od kapalin, Obr. 3.4.1 Pístový kompresor stlačitelné. Pístové kompresory malých výkonů jsou jednoválcové, pro větší výkony jsou dvou a víceválcové. U membránových kompresorů se, podobně jako u membránových čerpadel, dosahuje změny objemu plynu prohýbáním kruhové membrány upnuté na obvodu, obr. 3.4.2. Protože rozměry membrány a její průhyb jsou malé, hodí se k stlačování pouze malých množství plynu. Membránové kompresory mohou být jak jednočinné tak i dvojčinné stejně jako membránová čerpadla. Obr. 3.4.2 Membránový kompresor 4
Rotační kompresory jsou kompresory objemové. Stlačovaný plyn se při pohybu jednoho nebo dvou rotujících pístů - rotorů oddělí nejprve od sacího prostoru a pak ihned, nebo až po spojení s výtlačným prostorem, se jeho objem v důsledku zmenšujícího se prostoru mezi rotorem a skříní snižuje a tím stoupá jeho tlak. Rotační lamelové kompresory, obr. 3.4.3, mají rotor excentricky umístěný ve válcové komoře. Lopatky zasunuté ve vyfrézovaných drážkách rotoru jsou ke stěnám komory přitlačovány pružinami a odstředivou silou. Prostor mezi lopatkou a rotorem se směrem k výtlaku zmenšuje a tím se plyn stlačuje. Jejich pracovní tlak bývá do 0.5 MPa, pro vyšší stupně komprese je nutné vícestupňové uspořádání. Objem stlačeného plynu těmito kompresory je do 10 3 Nm 3.hod -1. Výhodou je poměrně jednoduchá konstrukce a proto vysoká provozní spolehlivost. Zubové kompresory, obr. 3.4.5, jsou tvořený dvěma ozubenými koly otáčejícími se proti sobě a těsnícími na stěnu skříně kompresoru. Plyn je dopravován v mezerách mezi zuby a skříní. Ke stačení dochází na výtlačné straně, kde se prostor mezi zuby zmenšuje. Rotační vodokružné kompresory, obr. 3.4.6, mají lopatky připevněné na excentricky uložený rotor otáčející se ve směru hodinových ručiček. Na obvodu skříně kompresoru je otáčením rotoru vytvořen prstenec vody, který utěsňuje prostor uvnitř rotoru. Plyn je nasáván na levé dolní straně kompresoru a vytlačován na pravé dolní straně, kde se prostor mezi lopatkami a vodním prstencem výrazně zmenšuje, což vede ke stlačení plynu. Rotační vodokružný kompresor je vhodný pro velká množství plynu a přetlaku do 0.5 MPa. Obr. 3.4.3 Lamelový kompresor Obr. 3.4.5 Zubový kompresor Obr. 3.4.6 Vodokružný kompresor Spirálový kompresor je tvořen dvěma spirálovými plochami, z nichž jedna je stator a druhá rotor. Při otáčení rotoru se kavita mezi spirálami obsahující plyn uzavře a postupuje k výtlačnému hrdlová ve středu kompresoru. Kavita se zmenšuje a tlak plynu se zvyšuje. Pohyb kavity je ukázán na obr. 3.4.7. Šroubové kompresory, obr. 3.4.8, dosahují stlačení plynu zmenšováním objemu kavit mezi šroubovými rotory a skříní kompresoru. Rotory se otáčí v opačném smyslu, čímž se objem kavit na sací straně postupně zvyšuje a na výtlačné straně postupně zmenšuje. Plyn transportovaný k výtlačnému hrdlu se, v důsledku zmenšování objemu 5 Obr. 3.4.7 Spirálový kompresor Obr. 3.4.8 Šroubový kompresor
kavit, postupně stlačuje. Princip funkce je stejný jako u šroubových čerpadel. Do kompresoru se vstřikuje olej (5 kg na 1 kg plynu), který těsní rotory a chladí stlačovaný plyn. Jednostupňové kompresory dosahují přetlak do 0.25 MPa dvoustupňové potom do 1 MPa. U turbokompresorů se dosahuje stlačení plynu jeho zrychlením a následným zpomalením, kdy se kinetická energie plynu přemění na energii tlakovou (Bernoulliho princip). Tato přeměna se děje v činné části stroje: u radiálních kompresorů oběžným kolem a za ním zařazeným difuzorem, u axiálních kompresorů v rotorové a statorové části. Radiální turbokompresory, obr. 3.4.9, jsou zařízení, kde plyn vstupuje sacím hrdlem axiálně do dutých lopatek prvního oběžného kola. Z oběžného kola je plyn radiálně vytlačován do difuzoru, kde se plyn ochladí a sníží se rychlost jeho proudění, aby se část pohybové energie přeměnila na energii tlakovou. Do dalšího stupně je plyn z difuzoru veden vratnými kanály do osy dutého oběžného kola. Z difuzoru posledního stupně proudí stlačený plyn do výstupního hrdla. Tento typ kompresoru má poměrně nízký kompresní poměr na prvním stupni a proto se spojuje více stupňů, nejméně tři, na jeden hřídel. Výkon turbokompresorů dosahuje běžně hodnot 10 3 10 5 Nm 3.hod. Otáčky rotoru bývají v rozmezí 5000 12000 otáček za minutu a výstupní tlak zpravidla nepřesahuje 2 MPa. Axiální kompresory, obr. 3.4.10, urychlují proud vzduchu v oběžných (rotorových) lopatkách a zpomalují jej v lopatkách vodících (statorových). Jeden stupeň je tvořen jedním věncem oběžných a vodících lopatek, obr. 3.4.11. Vzduch vstupuje do kompresoru axiálně, na vodící lopatce dostane vyšší rychlost, postupuje do statoru, kde se jeho rychlost zpomalí a potom postupuje k dalšímu stupni. Prostor, ve kterém se plyn stlačuje a délka oběžných i vodicích rotor stator Obr. 3.4.9 Třístupňový radiální turbokompresor Obr. 3.4.10 Axiální turbokompresor lopatek se směrem od sání do výtlaku ze zařízení zmenšuje v důsledku zmenšování objemu stlačovaného plynu s růstem jeho tlaku. Axiální turbokompresory stlačují velké objemy, až 10 6 m 3.hod -1 na výtlačný tlak do 1 MPa. Obr. 3.4.11 Axiální kompresor Axiální turbokompresory jsou součástí turbovrtulových a tryskových leteckých motorů a plynových spalovacích turbin. 6
3.5 VÝVĚVY Vývěvami je tlak v zařízení snižován pod úroveň tlaku atmosférického. Membránová vývěva, obr. 3.5.1, je funkcí podobná membránovému čerpadlu. Prohýbající se pružná membrána nasává a vytlačuje plyn. Membránová vývěva je používána k dosažení vakua (absolutního tlaku) řádově 0.1 kpa. Maximální dosažitelný podtlak je omezen tlakem při jakém ještě dojde k otevření sacího ventilu vývěvy. Rotační olejová vývěva, obr. 3.5.2, má ve válcové skříni excentricky umístěný rotor s posuvnými lopatkami, přitlačovanými ke stěně pracovní komory pružinou. Pracovní prostor utěsňuje olej, který slouží také jako mazivo. Do rozšiřujícího se prostoru mezi válcovým rotorem a stěnou pracovní komory je nasáván plyn. Z komory je vytlačován na opačné straně z místa, kde se prostor mezi rotorem a komorou zmenšuje. Mezní absolutní tlak běžných olejových rotačních vývěv se pohybuje v rozmezí 3 až 0.02 Pa Obr. 3.5.1 Membránová vývěva Vodokružná vývěva, obr. 3.4.6, má excentricky uložený rotor opatřený lopatkami stejně jako u vodokružného kompresoru. Ty při otáčení vytváří prstenec těsnící kapaliny, která neustále do vývěvy natéká. Prostor mezi lopatkami a prstencem kapaliny se zvětšuje na straně sání a tím vytváří podtlak. Na výtlačné straně se prostor zmenšuje a plyn se tak stlačuje. Konstrukčně je vodokružná vývěva shodná s vodokružným kompresorem. Vodokružná vývěva nemůže vytvořit tlak nižší než je tenze nasycených par těsnící kapaliny (vody) při dané pracovní teplotě a proto musí mít kapalina co možná nejnižší teplotu. Proudové vývěvy (ejektory), obr. 3.5.4, Princip funkce je shodný s proudovými čerpadly. Hnací medium, obvykle pára nebo voda, proudí tryskou. Podle počtu trysek rozlišujeme ejektory jedno a vícetryskové. Rychlý proud hnacího media proudící z trysky strhává molekuly čerpaného plynu. Podle Bernoulliho principu je tlak v místě rychle proudícího media nižší než v místě, kde je proud pomalejší, takže rozdíl tlaku nasává plyn z evakuovaného prostoru. Směs hnacího media s plynem je odváděna z vývěvy. Fungování této vývěvy napomáhá i to, že hnací medium předává molekulám plynu hybnostní impuls ve směru čerpání plynu. Ejektory bývají používány místo vodokružných vývěv v případech, kdy je vhodné např. brýdové páry z odparek nejen odsávat, ale zároveň stlačit a využít pro vytápění dalších stupňů odpařovací stanice. Obr. 3.5.2 Rotační olejová vývěva Obr. 3.5.4 Parní ejektor 7
Vodní vývěva odčerpává vzduch či jiné plyny z uzavřeného prostoru a vytváří tak částečné vakuum. Rychlý kuželový proud vody vytékající z trysky strhává molekuly čerpaného plynu. Podle Bernoulliho principu je tlak v místě rychle proudící kapaliny nižší než v místě, kde kapalina proudí pomaleji, takže rozdíl tlaku nasává plyn z evakuovaného prostoru a směs kapaliny s plynem je odváděna z vývěvy. Fungování této vývěvy napomáhá i to, že proudící kapalina strhává molekuly plynu ve směru jeho čerpání. Difúzní vývěva, obr. 3.5.5, má válcové tělo obalené chladící cívkou. Dno vývěvy je opatřeno topnou deskou, která převádí náplň vývěvy oleje s nízkou tenzí par, parafin do par. Páry rychle proudí tryskami (modré šipky) a strhují molekuly čerpaného plynu (žlutá šipka). Páry na stěně vývěvy kondenzují a stékají na dno. Prostor difúzní vývěvy musí být odsáván pomocnou, např. olejovou, vývěvou. Tento typ vývěv dosahuje absolutní tlak v evakuovaném prostoru kolem 10-8 kpa. Turbomolekulární vývěva, obr. 3.5.6, sestává z lopatkového rotoru a statoru. Lopatky statoru jsou umístěny mezi každou řadou lopatek rotoru. Molekulám plynu, které přichází z čerpaného prostoru (nad vývěvou) naráží na lopatky rotoru. Ten jim udělí kinetickou energii a směruje je dolů do statoru. Po průchodu statorem, kde molekuly část své kinetické energie přemění na tlakovou, opět naráží na lopatky níže položené řady rotoru a celý děj se opakuje. Plyn je ze spodu vývěvy odčerpáván pomocnou vývěvou. Otáčky rotoru této pumpy jsou velmi vysoké 16-20 000 ot.min -1. Vývěva dokáže vyčerpat prostor až do tlaku 10-11 Pa. Obr. 3.5.5 Difúzní vývěva Obr. 3.5.6 Turbomolekulární vývěva 8