TEHNIČKI FAKULTET RIJEKA ZAVOD ZA TERMODINAMIKU I ENERGETIKU
KOMPRESORI
ODVAJANJE ULJA IZ KOMPRIMIRANOGA ZRAKA I SUHI KOMPRESORI
Rijeka, 27.06.2011.
Ivan Belas 0069039952
Sadržaj 1.
Uvod ................................................................................................................................................ 3
2.
Podmazivanje kompresora .............................................................................................................. 4 2.1. Podmazivanje kompresora prskanjem, odnosno uljnom maglom ............................................... 4 2.2. Podmazivanje kompresora s uljnom prstenovima ....................................................................... 5 2.3. Prisilno podmazivanje .................................................................................................................. 5
3.
Odvajač ulja ..................................................................................................................................... 6
4.
Suhi (bezuljni) kompresori............................................................................................................... 9 4.1. Puhaljke ........................................................................................................................................ 9 4.1.1
Puhaljke s istim profilima presjeka rotora....................................................................... 9
4.1.2
Puhaljke s različitim profilima presjeka rotora .............................................................. 10
4.2. Suhi (bezuljni ) vijčani kompresori............................................................................................. 12 4.2.1 Dobava.................................................................................................................................. 13 4.2.2 Bezuljni vijčani kompresori s ubrizgavanjem tekudine ........................................................ 18 5.
Literatura ....................................................................................................................................... 19
2
1. Uvod
S obzirom na podmazivanje kompresore možemo podijeliti na one koji se podmazuju i suhe tj one kojima se podmazuju samo ležajevi. Pod kompresore kojima je potrebno podmazivati možemo svrstati stapne ,lamelne i vijčane kompresore koji rade s višim tlakovima. Kompresori koji su suhi su i puhaljke , lamelni i vijčani koji rade s nižim tlakovima te u nekim slučajevima i trubokompresori . Stapni kompresori rashladnih uređaja imaju usis 'kroz karter' pa u cilindarski prostor ulazi smjesa radnog medija i ulja. Mali hermetički kompresori rashladnih uređaja (kudanski) također usisavaju (kroz usisne raspore na dnu košuljice) smjesu radnog fluida i ulja koje se nalazi na dnu kudišta (u kudištu je jednocilindrični kompresor i jednofazni elektromotor). Lamelasti rade pri usisavanju radnog medija na principu ejektora usisavaju i ulje. Kod vijčanih se ulje prska u radni prostor. Transportirani plin u kompresorima mora po mogudnosti biti bez sadržaja ulja, ne samo da bi potrošnja ulja bila mala, ved i zato da se nebi ventili zauljili,da ne bi došlo do eksplozije uljnih para i zbog toga što neki uređaji- potrošači zahtijevaju plin bez sadržaja ulja. S druge strane neki plinovi smanjuju kemijskim i mehaničkim putem mogudnost podmazivanja ulja. S obzirom na zahtjev da plin mora biti bez sadržaja ulja, u tu svrhu u kompresorima se koriste separatori ( odvajači ) ulja iz radnog medija. Odvajači rade na principu odvajanja radnog medija od ulja koristedi vede dimenzije kapljica ulja ili vedu masu kapljica od molekula plina.
3
2. Podmazivanje kompresora
Pravilno podmazivanje je od najvede važnosti za rad kompresora. Uloga podmazivanja uključuje smanjenje trenja između dijelova u međusobnom kretanju, brtvljenje zazora između stapa i cilindra i odvođenje topline. Ulje mora stvarati uljni film između ostalih dodirnih površina, smanjenjuje toplinu trenja hlađenjem i odvođenjem topline, smanjuje trošenje dijelova, smanjuje gubitke trenja i potrebnu snagu, smanjuje propuštanje plinova i ostvari brtvljenje zazora između stapa i cilindara, štiti dijelove od korozije, te smanjuje naslage i taloge. Razlikujemo dva temeljna načina podmazivanja kompresora: prirodno i prisilno.
2.1. Podmazivanje kompresora prskanjem, odnosno uljnom maglom Podmazivanje može biti u potpunosti izvedeno metodom prskanja. Ovakav tip podmazivanja kompresora je izveden na način da izdanak - raspršivač na ojnici pri svakom okretaju koljenastog vratila prođe kroz ulje u karteru te ga na taj način rasprši u uljnu maglu koja prodire na sva mjesta u kompresoru gdje je potrebno podmazivanje i brtvljenje.
Slika 1. Podmazivanje kompresora prskanjem 4
2.2. Podmazivanje kompresora s uljnom prstenovima Kod ovog, također prirodnog načina podmazivanja kompresora mazivo ulje dobavlja pomodu dva uljna prstena ovješena o koljenasto vratilo. Oni su svojim donjim djelom uronjeni u ulje u karteru. Rotacija vratila povlači ih sa sobom te se ulje adhezijskim i viskoznim silama dovodi u žljeb koljenastog vratila, gdje se tada centrifugalnom silom transportira kroz provrt vratila kojim se razvodi do ležajeva. Ulje koje na kraju izlazi iz letedih ležajeva koljenastog vratila raspršuje se uslijed rotacije te na taj način proizvodi uljnu maglu za podmazivanje glavnih ležajeva i cilindara.
2.3. Prisilno podmazivanje Prisilno podmazivanje kod brzohodnih kompresora najčešde se provodi pomodu zupčaste uljne pumpe gonjene koljenastim vratilom. Ulje koje dolazi iz uljne pumpe preko regulatora tlaka razvodi se provrtima koljenastog vratila do glavnih i letedih ležajeva, a često i kroz ojnicu do ležajeva osovinice stapa. Na sljededoj slici prikazan je shematski kompresor sa prisilnim podmazivanjem. Zupčasta pumpa crpi ulje iz kartera tanka kroz filter. Prolaskom kroz filter ulje se dalje tlači do koljeničaste osovine odakle se izbušenim kanalima dovodi do temeljnih ležajeva a po potrebi kanalima u konjeničastoj osovini i stapajici do letedih ležajeva i ležajeva križne glave. Tlačni sustavi su opremljeni sa usisnim prečistačima, kontrolnim ventilima, te u slučaju vedih kompresora i rashladnikom ulja te sigurnosnim ventilima za zaustavljanje kompresora u slučaju pada tlaka. Kudišta su izvedena da odvajaju nečistode i prašinu od ulja te da sprečavaju propuštanje.
Slika 2. Shema sustava tlačnog podmazivanja kompresora 5
3. Odvajač ulja
Za podmazivanje cilindara primjenjuje se ulje koje se povlači s plinom u smjeru glavnoga strujanja. Ovo ulje krede se uglavnom duž stijenki potisnih ventila uz potisni prostor cilindra, kroz cjevovode visokog tlaka u međuhladnjak i preko usisnih vodova u slijedede stupnjeve, ukoliko se ne udalji pomodu pogodnih odvajača zajedno s kondenziranom vodenom parom. Od velikoga značaja za vijek automatskih ventila je u tom da se nikakva tekudina ne usisava u cilindar. Ako plin sadrži ulje ventilske ploče i opruge de biti preopteredene, što može dovesti do njihova preranoga loma. Za odvajanje ulja i vlage iz plina služe odvajači vode i ulja. Zadada odvajača ulja je da odvaja kapljice ulja koje se odvode parom rashladnoga medija iz kartera kompresora i tako spriječava strujanje kapljica ulja kroz rashladni sustav. Načelo odvajanja kapljica ulja temelji se na činjenici da ulje ima znatno vedu gustodu od rashladnoga plina, pa se zakretanjem plinske struje mogu iscentrifugirati kapljice ulja. Centrifugiranjem smjese plina i ulja može se postidi odvajanje ulja na tri osnovna načina : Zakretanjem strujne smjese Udarom strujne smjese u stjenku Rotacijskim kretanjem strujne smjese
U praksi se upotrebljavaju sva tri načina a često se i kombiniraju. Da bi se ulje dobro odvojilo brzinu para rashladnog fluida u odvajaču treba smanjiti na manje od 1m/s u niskotlačnim stupnjevima, 0.5m/s u srednjetlačnim i 0,3m/s u visokotlačnim stupnjevima kompresora. Zbog toga volumen odvajača Vo mora biti Vo = ( 2 – 3 ) Vn Gdje je Vn volumen iz prethodnoga stupnja.
Odvajač ulja ugrađuje se u tlačnom cjevovodu ispred kondenzatora, tako da smanji odlazak ulja u kondenzator, ekspanzijski ventil i evaporator. Ulje koje dospije do 6
kondenzatora hvata se za stjenke cijevi. Time se smanjuje učinak kondenzatora. Isto bi se dogodilo kada bi ulje s rashladnim medijem došlo u isparivač: učinak isparivača bio bi znatno manji tj. smanjio bi se koeficijent prijelaza topline, pa bi rad dijelova za automatsku regulaciju bio otežan. Osim toga razina ulja u karteru kompresora snizila bi se, što bi moglo uvjetovati nedostatno podmazivanje kompresora. Stoga se ugrađuju odvajači ulja. Na slici je prikazan odvajač ulja tvrtke ''Danfoss'' koji se često koristi u brodskim rashladnim uređajima.
Slika 3. Odvajač ulja na principu ''sača'' tj mrežnog filtera
7
Pregrijana para rashladnoga medija ulazi u odjeljivač ulja kroz priključak i prolazi oko uljnoga spremnika kroz prostor koji je ispunjen gustom mrežom. Pri prolazu kroz taj prostor smanjuje se brzina strujanja pare. Kapljice ulja odvajaju se od rashladnoga medija zadržavajudi se na površini mrežice. Odvojeno ulje nakuplja se kroz otvore na pregradi u spremniku, dok pare rashladnoga medija kroz otvor struje prema kondenzatoru. Kada se razina ulja u odjeljivaču povisi plovak koji je s nosačem povezan igličastim ventilom otvara ventil i propušta odvojeno ulje kroz odvod ka karteru kompresora. Zbog otjecanja ulja dolazi do spuštanja plovka i zatvaranja ventila. Zagrijavanjem ulja koje se nalazi u spremniku, vrudim parama rashladnoga fluida smanjuje se količina rastvorenoga rashladnoga medija u ulju.
Slika 4. Odvajač ulja na principu zakretanja i udarom strujne smjese u stijenku
8
4. Suhi (bezuljni) kompresori Kod suhih kompresora ne vrši se podmazivanje uljem, kako bi radni medij ostao čim čistiji. Koriste se u prehrambenoj industriji, pri bojanju komprimiranim zrakom itd. Pokretni dijelovi ovakvih kompresora imaju brtve iz grafita ili teflona. Kod stapnih suhih kompresora gdje se dijelovi ne smiju podmazivati, redovno se koristi stapni mehanizam s križnom glavom. Radi čim boljeg odvajanja radnog medija od ulja, klipovi se izvode s velikom dužinom, tako da su ti strojevi vedi od uobičajenih. Kako ni ventili ne smiju biti podmazivani, koristi se spiralni ventil. Također pod suhe kompresore mogu se svrstati rotorni kompresori koji rade s niskim tlakovima. Tu znači mogu spadati lamelni, vijčani, i puhaljke (kompresori s dva rotora). Najčešde se kao suhi kompresori koriste puhaljke i vijčani kompresori. Kod kod nekih turbokompresora nije potrebno podmazivanje i hlađenje.
4.1. Puhaljke Kod puhaljki rotori se u načelu ne dodiruju, pa zbog toga nije ni potrebno podmazivanje unutrašnjosti cilindra te je onda moguda dobava čistoga plina bez ulja. Sinkrono okretanje rotora postiže se spregom zupčanika na njihovim vratilima. Zbog stalno prisutnih malenih raspora među rotorima pojavljuju se volumetrijski gubitci (prostrujavanje plina iz prostora višega tlaka u one nižega. ) koji rastu s povedanjem omjera tlakova. Zbog toga je primjena takvih kompresora ograničena na male kompresijske omjere od 1.5 - 1.7 kao i na niske tlakove do otprilike 3 bara. Rotori kod takvih kompresora mogu biti s istim ili različitim profilima presjeka.
4.1.1 Puhaljke s istim profilima presjeka rotora Za puhaljku sa slike a, svaki rotor zahvati volumen plina iz usisnoga voda V a=Fal dva puta za svaki okretaj ( I=2 ), dok za puhaljku sa slike b svaki rotor zahvati volumen plina iz usisnoga voda Vb=Fbl tri puta za svaki okretaj ( I=3 ) Teoretska dobava kompresora je : ̇
[m3/s]
dok je stvarna dobava :
9
̇
[m3/s]
Na putu od usisnoga do tlačnoga priključka rotori samo transportiraju plin, a kompresija se događa tek kada se otvori veza s tlačnim priključkom u kojem vlada viši tlak. ( ''vanjsko komprimiranje'' )
Slika 5. Puhaljke s istim presjekom profila rotora
4.1.2 Puhaljke s različitim profilima presjeka rotora Izvedu li se rotori različitih oblika presjeka, promjena volumena se odvija i na putu od usisnoga do tlačnoga priključka smanjivanjem volumena (''vanjsko komprimiranje'' ) , a otvaranjem spoja s tlačnom vodom dolazi i do ''vanjskoga komprimiranja '' . Ukupni se proces naziva ''miješanom kompresijom'' . Na slici 6 rotor A naziva se radni rotor a rotor B razvodnim rotorom. Efektivna dobava ovih kompresora je : ̇
(
)
[m3/s]
10
Slika 6. Puhaljke s različitim presjekom profila rotora
Izvodnice rotora ovih kompresora su ravne.
Slika 7. Rotori puhaljke s različitim profilima presjeka i ravnim izvodnicama 11
4.2. Suhi (bezuljni ) vijčani kompresori Bezuljni vijčani kompresori su podesni za komprimiranje plinova sa česticama, plinova kod kojih postoji mogudnost formiranja polimera, plinova koji sadrže tekudine, te korozivnih plinova ( HCl, Cl2, H2S itd. ) Najčešda primjena je kod komprimiranja stiren monomer plina, butadiene plina, rafinerijskih plinova, H 2, hidrokarbonata, propilena, CO2 za proizvodnju suhog leda u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji.
Slika 8. Presjek tipičnoga bezuljnoga vijčanog kompresora za plinsko gorivo
Kod komprimiranja nečistih plinova koji sadrže krute čestice, centrifugalni kompresori mogu imati problema uslijed lijepljenja ovih čestica za rotore. Ove čestice mogu uzrokovati prekomjerno visoke vibracije uslijed poremedene ravnoteže i pogoršanja karakteristika zbog suženja protočnih površina. Klipni kompresori kod rada sa nečistim plinovima zahtijevaju prečesti remont zbog istrošenja košuljica, a eventualno zahtijevaju i ugradnju rezervnoga kompresora za slučaj kvara. Nasuprot njima, bezuljni vijčani kompresori mogu bez vedih problema raditi sa plinom u kojem se nalaze strane čestice pogotovo ako se ispiru vodom. Lijepljenje čestica na rotoru nede stvarati probleme bududi da rotori imaju čvrste osovine koje rade sa brzinama nižima od prve kritične brzine,a nisu ni osjetljive na vibracije uslijed neravnoteže.
12
4.2.1 Dobava Kapacitet ili dobava vijčanih kompresora je funkcija usisnog volumena Između muškoga i ženskoga rotora i kudišta te brzine okretanja. Usisni volumen može se izraziti jednadžbom :
( )
[m3/ okret]
gdje su : - usisni volumen po jednom okretaju rotora D - promjer rotora, ako su različiti uzima se promjer muškoga rotora L- Dužina rotora C – Konstanta profila
Bududi da kod vijčanih kompresora nema ekspanzije plina iz štetnog volumena, volumetrijska efikasnost kompresora je samo funkcija propuštanja plina između rotora i kudišta te stanja plina na usisu. Propuštanje plina je unutrašnje curenje tijekom kompresije iz prostora višeg tlaka u prostor nižeg tlaka. Time se smanjuje dobava kompresora i ukupno propuštanje je vede kod rotacijskih kompresora u odnosu na klipne kompresore. Osim zračnosti između rotora, te rotora i kudišta postoji i ''propusni otvor'' koji je trokutastoga oblika formiran presjekom vrhova dva rotora i kudišta. Ovaj rotor nije mogude brtviti. Propusno strujanje je jednako, bez obzira na brzinu vrtnje i ovisi samo o razlici tlakova i površini ''propusnoga otvora'' . Da bi se postotak gubitaka uslijed propusnosti održao što manji, brzina rotacije kompresora mora biti što veda. Ovo vrijedi i za podmazivane i za suhe vijčane kompresore . Kako je kod suhih kompresora ovaj razmak vedi, optimalne brzine vrtnje suhih kompresora moraju biti vede od podmazivanih. Volumetrijska efikasnost vijčanog kompresora u praksi se može odrediti samo testiranjem. Volumetrijska efikasnost ovisi o :
Geometriji rotora Veličini ''propusnoga otvora'' Zračnosti između rotora Usisnim otporima Predgrijavanju usisnog zraka
13
Propuštanje kod nepodmazivanih vijčanih kompresora može se povezati s Machovim brojem na vrhu zuba (rotora). Brzina vrha zuba je : [m/s] a brzina zvuka za plin je √
√
[m/s]
gdje je a brzina zvuka za dotični plin, je omjer cp/cv , R plinska konstanta, T apsolutna temperatura a M molekularna masa plina koji se komprimira. Optimalna brzina vrha rotora je 0.25 Ma za ugrađeni omjer tlakova kompresora p2/p1=3 . Vrijednost se neznatno mijenja za druge ugrađene omjere tlakova kao šta je prikazano na slici 9.
Slika 9. Optimalna brzina vrha zuba(rotora) u funkciji ugradbenih omjera tlakova kompresora.
14
Osim što utječe na volumetrijsku efikasnost, propuštanje komprimiranoga plina utječe i na izentropsku ( adijabatsku ) efikasnost. Na slici 10 nacrtana je ovisnost omjera adijabatske efikasnosti ( radna prema optimalna ) prema omjeru obodnih brzina u/u0, radne i optimalne.
Slika 10. Ovisnost omjera adijabatske efikasnosti o omjeru obodnih brzina vrha rotora
15
Na slici 11 prikazane su tipične krivulje volumetrijske i adijabatske efikasnosti za različite omjere tlakova kod ugrađenoga omjera tlakova komresora p2/p1=2,3 i 4
Slika 11. Volumetrijska efikasnost u funkciji omjera tlakova
U svrhu postizanja vede efikasnosti, ugrađeni volumni omjer treba biti što je mogude bliže volumnome omjeru koji je determiniran stvarnim omjerom tlakova kompresora. Asimetrični profili koji se danas koriste doveli su do poboljšanja efikasnosti zahvaljujudi manjoj zračnosti neophodnoj za rad kompresora. Ova radna zračnost dozvoljava dijelu plina koji se komprimira povrat pri brzini zvuka iz područja kompresora višega tlaka u područje nižega. Ovo povratno strujanje javlja se i kod uljem podmazanih kompresora ali u manjoj mjeri, visok viskozitet ulja ima određeni efekt brtvljenja radne zračnosti tako da se postižu visoke volumetrijske efikasnosti čak i pri niskim obodnim brzinama vrha rotora. Procesni suhi vijčani kompresori rade pri vedim obodnim brzinama da bi se poboljšao omjer stvarne dobave i povratnoga strujanja kroz zračnosti između rotora, i tako postigla visoka volumetrijska efikasnost.
16
Za zadanu veličinu i omjer kompresije kompresora, zračnosti se definirane rednom temperaturom i konstantne su. Kako je i brzina zvuka određena plinom koji se komprimira konstantna, količina povratnoga strujanja (propuštanja) je također konstantna. Ako takav kompresor radi s vedom obodnom brzinom vrha rotora, volumetrijska efikasnost se u početku poboljšava do točke gdje uslijed pogoršanja omjera obodne brzine vrha rotora prema brzini zvuka u komprimiranom plinu, dolazi do lošijega punjenja usisnoga prostora među zupcima. Također se i povedavaju i dinamički gubitci uslijed trenja između brzo gibajučih površina vijaka i samoga plina. Ova dva parametra i određuju adijabatsku efikasnost =
Slika 12. Krivulje efikasnosti bezuljnoga vijčanoga kompresora
Iz gornjega dijagrama je vidljivo da se u bezuljnome kompresoru optimalno područje obodnih brzina može odrediti za svaki plin koji se komprimira. Međutim kako je krivulja adijabatske efikasnosti gotovo ravna u prilično širokom području, odstupanje od optimalne točke vodi samo u neznatnom smanjenju efikasnosti
17
4.2.2 Bezuljni vijčani kompresori s ubrizgavanjem tekućine Proces kompresije je približno iznetropski proces. Temperatura ovisi o omjeru tlakova , omjeru cp/cv plina koji se komprimira i odstupanja zbog gubitka efikasnosti. Kako je radna temperatura bezuljnog vijčanog kompresora ograničena izborom materijala i njegovim koeficijentom temperaturnoga izduženja, izlazna temperatura iz kompresora mora biti oko 200OC ili najviše 250 OC za svaki kompresijski stupanj. Ubrizgavanje tekudine posebno je poželjno kada se komprimira plin koji stalno mijenja sastav, odnosno molekularnu težinu a time i omjer cp/cv . Primjer su plinovi na baklji rafinerija. Ako je plinska mješavina teška, omjer cp/cv je malen, pa kod omjera tlakova jednostupanjske kompresije p2/p1=6, temperature na izlazu iz kompresora su relativno niske. Ako smjesa plinova postaje lakša, omjer c p/cv znatno raste i izlazna temperatura iz kompresora naglo raste iznad dozvoljene razine. U tom slučaju male količine tekudine, kao što je benzin, ubrizga se u kompresijski stupanj i toplina isparavanja apsorbira toplinu kompresije. Kompresor može sigurno raditi. Količina ubrizgane tekudine radi sniženja temperature je relativno mala u poređenju s količinom plina koja se komprimira.
Slika 13. Utjecaj ubrizgavanja vode na izlaznu temperaturu bezuljnog vijčanog kompresora 18
5. Literatura *1+ Fran Bošnjakovid
Nauka o toplini I, Tehnička knjiga Zagreb, 1988
*2+ Bilješke sa predavanja ''Nauka o toplini I'' red.prof.dr.sc. Bernarda Frankovida *3+ Bilješke sa predavanja ''Kompresori'' red.prof.dr.sc. Branimira Pavkovida [4] Dragan Martinovid, *5+ Bojan Kraut
Brodski rashladni uređaji, Školska knjiga, 1994., Zagreb. Strojarski priručnik, Sajema, Zagreb 2009
19
