07_stapni_kompresori

7/28/2019 07_Stapni_kompresori

1/24

TEHNIKA HLAENJA

90

6. KOMPRESORI

Kompresori su radni strojevi koji komprimiraju neki plin ili paru na vii tlak.

Po nainu rada razlikujemo volumetrijske i kompresore graene na strujnom (dinamikom)

principu rada.

Volumetrijski se princip rada sastoji u tome da se pomou konstrukcijskih elemenata ostvari ukompresoru takav prostor koji osigurava smanjenje volumena plina ili pare na putu od ulazado izlaza iz kompresora. Na volumetrijskom principu rada grade se stapni (kompresori soscilirajuim stapom) i rotorni (nazivaju se jo i kompresori s rotirajuim stapovima, a tuspadiju lamelni, s ekscentrinim rotorom, vijani i scroll kompresori sa zavojnicom).

Na strujnom (dinamikom) principu rada grade se turbokompresori i ejektori. Plin sekomprimira na dinamikom strujnom principu, pri emu se koristimo silama i pojavama kojese javljaju kod ubrzavanja i usporavanja plinske struje.

Prema nainu voenja plinske struje turbokompresori se izvode kao radijalni i aksijalni.

Ejektori - mlazni kompresori takoer spadaju u kompresore koji rade na strujnom principurada. O njima e biti govora u poglavlju koje se odnosi na rashladne ureaje s mlaznimduhaljkama (ejektorske rashladne ureaje).

Vrlo esta podjela kompresora koji se koriste u tehnici hlaenja je na tzv. otvorene,poluhermetike i hermetike izvedbe, ovisno o nainu ugradnje pogonskog motora. Kodotvorenog kompresora pogonski je motor odvojen od kompresora, hlaen zrakom, akompresor treba imati brtvenicu vratila, kako bi se sprijeio izlaz radne tvari iz kompresora.Kod hermetikih i poluhermetikih kompresora elektromotor i kompresor ugrauju se u istozabrtvljeno kuite, a namotaji elektromotora hlaeni su strujom radne tvari koja ulazi ukompresor. Zbog dobrog hlaenja elektromotori su manji nego li je to sluaj s motorimaotvorenih kompresora. Kod poluhermetikog kompresora kuite je zatvoreno prirubnicomkoja se moe rastaviti za potrebe servisa, dok je kod hermetikih kompresora kuitezavareno.

Sl. 6.1. Otvorena (a), poluhermetika (b) i hermetika (c) izvedba rashladnog kompresora

a)b) c)


2/24

TEHNIKA HLAENJA

91

6.1. STAPNI KOMPRESORI (KOMPRESORI S OSCILIRAJUIM STAPOVIMA)

Po dobavi se stapni kompresori mogu podijeliti na male (do 10 m3/min), srednje (10 do 100m3/min) i velike (iznad 100 m3/min). Dobava se, ukoliko to nije drukije reeno, odnosi nastanje plina na usisnom prikljuku.

6.1.1. Proces kompresije

Teoretski se proces stapnog kompresora moe prikazati u p,v-dijagramu kao proces koji seodvija izmeu dva tlaka 1p i 2p . Kretanjem stapa unutar cilindra od GMT ka DMT usisava

se plin iz prostora u kojem vlada stalni tlak 1p (promjena a-1), zatim se kretanjem stapa odDMT ka GMT plin komprimira (promjena 1-2) i istiskuje (promjena 2-b) u prostor u kojemvlada stalni tlak 2p . U slijedeem okretaju vratila ove se pojave ponavljaju, pa ih se nazivateoretskim ciklusom kompresora. To nije kruni proces u termodinamikom smislu, ve seovim nazivom eli istaknuti ciklinost pojava.

Sl. 6.2. p,V-dijagram procesa i shematski prikaz cilindra jednostepenog stapnog kompresora

Ovako predoen proces je idealan proces. Pretpostavlja se da kompresor radi s idealnimplinom. Zanemaren je tetni prostor i njegov utjecaj, nije uzeta u obzir tromost ventila istvarna brzina njihova otvaranja, te je zanemarena izmjena topline izmeu plina i stijenkecilindra.Povrina a-1-2-b-a up,V-dijagramu predstavlja rad procesa izmeu dva stalna tlaka (tehnikirad).

Promjena stanja izmeu 1 i 2 moe biti:

a) izotermna (prilikom kompresije radnoj se tvari odvodi toplina tako da je konstT = )b) izentropska konsts = ; 0=q ;

1

1

2

1

2

=

p

p

T

T

c) politropska konsts ; Tcq n= ; nn

p

p

T

T1

1

2

1

2

= ;

1

=

n

ncc vn

p

p2

p11

2b

a

p1

p2


3/24

TEHNIKA HLAENJA

92

Sl. 6.3. Izotermna, izentropska i politropska kompresija s 1


4/24

TEHNIKA HLAENJA

93

6.1.2. Stupanj dobave kompresora

Dobava kompresora je ona koliina plina ili pare koju dobavlja kompresor, i ukoliko nijedrukije spomenuto, ta se koliina odnosi na stanje koje vlada na usisnom prikljukukompresora.

Teoretska je dobava nzsdznVV st 42==& [m3/s]

gdje je sd

Vs 4

2

= stapajni volumen, dpromjer cilindra, s stapaj, zbroj cilindara i n [s-1]

brzina vrtnje.

Stvarna je dobava manja i jednaka je te VV && = .

Stupanj dobavet

e

V

V

&

&

= rauna se kao 4321 = i manji je od 1.

6.1.2.1. Utjecaj tetnog prostora uzima se u obzir kroz 1

Iz konstrukcijskih razloga i razloga pogonske sigurnosti ne moe se izbjei mali prostorizmeu stapa u GMT i glave cilindra. To je tzv. tetni prostor. On prvenstveno utjee nasmanjenje dobave kompresora, dok na rad praktiki ne utjee.S 0c oznaavamo omjer volumena tetnog prostora i stapajnog volumena.

s

s

As

As

V

Vc

S

0000 === (esto se oznaava s 0 , to smo izbjegli radi oznake faktora hlaenja)

Za kompresore uobiajene izvedbe 08,003,00 =c . Kod viih tlakova i malog promjeracilindra ne mogu se ventili pogodno smjestiti, pa je )2,0(15,005,00 =c .

Indikatorski dijagram kompresora dan je na slijedeoj slici. Usisni i tlani ventil radeautomatski i otvaraju se uslijed razlike tlakova. Usisni se ventil otvara kod d, tj neto maloispod tlaka 1p . Uslijed toga to jo nije do kraja otvoren, tlak i dalje pada do M1. U M1ventil

je potpuno otvoren. U 1' usisni se ventil zatvara. Kompresija tee od 1'. Kad stap prijee putkoji odgovara volumenu bVpostie se tlak 1p u cilindru. Tlani se ventil poinje otvarati u O,

a maksimalno je otvoren u M2. Kad stap doe u GMT, ostaje u cilindru 0Vplina i tlani se

ventil zatvara. Kad se tlani ventil zatvori, na putu stapa od GMT do d nema usisavanja, jertu ekspandira plin iz tetnog prostora. Usisavanje se ne vri na cijelom putu stapa s, ve na

putus-a. Tlakovi pri usisu i istiskivanju nisu konstantni jer su i brzine strujanja razliite zbogpromjenjive brzine stapa, a na tlakove utjee i poloaj ploice ventila (povrina presjekaotvora ventila).


5/24

TEHNIKA HLAENJA

94

Sl. 6.4. Indikatorski dijagram jednostepenog procesa stvarnog kompresora

Za 1 vrijedi izraz

s

as

V

VV =1

Kako jen

ap

pVVV

1

1

200

=+ iz ega slijedi

= 1

1

1

20

n

Ap

pVV , dobiva se sa

S

A

V

V=11 izraz za 1 :

= 11

1

1

201

n

p

pc , gdje je

SV

Vc 00 =

Iz gornjeg se izraza vidi da 1 ovisi o volumenu aV , koji je ovisan o tetnom prostoru 0V i

toku linije ekspanzije iz tetnog prostora. to je vei aV , dobava je manja. Negativni, tetni

utjecaj tetnog prostora biti e to vei to je vei volumen tetnog prostora 0V , to je

kompresijski omjer1

2

p

pvei, odnosno eksponent politropske ekspanzije plina iz tetnog

prostora n blie jedinici (politropa blie izotermi).

V

p

p2

p1

Va Vs1 Vb

VsV0

p1p1

p'1

p2O

M2

M1

d1'

GMT DMT


6/24

TEHNIKA HLAENJA

95

6.1.2.2. Utjecaj pada tlaka 1p kod usisavanja - 2

aS

S

VV

V

= 12

Pad tlaka na usisnom ventilu je 111 ppp = .

Moe se sa zadovoljavajuom tonou izraunati 2 kao1

1

1

11

1

12 1

pp

ppp

pp ===

6.1.2.3. Utjecaj zagrijavanja kod usisa - 3

Usisani se plin zagrijava od toplog usisnog ventila i stijenki cilindra, to uzrokuje povienjetemperature od 1Tna usisnom prikljuku na 1T . 1T je temperatura na kraju usisa, odnosno na

poetku kompresije. Ovo povienje temperature uzrokuje smanjenje dobave.

1

13

=T

T

Temperaturu 1T je teko odrediti raunskim putem. Ova temperatura ovisi o nainu hlaenjakompresora, omjeru tlakova (kompresijskom omjeru 12 / pp ), broju okretaja, veliini i izvedbikompresora i ventila.Ovisnost 3 o kompresijskom omjeru 12 / pp i eksponentu politrope nprikazana je na

sljedeoj slici. Kako jen

n

p

p

T

T1

1

2

1

2

= , slijedi da vei kompresijski omjer rezultira manjim 3 ,

te da vei eksponent politrope n takoer rezultira manjim 3 .

Za procjenu vrijednosti 3 kod stapnih kompresora srednje veliine vrijedi empirijski izraz

= 1025,01

1

23

p

p

6.1.2.4. Utjecaj propusnosti - 4

U stvarnom kompresoru postoji mogunost proputanja dijela mase plina za vrijemekomprimiranja mimo nedovoljno brtvljenog stapa i stijenke cilindra, kroz eventualno

propusne usisne ventile, a takoer i uslijed protjecanja ve komprimirane pare kroz tlaniventil za vrijeme usisavanja (Vuji). Ovaj se gubitak uzima u obzir stupnjem propusnosti 4 ,koji se prema podacima u literaturi za kompresore u dobrom stanju kree u granicama

98,095,04 = . Poveanjem0p

popada vrijednost 4 , a poveanjem broja okretaja

kompresora 4 raste.

Stupanj dobave 4321 = kree se prema podacima u literaturi od 0,7 do 0,85, a ponekad

je samo 6,0= . To ovisi o tipu kompresora. Podaci se mogu nai i za 97,093,02 = pri

temperaturi isparivanja 30oC, za 85,095,03 = za kompresijske omjere u granicama

53=x i za 98,095,04 = .


7/24

TEHNIKA HLAENJA

96

6.1.2.5. Utjecaj broja okretaja kompresora na stupanj dobave

Kompresor moe raditi s promjenjivim brojem okretaja (npr. zbog regulacije njegovedobave). Ako isti kompresor radi s veim brojem okretaja od nominalnog, krae vrijeme kojestoji na raspolaganju za dotok plina u cilindar, te vei otpori strujanja kroz ventile imaju za

posljedicu smanjenje usisane koliine plina, a time i stupnja dobave. Takoer se pri porastubroja okretaja iznad nominalnog za koji je kompresor projektiran, ventili zbog tromostikasnije otvaraju i kasnije zatvaraju. Kasnije zatvaranje tlanog ventila (iza GMT, na putu

prema DMT) moe uzrokovati povrat plina iz tlanog kolektora u kome vlada tlak 2p u

cilindar u kome je tlak ve nii od 2p , a time i dodatno smanjenje stupnja dobave. Za svakikompresor postoji optimalna brzina vrtnje n , za koju se dobiva najvea vrijednost stupnjadobave . Na slici 6.5. su prikazani indikatorski dijagrami dobiveni raunalnom simulacijomza kompresor projektiran za nominalnu brzinu vrtnje 17,241 =n s

-1 pri nominalnoj brzini

vrtnje (tanja crta) i pri dvostruko veoj brzini vrtnje 33,482 =n s-1 (deblja crta).

Sl. 6.5. Indikatorski dijagram za razliite brzine vrtnje kompresora (n2> n1)

6.1.3. Izmjena topline izmeu plina i stijenke cilindra

Usisani plin mijea se u cilindru s plinom koji je zaostao u tetnom prostoru i grije se uslijedizmjene topline sa stijenkom cilindra koja je ugrijana za vrijeme kompresije. Pri gibanju stapaod GMT ka DMT dolazi do ekspanzije plina iz tetnog prostora, a nakon otvaranja usisnogventila do usisa. Na putu od DMT ka GMT dolazi do kompresije, odnosno nakon otvaranjatlanog ventila do istiskivanja plina.Kompresijom raste temperatura plina. Gibanjem stapa od DMT ka GMT, do toke II je

temperatura plina u cilindru nia od temperature stijenke i toplina prelazi od stijenke cilindrana plin. Temperatura stijenke pada uslijed gubitka topline, a temperatura plina raste uslijeddovoenja topline i kao posljedica kompresije. Nakon toke II temperatura plina je via odtemperature cilindra, pa toplina pone prelaziti s plina na stijenku cilindra. Odvoenje toplineod plina na stijenku cilindra traje tijekom istiskivanja, te na jednom dijelu puta stapa tijekomekspanzije plina iz tetnog prostora. U toki I temperature stijenke i plina su jednake. Vidimoda je uslijed ove izmjene topline kod stvarnog kompresora kompresija politropska, s

p

V

p2

p1

n1

n2n2> n1


8/24

TEHNIKA HLAENJA

97

promjenjivim eksponentom politrope n . Od 1 do II kompresija je s >n (dovoenje topline),dok je od II nadalje kompresija s n . Od II do 2toplina se plinu odvodi. Entropija se smanjuje,


9/24

TEHNIKA HLAENJA

98

Ekspanzija se moe odvijati i od stanja 3 do stanja 4'. To je sluaj za velike tetne prostore imale kompresijske omjere.Ekspanzija od stanja 3 do stanja 4. odnosi se na sluaj malih tetnih prostora i veihkompresijskih omjera.

Rad kompresije odnosi se na 1 kg usisanog plina, a rad ekspanzije na 1 kg plina zaostalog utetnom prostoru. (to znai da se rad kompresora ne moe izraunati kao razlika ova dvarada).

6.1.4. Stupnjevi djelovanja

Za vrijeme jednog stvarnog ciklusa izvri se rad L koji se rauna kao = VpL d .Rad ili snaga koju troi neki stapni kompresor odreuje se pomou indikatorskog dijagrama.Indikatorski dijagram je u sutini p,V- dijagram pa e povrina koja na njemu obuhvati likciklusa biti u nekom mjerilu stvarni rad stvarnog kompresora kod kojeg su obuhvaeni svidosad spomenuti utjecaji, odnosno odgovarati e vrijednosti integrala iz gornjeg izraza.

Indikatorski se dijagram moe dobiti mjerenjem tlaka i pomaka stapa na kompresoru.

Omjer indiciranog rada i stapajnog volumena naziva se specifini indicirani (unutranji) rad[J/m3] ili srednji indicirani (unutranji) tlak [Pa].

===

sss

iV

VpVp

VV

Lp dd

1

Srednji indicirani tlak je onaj zamiljeni nepromjenjivi tlak koji bi, kad bi djelovao uzducijelog stapaja, troio jednaki rad koji troi i stvarni kompresor promjera cilindra D i stapajas . Na slici je prikazan indikatorski dijagram povrineA i odgovarajua jednaka povrina ija

irina u nekom mjerilu odgovara stapajnom volumenu, a visina srednjem indiciranom tlakuip . Iscrtkane povrine na slici su jednake.

Indicirana se snaga (od stapa predana plinu) moe raunati po izrazu nspd

P ii 4

2=& za

jedan cilindar kompresora.

Sl. 6.8. Indikatorski dijagram i srednji indicirani tlak

p

V

pi

VS


10/24

TEHNIKA HLAENJA

99

Indicirani izentropski stupanj djelovanja:i

isiis

P

P

&

&

=

isP& je snaga potrebna za izentropsku kompresiju.

iis pokazuje koliko je stvarni proces loiji od idealnog (zbog vika rada za politropskukompresiju, zbog otpora u usisnim i tlanim ventilima, zbog zagrijavanja, propusnosti,nedovoljnog hlaenja kod viestepenih kompresora).

Mehaniki stupanj djelovanja definiran je izrazom:e

im

P

P

&

&

=

gdje je eP& snaga na pogonskom vratilu kompresora.

m obuhvaa gubitke trenja i ovisi o izvedbi, podmazivanju i odravanju.Kod viestepenih

kompresora m je to vei to je nii omjer tlakova u pojedinom stupnju.

Dobre izvedbe 96,09,0 =m Viestepeni kompresori 93,088,0 =m

Mali jednoradni kompresori 85,0=m

Izentropski stupanj djelovanja:e

isis

P

P

&

&

=

Slijediis

ise

PP

&& = , tj. stvarna (efektivna) je snaga vea od teoretske.

Izentropski stupanj djelovanja is sadri u sebi i mehaniki stupanj djelovanja

e

is

e

i

i

ismiisis

P

P

P

P

P

P

&

&

&

&

&

&

===


11/24

TEHNIKA HLAENJA

100

6.1.5. Odstupanje stvarnog rashladnog procesa od teoretskog

Kod teoretskog smo procesa sve pojedinane procese koji se odvijaju u rashladnom ureajusmatrali povrativima, dok oni to ustvari nisu. Pretpostavljena je bila izentropska kompresija

konsts = , tj. pretpostavili smo da nema izmjene topline izmeu stijenki cilindra i pare.

Nadalje, pretpostavili smo da u isparivau i kondenzatoru, kao i u spojnim cjevovodima nemapada tlaka. Kod stvarnih se procesa isparivanje odvija u isparivau uz promjenjivi tlak (uslijedpada tlaka pri strujanju), to uzrokuje i promjenjivu, sve niu temperaturu isparivanja. Zbogtoga kompresor u stvarnom rashladnom procesu sie paru radne tvari s nieg tlaka nego to jeto u teoretskom procesu. Komprimirana para utiskuje se u stvarni kondenzator pri veemtlaku nego u teoretskom procesu. Zbog pada tlaka pri strujanju kroz kondenzator, na izlazu izkondenzatora biti e tlak nii od tlaka na ulazu.

Sl. 6.9. Odstupanje stvarnog rashladnog jednostepenog procesa od teoretskog

Usisni i tlani ventil otvaraju se automatski i to pri usisavanju zbog utjecaja podtlaka UVp i

pri istiskivanju pod utjecajem nadtlaka TVp . Para izlazi iz isparivaa kao suhozasiena, sa

stanjem 1. Na putu od isparivaa do kompresora pari se zbog dovoenja topline mijenja stanjeod 1 do 2.Promjena stanja 2-3-4-M-5-6-7 odvija se pri prolazu pare kroz kompresor, od usisnog dotlanog prikljuka.

Promjena od stanja 2 do 3 je priguivanje pri prolazu kroz usisni ventil, dok je promjena od 6do 7 priguivanje pare pri prolazu kroz tlani ventil. Tu se u oba sluaja javlja porast entropijei mali pad temperature.Promjena od stanja 3 do 4 predstavlja dovoenje topline prilikom usisa. Stanje 4 je na krajuusisa i na poetku kompresije.Od 4 do 5 odvija se kompresija uz izmjenu topline. Dok se proces kompresije 4-M-5 odvija uz

pojaano odvoenje topline (npr. u kompresoru hlaenom vodom), proces 4-M'-5' odvijao bise u slabije hlaenom kompresoru (npr. hlaenom zrakom).

T

s

T0, p0

T, p

p0-pep0-pe- pUV

p+pcp+pc+pTV

1

2

3

4

5

6

7

89

10

M

M'

5'6'

7'

p

p0

a cb d

e

f

g


12/24

TEHNIKA HLAENJA

101

Dok su stijenke cilindra toplije, odvija se prijelaz topline od stijenke na plin, entropija raste itemperatura plina raste. U M raste temperatura plina, ali nema izmjene izmeu stijenke i pare.Od M do 5 toplina se od pare odvodi na stijenku, entropija se smanjuje,ali temperatura pare idalje raste zbog kompresije.Promjena od 5 do 6 je hlaenje pare prije izlaska iz cilindra. Sa stanjem 7 para ulazi u

kondenzator, a izlazi sa stanjem 8, pri tlaku niem za cp . Promjena od 8 do 9 jepothlaivanje kapljevine, pri emu je pad tlaka zanemariv. Promjena od 9 do10 jepriguivanje u prigunom ventilu od tlaka p na tlak 0p . Od 10 do 1 je promjena stanja pare

prilikom isparivanja. Pritom tlak padne za ep .

Iz dijagrama je vidljivo da se u usporedbi s teorijskim procesom specifini rashladni uinaksmanjio (teoretski je specifini rashladni uinak predoen povrinom b-c-e-10-b, dok jespecifini rashladni uinak stvarnog procesa predoen povrinom b-d-1-10-b). Potreban serad poveao (rad teoretskog procesa predoen je povrinom a-b-10-e-f-g-8-9-a, dok je radstvarnog procesa predoen povrinom a-b-10-1-2-3-4-5-6-7-8-9-a)

6.1.6. Kapacitet hlaenja kompresora rashladni uinak 0Q

Sl. 6.10. T,s-dijagram jednostepenog parnog rashladnog procesa

Specifini rashladni uinak 510 = hhq [kJ/kg]

Rashladni uinak 00 qMQ && = [kW]

Protok radne tvari1

1

v

VVM ee

&&& == [kg/s]

Stvarni volumenski protok radne tvari te VV = [m3/s]

Teoretska je dobava nzsd

znVV st 4

2== [m3/s]

T

s

T, p

T0, p0

p

p0

q0

T

T0

Tp

1

2

3'

5'


13/24

TEHNIKA HLAENJA

102

gdje je sd

Vs 4

2

= stapajni volumen, dpromjer cilindra, s stapaj, zbroj cilindara i n [s-1]

brzina vrtnje.

Tako je vnqzsd

v

qnzs

dqnzs

dQ 0

2

1

0

2

01

2

0 444

===& [kW]

vq0 je volumetrijski rashladni uinak [kJ/m3]

Stupanj dobave ovisi o konstrukciji kompresora, omjeru tlakova (koji je funkcijatemperatura isparivanja i kondenzacije), eksponentima politropske ekspanzije i kompresije,vrsti radne tvari

( )R,,,,,, 000

0 TTcnmp

pc =

=

Specifini rashladni uinak je funkcija temperature isparivanja, temperature kondenzacije itemperature pothlaenog kondenzata, kao i vrste radne tvari

R,,, 000 TTTqq p=

Gustoa 1 je funkcija tlaka isparivanja odreene radne tvari ( )R,01 p = .

Volumetriki rashladni uinak 101

00 q

v

qq v == [kJ/m

3] mjerodavan je za radni volumen

kompresora.

Ovisno o namjeni rashladnog ureaja mogu se definirati razliiti normirani (etalonski)procesi, po kojima se mogu usporeivati rashladni ureaji sline namjene. Jedan takav procesdefiniran je kod slijedeih temperatura:

30= oC25=p

oC

150 =oC

Rashladni uinak koji postie rashladni ureaj sa odreenim kompresorom kod tihtemperatura naziva se nominalnim rashladnim uinkom kompresora

vnnn nqzsd

Q 0

2

04

=& [kW]

Kod nekih je drugih temperatura 0,, TTT p , rashladni uinak vnqzsd

Q 0

2

04

=& [kW]

Dijeljenjem prethodnih dviju jednadbi dobiva se


14/24

TEHNIKA HLAENJA

103

vnn

v

vnn

v

nq

q

nqzsd

nqzsd

Q

Q

0

0

0

2

0

2

0

0

4

4

==&

&

Poznavanjem vrijednosti za nQ0& koja se esto daje u podacima za pojedini kompresor, moe

se odrediti njegov rashladni uinak kod nekih drugih temperatura

vnn

v

nq

qQQ

0

000

&& = [kW]

Kad se izrauna vq0 za razliite radne tvari pri temperaturama 30=oC, 25=p

oC

i 150 =oC, dobivaju se slijedee vrijednosti:

Tab. 6.1. Volumetrijski rashladni uinci nekih radnih tvariRadna tvar

15h [kJ/kg] 25h [kJ/kg] 0q [kJ/kg] 15 [kg/m3] vq0 [kJ/m

3]

R 717 (NH3) 1444,0 317,7 1126,3 1,966 2214,31R 744 (CO2) 436,6 274,9 161,7 60,64 9805,49R 290 (C3H8) 557,6 265,6 292,0 6,506 1899,75R 22 (CHF2Cl) 399,2 230,3 168,6 12,9 2178,81R 134a (CH2FCF3) 389,6 234,5 155,1 8,287 1285,31

Odnos 428,431,2214

49,9805

3

2

0

0==

vNH

vCO

q

q. Iz ovoga se vidi da je za postizavanje istog rashladnog

uinka, radni volumen kompresora koji radi s amonijakom 4,428 puta vei od radnog

volumena kompresora koji radi s ugljinim dioksidom.Za neke druge temperature, ovi se odnosi mijenjaju.

6.1.7. Viestupanjska kompresija

Djelovanje stapnog kompresora prilagouje se samo po sebi nametnutim vanjskim uvjetimarada. To znai da je kompresijski omjer 12 / ppx = u istom kompresoru promjenjiv i ovisan

iskljuivo o tome kakav je tlak 1p u usisnom vodu ispred usisnog ventila, a kakav 2p izatlanog ventila. Kompresijski omjer je dakle veliina koja nije uvjetovana konstrukcijom iliveliinom stapnog kompresora, odnosno brzinom njegove vrtnje n .

Porastom kompresijskog omjera 12 / ppx = , raste pri izentropskoj i politropskoj kompresijikonana temperatura komprimiranog plina 2T . Ukoliko ova temperatura prekorai dozvoljenutemperaturu (ogranienje temperature je zbog opasnosti od promjene svojstava ulja zapodmazivanje), treba primijeniti viestupanjsku kompresiju. Viestupanjski kompresori imajuhladnjak pare ili plina nakon svakog stupnja kompresije. Kod viestupanjske je kompresijekonana temperatura 2T znatno nia nego je to kod jednostepene.


15/24

TEHNIKA HLAENJA

104

Viestupanjska kompresija daje utedu na radu, i to kompresor ima vie stupnjeva, to jepriblienje izotermnoj kompresiji vee (pod uvjetom da se plin ili para ohlade na poetnutemperaturu iza svakog stupnja).

Poveanje kompresijskog omjera utjee na smanjenje stupnja dobave (utjecaj na 1 i 3 ). Kod

viestupanjskih je kompresora stupanj dobave vii nego kod jednostupanjskih koji bi radiliizmeu istih tlakova.

Za kompresiju plina od 1p do 3p primijenjena je dvostepena kompresija. Za odabir tlakova u

pojedinim stupnjevima postavlja se kriterij maksimalne utede na radu.

Ako je III LLL += , odnosno

+

=

11

11

1

2

322

1

1

211

n

n

n

n

p

pVP

n

n

p

pVP

n

nL ,

uz 12211 RTVpVp ==

dolazi se do izraza za rad

+

=

21

1

2

3

1

1

21

nn

nn

p

p

p

pRT

n

nL

iz kojeg se vidi da za konstantne 1p i 3p vrijedi ( )2pLL = .

Derivacijom ovog izraza po varijabli 2p i izjednaenjem s nulom dolazi se do zakljuka da e

minimalni rad biti utroen kad je2

3

1

2

p

p

p

p= .

U ovom e sluaju, usvoji li se da se eksponent politrope ne mijenja ( konstn = ), biti i rad u

svakom stupnju jednak, a takoere i povienje temperature u svakom stupnju biti jednako.

Minimalni je broj stupnjeva ogranien dozvoljenom temperaturom koja se ne smijeprekoraiti. kako je ve ranije reeno, ta se temperatura kree oko 1401352 >

oC.

Obino kada je 1080

>=p

px , trebamo upotrijebiti dvostepenu kompresiju.

Viestupanjska kompresija utjee na poveanje stupnja dobave iz sljedeih razloga:

1. Uslijed manjih kompresijskih omjera1

2

p

pmanji je aV u odnosu na sluaj jednostepene

kompresije, a time je veis

as

VVV

=1

2. Kod viestepene kompresije, uslijed manjih kompresijskih omjera cilindri su hladniji, paje i zagrijavanje plina od toplog cilindra manje. Time je 3 vei.


16/24

TEHNIKA HLAENJA

105

6.1.8. Razvodni sustavi stapnih kompresora

1. Slobodni razvod (ventili koji rade automatski)2. Razvod s rasporima6.1.8.1. Automatski ventili

To su ventili koji se otvaraju automatski, ve kod malih razlika tlakova. Postoje razliiteizvedbe ovakvih ventila. Izvedba ventila s koncentrinim rasporima sastoji se iz sjeditaventila, ploice, opruga i odbojnika (graninika).

Sl. 6.11. Presjek kroz ventil stapnog kompresora

Sjedite ventila mora biti izraeno iz kvalitetnog lijevanog eljeza. Optereeno je udarcimaploice, a kroz otvore na sjeditu ventila struje plinovi velikom brzinom. Kod viih tlakovasjedite se izrauje i iz elika.Ventilska ploica moe biti izvedena iz jednog komada s odgovarajuim rasporima, ili iz vieprstena. esto su izvedene kao opruge. Ploice moraju imati veliku otpornost na udar i im jemogue manju masu. Debljina ploice ovisi o veliini ventila i tlaku, a kree se od 0,8 do 4mm. Ploice se izrauju iz legiranih elika.Opruge su potrebne za brzo i sigurno zatvaranje ventila. Ne smiju prouzroiti veliki otpor kodotvaranja. One takoer kod otvaranja spreavaju udarac ploice na odbojnik. Rade se izkvalitetnog elika za opruge.Odbojnik slui za ogranienje podizaja ploice i za pridravanje opruga. esto se koristi i za

voenje plo

ica. Izra

uje se iz lijevanog eljeza ili

elika.

Zahtjevi koji se postavljaju pred ventile:

Masa ploice treba biti to manja, tako da sile uslijed ubrzanja kod otvaranja izatvaranja ventila budu to manje i da udarac ploice na sjedite i odbojnik bude tomanji.

Presjeci za strujanje trebaju biti to vei, kako bi pad tlaka bio im manji.

b1

dm1

b2

hmaxh

dm2

uspsjedite

sjedite

ploicaopruge

odbojnik


17/24

TEHNIKA HLAENJA

106

Mala ugradbena mjera. Velika pogonska sigurnost i trajnost.

Treba paziti i na izbor maziva, da ne bi dolo do zauljivanja ventila (sljepljivanje).

Ventili se mogu smjestiti u glavi cilindra ili u samom cilindru. Ukoliko presjek jednog ventilanije dovoljan, moe se uzeti vie njih. Usisni i tlani ventili obino su jednaki, kako bi brojrezervnih dijelova bio manji. Kod tlanih je ventila vrijeme otvorenosti krae, jer je i manjivolumen plina koji kroz njih mora protei. Ima izvedbi kod kojih su usisni i tlani ventiliujedinjeni u jedno kuite radi boljeg iskoritenja prostora.

Geometrijske karakteristike ventila

Jednadba kontinuiteta glasi

sisim uAAu =

4

2

dA = - povrina stapa

mu - srednja stapna brzina

siA - povrina otvora u sjeditu ventila - stvarni prolazni presjek za strujanje

siu - srednja brzina plina kroz sjedite ventila

Odatle je:

si

msi

u

AuA =

Za primjer prikazan na slici 6.10. vrijedi:

=+= bdbdbdA mmmsi 2211

Obino je bbb == 21 , pa vrijedi

= msi dbA

Stvarni prolazni presjek za strujanje plina siA manji je od siA'

sisi AA = (faktor 1> )

sisi

AA

= - stvarni prolazni presjek za strujanje plina

U ovisnosti o tlaku i izvedbi ventila se kree u granicama od 1,2 do 1,35 to znai da je za20 do 35% umanjena povrina zbog veza prstenastih otvora.


18/24

TEHNIKA HLAENJA

107

Za krune prstenaste otvore bez uvrenja sisi AA = , a inae je sisi AA > .

Povrina raspora rA za podignutu ploicu je:

( ) ( ) ( ) ( )[ ] =+++++=

mmmmmr dhhbdbdbdbdA 22211

pri emu je bbb == 21

Odnos povrinab

h

db

dh

A

Ax

m

m

si

rv

22===

Odatle slijedi podizaj ploice

2vbxh =

vx ovisi o tome da li je kompresor brzohodni ili sporohodni. Orijentacijske vrijednosti su

slijedee:

3,0=vx za brzohodne kompresore

7,0=vx za sporohodne kompresore

ogvsporohodngvbrzohodno xx < , pa je podizaj kod brzohodnih kompresora manji.

Sl. 6.12. Podizaj ploice h u ovisnosti o broju okretaja i tlaku.

spu - brzina strujanja kroz raspore. Brzine spu ne smiju biti prevelike. Na slijedeem su

dijagramu prikazane maksimalne brzine spu , u ovisnosti o vrsti plina i tlaku.

6

5

4

3

2

1

0 6100 200 300 400500 1000 2000

n min-

p = 1bar

2

5

10

50

100

200

5000.8

h [mm]


19/24

TEHNIKA HLAENJA

108

Sl 6.13. Maksimalne brzine spu , u ovisnosti o vrsti plina i tlaku

6.1.8.2. Razvod s rasporima

Na tlanoj je strani ventil, a umjesto usisnih ventila su raspori u cilindru. Ovakav se razvodprimjenjuje uglavnom kod kompresora malih rashladnih ureaja, jer su gubici u odnosu naslobodan razvod vei.

Sl. 6.14. Razvod s rasporima

p

V

p12'

1

2

3

DMTGMT

TV

raspor

1 2 4 6 10 20 40 60 100 200400 6001000pbar

usp

ms-1

10

20

30

40

50

70

80

90

100

110

120

vodik

amonijak

freon tlani v.

freon (usisni v.)

zrak


20/24

TEHNIKA HLAENJA

109

Kod kretanja stapa iz GMT prema DMTplin zaostao u tetnom prostoru ekspandira (promjena1 2). Tlak u cilindru padne dosta nie od tlaka na usisnom prikljuku. Dok se raspori neoslobode, nema usisavanja.Nakon otvaranja raspora napuni se cilindar na tlak 1p (promjena 2 2). Od 2 do 3 stap sekree ka DMT, a od 3 do 2 stap se kree od DMT ka GMT, ali usis jo uvijek traje.

U 2 raspori se zatvore i kompresija moe poeti.Potreban je rad vei nego kod razvoda s automatskim ventilima.

6.1.9. Regulacija dobave stapnih kompresora

Potrebna dobava kompresora nije uvijek jednaka dobavi za koju je kompresor odabran. Kodrashladnih kompresora je rashladno optereenje promjenjivo i nije jednako rashladnomkapacitetu za koji je instalacija projektirana. Zbog toga je potrebna regulacija dobavekompresora. Kako je koliina plina koju kompresor dobavlja u nekom vremenu tjednaka

nztVV s= , dobavu moemo mijenjati promjenom vremena rada kompresora t, promjenom

brzine vrtnje n , promjenom broja radni cilindara zako se radi o kompresoru s vie cilindara ipromjenom stupnja dobave .

6.1.9.1. Povremeni prekid pune dobave

Povremeno ukljuivanje i iskljuivanje kompresora Djeluje se na pogonski motorkompresora. Tlak u spremniku plina ili temperatura u hlaenoj prostoriji mijenjati e setijekom vremena unutar zadanih granica. Uestalost promjena izmeu gornje i donjedozvoljene vrijednosti tlaka ili temperature ovisi o potronji plina ili rashladnom uinku i orazlici gornje i donje granice temperature ili tlaka.

Povremeno potpuno zatvaranje usisnog voda kompresora Djeluje se na ventil koji

zatvara usisni vod, dok kompresor nastavlja raditi u praznom hodu. Kod viestepenih jekompresora ovo potrebno napraviti samo na niskotlanom stupnju. Zbog veeg podtlaka ucilindru moe doi do usisavanja ulja. Indikatorski je dijagram prikazan na slijedeoj slici.

Sl. 6.15.p,V- dijagram za sluaj regulacije dobave zatvaranjem usisnog voda

p

V

puna dobava

prazni hod


21/24

TEHNIKA HLAENJA

110

Povremeno dranje usisnih ventila sa stalno podignutim ploicama Djeluje se na usisniventil, tako da se ploica dri podignutom pomou hvataa ili podizaa. Dranje usisnihventila sa dignutim ploicama potrebno je provesti u svim stupnjevima i na svim cilindrimakompresora ako se eli ostvariti prekid pune dobave. Usisani se plin vraa u usisni vod, ap,V-dijagram izgleda kao na slici 6.13.

Sl. 6.16.p,V- dijagram za sluaj regulacije dobave podizanjem ploice usisnog ventila

Kod prijelaza od praznog hoda na puno optereenje, hvata oslobodi ploicu i ventil se poneautomatski zatvarati i otvarati.

6.1.9.2. Gruba promjena dobave

Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom broja polova elektromotora Ova je regulacija mogua jer je dobava kompresora prema naprijed spomenutom izrazuproporcionalna broju okretaja n . Ta proporcionalnost nije direktna, jer se sa smanjenjembroja okretaja poveava stupanj dobave , odnosno stupanj dobave se smanjuje spoveanjem n . Danas se za pogon kompresora koriste najee asinhroni motori. Njihova je

brzina vrtnje odreena izrazomp

fn = [s-1], gdje je f frekvencija izmjenine struje, a pbroj

pari magnetskih polova. Kad se govori o gruboj promjeni dobave, misli se na mogunostpromjene broja magnetnih polova asinhronog motora prekopavanjem broja pari polovamotora s vie pari polova. Time je mogua samo gruba regulacija dobave u skokovimamoguih brzina vrtnje. U novije vrijeme uestalo se koriste regulatori frekvencije napajanja,koji mogu osigurati kontinuiranu promjenu broja okretaja kompresora.

Regulacija promjenom veliine tetnog prostora ovom se regulacijom utjee na stupanjdobave . Kod viestepenih se kompresora mora sprovesti u svim stupnjevima, kako bikompresijski omjer u svim stupnjevima ostao isti. Kod grube regulacije dobave otvaranjemventila tetnom se prostoru dodaje jedan ili vie nepromjenjivih prostora 0V . Dodavanjem

tetnog prostora pomie se ordinata u indikatorskom dijagramu lijevo, mijenjajui tako toklinija ekspanzije i kompresije. Na p,V- dijagramu prikazan je sluaj kad su kompresorudodana dva tetna prostora, bV0 i cV0 . Potrebna veliina ukupnog tetnog prostora koja bi

p

V

puna dobava

podignuta ploica


22/24

TEHNIKA HLAENJA

111

osigurala da kompresor bude potpuno rastereen dobiva se izjednaavanjem izraza za 1 s

nulom, tj. 011

1

1

20 =

n

s p

p

V

Viz ega slijedi

1

1

1

2

0

=n

s

p

p

VV

Sl. 6.17. Skica izvedbe ip,V- dijagram za sluaj regulacije dobave promjenom veliinetetnog prostora a tetni prostor 0V ; b tetni prostor 0V + dodatni tetni prostor bV0 ; c

tetni prostor 0V + dodatni tetni prostor bV0 + dodatni tetni prostor cV0

Danas se zbog sloene i skupe izvedbe ova regulacija rijetko koristi, osobito za viecilindrinekompresore.

Regulacija iskljuivanjem pojedinih cilindara ako kompresor ima vie paralelnopovezanih cilindara, moe se dobava smanjiti djelominim iskljuivanjem. Kod viestepenihkompresora potrebno je ovu regulaciju provesti u svim stupnjevima. Ako je npr. dvostepenikompresor s 3 cilindra u prvom i 1 cilindrom u drugom stupnju, tada regulaciju drugogstupnja treba provesti na drugi nain. Ako je npr. 8 cilindrini, 6 cilindara u prvom i dva udrugom stupnju, pri smanjenju dobave na pola iskljuili bi tri cilindra u prvom i jedan udrugom stupnju.

6.1.9.3 Kontinuirana regulacija dobave

Ova je regulacija najbolja, ali je obino najskuplja.

Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom frekvencije napajanja mijenja se frekvencija napajanja pomou posebnih regulatora. Treba paziti na osiguranje

potrebnog zakretnog momenta elektromotora za pogon kompresora kod razliitih brojevaokretaja i na pomazivanje kod niih brojeva okretaja.

V0

V0b

V0c

V1

V2

p

V

a

a

b

b

c

c

Vs

abc


23/24

TEHNIKA HLAENJA

112

Regulacija s usisnim ventilom upravljanim izvana usisni se ventil dri otvoren najednom dijelu puta stapa prilikom kompresije, tako da se jedan dio usisanog plina odmahistiskuje natrag u usisni vod. Ova se regulacija mora kod viestepenih kompresora provesti usvim stupnjevima. Ostvaruje se pomou mehanikog poluja, upravljanog hidrauliki,

pneumatski ili elektromagnetski.

Sl. 6.18.p,V- dijagram za sluaj regulacije dobave izvana upravljanim usisnim ventilom

a puno optereenje; od a do b istiskivanje plina (ventil podignut), u b poinje kompresijaJo manja dobava je kad je od a do c istiskivanje plina i tek u c pone kompresija.

Vremenski promjenjiv dodatni tetni prostor Ako se predvidi dodatni tetni prostor kojiima podesivi stap (djelovanjem sila opruga i tlakova, ili upravljano izvana servomotorom)moe se omoguiti kontinuirana promjena veliine dodatnog tetnog prostora. Jedan primjerdan je na slici 6.16.

Kod pune dobave ventil b je zatvoren (dodatni je prostor iskljuen). Sila u opruzi je 0=F .Proces u dijagramu predoen je povrinom 1-2-3-4. Promjene su slijedee: 1-2 ekspanzija

plina iz tetnog prostora; 2-3 usis; 3-4 kompresija; 4-1 istiskivanje.

to je podeena sila u opruzi vea, to e dobava biti manja. Sila u opruzi je u ravnotei sasilom kojom mali stap d djeluje na oprugu. zs pAF= gdje je pA povrina stapa d, a zp tlak u

cilindru. Ventil b se zatvara kad je tlak u cilindru vei od zp i otvara kad je tlak u cilindru

manji od zp .U toki 6 se otvara ventil b, pa se ekspanzija nastavlja po liniji 6-2'. Kompresija tee od 3 do5, a u toki 5 se ventil b zatvara, tetni prostor je manji i kompresija tee po strmijoj liniji od5 do 4'. Novi je proces 1-6-2'-3-5-4'-1. Promjene su slijedee: 1-6 ventil b je zatvoren; 6-2'ventil b je otvoren; Za vrijeme usisa od 2' do 3 ventil b je otvoren, kao i za vrijeme kompresijeod 3 do 5; od 5 do 4' ventil b je zatvoren. Vidi se da je od 3 do 5 linija kompresije poloitijanego to bi bila da je ventil b zatvoren. Od 5 do 4' linija kompresije je strmija jer je tetni

prostor iskljuen.

pp

V

abc


24/24

TEHNIKA HLAENJA

Ako je dodatni tetni prostora dovoljno velik, moe se provesti kontinuirana regulacija od 0do 100% optereenja. Promjena sile opruge e moe se izvriti runim kolom ili pomouservomotora.

Sl. 6.19. Regulacija dobave s vremenski promjenjivim dodatnim tetnim prostorom

p1

p2

pz

pz1

pz2

1

2' 3

4

cd

5

4'

6

2

xy

Vmin

Vz

VsV0V0d

VsVa

a

bce

d

07_stapni_kompresori

Documents