COMPRESOARE CU PISTON

COMPRESOARE  CU PISTON

Generalitati

Compresoarele fac parte din categoria masinilor consumatoare de energie (lucru mecanic), care servesc la ridicarea presiunii (comprimarea) si transportul gazelor si vaporilor.

īn functie de raportul de comprimare al masinii:

unde p_ref este presiunea de refulare, iar p     este presiunea de aspiratie, se

considera denumirile (datorate si diferentelor constructive):

-ventilatoare:     π_c

-suflante:           π_c = 1.20. ..3.50;

- compresoare: π_c =3. 5. ..100

- hipercompresoare:      π_c =100. ..500.

Ventilatoarele si suflantele care realizeaza transportul gazelor prin crearea unei depresiuni la ies 515d35f irea din canalul de gaze se numesc exhaustoare.

Clasificarea compresoarelor

Dupa principiul de functionare, compresoarele se pot clasifica īn compresoare volumice si compresoare dinamice.

In cazul compresoarelor volumice cresterea presiunii gazului se realizeaza prin īnchiderea gazului īntr-un anumit volum, micsorarea volumului ocupat de gaz pāna la valoarea corespunzatoare a presiunii si evacuarea gazului la aceasta presiune.

Compresoarele volumice sunt: a) cu piston; b) rotative; c) elicoidale.

In cazul compresoarelor dinamice procesul are loc īn doua etape:

- cresterea energiei cinetice a particulelor de gaz, prin intermediul unui rotor paletat;

- transformarea energiei cinetice īn energie potentiala de presiune.

Compresoarele dinamice sunt:

- centrifugale;

- axiale.

O alta clasificare se poate realiza īn functie de regimul de lucru:

- cu regim discontinuu (compresoare cu piston);

- cu regim continuu (compresoare rotative, centrifugale, axiale), īn cadrul acestui capitol se vor analiza doar procesele termodinamice corespunzatoare compresoarelor cu piston.

Ciclurile compresoarelor cu piston

Compresorul teoretic cu piston

Se considera un compresor construit dintr-un cilindru īn interiorul caruia de deplaseaza un piston, avānd o miscare alternativa datorita unui mecanism biela-manivela.

Ipoteze simplificatoare

- frecarea interna este neglijabila;

- inertia pistonului este neglijabila;

- se neglijeaza spatiul mort, ce reprezinta spatiul īn care se monteaza cele doua supape (de aspiratie si de refulare).

In aceste conditii pistonul descrie o cursa completa (ideala).

Principiul de functionare

La deschiderea treptata a supapei de aspiratie se creaza o depresiune īn cilindru fata de mediul exterior. Gazul patrunde īn cilindru prin supapa de aspiratie (S.A.). Odata cu umplerea cilindrului, presiunea exercitata de gaz asupra pistonului permite deplasarea acestuia spre punctul mort inferior (P.M.I.). Mecanismul biela-manivela (B.-M.) are rolul de a transforma miscarea de rotatie a arborelui cotit al compresorului īn miscare de translatie alternativa. La cursa inversa are loc īnchiderea S.A., comprimarea gazului, deschiderea supapei de refulare (S.R.) si evacuarea gazului din cilindru. Procesele simplificate sunt raportate la o masa constanta de gaz īn regim permanent, desi īn realitate masa de gaz este variabila la aspiratie si la refulare.

Procesele caracteristice sunt:

- aspiratia izobara;

- comprimarea;

-refularea;

- proces conventional izocor de egalizare a presiunilor.

Lucru mecanic consumat pe ciclu este:

L_c=L₁₂+L₂₃+L₃₄+L₄₁

Deoarece V3 = V4 = O , obtinem:

In cazul comprimarii 1-2 izotermice:

In cazul comprimarii 1-2 politropice:

unde  π_c=p₂/p₁

Puterea teoretica necesara antrenarii compresorului este:

P = m|l_c|           

unde consumul de energie mecanica pentru comprimarea unui kg de gaz este:

. pentru comprimarea izotermica:

|l_c| =RTlnπ

. pentru comprimarea politropica:

pentru comprimarea adiabatica:

Procesul de comprimare de la presiunea p₁ la presiunea p₂ > p_l

comprimare izotermica

l - 2_pol - comprimare politropica, l < n < k

l - 2_ad comprimare adiabatica

Compresorul tehnic cu piston

Compresorul tehnic cu piston functioneaza īn conditiile:

- existenta unui spatiu mort (vatamator) īn care se monteaza supapele, astfel īncāt cursa pistonului este mai redusa decāt īn cazul teoretic;

- pistonul are o masa inertiala, care influenteaza modul de deplasare a pistonului;

- apar frecari interne īntre piston si camasa cilindrului, ceea ce provoaca īncalzirea suplimentara a sistemului si reducerea vitezei pistonului.

īn concluzie, rezulta o cursa mai redusa a pistonului decāt cea teoretica si umplerea cu o cantitate mai mica de gaz a cilindrului.

Procesele din ciclul "real" sunt:

- aspiratie izobara;

- comprimare politropica (caracterizata de exponentul politropic n_c);

2-3 - refulare izobara;

3-4 - destindere politropica (caracterizata de exponentul politropic n_D).

Ciclul compresorului tehnic cu piston

Se definesc parametrii raportati:

- coeficientul spatiului mort (avānd valori de circa 3...8 %):

- coeficientul volumic (de debit) sau gradul de umplere al cilindrului:

- gradul de comprimare, dat de relatia (15.9):

Se considera īn continuare ipoteza simplificatoare

n_C=n_D=n,

care permite determinarea gradului de umplere μ* pentru care, īn conditiile date, rezulta un maxim pentru lucrul mecanic consumat (situatie de evitat!). De exemplu:

Presiunea de refulare a compresorului cu piston īntr-o treapta este limitata datorita urmatoarelor:

- temperatura gazului refulat nu trebuie sa depaseasca temperatura maxima admisibila a uleiului de ungere, īn caz contrar acesta se "arde", īsi pierde proprietatile de ungere si poate provoca blocarea compresorului;

- presiunile ridicate la refulare necesita masuri speciale de etansare si costuri ridicate de investitie, datorita utilizarii unor materiale termorezistente;

- consumul de energie pentru antrenarea compresorului īntr-o treapta este ridicat la presiuni de refulare mari, fiind inadmisibil din punct de vedere tehnico-economic.

Solutia rationala a obtinerii unor consumuri reduse de energie la presiuni de
refulare ridicate este aceea a utilizarii compresoarelor multietajate (cu mai multe
trepte de comprimare), cu racire intermediara.   

Compresorul teoretic cu piston, multietajat

Schema compresorului bietajat

K j, Kn - trepte (etaje de comprimare); R.I. - racitor intermediar; R.T. - rezervor tampon; V.R. - ventil de reglaj

Principiul de functionare

Gazul este aspirat īn compresorul K_I, unde este comprimat politropic la o presiune intermediara p_x, dupa care este racit in conditii practic izobare īn racitorul intermediar R.I., pāna la temperatura aspiratie īn K_I (īn conditii ideale).

Dupa racire, gazul este aspirat īn compresor K_II, unde este comprimat pāna la presiunea de refulare p₂. Deoarece compresor cu piston functioneaza discontinuu, gazul comprimat este stocat īn rezervorul tampon R.T., de unde este livrat la consumator.

- cazul comprimarii īn doua trepte, cu racire intermediara pāna la temperatura initiala (temperatura de aspiratie) reprezentat īn diagramele p-V siT-s.   

īn cele ce urmeaza se considera doar cazul unui compresor teoretic.

Lucrul  mecanic consumat de compresorul bietajat este dat de suma lucrurilor mecanice corespunzatoare fiecarei trepte:

L_c=L_I+L_II,          

Valoarea lucrului mecanic depinde de valoarea presiunii intermediare:

Lc=f(p_x)

Pentru N trepte de comprimare cu N-1 racitoare intermediare:

Coeficientii energetici ai compresorului

In functionarea reala a unui compresor tehnic apare un consum suplimentar de energie determinat de deschiderea treptata a supapelor, precum sid e existenta unei depresiuni la aspiratie si a unei suprapresiuni la refulare.

Procesul real este caracterizat prin Coeficientul de debit:

Procesul ideal de comprimare depinde de valoarea exponentului politropic n.

Distingem 2 cazuri:

Compresoare racite (n<k) pentru care procesul ideal de comprimare este cel izotermic

Comresoare neracite(n>k), pentru care procesul ideal de comprimare este cel adiabatic