Compresor de gaz: definiție, funcționare, tipuri și aplicații

Tipuri de compresoare

Există multe tipuri diferite de compresoare de gaz. Cele două categorii principale sunt:

• Compresoare cu deplasare pozitivă cu două subcategorii:
• Reciprocator
• Rotativ
• Compresoarele dinamice au, de asemenea, două subcategorii:
• Centrifugal
• Axial

Cele mai importante tipuri din fiecare dintre cele patru subcategorii sunt discutate mai jos.

Compresoare centrifuge

Compresoarele centrifuge utilizează un disc rotativ cu palete sau un rotor într-o carcasă profilată pentru a forța gazul să se apropie de marginea rotorului, mărind viteza gazului. O secțiune de difuzie (conductă divergentă) transformă energia vitezei în energie de presiune. Acestea sunt utilizate în principal pentru servicii continue, staționare, în industrii precum rafinăriile de petrol, uzinele chimice și petrochimice și uzinele de prelucrare a gazelor naturale. Aplicația lor poate fi de la 100 CP (75 kW) la mii de cai putere. Cu mai multe trepte, pot atinge presiuni de ieșire extrem de ridicate, mai mari de 10.000 psi (69 MPa).

Multe operațiuni mari de producere a zăpezii (cum ar fi o stațiune de schi) utilizează acest tip de compresor. De asemenea, acestea sunt utilizate în motoarele cu combustie internă ca supraalimentatoare și turbocompresoare. Compresoarele centrifuge sunt utilizate în motoarele mici cu turbine cu gaz sau ca etaj final de compresie al turbinelor cu gaz de dimensiuni medii.

Compresoare diagonale sau cu flux mixt

Compresoarele diagonale sau cu flux mixt sunt similare compresoarelor centrifuge, dar au o componentă de viteză radială și una axială la ieșirea din rotor. Difuzorul este adesea utilizat pentru a întoarce fluxul diagonal în direcția axială. Compresorul diagonal are un difuzor cu un diametru mai mic decât compresorul centrifugal echivalent.

Compresoare cu debit axial

Compresoarele cu flux axial utilizează o serie de palete rotative ale rotorului în formă de evantai pentru a comprima progresiv fluxul de gaz. Paletele statorice staționare, amplasate în aval de fiecare rotor, redirecționează fluxul către următorul set de palete de rotor. Suprafața de trecere a gazului scade de-a lungul compresorului pentru a menține un număr Mach axial aproximativ constant. Compresoarele cu flux axial sunt utilizate în mod normal în aplicații cu debit mare, cum ar fi motoarele cu turbine cu gaz de dimensiuni medii și mari. Acestea sunt aproape întotdeauna cu mai multe trepte. Dincolo de un raport de presiune de proiectare de aproximativ 4:1, se utilizează adesea geometria variabilă pentru a îmbunătăți funcționarea.

Compresoare cu piston

Compresoarele cu mișcare alternativă utilizează pistoane acționate de un arbore cotit. Acestea pot fi staționare sau portabile, pot fi cu una sau mai multe trepte și pot fi acționate de motoare electrice sau de motoare cu ardere internă. Compresoarele cu piston de mici dimensiuni, cu puteri cuprinse între 5 și 30 de cai putere (CP), sunt întâlnite în mod obișnuit în aplicațiile din domeniul auto și sunt destinate, de obicei, sarcinilor intermitente. Compresoarele cu piston mai mari, de până la 1 000 CP, sunt încă des întâlnite în aplicațiile industriale mari, dar numărul lor este în scădere pe măsură ce sunt înlocuite de diverse alte tipuri de compresoare. Presiunile de refulare pot varia de la presiune scăzută la presiune foarte ridicată (>5000 psi sau 35 MPa). În anumite aplicații, cum ar fi compresia aerului, se spune că compresoarele cu două trepte și dublu efect sunt cele mai eficiente compresoare disponibile, fiind de obicei mai mari, mai zgomotoase și mai costisitoare decât unitățile rotative comparabile.

Compresoare cu șuruburi rotative

Compresoarele cu șuruburi rotative utilizează două șuruburi elicoidale rotative cu deplasare pozitivă pentru a forța gazul să intre într-un spațiu mai mic. Acestea sunt utilizate de obicei pentru funcționare continuă în aplicații comerciale și industriale și pot fi staționare sau portabile. Aplicația lor poate fi de la 3 CP (2,24 kW) la peste 500 CP (375 kW) și de la presiune scăzută la presiune foarte ridicată (>1200 psi sau 8,3 MPa). Acestea sunt frecvent întâlnite la echipele de reparații rutiere care alimentează uneltele pneumatice. Acest tip este, de asemenea, utilizat pentru multe supraalimentatoare de motoare de automobile, deoarece se potrivește ușor cu capacitatea de inducție a unui motor cu piston.

Compresoare Scroll

Un compresor scroll, cunoscut și sub numele de pompă scroll și pompă de vid scroll, utilizează două palete spiralate intercalate pentru a pompa sau comprima fluide, cum ar fi lichidele și gazele. Geometria paletelor poate fi involută, spirală arhimedică sau curbe hibride. Acestea funcționează mai lin, mai silențios și mai fiabil decât alte tipuri de compresoare.

Adesea, una dintre role este fixă, în timp ce cealaltă orbitează excentric, fără a se roti, prinzând și pompând sau comprimând astfel buzunare de fluid între role.

Compresoare cu diafragmă

Un compresor cu membrană (cunoscut și sub numele de compresor cu membrană) este o variantă a compresorului alternativ convențional. Comprimarea gazului are loc prin mișcarea unei membrane flexibile, în locul unui element de admisie. Mișcarea înainte și înapoi a membranei este acționată de o tijă și de un mecanism cu arbore cotit. Doar membrana și cutia compresorului intră în contact cu gazul comprimat.

Compresoarele cu diafragmă sunt utilizate pentru hidrogen și gaz natural comprimat (GNC), precum și pentru o serie de alte aplicații.

Diverse

Compresoarele de aer vândute și utilizate de către publicul larg sunt adesea atașate deasupra unui rezervor pentru păstrarea aerului sub presiune. Sunt disponibile compresoare lubrifiate cu ulei și fără ulei. Compresoarele fără ulei sunt de dorit deoarece, fără un separator proiectat corespunzător, uleiul poate pătrunde în fluxul de aer. În anumite scopuri, de exemplu ca compresor de aer pentru scufundări, chiar și puțin ulei în fluxul de aer poate fi inacceptabil.

 
Figura 1: Un compresor centrifugal cu o singură treaptă  


O animație a unui compresor axial.  


Mecanismul unei pompe scroll  

Temperatura

Legea lui Charles spune că "atunci când un gaz este comprimat, temperatura crește". Există trei relații posibile între temperatură și presiune într-un volum de gaz supus comprimării:

• izotermă - gazul rămâne la o temperatură constantă pe tot parcursul procesului. În acest ciclu, energia internă este eliminată din sistem sub formă de căldură în aceeași măsură în care este adăugată prin munca mecanică de comprimare. Compresia sau expansiunea izotermă este favorizată de o suprafață mare de schimb de căldură, de un volum mic de gaz sau de o scară de timp lungă (adică un nivel de putere mic). În cazul dispozitivelor practice, compresia izotermă nu este, de obicei, realizabilă. De exemplu, chiar și o pompă pentru anvelope de bicicletă se încălzește în timpul utilizării.
• Adiabatic - În acest proces nu există transfer de căldură către sau dinspre sistem, iar toată munca furnizată se adaugă la energia internă a gazului, ceea ce duce la creșterea temperaturii și a presiunii. Creșterea teoretică a temperaturii este T₂ = T₁ -R_c^((k-1)/k)) , cu T₁ și T₂ în grade Rankine sau kelvins, iar k = raportul dintre căldurile specifice (aproximativ 1,4 pentru aer). Creșterea raportului dintre aer și temperatură înseamnă că comprimarea nu urmează un raport simplu între presiune și volum. Aceasta este mai puțin eficientă, dar rapidă. Compresia sau expansiunea adiabatică este favorizată de o bună izolație, de un volum mare de gaz sau de o scară de timp scurtă (adică un nivel de putere ridicat). În practică, va exista întotdeauna o anumită cantitate de flux de căldură, deoarece pentru a realiza un sistem adiabatic perfect ar fi nevoie de o izolare termică perfectă a tuturor părților unei mașini.
• Politropic - Aceasta presupune că căldura poate intra sau ieși din sistem și că munca de intrare în arbore poate apărea atât ca o creștere a presiunii (de obicei, muncă utilă), cât și ca o creștere a temperaturii peste cea adiabatică (de obicei, pierderi datorate eficienței ciclului). Eficiența ciclului este atunci raportul dintre creșterea temperaturii la 100 % teoretic (adiabatic) și cea reală (politropic).

 

Compresie etapizată

Deoarece comprimarea generează căldură, gazul comprimat trebuie răcit între etapele de comprimare, ceea ce face ca comprimarea să fie mai puțin adiabatică și mai izotermă. Răcitoarele dintre etaje provoacă condensare, ceea ce înseamnă că sunt prezente separatoare de apă cu supape de golire. Volantul compresorului poate acționa un ventilator de răcire.

De exemplu, într-un compresor tipic pentru scufundări, aerul este comprimat în trei etape. Dacă fiecare etaj are un raport de compresie de 7 la 1, compresorul poate emite o presiune de 343 de ori mai mare decât presiunea atmosferică (7 x 7 x 7 x 7 = 343 atmosfere).

 

Aplicații

Compresoarele de gaz sunt utilizate în diverse aplicații în care sunt necesare fie presiuni mai mari, fie volume mai mici de gaz:

• în transportul prin conducte al gazelor naturale purificate pentru a transporta gazele naturale de la locul de producție până la consumator.
• în rafinăriile de petrol, în uzinele de prelucrare a gazelor naturale, în uzinele petrochimice și chimice și în alte instalații industriale mari similare pentru comprimarea gazelor intermediare și a produselor finale.
• în echipamentele de refrigerare și de aer condiționat pentru a muta căldura dintr-un loc în altul în ciclurile de refrigerare: a se vedea refrigerare prin compresie de vapori.
• în sistemele de turbine cu gaz, pentru a comprima aerul de admisie pentru ardere
• în stocarea gazelor purificate sau fabricate într-un volum mic, butelii de înaltă presiune pentru utilizări medicale, de sudură și de altă natură.
• în numeroase procese industriale, de producție și de construcții pentru a alimenta toate tipurile de unelte pneumatice.
• ca mijloc de transfer de energie, de exemplu pentru a alimenta un echipament pneumatic.
• în aeronave presurizate pentru a asigura o atmosferă respirabilă la o presiune mai mare decât cea ambientală.
• în unele tipuri de motoare cu reacție (cum ar fi turboreactoarele și turbopropulsoarele) pentru a furniza aerul necesar pentru arderea combustibilului din motor. Puterea de acționare a compresorului de aer de combustie provine de la turbinele proprii ale avionului cu reacție.
• în scufundările SCUBA, terapia hiperbară cu oxigen și alte dispozitive de susținere a vieții pentru a stoca gazul de respirație într-un volum mic, cum ar fi în buteliile de scufundare.
• în submarine pentru a stoca aerul pentru a fi utilizat ulterior ca flotabilitate.
• în turbocompresoare și supraalimentatoare pentru a crește performanța motoarelor cu ardere internă prin concentrarea oxigenului.
• în transportul feroviar și în transportul rutier greu pentru a furniza aer comprimat pentru funcționarea frânelor și a diferitelor alte sisteme (uși, ștergătoare de parbriz, controlul motorului/cutiei de viteze etc.).
• în diverse utilizări, cum ar fi furnizarea de aer comprimat pentru umplerea anvelopelor pneumatice.

 

Pagini conexe

• Pneumatică
• Pompă
• Pompă de aer