Kompresory PDF - Past Paper

Termomechanika KOMPRESORY prof. Ing. Josef ŠTĚTINA, Ph.D. https://1url.cz/@ProStudenty http://termomechanika.online/ 31. 8. 2020...

Termomechanika KOMPRESORY prof. Ing. Josef ŠTĚTINA, Ph.D. https://1url.cz/@ProStudenty http://termomechanika.online/ 31. 8. 2020 Obor věnující se stlačování plynů je v moderním průmyslu velmi důležitý, poněvadž kompresory zasahují do všech odvětví lidské činnosti. Na pohon kompresorů se v celosvětovém měřítku vynakládá asi až 30 % celkové spotřeby elektrické energie, s níž je nutno velmi úsporně hospodařit. Proto v poslední době vznikají nové typy strojů a stále je vylepšována jejich konstrukce, což vede ke zdokonalování jejich energetických parametrů a smysluplnému využívání přiváděné energie. I když za první kompresor je považován ručně ovládaný měch z třetího tisíciletí před naším letopočtem, první ležatý pístový kompresor s Hoerbigerovými ventily byl postaven v roce 1894. Nedlouho potom již došlo i k průmyslové výrobě turbokompresorů v Anglii a Francii a také v roce 1907 ve Škodových závodech. První provozuschopný šroubový kompresor bezmazný byl postaven zásluhou švédského inženýra Alfréda Lysholma v roce 1934 a vývoj mazaných kompresorů začal až v roce 1959. V současnosti je stlačený vzduch používán k pohonu pneumatických motorů a mechanismů i k přímému použití. V procesním inženýrství připravují kompresory plyny k chemickým reakcím a umožňují jejich dopravu na velké vzdálenosti. Významné je využívání kompresorů v chladicí technice. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 1 Termomechanika ZÁKLADNÍ INFORMACE O KOMPRESORECH 2 http://termomechanika.online/ Kompresory spotřebovávají práci. Slouží ke stlačování plynů a par, nejčastěji vzduchu, chladiv chladicích zařízení apod. Stlačený vzduch se používá: K pohonu pracovních strojů (pneumatické nářadí, sbíječek, aj.) Přeplňování spalovacích motorů Spalovací turbíny Proudové motory Startování spalovacích motorů Pohon automobilů Ve vzduchových brzdách V automatizační technice K technologickým účelům Výkonnost je z hlediska využitelnosti kompresoru parametrem základním. Je definována jako objemový průtok plynu sacím hrdlem kompresoru dopravovaný až do spotřebiče. Dalším základním parametrem je tlakový poměr mezi vstupním a výstupním tlakem. Kompresory jsou stroje na stlačování plynů a par. Nejčastěji se jich používá na stlačování vzduchu. Stlačeného vzduchu se užívá k pohonu pneumatických nástrojů (kladiv, vrtaček atd.), k čištění odlitků pískem, k vhánění vzduchu do vysokých pecí, konvertorů, ke spouštění motorů, přeplňování spalovacích motorů, u spalovacích turbín apod. Výkonnost je z hlediska využitelnosti kompresoru parametrem základním. Je definována jako objemový průtok plynu sacím hrdlem kompresoru dopravovaný až do spotřebiče prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 2 Termomechanika DĚLENÍ KOMPRESORŮ PODLE PRINCIPU KOMPRESE 3 http://termomechanika.online/ Objemové kompresory Šroubový kompresor Palcový (Root) kompresor Pístový kompresor Rychlostní kompresory (energetické)) Radiální turbokompresor Axiální turbokompresor V pístovém a rotačním kompresoru se stlačuje nasátý plyn zmenšováním jeho objemu (objemové kompresory). U rychlostních kompresorů (turbokompresorů – energetických) se plyn urychluje v oběžném kole odstředivým zrychlením a v difuzéru stlačuje přeměnou kinetické energie v tlakovou. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 3 Termomechanika DĚLENÍ KOMPRESORŮ PODLE PRINCIPU KOMPRESE 4 http://termomechanika.online/ pístové s vratným membránové pohybem křídlové pracovního s volným elementu pístem kapalino-kružné ostatní s jedním objemové s valivým pístem rotorem (aerostatické) spirálové ostatní rotační KOMPRESORY šroubové odstředivé s dvěma lopatkové (radiální) a více zubové (turbo rotory osové ostatní rychlostní kompresory) (axiální) (aerodynamické) proudové (ejektory) V pístovém a rotačním kompresoru se stlačuje nasátý plyn zmenšováním jeho objemu (objemové kompresory). U rychlostních kompresorů (turbokompresorů – energetických) se plyn urychluje v oběžném kole odstředivým zrychlením a v difuzéru stlačuje přeměnou kinetické energie v tlakovou. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 4 Termomechanika IDEÁLNÍ 1-STUPŇOVÉ KOMPRESORY 5 http://termomechanika.online/ Ideální 1-stupňové kompresory jsou: Rotační kompresory Pístové kompresory bez škodného prostoru Práce kompresoru Příkon P [W] je funkcí [m3.s-1] Pro adiabatický děj Pro polytropický děj Pístový kompresor se skládá z válce, pístu a klikového mechanismu. Sání a výtlak se děje zpravidla lehkými samočinnými ventily. Při sacím zdvihu (4 — 1) se nasává atmosférický vzduch, který se při druhém zdvihu stlačuje po určitou část zdvihu (1 — 2) na potřebný tlak. Po zbývající část zdvihu (2 — 3) se vytlačuje stlačený vzduch při konstantním tlaku do potrubí. V pojednání o vratných dějích jsme poznali tři druhy komprese: izotermickou, adiabatickou a polytropickou. Největší kompresní technická práce je při změně adiabatické, nejmenší při izotermické. Polytropický exponent těchto mezních případů je n = ξ a n = 1. Skutečná polytropa má zpravidla hodnotu exponentu někde mezi 1až κ. (komprese s odváděním tepla). Jsou však možné komprese s exponentem n > x (komprese s přívodem tepla) a též teoreticky s exponentem n < 1, což je případ, kdy konečná kompresní teplota je menší než počáteční. Skutečná komprese je polytropická s proměnným exponentem (viz. skutečný kompresor). Konečná kompresní teplota závisí nejen na kompresním poměru, ale též na velikosti polytropického exponentu n. Polytropický exponent n závisí u téže látky na způsobu komprese. Při stejném plynu závisí na množství tepla, které se z plynu během komprese odvede chlazením. Čím je chlazení intenzivnější, tím je polytropický exponent, a tudíž i kompresní práce, menší. Polytropický exponent u vzdušných kompresorů chlazených vodou bývá v mezích n = 1,2 - 1,3, u nechlazených kompresorů v mezích n = 1,45 - 1,5. Technická kompresní práce At se rovná práci ideálního kompresoru, jímž rozumíme kompresor bez škodného prostoru. Uveďme různé druhy průběhu komprese v T—s diagramu, v němž je vidět, jaké množství tepla bylo během komprese odvedeno v porovnání s adiabatickou kompresí. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 5 Termomechanika PRINCIP ČINNOSTI SKUTEČNÉHO PÍSTOVÉHO KOMPRESORU 6 http://termomechanika.online/ Kompresory se škodným prostorem εO = V3/VZ poměrná velikost škodného prostoru VZ = V1-V3 zdvihový objem V41= V4-V1 nasávaný objem (V41 < VZ) Objemová účinnost ηO klesá s rostoucím tlakovým poměrem p2 / p1 Při periodickém opakování popsaného cyklu nastává při sacím zdvihu nejdříve expanze stlačeného vzduchu ze škodného prostoru (3—4), a teprve když bylo dosaženo sacího tlaku, nastane vlastní sání. Tím se zmenšuje teoretický sací zdvih na (4 — 1), takže kompresor nasává menší váhové množství plynu. Uvažujme kompresor s polytropickou kompresí a s polytropickou expanzí ze škodného prostoru. Velikost škodného prostoru vyjadřujeme poměrem jeho objemu, ke zdvihovému objemu. Tento poměr se nazývá poměrná velikost škodného prostoru. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 6 Termomechanika KOMPRESORY SE ŠKODNÝM PROSTOREM 7 http://termomechanika.online/ Teoretický příkon kompresoru při polytropické kompresi a expanzi Výkonnost je z hlediska využitelnosti kompresoru parametrem základním. Je definována jako objemový průtok plynu sacím hrdlem kompresoru dopravovaný až do spotřebiče. Dalším základním parametrem je tlakový poměr mezi vstupním a výstupním tlakem. Teplota po kompresi (z rovnice polytropy) Z důvodu vysoké teploty po kompresi pro dané mazivo (mezní hodnoty pro kvalitní mazivo bývají 180 až 200 °C pozor nebezpečí vzplanutí oleje) Z důvodu klesající objemové účinnosti při vyšších tlakových poměrech VOLÍME VÍCESTUPŇOVOU KOMPRESI Se stoupajícím tlakovým poměrem klesá účinnost kompresorů a zvyšuje se teplota plynu na konci komprese. Po stlačení v prvním stupni se plyn zavede do mezistupňového chladiče a po ochlazení proudí do pracovního prostoru válce vyššího stupně. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 7 Termomechanika 2-STUPŇOVÁ KOMPRESE 8 http://termomechanika.online/ Teoretický příkon pro oba stupně V jednostupňovém kompresoru vzhledem ke škodnému prostoru nemůžeme stlačit plyn na libovolný tlak. Zpravidla se jednostupňové kompresory konstruují pro poměr tlaků p2/p1 = 6 -8, výjimečně (u malých) až 10. Pro vyšší kompresní tlaky se provádí komprese ve více stupních tak, že v prvním stupni stlačíme plyn na tlak px, který je v druhém stupni (válci) tlakem počátečním. V druhém stupni se plyn komprimuje na tlak, který je opět počátečním tlakem třetího stupně. Stupňová komprese se provádí tak dlouho, až dosáhneme žádaného tlaku. Se stoupajícím kompresním poměrem roste teplota plynu, která nesmí přesáhnout určitou výši z důvodů bezpečnosti provozu. Proto se mezi jednotlivými stupni stlačený plyn ochlazuje v chladičích na původní teplotu (nebo na teplotu jen o málo vyšší) při konstantním tlaku. Ochlazením se zmenší též objem plynu, tím i rozměry kompresoru. Současně se zmenšuje potřebná kompresní práce a snížením příkonu provozní náklady. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 8 Termomechanika 2-STUPŇOVÁ KOMPRESE 9 http://termomechanika.online/ Po ochlazení v mezichladiči na T1X = T1 Jelikož požadujeme minimální příkon, musí být výraz v hranaté závorce minimální. Z takového řešení obdržíme optimální dělicí tlak px. Aby se stlačování alespoň částečně přiblížilo k ději izotermickému, provádí se u vícestupňových kompresorů mezistupňové chlazení, zpravidla po dvou nebo třech stupních. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 9 Termomechanika z-STUPŇOVÁ KOMPRESE 10 http://termomechanika.online/ Zavedeme substituci m=(n-1)/n, derivujeme Z dle pX a derivaci položíme rovnu nule Optimální tlakový poměr z-STUPŇOVÁ KOMPRESE - Tlakový poměr má být ve všech stupních stejný prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 10 Termomechanika z-STUPŇOVÁ KOMPRESE 11 http://termomechanika.online/ Stanovení kompresního poměru Stanovení počtu stupňů z’ zaokrouhlíme nahoru a dostaneme z Vypočítáme skutečný kompresní poměr Vypočítáme skutečný příkon kompresoru prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 11 Termomechanika DIAGRAM SKUTEČNÉHO KOMPRESORU 12 http://termomechanika.online/ Tlakové diagramy skutečných pístových kompresorů lze získat snímáním tlaku ve válci a snímáním úhlu pootočení klikové hřídele (přepočítává se na objem plynu ve válci). Po každém cyklu se nasává nový čerstvý vzduch, takže cyklus není ve skutečnosti uzavřen. Od teoretického cyklu se liší skutečný cyklus tím, že sání a výtlak při stálém tlaku p1 a p2 nejsou izobarické, mění se váhové množství vzduchu, a teploty, poněvadž během sání a výtlaku se i měrné objemy zůstávají beze změny. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 12 Termomechanika RYCHLOSTNÍ KOMPRESORY (ENERGETICKÉ) 13 http://termomechanika.online/ I. zákon pro otevřenou termodynamickou soustavu Izoentropický Pro rychlosti plynů do 30 m/s, lze členy odpovídající kinetické energii zanedbat. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 13 Termomechanika PŘÍKLAD 14 http://termomechanika.online/ 3 Výkonnost kompresoru je 150 m /hod při tlaku 1000 hPa a teplotě 25 °C. Tlakový poměr kompresoru je 4. Určete příkon kompresoru, teplotu vzduchu po stlačení. Stlačený vzduch je ochlazován ve vodním chladiči na teplotu 25 °C. Určete průtok vody, který je potřebný na uchlazení kompresoru a chladiče stlačeného vzduchu je-li povolené ohřátí vody 15 °C a) uvažujte kompresi jako izotermickou b) uvažujte kompresi jako adiabatickou c) uvažujte kompresi jako polytropickou n=1,3 Hmotnostní tok vzduch dodávaný kompresorem =0,0487 kg/s. Teplota na konci komprese =25 °C. Příkon kompresoru izotermický děj =-5.78 kW. Průtok vody pro chlazení kompresoru =0.092 l/s Teplota na konci komprese =169.9 °C. Příkon kompresoru adiabaticky děj =-7.087 kW. Průtok vody pro chlazení chladiče =0.113 l/s Teplota na konci komprese =137.4 °C. Příkon kompresoru polytropický děj =-6.807 kW. Průtok vody pro chlazení kompresoru a chladiče =0.108 l/s Pro rychlosti plynů do 30 m/s, lze členy odpovídající kinetické energii zanedbat. prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 14 Termomechanika 15 Vysoké Učení Technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav Technická 2, Brno 616 69 Brno, Česká republika Tel: +420 541 143 269 Email: [email protected] prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. 15