KOMPRESORI

23

3. STAPNI KOMPRESORI (KOMPRESORI S OSCILIRAJUĆIM STAPOVIMA)

Sl. 3.1. Shematski prikaz konstrukcije stapnog kompresora Kompresor s oscilirajućim stapovima spada u širu grupu stapnih kompresora koji rade na volumetrijskom principu rada. Pored ovog kompresora, u stapne kompresore spadaju i kompresori s rotirajućim stapovima. Naziv stapni kompresor koristi se najčešće za kompresor s oscilirajućim stapovima, dok se za kompresore s rotirajućim stapovima uobičajeno koristi naziv rotorni kompresori. U cilindru kružnog poprečnog presjeka 1 oscilatorno se kreće stap (klip) 2, kao dio koljenastog mehanizma koji pored stapa i cilindra čine koljenasto vratilo 4, ojnica 3 s velikom i malom pesnicom, te temeljni i leteći ležajevi, uključujući i ležaj osovinice klipa. Stap prevaljuje stapaj čija je duljina rs 2= dva puta s tijekom jednog okretaja osnog koljena i pritom se zaustavla u gornjoj mrtvoj točki GMT i donjoj mrtvoj točki DMT. Kutna brzina vrtnje osnog koljena ω je konstantna, dok je broj okretaja, odnosno frekvencija vrtnje izražena kao

πω2

== nf

Brzina kretanja stapa mijenja se ovisno o kutu osnog koljena. U GMT (kut osnog koljena 0o) i DMT (kut osnog koljena 180o) njena je vrijednost 0=u , a najviša je za kut osnog koljena 90o i 270o.

1 – cilindar 2 – klip (stap) 3 – ojnica 4 – koljenasto vratilo 5 – kućište kompresora 6 – osno koljeno 7 – mazivo ulje 8 – ventilna ploča 9 – poklopac cilindra 10 – samoradni usisni ventil 11 – samoradni tlačni ventil 12 – usisni vod 13 – tlačni vod

KOMPRESORI

24

Između cilindra 1 i poklopca cilindra 9 smještena je ventilska ploča 8 sa samoradnim usisnim ventilom 10 i tlačnim ventilom 11. Ovi ventili omogućuju da na jednom dijelu puta stapa od GMT do DMT plin ulazi u cilindar iz usisnog voda 12, odmnosno da se na jednom dijelu puta stapa od DMT prema GMT komprimirani plin istiskuje u tlačni vod 13. Djelovanje stapnog kompresora prilagođuje se samo po sebi nametnutim vanjskim uvjetima rada. To znači da je kompresijski omjer 12 / ppx = u istom kompresoru promjenjiv i ovisan isključivo o tome kakav je tlak 1p u usisnom vodu ispred usisnog ventila, a kakav 2p iza tlačnog ventila. Kompresijski omjer je dakle veličina koja nije uvjetovana konstrukcijom ili veličinom stapnog kompresora, odnosno brzinom njegove vrtnje n . Konstrukcija stapnih kompresora je složena. Radi uvida u broj dijelova koji ulaze u sklop jednog stapnog kompresora, na slici 3.2 prikazano je kućište jednog otvorenog kompresora s ležajevima, brtvenicama, košuljicama cilindra, poklopcem cilindra, ventilima i drugim dijelovima, a na slici 3.3 prikazan je koljenasti mehanizam s koljenastom osovinom, ojnicom, klipovima i klipnim prstenima.

Sl. 3.2. Kućište i dijelovi otvorenog stapnog šesterocilindričnog kompresora

KOMPRESORI

25

Sl. 3.3. Koljenasti mehanizam šesterocilindričnog stapnog kompresora u W izvedbi 3.1. STUPANJ DOBAVE KOMPRESORA Dobava kompresora je ona količina plina ili pare koju dobavlja kompresor, i ukoliko nije drukčije spomenuto, ta se količina odnosi na stanje koje vlada na usisnom priključku kompresora.

Teoretska je dobava nzsdznVV st 4

2π==& [m3/s]

gdje je sdVs 4

2π= stapajni volumen, d promjer cilindra, s stapaj, z broj cilindara i n [s-1]

brzina vrtnje. Stvarna je dobava manja i jednaka je te VV && λ= .

KOMPRESORI

26

Stupanj dobave t

e

VV&

&=λ računa se kao 4321 λλλλλ = i manji je od 1.

Utjecaj štetnog prostora – uzima se u obzir kroz 1λ Iz konstrukcijskih razloga i razloga pogonske sigurnosti ne može se izbjeći mali prostor između stapa u GMT i glave cilindra. To je tzv. štetni prostor. On prvenstveno utječe na smanjenje dobave kompresora, dok na rad praktički ne utječe. S 0c označavamo omjer volumena štetnog prostora i stapajnog volumena.

ss

AsAs

VVc

S

0000 === (često se označava s 0ε , što smo izbjegli radi oznake faktora hlađenja)

Za kompresore uobičajene izvedbe 08,003,00 −=c . Kod viših tlakova i malog promjera cilindra ne mogu se ventili pogodno smjestiti, pa je )2,0(15,005,00 −=c . Indikatorski dijagram kompresora dan je na slici 3.4.

Sl. 3.4. Indikatorski dijagram jednostepenog procesa stvarnog kompresora

V

p

p2

p1

Va Vs1 Vb

Vs V0

Δp1 p1

p'1

p2 O

M2

M1

d 1'

GMT DMT

KOMPRESORI

27

Usisni i tlačni ventil rade automatski i otvaraju se uslijed razlike tlakova. Usisni se ventil otvara kod d, tj nešto malo ispod tlaka 1p . Uslijed toga što još nije do kraja otvoren, tlak i dalje pada do M1. U M1 ventil je potpuno otvoren. U 1' usisni se ventil zatvara. Kompresija teče od 1'. Kad stap prijeđe put koji odgovara volumenu bV postiže se tlak 1p u cilindru. Tlačni se ventil počinje otvarati u O, a maksimalno je otvoren u M2. Kad stap dođe u GMT, ostaje u cilindru 0V plina i tlačni se ventil zatvara. Kad se tlačni ventil zatvori, na putu stapa od GMT do d nema usisavanja, jer tu ekspandira plin iz štetnog prostora. Usisavanje se ne vrši na cijelom putu stapa s, već na putu s-a. Tlakovi pri usisu i istiskivanju nisu konstantni jer su i brzine strujanja različite zbog promjenjive brzine stapa, a na tlakove utječe i položaj pločice ventila (površina presjeka otvora ventila). Za 1λ vrijedi izraz

s

as

VVV −

=1λ

Kako je

n

a ppVVV

1

1

200 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=+

iz čega slijedi

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

1

1

20

n

A ppVV .

Uz S

A

VV

−=11λ dobiva se izraz za 1λ :

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 11

1

1

201

n

ppcλ , gdje je

SVVc 0

0 =

Iz gornjeg se izraza vidi da 1λ ovisi o volumenu aV , koji je ovisan o štetnom prostoru 0V i toku linije ekspanzije iz štetnog prostora. Što je veći aV , dobava je manja. Negativni, štetni utjecaj štetnog prostora biti će to veći što je veći volumen štetnog prostora 0V , što je

kompresijski omjer 1

2

pp veći, odnosno eksponent politropske ekspanzije plina iz štetnog

prostora n bliže jedinici (politropa bliže izotermi).

KOMPRESORI

28

Sl. 3.5. Utjecaj konačnog tlaka kompresije, veličine štetnog prostora i eksponenta politrope n

na stupanj dobave λ Utjecaj pada tlaka 1pΔ kod usisavanja - 2λ

aS

S

VVV−

= 12λ

Pad tlaka na usisnom ventilu je 111 ppp ′−=Δ .

Može se sa zadovoljavajućom točnošću izračunati 2λ kao 1

1

1

11

1

12 1

pp

ppp

pp Δ

−=Δ−

=′

=λ

Nešto detaljnija razrada prikazuje se u nastavku: Ako se pretpostavi izotermna promjena stanja, pri čemu vrijedi ( )( ) ( )bosos VVVpVVpp −+=+Δ− 111 onda se uvrštenjem u izraz za 2λ

p p p p2 p2 p2

p1 p1 p1

p'2

V V V Va V0 V0 Va Va

n=1

n=κ

p2 mali, slijedi

V0 velik, slijedi velik Va

n=1, slijedivelik Va

n=κ, slijedi manji Va

V0

KOMPRESORI

29

aS

S

VVV−

= 12λ

dobiva 1

1

1

02

11ppc Δ+

−=λ

λ

Ako se pak pretpostavi politropska promjena stanja,

1

1

1

11

0

0

)1()1( n

s

bs

ppp

cVVcV

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−=

+−+

slijedi ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ=

+ 1

1

10

1)1( p

pncV

V

s

b ,

pa se dobiva

1

1

11

02

11pp

nc Δ+

−=λ

λ .

Kod 10,005,00 −=c , 5,11 =n i 9,08,01 −=λ ( )1

12 8,09,01

ppΔ

−−=λ , pa kad se dozvoli

greška od 10-20% u maloj vrijednosti 1pΔ ¸ dobiva se 1

12 1

ppΔ

−=λ

Uzimajući u obzir utjecaj štetnog prostora i utjecaj pada tlaka kod usisa dobiva se indicirani stupanj dobave iλ

S

Si V

V 1=λ

baSS VVVV −−=1

211 λλλ ≅=

S

Si V

V

Utjecaj zagrijavanja kod usisa - 3λ Usisani se plin zagrijava od toplog usisnog ventila i stijenki cilindra, što uzrokuje povišenje temperature od 1T na usisnom priključku na 1′T . 1′T je temperatura na kraju usisa, odnosno na početku kompresije. Ovo povišenje temperature uzrokuje smanjenje dobave.

KOMPRESORI

30

1

13

′

=TTλ

Temperaturu 1′T je teško odrediti računskim putem. Ova temperatura ovisi o načinu hlađenja kompresora, omjeru tlakova (kompresijskom omjeru 12 / pp ), broju okretaja, veličini i izvedbi kompresora i ventila. Ovisnost 3λ o kompresijskom omjeru 12 / pp i eksponentu politrope n prikazana je na

sliedećoj slici. Kako je n

n

pp

TT

1

1

2

1

2

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= , slijedi da veći kompresijski omjer rezultira manjim 3λ ,

te da veći eksponent politrope n također rezultira manjim 3λ .

Sl. 3.6. Utjecaj eksponenta politrope n na stupanj dobave λ3 Za procjenu vrijednosti 3λ kod stapnih kompresora srednje veličine vrijedi empirijski izraz

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−= 1025,01

1

23 p

pλ

Utjecaj propusnosti - 4λ U stvarnom kompresoru postoji mogućnost propuštanja dijela mase plina za vrijeme komprimiranja mimo nedovoljno brtvljenog stapa i stijenke cilindra, kroz eventualno propusne usisne ventile, a također i uslijed protjecanja već komprimirane pare kroz tlačni ventil za vrijeme usisavanja (Vujić). Ovaj se gubitak uzima u obzir stupnjem propusnosti 4λ , koji se prema podacima u literaturi za kompresore u dobrom stanju kreće u granicama

98,095,04 −=λ . (Vujić) Povećanjem 0p

p opada vrijednost 4λ , a povećanjem broja okretaja

kompresora 4λ raste.

3λ

12 / pp

n=1,3

n=1,4

KOMPRESORI

31

Ukupni stupanj dobave λ Stupanj dobave 4321 λλλλλ = kreće se prema podacima u literaturi od 0,7 do 0,85, a ponekad je samo 6,0=λ . To ovisi o tipu kompresora. Podaci se mogu naći i za 97,093,02 −=λ pri temperaturi isparivanja –30oC, za 85,095,03 −=λ za kompresijske omjere u granicama

53−=x i za 98,095,04 −=λ . Utjecaj broja okretaja kompresora na λ Kompresor može raditi s promjenjivim brojem okretaja (npr. zbog regulacije njegove dobave). Ako isti kompresor radi s većim brojem okretaja od nominalnog, kraće vrijeme koje stoji na raspolaganju za dotok plina u cilindar, te veći otpori strujanja kroz ventile imaju za posljedicu smanjenje usisane količine plina, a time i stupnja dobave. Također se pri porastu broja okretaja iznad nominalnog za koji je kompresor projektiran, ventili zbog tromosti kasnije otvaraju i kasnije zatvaraju. Kasnije zatvaranje tlačnog ventila (iza GMT, na putu prema DMT) može uzrokovati povrat plina iz tlačnog kolektora u kome vlada tlak 2p u cilindar u kome je tlak već niži od 2p , a time i dodatno smanjenje stupnja dobave. Za svaki kompresor postoji optimalna brzina vrtnje n , za koju se dobiva najveća vrijednost stupnja dobave λ . Na slici su prikazani indikatorski dijagrami dobiveni računalnom simulacijom za kompresor projektiran za nominalnu brzinu vrtnje 17,241 =n s-1 pri nominalnoj brzini vrtnje (debela crta) i pri dvostruko većoj brzini vrtnje 33,482 =n s-1 .

Sl. 3.7. Indikatorski dijagram za različite brzine vrtnje kompresora (n2> n1) Utjecaj višekratne kompresije na stupanj dobave λ Jedan od razloga za primjenu višekratne kompresije kod većih kompresijskih omjera je i utjecaj štetnog prostora. Ako se izraz za 1λ izjednači s nulom,

p

V

p2

p1

n1

n2 n2> n1

KOMPRESORI

32

011

1

1

20 =⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

n

s pp

VV

vidi se da za neki zadani štetni prostor 0V , odnosno kompresijski omjer postoji određeni kompresijski omjer

n

s

VV

pp

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

01

2 1

iznad kojeg kompresor više ne može dobavljati plin. Što je veći 0V , to je taj kompreesijski omjer manji. Višekratna kompresija utječe na povećanje stupnja dobave λ .

1. Uslijed manjih kompresijskih omjera 1

2

pp manji je aV u odnosu na slučaj jednostepene

kompresije, a time je veći s

as

VVV −

=1λ

2. Kod višekratne kompresije, uslijed manjih kompresijskih omjera cilindri su hladniji, pa je i zagrijavanje plina od toplog cilindra manje. Time je 3λ veći.

3.2. IZMJENA TOPLINE IZMEĐU PLINA I STIJENKE CILINDRA Usisani plin miješa se u cilindru s plinom koji je zaostao u štetnom prostoru i grije se uslijed izmjene topline sa stijenkom cilindra koja je ugrijana za vrijeme kompresije. Sl. 3.8. Indikatorski dijagram s prikazom smjera toka topline pri promjenama stanja

V

p

I

II

κ<n

κ>n

KOMPRESORI

33

Pri gibanju stapa od GMT ka DMT dolazi do ekspanzije plina iz štetnog prostora, a nakon otvaranja usisnog ventila do usisa. Na putu od DMT ka GMT dolazi do kompresije, odnosno nakon otvaranja tlačnog ventila do istiskivanja plina. Kompresijom raste temperatura plina. Gibanjem stapa od DMT ka GMT, do točke II je temperatura plina u cilindru niža od temperature stijenke i toplina prelazi od stijenke cilindra na plin. Temperatura stijenke pada uslijed gubitka topline, a temperatura plina raste uslijed dovođenja topline i kao posljedica kompresije. Nakon točke II temperatura plina je viša od temperature cilindra, pa toplina počne prelaziti s plina na stijenku cilindra. Odvođenje topline od plina na stijenku cilindra traje tijekom istiskivanja, te na jednom dijelu puta stapa tijekom ekspanzije plina iz štetnog prostora. U točki I temperature stijenke i plina su jednake. Vidimo da je uslijed ove izmjene topline kod stvarnog kompresora kompresija politropska, s promjenjivim eksponentom politrope n . Od 1 do II kompresija je s κ>n (dovođenje topline), dok je od II nadalje kompresija s κ<n (odvođenje topline). Promjene stanja plina u T,s- dijagramu Sl. 3.9. Promjene stanja plina u T,s- dijagramu za kompresiju i ekspanziju prema sl. 84 Od 1-2 je kompresija usisanog plina od 1p do 2p . Na početku kompresije, od 1 do II toplina se plinu dovodi. To ima za posljedicu porast entropije. Pri ovoj je promjeni κ>n . Od II do 2 toplina se plinu odvodi. Entropija se smanjuje, κ<n . Zbog kompresije, temperatura plina i dalje raste. Rad potreban za kompresiju 1 kg plina od stanja 1 do stanja 2 predočen je površinom a-1-2-f-b-a u T,s- dijagramu. Od 3 do 4 je ekspanzija plina koji je zaostao u štetnom prostoru od 2p do 1p . Na početku ekspanzije temperatura ovog plina je 3T i vrijedi 23 TT < , jer je tijekom istiskivanja plinu

T

s

p2

p1

1

2 3

4 4'

II I

b c a d

f e

KOMPRESORI

34

odveden dio topline. Na početku ekspanzije, od 3 do I, toplina se plinu odvodi i entropija se smanjuje. Od I do 4 toplina se plinu dovodi, entropija mu raste, ali temperatura i dalje pada zbog ekspanzije. Rad potreban za ekspanziju 1 kg plina od stanja 3 do stanja 4 predočen je površinom d-4-3-e-c-d u T,s- dijagramu. Ekspanzija se može odvijati i od stanja 3 do stanja 4'. To je slučaj za velike štetne prostore i male kompresijske omjere. Ekspanzija od stanja 3 do stanja 4. odnosi se na slučaj malih štetnih prostora i većih kompresijskih omjera. Rad kompresije odnosi se na 1 kg usisanog plina, a rad ekspanzije na 1 kg plina zaostalog u štetnom prostoru. (to znači da se rad kompresora ne može izračunati kao razlika ova dva rada). 3. 3. STUPNJEVI DJELOVANJA Za vrijeme jednog stvarnog ciklusa izvrši se rad W koji se računa kao

∫−= VpW d . Rad ili snaga koju troši neki stapni kompresor određuje se pomoću indikatorskog dijagrama. Indikatorski dijagam je u suštini p,V- dijagram pa će površina koja na njemu obuhvati lik ciklusa biti u nekom mjerilu stvarni rad stvarnog kompresora kod kojeg su obuhvaćeni svi dosad spomenuti utjecaji, odnosno odgovarati će vrijednosti integrala iz gornjeg izraza. Indikatorski se dijagram može dobiti mjerenjem tlaka i pomaka stapa na kompresoru. Omjer indiciranog rada i stapajnog volumena naziva se specifični indicirani (unutrašnji) rad [J/m3] ili srednji indicirani (unutrašnji) tlak [Pa].

∫ ∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=−==

sssi V

VpVpVV

Lp dd1

Sl. 3.10. Indikatorski dijagram i srednji indicirani tlak

p

V

pi

VS

KOMPRESORI

35

Srednji indicirani tlak je onaj zamišljeni nepromjenjivi tlak koji bi, kad bi djelovao uzduž cijelog stapaja, trošio jednaki rad koji troši i stvarni kompresor promjera cilindra D i stapaja s . Na slici 3.10 je prikazan indikatorski dijagram površine A i odgovarajuća jednaka površina čija širina u nekom mjerilu odgovara stapajnom volumenu, a visina srednjem indiciranom tlaku ip . Iscrtkane površine na slici su jednake.

Indicirana se snaga (od stapa predana plinu) može računati po izrazu nspdP ii 4

2π=& za

jedan cilindar kompresora. Indicirani izentropski stupanj djelovanja

i

isiis P

P&

&=−η

isP& je snaga potrebna za izentropsku kompresiju.

iis−η pokazuje koliko je stvarni proces lošiji od idealnog (zbog viška rada za politropsku kompresiju, zbog otpora u usisnim i tlačnim ventilima, zbog zagrijavanja, propusnosti, nedovoljnog hlađenja kod višestupanjskih kompresora). Mehanički stupanj djelovanja

e

im P

P&

&=η

gdje je eP& snaga na pogonskom vratilu kompresora.

mη obuhvaća gubitke trenja i ovisi o izvedbi, podmazivanju i održavanju.Kod višestupanjskih kompresora mη je to veći što je niži omjer tlakova u pojedinom stupnju. Dobre izvedbe 96,09,0 −=mη Višestupanjski kompresori 93,088,0 −=mη Mali jednoradni kompresori 85,0=mη Izentropski stupanj djelovanja

e

isis P

P&

&=η

Slijedi is

ise

PP

η

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

KOMPRESORI

36

Izentropski stupanj djelovanja isη sadrži u sebi i mehanički stupanj djelovanja

e

is

e

i

i

ismiisis P

PPP

PP

&

&

&

&

&

&=== − ηηη

Izotermni stupanj djelovanja Na isti način kao i za izentropski, može se provesti usporedba izotermnog idealnog procesa sa stvarnim.

Indicirani izotermni stupanj djelovanja i

iziiz P

P&

&=−η

Izotermni stupanj djelovanja e

iziz P

P&

&=η

e

iz

e

i

i

izmiiziz P

PPP

PP

&

&

&

&

&

&=== − ηηη .

3.4. RAZVODNI SUSTAVI KOMPRESORA 3.4.1. SAMORADNI VENTILI

Samoradni ventili su razvodni organi specifični za većinu stapnih kompresora. Gotovo svi stapni kompresori imaju samoradne ventile na usisnoj i na tlačnoj strani. Iznimku čine jedino rotorni kompresori kod kojih se ili ugrađuje samo tlačni ventil ili nema niti jednog ugrađenog samoradnog ventila. Djeluju kao protupovratni ventili tj. propuštaju plin samo u jednom smjeru. Usisni ventil tako propušta plin iz usisnog voda u cilindar, a tlačni ventil iz cilindra u tlačni vod. Usisni i tlačni ventil čine razvodne organe koji omogućavaju da tijekom puta stapa od GMT do DMT plin kroz usisni vod ulazi u cilindar tj. da se vrši usisavanje, a nakon kompresije, na dijelu puta od DMT do GMT, ventili omogućavaju izlaz plina iz cilindra kroz tlačni vod tj. istiskivanje plina. Tijekom usisavanja plina tlak u cilindru je niži od od tlaka usisnog voda zbog pada tlaka na usisnom ventilu. Tijekom istiskivanja tlak u cilindru je viši od tlaka tlačnog voda, također zbog pada tlaka u tlačnom ventilu. Djelovanje stapnog kompresora prilagođuje se zbog navedenog samo po sebi nametnutim vanjskim uvjetima rada. To znači da je kompresijski omjer 12 / ppx = u istom kompresoru promjenjiv i ovisan isključivo o tome kakav je tlak 1p u usisnom vodu ispred usisnog ventila, a kakav 2p iza tlačnog ventila. Kompresijski omjer je dakle veličina koja nije uvjetovana konstrukcijom ili veličinom stapnog kompresora, odnosno brzinom njegove vrtnje n . Samoradni ventili otvaraju se automatski, već kod malih razlika tlakova. Postoje različite izvedbe ovakvih ventila.

KOMPRESORI

37

Izvedba s koncentričnim rasporima Ova se izvedba sastoji iz:

• sjedišta ventila • pločice • opruge • odbojnika (graničnika)

Sl. 3.11. Izvedba ventila stapnog kompresora s koncentričnim rasporima

• Sjedište ventila mora biti izrađeno iz kvalitetnog lijevanog željeza. Opterećeno je udarcima pločice, a kroz otvore na sjedištu ventila struje plinovi velikom brzinom. Kod viših tlakova sjedište se izrađuje i iz čelika.

• Ventilska pločica je najosjetljiviji dio ne samo ventila već i cijelog kompresora. Može biti izvedena iz jednog komada s odgovarajućim rasporima, ili iz više prstena, čija je prednost da imaju maju masu i lakše se obrađuju. Često su izvedene kao opruge. Pločice moraju imati veliku otpornost na udar i čim je moguće manju masu. Debljina pločice ovisi o veličini ventila i tlaku, a kreće se od 0,8 do 4 mm. Pločice se izrađuju iz legiranih čelika. Na slici je prikazana osnovna izvedba. Kod nekih se izvedbi između pločice i opruge postavlja još pločica namijenjenih prigušenju udara pri nalijeganju na odbojnik.

• Opruge su potrebne za brzo i sigurno zatvaranje ventila. Ne smiju prouzročiti veliki otpor kod otvaranja. One također kod otvaranja sprečavaju udarac pločice na odbojnik. Rade se iz kvalitetnog čelika za opruge.

• Odbojnik služi za ograničenje podizaja pločice i za pridržavanje opruga. Često se koristi i za vođenje pločica. Izrađuje se iz lijevanog željeza ili čelika.

1 – sjedište ventila 2 – pločica ventila 3 – opruga 4 – prigušna pločica 5 – odbojnik 6 – vijak 7 – krunasta matica 8 – prsten

1

5

8

3

4

2 Sklop ventila

Pločica

6 7

KOMPRESORI

38

Izvedba s ravnim rasporima Samoradni ventili sa ravnim rasporima vrlo su raširena vrsta ventila. Smještaju se u cilindar na isti način kao i ventil s koncentričnim rasporom. Konstrukcijski su nešto jednostavniji i imaju manje dijelova. U sjedištu ventila urezani su ravni raspori koji se zatvaraju pomoću slične ventilne pločice. Pločicu pritišću lisnata ventilna pera koja se oslanjaju na ventilni odbojnik. Podizanje ventilnih pločica određeno je debljinom uloška koji ujedno služi i za vođenje pločice. Svaka pločica vodi se zasebno što iziskuje vrlo preciznu i kvalitetnu obradu dijelova kako ne bi došlo do zaglavljivanja ili loma pločice. Kod nekih vrsta ovog tipa ventila, ventilna pločica i ventilno pero složeni su u jedan element što pojednostavljuje konstrukciju.

Sl. 3.12. Izvedba ventila stapnog kompresora s ravnim rasporima Lamelni ventili Lamelni ventili namijenjeni su uglavnom manjim stapnim kompresorima koji se u hermetičkoj ili poluhermetičkoj izvedbi ugrađuju u manje rashladne uređaje. U ventilnoj ploči nalaze se provrti usisnog i tlačnog ventila koje zatvaraju lamelne pločice tlačnog i usisnog ventila. Pločice su vrlo tanke i elastične te svojim progibom oslobađaju usisne odnosno tlačne otvore pa posebne opruge nisu potrebne. Podizaj tlačne pločice ograničen je stremenom koji je pomoću svornjaka, opruga i osigurača upet za ventilnu ploču. Zatici služe za pozicioniranje pločice usisnog ventila, ali i cijelog ventilskog sklopa s obzirom na cilindar. Ventil se učvršćuje stezanjem između poklopca cilindra i samog cilindra.

Sl. 3.13. Lamelni ventili stapnog kompresora - shematski prikaz

Presjek A-A

Presjek B-B

Presjek C-CProstorni pogled

1 – ventilna ploča 2 – lamelna pločica tlačnog ventila 3 – lamelna pločica usisnog ventila

2

3

1

KOMPRESORI

39

Sl. 3.14. Izvedba ventilske ploče i tlačnog lamelnog ventila stapnog kompresora Ravnostrujni ventili Lamelni ventili, kao i oni sa ravnim i koncentričnim rasporima imaju zajedničku značajku da je struja plina prilikom prolaska kroz njih prisiljena naglo skretati. Nakon što je prošla raspore u ventilnoj ploči, struja plina treba zaobići ventilnu pločicu te potom proći i kroz raspore u odbojniku. To predstavlja dva uzastopna skretanja struje za 90°, što utječe na pad tlaka u ventilu i volumetrijske gubitke.

Sl. 3.15. Izvedba ravnostrujnog ventila okruglog presjeka Ravnostrujni ventili smanjuju gubitke nastale uzastopnim skretanjem struje plina za 90°. Kanali za prolaz plina usmjereni su gotovo okomito na ventilski sklop, a sama ventilna pločica također prati taj smjer. Ventilne pločice ukliještene su između segmenata ventila i djeluju na sličan način kao u lamelnom ventilu. Odlikuju se nešto manjim gubicima

usisni

tlačni

brtva glave cilindra

graničnik tlačnog ventila

brtva ventilne ploče

vijak i osigurač tlačnog ventila

tlačni ventil ventilna ploča

sklop ventilne ploče

KOMPRESORI

40

prigušivanja. Kao posljedica veće debljine ventilne ploče pojavljuje se veći štetni prostor, a time i slabiji volumetrijski stupanj djelovanja uzrokovan štetnim prostorom. Etažni ventili Etažni ventili koriste se kod višestupanjskih kompresora kod kojih u završnim stupnjevima kompresije često dolazi do nedostatka prostora za smještaj ventila. Sadrže po dva ili više usisnih odnosno tlačnih ventila smještenih jedan iznad drugog. Time se na maloj tlocrtnoj površini ostvaruju velike površine presjeka otvora ventila ali se bitno povećava i štetni prostor.

Sl. 3.16. Izvedba etažnog ventila Zahtjevi koji se postavljaju pred ventile su brojni:

• Masa pločice treba biti što manja, tako da sile uslijed ubrzanja kod otvaranja i zatvaranja ventila budu što manje i da udarac pločice na sjedište i odbojnik bude što manji.

• Presjeci za strujanje trebaju biti što veći, kako bi pad tlaka bio čim manji. • Mala ugradbena mjera. • Velika pogonska sigurnost i trajnost.

Treba paziti i na izbor maziva, da ne bi došlo do zauljivanja ventila (sljepljivanje). Ventili se mogu smjestiti u glavi cilindra ili u samom cilindru. Ukoliko presjek jednog ventila nije dovoljan, može se uzeti više njih. Usisni i tlačni ventili obično su jednaki, kako bi broj rezervnih dijelova bio manji. Kod tlačnih je ventila vrijeme otvorenosti kraće, jer je i manji volumen plina koji kroz njih mora proteći. Ima izvedbi kod kojih su usisni i tlačni ventili ujedinjeni u jedno kućište radi boljeg iskorištenja prostora. Kod kompresora niskog tlaka je često se usporedno smještaju usisni i tlačni ventil u poklopac cilindra. Kod takvih su kompresora, zbog male gustoće plina, dopuštene veće brzine plina i i veći podizaj pločice. Zbog toga ventili ne smiju premašiti radijus cilindra i ne smiju biti veliki. Time ovakav smještaj ventila omogućava najmanji udio štetnog prostora. Kod visokotlačnih kompresora, u višim stupnjevima komprimiranja, ventile je zbog malog promjera cilindra potrebno smjestiti jedan nasuprot drugome. Takva konstrukcija omogućava mnogo veće udjele štetnog prostora, a samim time i veće volumetrijske gubitke. Usporedni i nasuprotni smještaj ventila olakšavaju nadzor i održavanje ventila jer je vađenje i umetanje ventila moguće bez odvajanja usisnog od tlačnog voda.

KOMPRESORI

41

Korištenjem koncentričnih konstrukcija omogućeno je bolje iskorištenje raspoloživog prostora. Kod ovoga konstrukcijskog tipa prstenasti tlačni ventil obuhvaća usisni ventil dok je cijeli sklop pritisnut vijcima i čahurom na dosjednu plohu u cilindru kompresora. Kod rashladnih kompresora česta je izvedba koncentričnog ventilskog sklopa. Ventilna ploča tlačnog ventila zatvara cilindar pritisnuta samo oprugom i na taj je način osigurano odizanje cijelog ventilskog sklopa u slučaju hidrauličkog udara. Usisni je ventil pomaknut na veći promjer oboda cilindra, čime su dobiveni veći presjeci za prestrujavanje plina u cilindar. Kod dvoradnih strojeva ugradnja ventila u poklopac cilindra na strani križne glave nije moguće i tada se ventili, radi simetrije, ugrađuju bočno u stijenku cilindra. Moguće su izvedbe sa ventilima okomitim na os cilindra i usporednim sa osi cilindra. Obje izvedbe daju nešto veće udjele štetnog prostora od izvedbi sa ventilima u poklopcu cilindra.

Sl. 3.17. Smještaj samoradnih ventila u poklopcu cilindra

KOMPRESORI

42

Sl. 3.18. Smještaj samoradnih ventila u stijenku cilindra

KOMPRESORI

43

Proračun ventila

Sl. 3.19. Uz proračun samoradnih ventila s koncentričnim rasporima Tijekom usisa ili istiskivanja treba biti zadovoljena jednadžba kontinuiteta, tj. protok kroz cilindar jednak je protoku kroz sjedište ventila.

sisim uAAu =

4

2πdA = - površina stapa

mu - srednja stapna brzina, koja se izračunava kao

snum 2= gdje je s [m] stapaj, a n [s-1] broj okretaja koljenastog vratila.

siA - površina otvora u sjedištu ventila - stvarni prolazni presjek za strujanje

siu - srednja brzina plina kroz sjedište ventila Iz jednadžbe kontinuiteta slijedi

si

msi u

AuA =

b1

dm1

b2

hmax h

dm2

usp

KOMPRESORI

44

Stvarni prolazni presjek za strujanje plina manji je za površina mostića koji povezuju pojedine segmente raspora jednog prstena od površine '

siA , koja se za primjer prikazan na slici 3.23.

izračunava kao:

∑=+=′ bdbdbdA mmmsi πππ 2211 Obično je bbb == 21 , pa vrijedi

∑=′ msi dbA π Dakle, zbog udjela mostića koji povezuju segmente raspora stvarna površina za strujanje računa se kao:

ϕsi

siAA′

= - (faktor 1>ϕ )

U ovisnosti o tlaku i izvedbi ventila ϕ se kreće u granicama od 1,2 do 1,35, što znači da je za 20 do 35% umanjena površina zbog veza prstenastih otvora. Za kružne prstenaste otvore bez učvršćenja sisi AA =′ , a inače je sisi AA >′ . Površina raspora rA za podignutu pločicu je:

( ) ( ) ( ) ( )[ ] ∑=++−+++−= mmmmmr dhhbdbdbdbdA πππππ 22211 pri čemu je bbb == 21

Odnos površina bh

dbdh

AAx

m

m

si

rv

ϕϕππ 22

===∑∑

Odatle slijedi podizaj pločice

ϕ2vbxh =

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

sljedeće:

3,0=vx za brzohodne kompresore 7,0=vx za sporohodne kompresore

KOMPRESORI

45

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

Sl. 3.20. Podizaj pločice h u ovisnosti o broju okretaja i tlaku.

spu - brzina strujanja kroz raspore. Brzine spu ne smiju biti prevelike, kako bi se prigušenje prilikom usisavanja odnosno istiskivanja zadržalo u zadovoljavajućim granicama. Na sljedećem su dijagramu prikazane maksimalne brzine spu , u ovisnosti o vrsti plina i tlaku. (pad tlaka je razmjeran kvadratu brzine i gustoći plina, a gustoća je ovisna o tlaku).

Sl 3.21. Maksimalne brzine spu , u ovisnosti o vrsti plina i tlaku

1 2 4 6 10 20 40 60 100 200 400 600 1000 p bar

usp ms-1

0

10 20

30 40

50 60 70 80

90

100

110

120

vodik

amonijak

freon (tlačni v.)

freon (usisni v.)

zrak

6 5

4

3

2

1

0,6 100 200 300 400 500 1000 2000

n min-1

p = 1bar

25

1050

100200

5000.8

h [mm]

KOMPRESORI

46

3.4.2. RAZVOD S RASPORIMA Na tlačnoj je strani ventil, a umjesto usisnih ventila su ugrađeni raspori u cilindru. Ovakav se razvod primjenjuje uglavnom kod kompresora malih rashladnih uređaja, jer su gubici u odnosu na slobodan razvod veći. Ostvaren je uzdužni protok komprimiranog plina kroz cilindar.

Sl. 3.22. Razvod s rasporima Kod kretanja stapa iz GMT prema DMTplin zaostao u štetnom prostoru ekspandira (promjena 1 –2). Tlak u cilindru padne dosta niže od tlaka na usisnom priključku. Dok se raspori ne oslobode, nema usisavanja. Nakon otvaranja raspora napuni se cilindar na tlak 1p (promjena 2 – 2’). Od 2 do 3 stap se kreće ka DMT, a od 3 do 2 stap se kreće od DMT ka GMT, ali usis još uvijek traje. U 2’ raspori se zatvore i kompresija može početi. Potreban je rad veći nego kod razvoda s automatskim ventilima.

p

V

p1 2'

1

2

3

DMT GMT

TV

raspor

KOMPRESORI

47

3.5. REGULACIJA DOBAVE STAPNIH KOMPRESORA Potrebna dobava kompresora nije uvijek jednaka dobavi za koju je kompresor odabran. Kod rashladnih kompresora je rashladno opterećenje promjenjivo i nije jednako rashladnom učinku za koji je instalacija projektirana. Slično je i kod proizvodnje stlačenog zraka za prijenos energije ili rad uređaja automatske regulacije, ali i u svim ostalim primjenama gdje je potrebno komprimiranje. Zbog toga je potrebna regulacija dobave kompresora. Količina plina koju kompresor dobavlja u nekom vremenu t jednaka je

nztVtVV sλ== & Iz gornje jednadžbe vidi se da dobavu možemo mijenjati promjenom vremena rada kompresora t , promjenom brzine vrtnje n , promjenom broja radni cilindara z ako se radi o kompresoru s više cilindara i promjenom stupnja dobave λ . Razlikujemo:

1. Povremeni prekid pune dobave 2. Grubu regulaciju dobave 3. Kontinuiranu regulaciju dobave

Ukupna dobava u vremenu rada kompresora uvijek treba biti jednaka potrošnji, samo se razlikuje vrijeme rada i trenutna dobava kod pojedinih slučajeva regulacije.

tVtVtVtVp 32211&&&& ===

Sl. 3.23. Regulacija dobave kompresora

V&

t

3V&

pV&

1V&

2V&

KOMPRESORI

48

3.5.1. POVREMENI PREKID PUNE DOBAVE 3.5.1.1. Povremeno uključivanje i isključivanje Djeluje se na pogonski motor kompresora. Tlak u spremniku plina ili temperatura u hlađenoj prostoriji mijenjati će se tijekom vremena unutar zadanih granica. Učestalost promjena između gornje i donje dozvoljene vrijednosti tlaka ili temperature ovisi o potrošnji plina ili rashladnom učinku i o razlici gornje i donje granice temperature ili tlaka. 3.5.1.2. Povremeno potpuno zatvaranje usisnog voda Djeluje se na ventil koji zatvara usisni vod, dok kompresor nastavlja raditi u praznom hodu. Kod višestupanjskih je kompresora ovo potrebno napraviti samo na niskotlačnom stupnju. Zbog većeg podtlaka u cilindru može doći do usisavanja ulja. Indikatorski je dijagram prikazan na sljedećoj slici.

Sl. 3.24. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave zatvaranjem usisnog voda 3.5.1.3. Povremeno držanje usisnih ventila sa stalno podignutim pločicama Djeluje se na usisni ventil, tako da se pločica drži podignutom pomoću hvatača ili podizača. Držanje usisnih ventila sa dignutim pločicama potrebno je provesti u svim stupnjevima i na svim cilindrima kompresora ako se želi ostvariti prekid pune dobave. Usisani se plin vraća u usisni vod, a p,V- dijagram izgleda kao na slici. Sl. 3.25. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave podizanjem pločice usisnog ventila

p

V

puna dobava

prazni hod

p

V

puna dobava

podignuta pločica

KOMPRESORI

49

Kod prijelaza od praznog hoda na puno opterećenje, hvatač oslobodi pločicu i ventil se počne automatski zatvarati i otvarati. Ovo nije podesno kod velikih kompresora koji imaju puno usisnih ventila. Hvatač ili podizač mogu biti s pneumatskim ili hidrauličkim pogonom. Na slijedećoj slici prikazan je mehanizam jednog uređaja za držanje otvorenog usisnog ventila s hidrauličkim pogonom. Tlak ulja djeluje na stap 10 u hidrauličkom cilindru 8. Stap preko poluge 5 pomiče prsten 4 i s njime spojen prsten 1. Prsten 1 preko podizača 7 podiže pločicu usisnog ventila 6. Ovo se isključivanje može provesti i na pojedinim cilindrima radi ostvarenja grube regulacije dobave.

Sl. 3.26. Mehanizam za podizanje pločice usisnog ventila

3.5.2. GRUBA PROMJENA DOBAVE 3.5.2.1. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom broja polova elektromotora Ova je regulacija moguća jer je dobava kompresora prema naprijed spomenutom izrazu proporcionalna broju okretaja n . Ta proporcionalnost nije direktna, jer se sa smanjenjem broja okretaja povećava stupanj dobave λ , odnosno stupanj dobave se smanjuje s povećanjem n . Danas se za pogon kompresora koriste najčešće asinhroni motori. Njihova je

brzina vrtnje određena izrazom pfn = [s-1], gdje je f frekvencija izmjenične struje, a p broj

pari magnetskih polova. Kad se govori o gruboj promjeni dobave, misli se na mogućnost promjene broja magnetnih polova asinhronog motora prekopčavanjem broja pari polova motora s više pari polova. Time je moguća samo gruba regulacija dobave u skokovima mogućih brzina vrtnje. U novije vrijeme učestalo se koriste regulatori frekvencije napajanja, koji mogu osigurati kontinuiranu promjenu broja okretaja kompresora.

ulje pod tlakom

1

2

3

4

5

6 7

8 9 10

11

KOMPRESORI

50

3.5.2.2. Regulacija promjenom veličine štetnog prostora Ovom se regulacijom utječe na stupanj dobave λ . Kod višestupanjskih se kompresora mora sprovesti u svim stupnjevima, kako bi kompresijski omjer u svim stupnjevima ostao isti. Kod grube regulacije dobave otvaranjem ventila štetnom se prostoru dodaje jedan ili više nepromjenjivih prostora 0VΔ . Dodavanjem štetnog prostora pomiče se ordinata u indikatorskom dijagramu lijevo, mijenjajući tako tok linija ekspanzije i kompresije. Na p,V- dijagramu prikazan je slučaj kad su kompresoru dodana dva štetna prostora, bV0Δ i cV0Δ . Potrebna veličina ukupnog štetnog prostora koja bi osigurala da kompresor bude potpuno rasterećen dobiva se izjednačavanjem izraza za 1λ s nulom, tj.

011

1

1

20 =⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

n

s pp

VV

iz čega slijedi

1

1

1

2

0

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

n

s

pp

VV

Danas se zbog složene i skupe izvedbe ova regulacija rijetko koristi, osobito za višecilindrične kompresore.

Sl. 3.27. Regulacija dobave promjenom veličine štetnog prostora

p

V

a

a

b

b

c

c

Vs

a b c

V0

ΔV0b

ΔV0c

V1

V2

a – štetni prostor 0V b– štetni prostor 0V + dodatni štetni prostor bV0Δ c– štetni prostor 0V + dodatni štetni prostor bV0Δ + dodatni štetni prostor

VΔ

KOMPRESORI

51

3.5.2.3. Regulacija isključivanjem pojedinih cilindara Ako kompresor ima više paralelno povezanih cilindara, može se dobava smanjiti djelomičnim isključivanjem. Kod višestupanjskih kompresora potrebno je ovu regulaciju provesti u svim stupnjevima. Ako je npr. dvostupanjski kompresor s 3 cilindra u prvom i 1 cilindrom u drugom stupnju, tada regulaciju drugog stupnja treba provesti na drugi način, npr. 2.2. Ako je npr. 8 cilindrični, 6 cilindara u prvom i dva u drugom stupnju, pri smanjenju dobave na pola isključili bi tri cilindra u prvom i jedan u drugom stupnju. 3.5.3. KONTINUIRANA REGULACIJA DOBAVE Ova je regulacija najbolja, ali je obično najskuplja 3.5.3.1. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom frekvencije napajanja Mijenja se frekvencija napajanja pomoću posebnih regulatora. Treba paziti na osiguranje potrebnog zakretnog momenta elektromotora za pogon kompresora kod različitih brojeva okretaja i na pomazivanje kod nižih brojeva okretaja. 3.5.3.2. Regulacija s usisnim ventilom upravljanim izvana Usisni se ventil drži otvoren na jednom dijelu puta stapa prilikom kompresije, tako da se jedan dio usisanog plina odmah istiskuje natrag u usisni vod. Ova se regulacija mora kod višestupanjskih kompresora provesti u svim stupnjevima. Ostvaruje se pomoću mehaničkog polužja, upravljanog hidraulički, pneumatski ili elektromagnetski. Sl. 3.28. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave izvana upravljanim usisnim ventilom

p p

V

a b c

Puno opterećenje - a Smanjena dobava b a do b – istiskivanje plina u usisni vod (ventil otvoren), u b – počinje kompresija Smanjena dobava c - još manja nego za slučaj b a do c istiskivanje plina i tek u c počne kompresija

KOMPRESORI

52

3.5.3.3. Vremenski promjenjiv dodatni štetni prostor Ako se predvidi dodatni štetni prostor koji ima podesivi stap, može se omogućiti kontinuirana promjena veličine dodatnog štetnog prostora. Stap može biti pokretan servomotorom.

Sl. 3.29. Regulacija dobave vremenski promjenjivom kontinuiranom promjenom veličine štetnog prostora

Još jedna izvedba regulacije s vremenski promjenjivim dodatnim štetnim prostorom prikazuje se u nastavku. Kod pune dobave ventil b je zatvoren (dodatni je prostor isključen). Sila u opruzi je 0=F . Proces u dijagramu predočen je površinom 1-2-3-4. Promjene su slijedeće: 1-2 ekspanzija plina iz štetnog prostora; 2-3 usis; 3-4 kompresija; 4-1 istiskivanje. Što je podešena sila u opruzi veća, to će dobava biti manja. Sila u opruzi je u ravnoteži sa silom kojom mali stap d djeluje na oprugu. zs pAF = gdje je pA površina stapa d, a zp tlak u cilindru. Ventil b se zatvara kad je tlak u cilindru veći od zp i otvara kad je tlak u cilindru manji od zp . U točki 6 se otvara ventil b, pa se ekspanzija nastavlja po liniji 6-2'. Kompresija teče od 3 do 5, a u točki 5 se ventil b zatvara, štetni prostor je manji i kompresija teče po strmijoj liniji od 5 do 4'. Novi je proces 1-6-2'-3-5-4'-1. Promjene su slijedeće: 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 kompresije od 3 do 5; od 5 do 4' ventil b je zatvoren. Vidi se da je od 3 do 5 linija kompresije položitija nego što bi bila da je ventil b zatvoren. Od 5 do 4' linija kompresije je strmija jer je štetni prostor isključen. Ako je dodatni štetni prostor a dovoljno velik, može se provesti kontinuirana regulacija od 0 do 100% opterećenja. Promjena sile opruge e može se izvršiti ručnim kolom ili pomoću servomotora.

s

V0=f(s)

KOMPRESORI

53

Sl. 3.30. Regulacija dobave s vremenski promjenjivim dodatnim štetnim prostorom

p1

p2

pz

pz1

pz2

1

2' 3

4

c d

5

4'

6

2

x y

Vmin Vz

Vs V0 V0d

Vs – Va

a

bc e

d

KOMPRESORI

54

3.6. OSNIVANJE STAPNOG KOMPRESORA Ovdje spadaju određivanje tipa gradnje kompresora, broja stupnjeva, brzine vrtnje, broja i dimenzija cilindara. Tip kompresora određuje se iskustveno i tu postoji niz različitih rješenja, ovisno o namjeni, posebnim zahtjevima i konstrukcijskim rješenjima koje su razvili različiti proizvođači. Brzina vrtnje kreće se u širokim granicama (1,5 do 25 s-1), obično je niža za veće kompresore. Ograničenje brzine vrtnje je zbog potrebe ograničenja inercijalnih sila, ali i zbog ograničenja padova tlaka u ventilima. Na odabir broja stupnjeva kompresora kod zadanog kompresijskog omjera utječe veličina stupnja dobave, potrebna snaga i ograničenje temperature na kraju kompresije, vezano na održanje svojstava ulja za podmazivanje. Dimenzije cilindara jednostupanjskih kompresora Dobava kompresora izražena je kao:

snzDnzVV s 4

2πλλ ==&

gdje je n brzina vrtnje, z broj cilindara, s stapaj, D promjer cilindra i λ stupanj dobave. ξ je omjer stapaja i promjera cilindra, i to je važna karakteristika koja odlikuje različite kompresore. Kod brzohodnih kompresora ξ je manji ( 9,07,0 −=ξ ) nego je to slučaj kod sporohodnih kompresora ( 1>ξ ). Veći ξ znači i veću brzinu stapa, a time i veću brzinu strujanja kroz ventile. Zato se za plinove i pare veće gustoće (npr. u rashladnoj tehnici) kompresori grade s manjim ξ .

Ds

=ξ

Kombinacijom izraza za dobavu V& [m3/s] i ξ dobiva se

34

nzVD

πξλ

&=

čime je moguće odrediti promjer cilindra temeljem iskustveno odabranog omjera ξ , broja cilindara z i odabrane brzine n za zadanu dobavu kompresora V& i stupanj dobave λ koji se određuje za zadani omjer tlakova 12 pp temeljem ranije prikazanih izraza za izračunavanje λ .

KOMPRESORI

55

3.7. IZVEDBE STAPNIH KOMPRESORA Prema načinu izvedbe, smještaju i primjeni osnovnih elemenata kompresora (cilindar, stap, ventili, stapni mehanizam i kućište) razlikuju se međusobno tipovi kompresora. Neke od osnovnih izvedbi prikazane su na slici 3.31.

Sl. 3.31. Izvedbe stapnih kompresora S obzirom na izvedbu, cilindri mogu biti jednoradni i dvoradni. Kod jednoradnih se plin komprimira samo s jedne strane (Sl. 3.31. a), a kod dvoradnih s obje strane stapa (Sl. 3.31. b). Mehanizam kompresora s dvoradnim cilindrima mora se graditi s križnom glavom, obzirom na mogućnost brtvenja stapnog prostora Na Sl. 3.32 prikazan je shematski prikaz (a) i presjek

a b c d

e f g h

i j k

l m n

KOMPRESORI

56

(b) jednog dvoradnog kompresora s križnom glavom. S 1 je označena gornja vodilica stapajice, 2 je prsten za ulje stapajice, 3 je brtvenica cilindra i 4 stap.

Sl. 3.32. Dvoradni kompresor s križnom glavom Cilindri mogu biti izvedeni kao ležeći (Sl. 3.31. a, b) ili stojeći (Sl. 3.31. c, d). Obično se brzohodni kompresori manje i srednje dobave grade s jednoradnim stojećim cilindrima, dok se sporohodni kompresori za velike dobave grade s ležećim dvoradnim cilindrima. Cilindri mogu biti smješteni u obliku slova V i W (Sl. 3.31. e, f). Kod stojećih cilindara ili onih smještenih u obliku V ili W može biti poredano dva ili više jednakih cilindara u redu, pa se tada govori o linijskim izvedbama (Sl. 3.31. g, h i Sl. 3.33).

KOMPRESORI

57

Sl. 3.33. Rashladni jednostupanjski kompresor u linijskoj W izvedbi - poprečni i uzdužni presjek

Izvedba kompresora može biti i u obliku slova L, bilo sa jednoradnim ili dvoradnim cilindrima (Sl. 3.33. o, p). To je specijalni slučaj V izvedbe.

KOMPRESORI

58

Sl. 3.34. L izvedbe stapnih kompresora Izvedbe višestupanjskih kompresora Izvedbe s više cilindara su pogodne za serijsku gradnju, posebno ako se koriste cilindri istih ddimenzija. Na prikazanom primjeru tri cilindra su paralelno spojena u I stupanj, dok četvrti cilindar služi za drugi stupanj kompresije.

Sl. 3.35. Izvedba višestepenog kompresora s više istih cilindara Moguće je za svaki stupanj upotrijebiti cilindar odgovarajućeg promjera. Time se smanjuje broj cilindara. Ovakva se konstrukcija koristi uglavnom za male kompresore.

Sl. 3.36. Izvedba višestepenog kompresora s cilindrima različitih promjera Cilindri mogu ili moraju biti različitih dimenzija, ako se u njima provodi dvostepena ili višestepena kompresija. Tada također mogu biti smješteni u redu (Sl. 3.31. g, h), ali se češće takvi kompresori izvode kao opozitna (bokser) izvedba (Sl. 3.31. i, j, k) ili kao udvojena izvedba (Sl. 3.31. l, m), odnosno tandem izvedba (Sl. 3.31. n).

o p

I II

I II

KOMPRESORI

59

Sl. 3.37. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora za zrak u V izvedbi

Sl. 3.38. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora u L izvedbi

KOMPRESORI

60

Sl. 3.39. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora u L izvedbi Izvedbe višestupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima Prednosti izvedbi sa stepenastim stapovima su jednostavan pogon i jednostavno izjednačenje sila koje djeluju na stapni mehanizam. Nedostaci su velike mase u gibanju, teško brtvljenje prstenastih prostora. Kod ovakvih kompresora treba voditi računa:

• da sile koje djeluju na stap pri kretanju od GMT ka DMT i natrag budu što je moguće više jednake

• da brtvljenje bude što bolje, • da prvi stupanj u kojem se javlja podtlak ne graniči s pogonskim prostorom (sisanje

ulja), • da demontaža stapa i ostalih dijelova bude što jednostavnija, • da kompresijski omjer među stupnjevima bude po mogućnosti jednak, ali pritom treba

paziti na izjednačenje stapnih sila, • da niskotlačni stupanj bude po mogućnosti izveden kao puni cilindar sa stapnim

prstenovima na jednom promjeru,

KOMPRESORI

61

• da se pri kretanju stapa u jednom smjeru u nižem stupnju provodi kompresija, a u višem usis, kako ne bi došlo do pada tlaka u hladnjaku.

Svi ovi zahtjevi ne mogu biti stovremeno zadovoljeni, pa se za određene svrhe nađe kompromis. Izvedbe dvostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

Sl. 3.40. Izvedbe dvostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima Nedostaci izvedbe a su u tome što su sile na stapu udvostručene, jer se istovremeno odvija usis ili kompresija u oba stupnja. Prvi stupanj graniči s karterom, pa je moguća povećana potrošnja mazivog ulja i onečišćenje plina tim uljem. Izvedba b povoljnija je što se tiče sila, prvi stupanj je povoljnije smješten, ali je nepovoljnija za brtvljenje od izvedbe a. Izvedba c je skuplja, jer je potreban mehanizam s križnom glavom. Izvedba c ima prednosti izvedbi a i b, a nema njihove mane. Prostor označen s x nije predviđen za kompresiju. Izvedbe trostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

Sl. 3.41. Izvedbe trostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

c a b

II

I

I

II

I

II

x

III

I

II

Ia

Ib

III

II

KOMPRESORI

62

Izvedbe četverostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

Sl. 3.42. Izvedbe četverostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima

I II III

IV

IV

d4

I A

II III

d2 d3 d1

IV II Ib Ia III

d4 d2

d1 d3

KOMPRESORI

63

Peterostupanjski kompresor sa stepenastim stapovima

Sl. 3.43. Izvedba peterostupanjskog kompresora sa stepenastim stapovima Izvedbe višestupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima i više cilindara Trostupanjski

Sl. 3.44. Izvedba trostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa Četverostupanjski

Sl. 3.45. Izvedba četverostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa

II

A

III Ib

Ia

V IV

Ib Ia III

II

IV

I

II

III

KOMPRESORI

64

Šesterostupanjski

Sl. 3.46. Izvedba šesterostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa

I I

V III

II

II VI IV

KOMPRESORI

65

3.8. PODMAZIVANJE STAPNIH KOMPRESORA Pravilno podmazivanje je od najveće važnosti za rad kompresora. Uloga podmazivanja uključuje smanjenje trenja između dijelova u međusobnom kretanju, brtvljenje zazora između stapa i cilindra i odvođenje topline. Od ulja se očekuje da stvara uljni film između dodirnih površina, smanjuje 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 cilindra, štiti dijelove od korozije, te smanjuje naslage i taloge. Pravilno podmazivanje uključuje odabir kvalitetnog ulja za točno određene uvjete rada, pravilno skladištenje i obradu ulja, te dobavu optimalnih količina ulja u svrhu boljeg stupnja iskoristivosti kompresora. Vezano za ove čimbenike, javljaju se još i zahtjevi za odgovarajućom čistoćom plinova na ulazu i na putu kroz kompresor, te redovnim kontrolama, čišćenjem i održavanjem mehaničkih dijelova kompresora i svih ostalih usko povezanih sustava. Razlikujemo dva temeljna načina podmazivanja kompresora: prirodno i prisilno 3.8.1. PRIRODNO PODMAZIVANJE KOMPRESORA 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 3.47. Sustav podmazivanja uljnom maglom dvoradnog kompresora

KOMPRESORI

66

Podmazivanje kompresora s uljnom prstenovima Kod ovog, također prirodnog načina podmazivanja kompresora mazivo ulje dobavlja pomoću 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 letećih ležajeva koljenastog vratila raspršuje se uslijed rotacije te na taj način proizvodi uljnu maglu za podmazivanje glavnih ležajeva i cilindara. 3.8.2. PRISILNO PODMAZIVANJE KOMPRESORA Prisilno podmazivanje kod brzohodnih kompresora najčešće se provodi pomoću zupčaste uljne pumpe gonjene koljenastim vratilom. Ulje koje dolazi iz uljne pumpe preko regulatora tlaka razvodi se provrtima koljenastog vratila do glavnih i letećih ležajeva, a često i kroz ojnicu do ležajeva osovinice stapa. Na slici 3.46. 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 letećih ležajeva i ležajeva križne glave. Tlačni sustavi su opremljeni sa usisnim prečistačima, kontrolnim ventilima, te u slučaju većih kompresora i rashladnikom ulja te sigurnosnim ventilima za zaustavljanje kompresora u slučaju pada tlaka. Kućišta su izvedena da odvajaju nečistoće i prašinu od ulja te da sprečavaju propuštanje.

Sl. 3.48. Shema sustava tlačnog podmazivanja kompresora

1. Uljna pumpa 4. Razdjelnik regulatora dobave 1'. Uljna pumpa (shematski prikaz) 5. Uljna komora 2. Ventil za regulaciju visokog tlaka 6. Ventil za regulaciju niskog tlaka 3. Cjevovod prema regulatoru dobave 7. Uljna komora brtvenice

KOMPRESORI

67

3.8.3. PODMAZIVANJE CILINDARA I BRTVENIH PRSTENOVA Za razliku od podmazivanja ležajeva i kućišta, sustav podmazivanja cilindara i brtvenih prstenova mora što pouzdanije tlačiti ulje na više tlakove u svrhu podmazivanja radnih površina cilindara i ojnica. Količina ulja u svakoj točki mora biti točno onolika koliko je potrebno za pravilno podmazivanje. Količina podmazivanja u svakoj točki je kritična, svaka prekomjerna količina ulja je štetna, i može dovest do razbijanja ventila, stvaranja naslaga na prstenima a može se i akumulirati u cjevovodima. Ovi sistemi moraju opskrbljivati točno određenom količinom ulja svaku točku, sa mogućnošću nadzora i blokadom protoka ulja. 3.8.4. ULJA ZA KOMPRESORE Tipovi ulja za podmazivanje ležajeva Tipovi ulja koja se koriste za podmazivanje ležajeva i pokretnih dijelova moraju udovoljavati zahtjevima proizvođača opreme, ali općenito se moraju koristiti kvalitetna, nedeterdžentna mineralna ulja. Ta ulja moraju sadržavati inhibitore za hrđu i oksidaciju i aditive protiv pjenjenja. Aditivi protiv pjenjenja ulja su jako bitni kod kompresora koji se podmazuju prskanjem. Ulje se može onečistiti stranom tvari kao i zbog prisutnosti vlage zbog kondenzacije i zbog toga interval zamjene ulja ovisi o radnim uvjetima okoline. Ulje se treba redovito kontrolirati kako bi se utvrdilo optimalno vrijeme zamjene ulja. Redovitom kontrolom ulja se određuje i istrošenost pojedinih komponenti. Sintetska kompresorska ulja Sintetska ulja su sve više prihvaćena kao kompresorska ulja zbog svoje više temperature samozapaljenja te sposobnosti da onemogući stvaranje karbonskih naslaga na ventilima i klipnim prstenima. Upotreba sintetskih ulja smanjuje količinu dobave ulja za 1/3 u odnosu na mineralna ulja. To znači da će se manje ulja cijediti niz cjevovod, smanjena mogućnost od požara, iako treba voditi računa o tome da nijedno ulje nije u potpunosti otporno na vatru i na eksploziju. Nekoliko vrsta sintetskih ulja koristi se za podmazivanje kompresora: Fosfatni esteri –imaju vatrootporna svojstva i pokazala su se kao dobra ulja za podmazivanje kompresora. Polialkalni glikoli – dostupna su kao topivi u vodi i kao netopivi u vodi. Kad su se koristila pravilnog viskoziteta, pokazala su se jako dobrima ali nisu vatrootporna. Fluorougljici – potpuno vatrootporni, pogodni za podmazivanje zračnih kompresora, ali su skupi. Diesteri i polialfa-olefini – koriste se najčešće kao ulja za kompresore. Ako se mineralno ulje u sustavu zamjenjuje sa sintetskim uljem, potrebno je detaljno čišćenje cjevovoda, kao i cilindara kompresora i svih komponenti. Sintetsko ulje će uzrokovati

KOMPRESORI

68

otapanje i ispiranje svih naslaga pa može doći do kvara. Zato je potrebno kompresor zaustaviti nakon kraćeg rada sa sintetskim uljem, i ponovo očistiti sustav. 3.8.5. KONTROLA I ODRŽAVANJE Kompresor i sve njegove komponente moraju se redovito pregladavati u intervalima koji ovise o nekoliko radnih uvjeta. Zamjena istrošenih ili polomljenih dijelova, zamjena brtvi, zamjena ulja u kućištu, čišćenje kućišta, tlačnih lubrikatora i filtera zraka, skidanje naslaga sa ventila, tlačnih cjevovoda, hladnjaka, košuljica – to su sve radovi koje treba redovito obavljati. U slučaju detaljnijeg pregleda, cijeli sustav se mora temeljito testirati a to uključuje sljedeće: Sustav ulja: Čišćenje filtera i punjenje kartera do propisanog nivoa, tlačenje sustava, provjera propuštanja, kontrola tlak a ulja, te rad alarma i sklopki za zaustavljanje u nuždi. Cilindri kompresora: Odspojiti svaki tlačni cjevovod ulja od cilindra, napuniti tank lubrikatora odgovarajućim uljem, pustiti lubrikator u rad, provjeriti protok ulja. Za kompresore koji nemaju lubrikatore pogonjene motorom, može se ručnom pumpom tlačiti svaki tlačni vod. Uklanjanje naslaga: ako se velike količine naslaga nalaze na ventilima i u tlačnim vodovima, ukazuju da se koristi neadekvatno ulje, i zbog toga se više ulja troši, onečišćuju usisani zrak. Zamjena ulja u karteru: period zamjene ulja u kućištu uvelike ovisi o čistoći atmosfere oko kompresora. Ulje se mora ispustiti dok je još toplo, a kućište se mora obrisati krpom prije ulijevanja novog ulja. Kemijska sredstva za čišćenje se obično ne koriste, a nikako se ne smiju koristiti zapaljiva sredstva za čišćenje. Tlačni sustav podmazivanja: održavanje sustava uključuje redovito čišćenje kontrolnihstakala, pumpi i tankova. Kad se koriste kontrolna stakla sa tekućinom, tekućina može postati maglovita ili može biti pomiješana s uljem. U oba slučaja, stakla se moraju očistiti i napuniti čistom tekućinom. Nečistoće kao što su prašina i talog se nakupljaju u tankovima, te se moraju redovito čistiti ali unutar perioda od jedne godine u ovisnosti o čistoći vanjske atmosfere. Posude za čuvanje ulja: samo se čiste bačve smiju koristiti za čuvanje kompresorskih ulja i moraju biti dobro zatvorene kad nisu u upotrebi. Prljave bačve mogu biti izvor onečišćenja ulja. Galvanizirane (sloj cinka) metalne bačve se ne bi smjela koristiti za kompresorska ulja. Cink može reagirati s nekim komponentama ulja, ili sa produktima kisika te stvoriti viskoznu metalnu sapunicu koja dovodi do zgušnjavanja ulja i ubrzava oksidaciju ulja. Čišćenje filtera zraka: intervali čišćenja filtera zraka ovise o lokalnim uvjetima, te o kapacitetu i tipu filtera, količini zraka i količini prašine u zraku.