SADRAJ

U D B E N I C I S V E U I L I T A U S P L I T U

MANUALIA UNIVERSITATIS STUDIORUM SPALATENSIS

S V E U I L I T E U S P L I T U

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA I BRODOGRADNJE U SPLITU

KOMPRESORIOrest FabrisMirko GrljuiSplit, 2010.

MANUALIA UNIVERSITATIS STUDIORUM SPALATENSIS

UDBENICI SVEUILITA U SPLITU

AutoriProf. dr. sc. OREST FABRIS

Mr. sc. MIRKO GRLJUI, v. pred.

Recenzenti

Prof. dr. sc. NIKOLA STOIProf. dr. sc. MLADEN ANDRASSYProf. dr. sc. NEVEN NINIIzdava

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA I BRODOGRADNJE U SPLITUSVEUILITE U SPLITUZa izdavaa

Prof. dr. sc. TOMISLAV KILI, dekan

Predsjednik Povjerenstva za izdavaku djelatnost FESB-a

Prof. dr. sc. RADOSLAV PAVAZZA

Glavni urednik

Prof. dr. sc. IVAN ZULIM

Objavljivanje ovog sveuilinog udbenika odobrio je Senat Sveuilita u Splitu odlukom 01-1-35/18-2-2009 od 24. srpnja 2009.

Udbenik je tiskan uz novanu potporu Ministarstva znanosti, obrazovanja i porta Republike Hrvatske.

ISBN 978-953-290-017-0SADRAJ

PREDGOVOR

1.UVOD11.1 Definicija tlaka11.2 Primjena kompresora11.3 vrste kompresora22.rad IdealNOG kompresora62.1 Proces kompresije u T-s i h-s dijagramu93.VIESTUPANJSKA KOMPRESIJA idealnog kompresora154.ANALIZA RADA STVARNOG klipnog KOMPRESORA204.1 Odstupanja stvarnog klipnog kompresora od idealnog204.2 Srednji indicirani tlak235.Dobava klipnog KOMPRESORA255.1 Volumetrijska efikasnost zbog tetnog prostora265.2 Volumetrijska efikasnost zbog priguenja na usisu (tlani faktor)275.3 Volumetrijska efikasnost zbog izmjene topline (temperaturni faktor)285.4 Volumetrijska efikasnost zbog proputanja (faktor propusnosti)286.IZBOR BROJA STUPNJEVA366.1 ODNOSI RADNIH VOLUMENA I TLAKOVA poJEDINIH STUPNJEVA377.SNAGA KOMPRESORA398.EFIKASNOST KOMPRESORA488.1 Mehanika efikasnost488.2 Izotermna efikasnost488.3 Izentropska (adijabatska) efikasnost498.4 Ukupna izotermna efikasnost498.5 Ukupna izentropska (adijabatska) efikasnost499.KONSTRUKcijskA RJEENJA KLIPNIH KOMPRESORA539.1 konstrukcijska rjeenja539.2 Dijelovi kompresora589.2.1Cilindri i kuita klipnih kompresora589.2.2Cilindarska glava589.2.3Samoradni ventili599.2.4Koljenasto vratilo, klip, klipnjaa i klipni prstenovi649.2.5Sastavni dijelovi kompresora6610.REGULACIJA dobave KLIPNIH KOMPRESORA6810.1 Regulacija periodikim ukljuivanjem i iskljuivanjem kompresora6810.2 REgulacija dodatnim, promjenjivim tetnim prostorom6910.3 Regulacija vraanjem dijela komprimirane pare rashladnog fluida iz potisnog u usisni vod7010.4 Regulacija priguivanjem na usisu7110.5 Regulacija blokiranjem usisnih ventila7210.6 Regulacija promjenom brzinom vrtnje7211.ULJA ZA PODMAZIVANJE7811.1 Mineralna ulja8011.2 Polusintetika ulja8111.3 Sintetika ulja8211.4 Tipine upotrebe ulja8211.5 Zahtjevi za kompresorska ulja8312.KOMPRIMIRANJE VLANOG ZRAKA8513.MEMBRANSKI KOMPRESORI9014.ROTACIJSKI KOMPRESORI9215.vijani KOMPRESORI9315.1 idealan i stvarni rad vijanog kompresorA9715.2 BEZULJNi (SUHORADNI) VIJANI kompresori9915.3 ULJEM PODMAZIVANI VIJANI kompresori9915.4 DOBAVA VIJANIH kompresorA10215.4.1Bezuljni vijani kompresori10315.4.1Bezuljni vijani kompresori s ubrizgavanjem tekuine10715.5 REGULACIJA DOBAVE VIJANIH KOMPRESORA11115.5.1Regulacija dobave usisnim kliznim ventilom11215.5.2Regulacija dobave vijanih kompresora promjenom brzine................11215.6 MATERIJALi ZA VIJANE kompresorE11416.ROOTS KOMPRESORI11517.JEDNOvijani KOMPRESORI11717.1 Princip rada jednovijanih kompresora.........................................11917.2 regulacija rada jednovijanih kompresora...........................12017.3 sustav brtvljenja.....................................................................................12317.4 optereenje konstrukcijskih dijelova.................12317.5 podmazivanje jednovijanih kompresora..12417.6 materijali jednovijanih kompresora.....12618.ROTACIJSKi KOMPRESORI S LAMELAMA12719.KOMPRESORI SA ZAVOJNICOM (SPIRALNI KOMPRESORI)130Oznake134Indeksi136LITERATURA137Kazalo pojmovA139

PREDGOVOR

Ovaj udbenik je nastao kao graa koja se dvadesetak godina predaje studentima strojarstva sveuilinog i strunog studija FESB-a u okviru kolegija Toplinski strojevi i Toplinski i hidrauliki strojevi, a kao zaseban predmet predavao se svega nekoliko godina. Kompresore su na FESB-u naizmjenino predavala oba autora, a tijekom jedne kolske godine i prof. dr. Nikola Stoi, ve niz godina profesor na City University London. Od 2008. Kompresore sluaju i studenti diplomskog studija Industrijsko inenjerstvo na FESB-u, takoer u kolegiju Toplinski strojevi.S obzirom da predmet Kompresori ima svega jedan sat predavanja tjedno kroz jedan semestar, nisu obraeni svi tipovi kompresora. Turbokompresori su se ranijih godina sluali u predmetu Toplinski strojevi 2, koji se zadnjih godina ne predaje. Od volumnih kompresora nisu obraeni labirintni kompresori, kompresori s tekuinskim prstenom i kompresori s ekscentrinim rotorom. To je svakako jedan od nedostataka udbenika. No s druge strane, u udbeniku se nalazi poprilian broj rijeenih primjera, to smatramo dodatnom kvalitetom.Kod pisanja ovog udbenika koristili smo matematike znakove i simbole koji su prikazani u poetnom prilogu. Umjesto decimalnog zareza koristili smo decimalnu toku, mada je u hrvatskom matematikom pravopisu uobiajen decimalni zarez.

Kao to je obiaj, na ovom mjestu elimo zahvaliti svima koji su nam pomogli u izradi ovog udbenika. Posebno zahvaljujemo studentu sveuilinog studija strojarstva Mariju Pitei (od prije nekoliko godina diplomiranom inenjeru strojarstva), koji je samoinicijativno rukom pisanu poetnu grau napisao u Wordu i nacrtao slike. Tu poetnu grau koja se uglavnom odnosila na klipne kompresore znatno smo izmijenili i dodali neka nova poglavlja, tako da su nam u crtanju novih slika i sreivanju udbenika pomogli znanstveni novaci katedre Dario Bezmalinovi, dipl. ing. strojarstva i Ivan Tolj dipl. ing. strojarstva.

Svojim savjetima i sugestijama te ispravkama pogreaka mnogo su nam pomogli recenzenti prof. dr. Nikola Stoi, profesor na City University London, prof. dr. Mladen Andrassy, sa Fakulteta strojarstva i brodogradnje u Zagrebu, te prof. dr. Neven Nini, sa Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje u Splitu. Bez njihove nesebine pomoi ovaj udbenik ne bi bio na sadanjoj razini, te im iskreno zahvaljujemo. Takoer, iskreno hvala i lektoru, prof. Anti Matkoviu, koji je studiozno proitao ovaj udbenik i dao brojne jezine primjedbe koje smo sa zahvalnou prihvatili. No i pored toga, mogue su, nadamo se samo manje greke, te emo sa zahvalnou primiti sve primjedbe i sugestije u svrhu njihova otklanjanja.AutoriMATEMATIKI ZNAKOVI I SIMBOLI

+znak zbrajanja, pozitivno

znak odbijanja, negativnoplus ili minus

puta (znak mnoenja)

pomnoeno sa

znak dijeljenja, od do/podijeljeno sa

:omjer, podijeljeno sa

: :jednako, kao (proporcionalno)

vee od

mane ili jednako

vee ili jednako

>puno vee=jednako

identiki jednako~slino (veliina istog reda)priblino jednako

razliito

tei

znak implikacije, slijedi

znak ekvivalencije

varira sa(beskonano

n-ti korijen

stoga, zakljuak

paralelno(okomito.decimalna toka

zagrade

duljina duine od A do B

,

usmjerena duina, vektor

zbroj elemenata xi

umnoak elemenata xif(x)funkcija od xexp x = exekspon. funkcija (e =2.71828...)

nabla, Hamiltonov diferencijalni operator

Laplacov operator

n!N faktoriela (123...n)

apsolutna vrijednost od x

prva derivacija x po vremenu

druga derivacija x po vremenu

prva derivacija y po x

parcijalna derivacija u po x

vektorski produkt

a bskalarni produkt

ABprodukt matrica A i Bpi (= 3.14159...), Ludolfov brojstupanj'minuta

''sekunda

kut

dxdiferencijal od xrazlika (delta)xprirast x

integral od

integral od a do b

integral po zatvorenoj krivuljiSI prefiksi i simboli

101dekada

102hectoh

103kilok

106megaM

109gigaG

1012teraT

1015petaP

1018exaE

1021zettaZ

1024yottaY10-1decid

10-2centic

10-3milim

10-6micro

10-9nanon

10-12picop

10-15femtof

10-18attoa

10-21zeptoz

10-24yoctoyFAKTORI KONVERZIJE

brzina1 ft/s 0.305 m/s

mile/h 1.609 km/h

duljina1 in= 0.0254 m

1 ft = 12 inch= 0.3048 m

1 yd = 3 feet= 0.9144 m

1 fathom = 6 feet= 1.8288 m

1 mile = 5280 feet 1.609 km

1 n mile = 6 080 feet 1.853 km

1 ua (astronomska jedinica)= 1.49598 1011 m

1 pc (parsec)= 3.085678 1016 menergija, rad, toplina1 cal= 4.1868 J

1 ft lbf 1.355818 J

1 Btu 1055.06 J

1 eV= 1.602177 10-19 J

1 erg= 1 10-7 Jentropija1 Btu/F 1.899 kJ/K

gustoa1 lb/ft3 16.02 kg/m3

1 lb/in3 27.68 kg/L

lb/gallon (Imp) 0.0998 kg/L

lb/gallon (US) 0.1198 kg/Lmasa1 u (atomska jedinica)= 1.66053886 10-27 kg

1 oz (ounce) 28.35 g

1 lb = 16 oz 0.4536 kg

1 ton (long or Imp, 2240 lb) 1.016 Mg

1 ton (short or US, 2000 lb) 0.9072 Mg

maseni protok1 lb/s 0.4536 kg/s

1 lb/min 7.56 g/s

1 lb/h 0.126 g/s

moment1 lbfft 1.356 N m

moment inercije mase, tromost1 lbft2 0.04214 kg m2ogrjevna mo1 Btu/gallon U.S. 0.2787 kJ/L

1 Btu/gallon Imp. 0.232 kJ/L

1 Btu/lb 2.326 kJ/kg

plinska konstanta1 ft lbf/lb R 5.38 J/kg Kpotronja goriva1 mile/gallon U.S. 0.4251 km/L

1 mile/gallon Imp. 0.3540 km/L

povrina1 in2 6.45 cm2

1 ft2 0.093 m2

1 yd2 0.836 m2sila1 ozf 0.278 N

1 lbf 4.448 N

1 tonf 9.964 kN

1 poundal= 1 lb ft/s2snaga1 hp 0.746 kW

1 Btu/h 0.2931 Wspecifina energija mase1 Btu/lb= 2.326 kJ/kg

specifina energija volumena1 Btu/ft3 0.01035 kWh/m3koef. prijelaza topline1 Btu/h ft2 F 5.678 W/m2 Kkoef. toplinske vodljivosti1 Btu in/h ft2 F 0.1442 W/m K

temperatura1 R= (1/1.8) K

1 F= (F-32)/1.8 Ktlak1 atm (760 torr)= 101.325 kPa

1 in Hg 3.387 kN/m2

1 Pa= 1 N/m2

1 ounce force (ozf) 0.278 N

1 lbf/in2 (psi) 0.06895 bar

1 lbf/ft2 47.88 Paubrzanje1 ft/s2 0.305 m/s2

1 G= 9.80665 m/s2viskoznost dinamika1 lb s/ft2 47.88 Pa s

1 centipoise (cP)= 10-3 Pa s

viskoznost kinetika1 ft2/s 0.0929 m2/s

1 centistoke= 10-6 m2/s

volumen1 ft3 0.0283 m3

1 in3 16.39 cm3

1 yd3 0.7645 m3

1 Imp. barrel (36 Imp. gall) 0.1637 m3

1 barrel (42 US gallon) 0.1590 m3

1 gallon (Imp) 4.546 L

1 gallon (US) 3.785 L

1 Imp. pint0.568 L

1 US pint0.473 Lvolumni protok1 ft3/s 0.0283 m3/s

1 ft3/min (cfm) 0.4719 dm3/s

1 gallon (US)/min (gpm) 63.09 cm3/s

1. UVOD

1.1 Definicija tlaka

Tlak se definira kao sila koja djeluje po jedinici povrine. Jedinica za tlak je pascal [Pa]. Pascal je izvedena jedinica SI sustava. Tlak od 1 Pa proizvodi silu od 1 N ako djeluje na povrinu od 1 m2.

(1.1)

Kao vea mjera za tlak se koristi bar (1 bar = 105 Pa). Tlak se obino mjeri manometrom koji registrira razliku izmeu tlaka u posudi i atmosferskog tlaka. Zbog toga manometarski tlak ne oznaava stvarni ukupni tlak plina. Da bi se dobio stvarni tlak plina, ili tlak u odnosu na nulti tlak, neophodno je manometarskom tlaku dodati atmosferski ili barometarski tlak izraen u odgovarajuim jedinicama. Ova suma je apsolutni tlak [Pa], ili [bar], i koristi se za sve proraune kompresora.

Slika 1.1 Definicija tlaka1.2 Primjena kompresoraKompresori uz pumpe, elektro-motore i motore s unutranjim izgaranjem udahnjuju ivot mnogim strojarskim instalacijama. Kompresori su naprave koje siu plinove iz nekog spremnika, cjevovoda ili okoline i tlae ih (uz znatniji porast tlaka) u drugi spremnik, cjevovod, ili openito do nekog potroaa. Tzv. "booster" kompresori su naprave za komprimiranje plina s poetnog tlaka koji je znatno iznad atmosferskog na jo vii tlak. Vakuum crpke su naprave za komprimiranje plina sa poetnog tlaka koji je nii od atmosferskog do konanog tlaka koji je blizu atmosferskog.

Kompresori se primjenjuju u sljedeim podrujima:

Rashladna tehnika: friideri, vitrine, klimatizeri, hladnjae.Procesna industrija: pivovare (CO2), rafinerije, tvornice tehnikih plinova (boce O2, N2).eljezare, eliane i ljevaone.

Lakirnice, vulkanizeri.Pneumatski alati i automatika: brodogradnja, graditeljstvo, vozila (konice, vrata...), hoteli, robne kue, industrija, pneumatski transport.Posebne primjene: brodovi (za startanje motora i/ili instrumentalni zrak), bolnice (medicinski plinovi), transport plinovodima, podmornice (torpeda, zrane komore), kesoni, dizanje potonulih brodova, ronioci, plinsko turbinska postrojenja (turbo kompresori), turbopunjai

1.3 vrste kompresoraKompresori mogu biti vrlo razliiti po veliini, konstrukciji, namjeni, performansama itd. Podjela kompresora, odnosno svrstavanje u neke grupe, mogu biti vrlo razliite, npr.:

u rashladnoj tehnici: hermetiki, poluhermetiki, otvoreni; u kemijskoj industriji: uljni, bezuljni; kod kompresije zraka: klipni, vijani.Jedna od moguih podjela je prema termodinamikom nainu poveanja tlaka:1. Kompresori s kontinuiranim radnim procesom (poveanje kinetike energije plina ubrzavanjem strujanja, a zatim pretvaranje te kinetike energije u tlak usporavanjem u difuzoru). To su strujni kompresori.

2. Kompresori sa sukcesivnim ponavljanjem svoga radnog mehanikog ciklusa, direktno sabijanje plina smanjivanjem njegovog volumena volumni (displacement) kompresori.

Dalje se ove dvije grupe dijele na:

1.1. turbo kompresore radijalni (centrifugalni)

aksijalni

1.2. mlazni kompresori (ejektori)

2.1. oscilatorni (reciprocating) kompresori

klipni kompresori (bez krine glave)

stapni kompresori (s krinom glavom)

labirintni kompresori

membranski kompresori.2.2. Rotacijski kompresori

2.2.1. rotacijski kompresori s jednim rotorom

krilni (lamelni), s tekuinskim prstenom, spiralni, s ekscentrinim rotorom, vijani.2.2.2. Rotacijski kompresori s dva ili tri rotora

vijani, Roots.

Slika 1.2 Podjela kompresora po nainu rada (1(Prema navedenim grupama, ovdje se mogu svrstati i ventilatori. Naime, ventilatori su takoer ureaji koji tlae zrak, ili openito plinove s nieg na vii tlak. Njihova karakteristika je mali porast tlaka i redovito su turbo tipa. Stroga granica izmeu kompresora i ventilatora ne postoji, ali ipak ponegdje se navodi da ventilatori ostvaruju porast tlaka do najvie 1500 mm VS. Takoer, smatra se da kod ventilatora, zbog male promjene tlaka nema promjene gustoe radnog medija plina, te se uzima da je radni medij nestlaiv, mada se radi o plinu.

Po dobavi, ili kapacitetu, kompresori se mogu podijeliti na male, do 10 m3/min, srednje od 10 do 100 m3/min i velike iznad 100 m3/min. Dobava se, ako to nije drukije reeno, odnosi na stanje plina u usisnom prikljuku.

U ovisnosti o konanom tlaku za koji je kompresor graen, mogu se razlikovati:- vakuum crpke koje slue za transport plinova i para iz prostora u kojima vlada podtlak;- puhala za konane tlakove do 3 bar, ija namjena je primjerice tlaenje amonijaka, propilena, propana, butana itd. pri niskim temperaturama, ispiranje dvotaktnih motora, dobava zraka za visoke pei, pneumatski transport i sl.;- niskotlani kompresori za konane tlakove od 3 do oko 12 bar (pneumatski alati, automatska regulacija, rashladni ureaji itd.);- srednjotlani kompresori za konane tlakove od oko 10 do 150 bar (kemijska i naftna industrija, pokretanje raznih ureaja, mehanizama, motora, plinskih turbina, transport prirodnog plina plinovodima i sl.);- visokotlani kompresori za konane tlakove od oko 200 do 2500 bar (kemijska industrija sinteza plinova pod tlakom uz primjenu katalizatora, katalitiko hidriranje ugljene praine i masti pri proizvodnji sintetikog benzina, ukapljivanje i razdvajanje plinskih smjesa, punjenje boca komprimiranim zrakom i ostalim plinovima itd.). U ekstremnim sluajevima postiu se tlakovi preko 5000 bar.

Slika 1.3 Podruje rada pojedinih tipova kompresora (2(Sa slike 1.3 koja prikazuje karakteristike tipinih dananjih kompresora, moemo zakljuiti sljedee: visoki i najvii tlakovi postiu se klipnim kompresorima (viestupanjska kompresija). Meutim, dobava klipnih kompresora je manja od rotacijskih kompresora. Vee dobave postiu se rotacijskim vijanim kompresorima a najvee primjenom turbokompresora. Turbokompresori se najee koriste za niske i srednje konane tlakove. Meutim, budui da je kod turbokompresora uobiajena viestupanjska kompresija, i kod njih se mogu postii visoki konani tlakovi, ak od vie stotina bara. Rotacijska Roots puhala takoer mogu postii visoke dobave, meutim rade s izrazito niskim tlakovima.

Kompresori se uobiajeno podmazuju uljem. Bezuljni (suhoradni) kompresori su bitni u industriji hrane, farmaceutskoj industriji, pivovarama i sl. Meutim, ak i u industriji gdje ulje nije smetnja kod primjene, poeljno je smanjenje koliine ulja za podmazivanje cilindara. Prekomjerno ulje moe se taloiti u potisnim ventilima gdje e i najbolja ulja oksidirati kod visokih temperatura. To moe formirati naslage oblika gume ili uljnog taloga koji e pogorati karakteristike kompresora, a u nekim sluajevima moe doi do poara u tlanom sustavu. Zbog toga su razvijene i konstrukcije bezuljnih kompresora.

U daljnjem izlaganju, razmatrat e se samo kompresori sa sukcesivnim ponavljanjem radnog ciklusa. Strujni, odnosno turbokompresori i mlazni kompresori, ovdje se nee prouavati.2. rad Idealnog kompresoraRazmotrit e se idealni klipni kompresor prikazan na slici 2.1.

Slika 2.1 Naelo rada klipnog kompresora i proces u p-V dijagramu (3(Pomicanjem iz krajnjeg lijevog poloaja u desno, klip u cilindru izaziva podtlak koji nadvladava silu opruge usisnog ventila "a" i plin iz rezervoara 1 puni cilindar. Taj se proces naziva usisavanje i zapravo je premjetanje izvjesne koliine plina iz rezervoara 1 u cilindar. Plin pri tome ostaje s veliinama stanja (p1, v1, t1) pa je i proces A-1 samo uvjetno ucrtan u p-V dijagramu. Rad potiskivanja klipa udesno (rad usisavanja) iznosi , gdje je V1 volumen cilindra, odnosno volumen usisanog plina, a stvarno ga obavlja uteg m1 svojim sputanjem za izvjesnu visinu. Taj rad prikazan je povrinom 0A1D.

Kada klip krene s desna u lijevo poinje rasti tlak u cilindru. Ventil "a" se odmah sam od sebe zatvara, a ventil "b" se otvara tek kad tlak u cilindru kompresora dostigne vrijednost tlaka p2 u tlanom spremniku, odnosno u stvarnom kompresoru neznatno vie od toga. Proces od 1 do 2 je termodinamika kompresija plina u cilindru. Zbog brzine kojom se odvija (u praksi i do 3000 okretaja pogonskog vratila u minuti) moe se zanemariti razmjena topline s okolinom, pa vrijedi jednadba adijabate za idealni plin . Utroeni rad kompresije prikazan je povrinom D12C, a rauna se prema izrazu za adijabatski rad.

Daljnjim gibanjem klipa u lijevo, uz otvoreni ventil "b", ve komprimirani plin se potiskuje u rezervoar visokog tlaka. Veliine stanja plina u ovom dijelu procesa ostaju konstantne (p2, v2, t2), a utroeni rad istiskivanja iznosi . U p-V dijagramu ovaj rad istiskivanja je prikazan povrinom C2B0, a stvarno se troi za podizanje utega m2 za izvjesnu visinu.

Time je obavljen jedan kompletan okret koljenastog (pogonskog) vratila, i kod svakog idueg okreta cjelokupan proces se ponavlja. Neto utroeni rad idealnog kompresora kod rada sa idealnim plinom prikazan je rafiranom povrinom u p-V dijagramu, i izraunava se ovako:

(2.1)Ili, zamjeni li se pV = mRT i sredi, biti e:

ili

(2.2)Omjer specifinih toplina idealnog plina je eksponent adijabate, .Wtehn je tehniki rad koji se troi (< 0) pri kompresiji plina uz njegovo premjetanje sa usisne na tlanu stranu kompresora, a W je rad utroen na samu kompresiju plina u cilindru kompresora.Prema p-V dijagramu tehniki rad se moe izraunati i kao:

(2.3)U opem sluaju proces kompresije moe tei po politropi n, pa je:

(2.4)Ako bi kompresija bila izotermna, utroak rada bio bi znatno manji, a za n < 1 bio bi jo manji. Za idealan plin vrijedi:

pa je prema (2.3) izotermni tehniki rad

(2.5)

Slika 2.2 Tehniki rad kompresije u p V dijagramuKoristei jednadbu stanja idealnog plina, tehniki rad kompresora kod adijabatske (izentropske) kompresije postaje:

(2.6)U udbeniku e adijabatski proces biti izentropski proces kao povrativi adijabatski proces idealnog plina. Za takav proces je:

odnosno

Sada je:

(2.7)

Slika 2.3 Izentropski eksponent ( za zrak u funkciji tlaka i temperature (2( = 1.66za monoatomne plinove,

= 1.40za zrak i dvoatomne plinove, = 1.30za troatomne plinove, = 1.31za amonijak, = 1.16za freon R22

Gornje vrijednosti su za tlakove 1 bar i sve temperature. Kod porasta tlaka vrijednost eksponenta varira sa tlakom i temperaturom to se vidi, na primjeru za zrak, na slici 2.3.

2.1 Proces kompresije u T-s i h-s dijagramuGlavna relacija u ovoj analizi je prvi zakon termodinamike za stacionarne procese, kako ravnotene (idealne) tako i neravnotene (s unutranjim trenjem).

(2.8)

gdje je q mala dovedena koliina topline, h promjena entalpije a wteh mali izvreni tehniki rad.U jednadbi (2.8) je samo za procese bez trenja

(2.9)i

(2.10)

Za idealan plin vrijedi jo i:

(2.11)

Openito, za kompresor q 0, h > 0 a wteh < 0, to znai da se (2.8) svodi na:

(2.12)Izotermna kompresija 1 2TZa izotermnu ravnotenu (bez unutarnjeg trenja) kompresiju idealnog plina je:

(2.13)

ili prema jednadbi 2.12

(2.14)

to je prikazano u T-s dijagramu na slici 2.4. Povlaenjem tangente na izobaru p2 u zavrnoj toki izotermne kompresije 2T u h-s dijagramu dobiva se kut kojega je tanges jednak temperaturi u 2T.

(2.15)

Jednadba 2.15 slijedi iz 2.8 uz 2.9 i 2.10. To znai da je tehniki rad wteh,T u h-s dijagramu kateta nasuprot kutu .

Slika 2.4 Izotermna kompresija u T-s i h-s dijagramuIzentropska kompresija 1 2sU sluaju izentropske ravnotene kompresije vrijedi q = 0, pa jednadba 2.12 daje

(2.16)

Proizlazi da je rad jednak toplini koja bi bila izmijenjena kod stalnog tlaka pri promjeni temperature od t1 do t2s. (vidi T-s dijagram na slici 2.5)

(2.17)

Slika 2.5 Tehniki rad izentropske kompresije u T-s i h-s dijagramuTo znai da se tehniki rad izentrope u T s dijagramu predouje kao povrina koja odgovara izmijenjenoj toplini pri konanom tlaku kompresije, uz razliku temperatura kakva nastaje izentropskom kompresijom s tlaka p1 na tlak p2. Alternativno, isti rad je jednak duljini 1-2s u h-s dijagramu.Politropska kompresija 1 2Prema jednadbi (2.8) tehniki rad politropske (ravnotene) kompresije je:

(2.18)

to znai da je po apsolutnoj vrijednosti tehniki rad politropske kompresije jednak zbroju odvedene topline |q1-2| i prirasta entalpije h2 h1. Dakle, izravno (2.12):

Svi elementi (2.12) dobro se vide u T-s dijagramu na slici 2.6. Povrina 1-2-s2-s1 je apsolutna vrijednost odvedene topline (po 2.9), povrina 2-2T-s2T-s2 je promjena entalpije h2 - h2T = h2 h1. Prema 2.12 rad je po apsolutnoj vrijednosti zbroju tih dviju povrina. Kako je suma te dvije povrine produkt srednje temperature i promjene entropije , ona je u h-s dijagramu jednaka , gdje je tg po 2.15 jednak srednjoj temperaturi izmeu stanja 2T i 2. Odatle alternativno dobivamo povrinu tehnikog rada u T-s dijagramu na slici 2.6.

(2.19)

Slika 2.6 Politropska kompresija bez trenja u T-s i h-s dijagramu za 1 0.

Iz jednadbe 2.12 slijedi i nain dobivanja wteh,tr dodavanjem |q1-2| na (h2 h1) u h-s dijagramu slika 2.7. Budui da rad unutranjeg trenja nije ni izravno mjerljiv ni unaprijed poznat podatak, nema potrebe da ga prikazujemo u dijelovima eksplicitno.

Slika 2.7 Politropska kompresija sa trenjem u T-s i h-s dijagramu za n >( (4( i (5(Primjer 2.1Odrediti rad kompresora pri komprimiranju 100 kg okolnog zraka (1 bar, 20 C) do tlaka 90 bar pri izotermnom i adijabatskom procesu.

Za izotermu:

(jer je n = 1)

Openito vrijedi:

Minus oznaava da se kod kompresije rad troi. Poto je to ope poznato, u praksi se obino ovaj minus izostavlja.

Kod izotermne kompresije, se mora odvesti isto ovoliko topline, jer je t2 = t1:

Za adijabatu:

Isti rezultat bi se dobio koristei jednadbu:

Zakljuak: U praksi je cilj postii kompresiju s eksponentom manjim od , a to blie 1. Problem je, ne samo znatno vei utroeni rad kod adijabatske kompresije, nego i znatno vea temperatura na kraju kompresije. U ovom primjeru izlaznu temperaturu ne bi izdrao materijal kompresora ni cjevovoda, a pogotovo ne ulje za podmazivanje. Primjer 2.2 Ako se komprimiranim zrakom iz prethodnog primjera napuni elina boca, koliko bi opao tlak plina u boci nakon hlaenja do temperature okoline.

Slika 2.9 Hlaenje plina nakon kompresije do poetne temperatureProces u boci je pri V = const.

U praksi se u ovakvim sluajevima nakon kompresije postavlja hladnjak zraka. Pri tome se ne smije dozvoliti da temperatura kompresije T2 premai doputenu temperaturnu granicu ulja za podmazivanje.3. VIESTUPANJSKA KOMPRESIJA idealnog kompresora

Postizanje to nieg eksponenta politrope kompresije ostvaruje se hlaenjem cilindra vodom ili zrakom. U praksi to ide dosta teko i nedovoljno, jer suvremeni klipni kompresori imaju veliku brzinu vrtnje (do 3000 min-1, tj. 50 s-1), pa jednostavno nema vremena za razmjenu topline.

Za postizanje visokih tlakova kompresije, ovaj problem se rjeava viestupanjskom kompresijom uz meuhlaenje (slika 3.1).

Slika 3.1 Meuhlaenje do poetne temperature kod dvostupanjske kompresije

Meuhlaenje je mogue samo do temperature okoline, jer se ono obavlja medijima iz okoline (zrakom ili vodom). Ima i drugih rjeenja, na primjer u rashladnoj tehnici, gdje se hlaenje obavlja samim radnim medijem (ciklusom), pa temperature nakon meuhlaenja mogu biti i znatno nie od temperature okoline.Ako su poetni i krajnji tlak zadani, odmah se postavlja pitanje koji je optimalni meutlak. Odgovor je: To je onaj meutlak kod kojeg je ukupan rad kompresora najmanji.

(3.1)

(3.2)za izotermu je ,za izobaru je

Rjeenje za px se dobiva iz

(3.3)Prvi i drugi stupanj kompresora ostvaruju u tom sluaju isti omjer tlakova. Izlazne temperature nakon kompresije su iste t2 = t4.Uvrtenjem px u izraz za rad vidi se da su Wteh 1,2 = Wteh 3,4. Oba stupnja kompresora su podjednako optereena.

Za trostupanjsku, etverostupanjsku itd. kompresiju, razmilja se na isti nain i svaki stupanj kompresije treba biti jednako optereen (jednaki rad) te je:

Slika 3.2 Viestupanjska kompresija s meuhlaenjem do poetne temperature

(3.4)

(3.5)gdje je x odnos tlakova u jednom stupnju.

Ako se pomnoe svi odnosi tlakova u stupnjevima bit e:

(3.6)

(3.7)Kod stvarnih kompresora, zbog trenja, gubitaka tlaka, nesavrenosti plina itd., je:

(3.7a)gdje je K = 1.05 do 1.15

Zadnji stupanj se namjerno rastereuje jer on preuzima sva preoptereenja.

Primjer 3.1 Koliki je utroeni rad kod trostupanjskog komprimiranja 100 kg zraka od poetnog stanja (1 bar, 20C) do 90 bar? Proces kompresije je adijabatski, a meuhlaenje se vri do temperature okoline.

Isti rezultat se dobiva za i te je :

(Usporediti s primjerom 2.1 gdje je )!Zanimljivo je izraunati i temperaturu nakon kompresije. Ona je poslije svakog stupnja ista:

Primjer 3.2Dvostupanjski kompresor usisava zrak stanja i komprimira ga do krajnjeg tlaka . Izmeu dva stupnja kompresije zrak se hladi do temperature i pri tome se odvodi 2.8 kW topline. Ako je kompresija adijabatska, , a meutlak je onaj po idealnoj formuli, nai:

a) protok komprimiranog zraka,b) izlaznu temperaturu nakon drugog stupnja,c) ukupno utroeni rad.

Slika 3.3 Dvostupanjska kompresija s meuhlaenjem

b)

a)

c)

4. ANALIZA RADA STVARNOG klipnog KOMPRESORA

4.1 Odstupanja stvarnog klipnog kompresora od idealnogLogino je oekivati da stvarni kompresor u svom radu odstupa od idealnog. Uzroci su praktine prirode i za klipne kompresore mogu se podijeliti na 5 grupa:

Prvo odstupanje Za idealne kompresore najee se uzima da je proces kompresije adijabatski. U praksi uvijek ima nekog odvoenja topline u okolinu, ali nikad toliko da bi proces bio po izotermi. Proces kompresije je u stvarnosti politropski, tj., 1 < n < . U praksi je proces kompresije, ipak, vrlo blizak adijabatskom, jer kompresori rade s velikom brzinom vrtnje, pa nema vremena za veu razmjenu topline s okolinom (osim ako se namjerno ne izvede intenzivno hlaenje vodom ili zrakom). Pri tome ne treba zaboraviti da je eksponent razliit za razliite plinove, i da se mijenja s tlakom i temperaturom.

Drugo odstupanje

Prilikom usisavanja tlak u cilindru mora biti neto nii nego je u rezervoaru (ili okolini) iz kojeg se puni. Ova razlika tlaka je neophodna, da bi se svladao otpor usisnog ventila, otpori strujanja kroz usisne kanale, usisni otvor itd. Takoer ova razlika tlaka omoguuje brzo punjenje cilindra, to je neophodno.

Analogno tome, prilikom pranjenja cilindra u njemu mora biti izvjestan pretlak u odnosu na tlani spremnik ili tlani cjevovod. Umjesto od 1 do 2, kompresor komprimira od a* do b*. Kompresor troi vie rada, a usisava manju koliinu plina.

Slika 4.1 Odstupanje uslijed prigunog procesa kod usisa i potisaNaime, kad tlak opadne za apsolutni tlak u cilindru je , smanjuje se gustoa plina, pa ga (izraeno u kg) manje ulazi u cilindar. Ovaj pad tlaka je priguni proces pa entalpija radnog plina, a time i temperatura radnog plina ostaju nepromijenjene.

Za ilustraciju se navode podaci iz rashladne tehnike:

(4.1)

(4.2)

Tree odstupanje

Prilikom istiskivanja komprimiranog plina uvijek neto tog plina zaostane u cilindru, jer izmeu klipa u GMT (gornja mrtva toka) i poklopca cilindra, iz konstrukcijskih razloga, uvijek ostaje zranost (mali slobodni prostor). Naime, ne smije se dopustiti da klip u radu dodirne ili udari o glavu cilindra. Takoer mora biti dovoljno prostora za smjetaj usisnih i potisnih ventila. Samoradni ventili uvijek znaajno poveavaju tetni prostor, a time i volumetrijske gubitke. Volumen sa zaostalim plinom nije od koristi u radu kompresora i naziva se tetni prostor . Volumen cilindra koji "pokriva" klip naziva se stapajni ili radni volumen . Prema tome ukupni volumen cilindra je:

(4.3)c je relativni tetni prostor i kod modernih kompresora iznosi 2% do 6%. Vii stupnjevi visokotlanih kompresora esto imaju i znatno vee tetne prostore.

Slika 4.3 p-V dijagram kompresora sa tetnim prostorom i prikazanim utjecajem otpora strujanja kroz usisni i tlani ventilPosljedica postojanja tetnog prostora je izmijenjena slika procesa u indikatorskom dijagramu. Naime, kada klip krene iz GMT (gornja mrtva toka) prema DMT (donja mrtva toka) on ne zapoinje odmah s usisavanjem nove koliine plina, nego prvo dolazi do ekspanzije zaostalog plina u tetnom prostoru. Tek kada tlak zaostalog plina opadne ispod p1, dolazi do usisavanja nove koliine.

Kod kompresora sa tetnim prostorom teoretski proces je: 1-2-3-4. To su 1-2 izoterma (da bi utroeni rad bio to manji) i 3-4 adijabata (da bi utjecaj tetnog prostora na kapacitet kompresora bio to manji). Umjesto usisavanja tijekom cijelog radnog hoda klipa , usisavanje je samo od do . Ako se u p-V dijagram ucrta i utjecaj pada tlaka kroz usisni i potisni ventil, vidi se da je usisni volumen jo manji, .Kod stvarnog kompresora procesi kompresije i ekspanzije su politropski: . Osim toga, kako je ranije reeno, postoji podtlak kod usisavanja i pretlak kod istiskivanja iz cilindra. Stvarni proces je zbog toga a-b-c-d. Moe se takoer zapaziti da spomenuti podtlak i pretlak nisu jednaki na svom poetku i kraju (slika 4.4). Ovo je uzrokovano inercijom (masom) samih ventila za ije otvaranje treba neto vea sila, a i koliinom plina koja struji u datom momentu (najvie ga ima kada je klip najbri, tj., u srednjem poloaju, a najmanje kada je klip u GMT ili DMT, tj., kada stoji).

Slika 4.4 Indikatorski dijagram stvarnog kompresorato se tie rada, on se tijekom kompresije dovodi, ali se tijekom ekspanzije zaostalog plina c-d dobija, tako da je ukupno potroeni rad jednak rafiranoj povrini a-b-c-d.

etvrto odstupanje

etvrto odstupanje nastaje uslijed zagrijavanja plina prilikom punjenja cilindra. Ako npr. kompresor usisava zrak temperature 20 C i on se nakon kompresije zagrije na 110 C, tada je neka srednja radna temperatura 65 C. Ovu temperaturu poprimit e cilindar i klip, to je lako utvrditi dodirom kompresora.

Naravno, kada u ovako topli kompresor ulazi nova koliina hladnog zraka on se u tom dijelu procesa zagrijava i specifini volumen mu raste, dok mu se gustoa smanjuje. Posljedica ove pojave je da se u cilindar usie manje zraka izraeno u kg premda volumen cilindra ostaje isti.

Peto odstupanje

Tijekom kompresije dio plina prostrujava izmeu klipa i kouljice cilindra u kuite kompresora, odakle se odzrauje ili ee vraa nazad u usisni vod. Takoer zbog nesavrenog brtvljenja, a posebice kod istroenosti ventilskih ploica, dio plina recirkulira kroz usisne i potisne ventile.

Ovo odstupanje uslijed propusnosti ovisi o kvaliteti izrade kompresora, njegovoj istroenosti i omjeru tlakova u stupnju.

Utjecaj brzine vrtnjeAko kompresor radi s veom brzinom vrtnje od nazivne, usis i potis krae traju uz porast strujnih otpora. Posljedica je smanjenje usisane koliine plina pa time i dobave. Takoer, zbog tromosti ventili se kasnije otvaraju i zatvaraju. Kanjenje zatvaranja tlanog ventila moe uzrokovati povrat plina iz tlanog voda u cilindar, pa se time dodatno smanjuje usis.

4.2 Srednji indicirani tlak

Stvarno utroeni rad koji se predaje radnom mediju tijekom jednog ciklusa u cilindru kompresora moe se dobiti snimanjem indikatorskog dijagrama mehanikim ili elektronskim indikatorom. Ovako dobiveni stvarni p-V dijagram obuhvaa sve utjecaje koji djeluju u cilindru kompresora za vrijeme jednog radnog ciklusa. Njegova povrina Wc,i predstavlja rad predat plinu u cilindru tijekom jednog ciklusa klipnog mehanizma kompresora. Ako bi ovu povrinu podijelili sa stapajnim volumenom dobili bi srednju visinu indikatorskog dijagrama koju nazivamo srednji indicirani tlak pmi.

(4.4)Ovaj fiktivni nepromjenjivi tlak bi tijekom jednog stapaja troio jednaki rad koji troi i stvarni kompresor promjera cilindra D i stapaja s.Budui da je

(4.5)slijedi

(4.6)gdje je n broj okretaja kompresora u sekundi.

Slika 4.5 Indikatorski dijagram stvarnog kompresora i srednji indicirani tlakIndicirana snaga koja se predaje radnom plinu u cilindru kompresora jednaka je umnoku srednjeg indiciranog tlaka sa stapajnim volumenom i brzinom vrtnje kompresora. To je snaga ili rad koji se troi iskljuivo na komprimiranje plina, te usis i potis tog plina.

Kompresor na ulaznoj osovini preuzima rad od pogonskog motora We (elektromotora, Diesel motora, Otto motora ili turbine) koji je vei od indiciranog Wc,i. Ta razlika se troi na mehanike gubitke u kompresoru. Ovi mehaniki gubitci Wm sastoje se od:

Savladavanja otpora uslijed relativnog gibanja svih pokretnih dijelova kompresora. To su trenje klipnih prstenova i stijenki klipa s kouljicom cilindra, trenje osovinice klipa, velike pesnice (glave) klipnjae i koljenastog vratila, temeljnog leaja i koljenastog vratila. Rada utroenog za pogon pomonih ureaja kao to su ventilatori i pumpe ulja.

(4.7)

(4.8)5. dobava klipnog KOMPRESORA

Kapacitet ili dobava klipnog kompresora predstavlja koliinu plina u ili kojeg kompresor usisava, a zatim komprimira i potiskuje u neki spremnik.

Za idealni kompresor radni volumen je , a specifini volumen usisavanog plina , pa je:

(5.1)Ovdje je izraeno u m3/s, to se dobiva mnoenjem radnog volumena cilindra s brojem cilindara i brzinom vrtnje kompresora. Dakle, ovo je teoretski volumen usisanog, a ne stlaenog zraka.

(5.2)gdje je:

D (m(promjer cilindra

s (m(hod klipa

zbroj cilindara prvog stupnja

n (min-1(brzina vrtnje (broj okretaja) pogonskog vratilaZa stvarni klipni kompresor, iz razloga koji su navedeni u prethodnom poglavlju, radni kapacitet je manji od teorijskog i njihova razlika se prema tradiciji naziva volumetrijski gubitak kompresora. Omjer stvarne dobave prema teorijski moguoj dobavi nazivamo po tradiciji volumetrijska efikasnost kompresora, gdje je:

(5.3) volumetrijska efikasnost kompresora

Pozivajui se na prethodnu analizu, moe se napisati:

(5.4)gdje su: q

volumetrijska efikasnost zbog tetnog prostora

volumetrijska efikasnost zbog priguenja na ventilima (faktor tlaka)

volumetrijska efikasnost zbog izmjene topline (temperaturni faktor)

volumetrijska efikasnost zbog proputanja (faktor propusnosti)Izraunavanje pojedinih volumetrijskih efikasnosti prikazano je u nastavku.5.1 Volumetrijska efikasnost zbog tetnog prostora Zbog tetnog prostora i ekspanzije zaostalog plina, stvarno usisavanje je od do , dok bi teoretski to bilo od do .

Slika 5.1 Teoretski p-V dijagram kompresora sa tetnim prostorom

(5.5)

(5.6)

(5.7)

Za politropu vrijedi:

(5.8)

(5.9)Odnos tetnog prostora Vc naprama stapajnom (radnom) volumenu Vh = (Va Vc) naziva se relativni tetni prostor i obiljeava se sa c, pa je:

(5.9a)U prethodnoj jednadbi , to je prvo odstupanje od idealnog kompresora, a utjecaj tetnog prostora prikazan je sa c to predstavlja tree odstupanje.

Dakle, porastom odnosa tlakova i/ili porastom relativnog tetnog prostora opada faktor . To moe ii do , kada je .

5.2 Volumetrijska efikasnost zbog priguenja na usisu (tlani faktor )Prilikom usisavanja tlak u cilindru je nii za od tlaka u usisnom rezervoaru (ili od tlaka okoline). Smanjenje tlaka uzrokuje porast specifinog volumena, odnosno smanjenje gustoe plina na ulazu u cilindar (umjesto bit e ). Za sve plinove pad tlaka bez izmjene topline je proces priguivanja uz konstantnu entalpiju, a ako se radi o idealnom plinu i temperatura je konstantna:

i

pa je i odnos (smanjenje) gustoa proporcionalan odnosu tlakova.

(5.10)

(5.10a)

Orijentacijske vrijednosti za su:

za prvi stupanj kompresije

, za vie stupnjeve kompresije

.5.3 Volumetrijska efikasnost zbog izmjene topline (temperaturni faktor)Ova efikasnost obuhvaa gubitke punjenja cilindra uslijed zagrijavanja plina o stjenke. Slino prethodnom sluaju, plin se iri i smanjuje mu se gustoa.

(5.11)

(5.11a)gdje je:

odnosno temperatura plina u usisnom vodu

U praksi ovisi o omjeru tlakova , hlaenju kompresora, brzini vrtnje i izvedbi kompresora. Njegova vrijednost se priblino kree u granicama:

Kod projektiranja kompresora srednje veliine vrijedi empirijski izraz koji daje dobre vrijednosti:

(5.12)Prethodni izraz dobro vrijedi za izravan usis plina u cilindar, npr. za zrane kompresore. Za rashladne kompresore, gdje se plin vie (hermetski i poluhermetski) ili manje grije (otvoreni) pri prolazu kroz kompresor, faktor pred zagradom moe premaiti vrijednost 0.1.

5.4 Volumetrijska efikasnost zbog proputanja (faktor propusnosti)Volumetrijska efikasnost zbog proputanja obuhvaa gubitke dobave kompresora uzrokovane curenjem plina izmeu cilindra i klipa, te slabim brtvljenjem usisnih i potisnih ventila. Najvea propusnost izmeu kouljice cilindra i klipa je pri kraju stapaja kompresije i tijekom istiskivanja plina, jer je tada najvea razlika tlaka u cilindru i kuitu kompresora. Kod ventila osim proputanja zbog istroenosti, postoji i povratno strujanje plina zbog inercije ventila. Pri kraju stapaja, ventili ne zatvaraju odmah usisni ili tlani kanal, ve se dio plina vraa nazad dok ventil ne nasjedne na sjedite. Ovo povratno strujanje je znatno manje kroz usisne ventile u odnosu na tlane.Vrijednost volumetrijske efikasnosti zbog proputanja ovisi o kakvoi izrade kompresora, njegovoj istroenosti i omjeru tlakova.

Za kompresore u dobrom stanju:

Tipian primjer za kompresor sa tetnim prostorom c = 0.06

Slika 5.2 Volumetrijska efikasnost zbog tetnog prostora i zbog proputanja u funkciji omjera tlakovaUzimajui u obzir sve gubitke, ukupna volumetrijska efikasnost kompresora je:

(5.13)pa je konani izraz za kapacitet kompresora:

(5.14)

gdje je teoretski volumni protok kompresora. Dalje je:

(5.15)Primjer 5.1Jednostupanjski kompresor za NH3 ima 6 cilindara s promjerom D = 70 mm i hodom s = 60 mm. Odrediti broj okretaja pogonske osovine u idealnom sluaju () da bi kapacitet kompresora bio 350 kg/h. Parametri NH3 na usisu su ().

Koliki bi bio kapacitet istog kompresora ako bi on usisavao zrak okolnih parametara ()?Rjeenje:

Amonijak je na usisu u stanju pregrijane pare. Ako se ova para aproksimira idealnim plinom, onda je specifini volumen amonijaka:

Kapacitet kompresora je:

Radni volumen kompresora je:

Kod rada kompresora sa zrakom je:

Primjer 5.2Za zrani jednostupanjski kompresor koji ima relativni tetni prostor od 5% i koji radi izmeu tlakova , treba odrediti volumetrijsku efikasnost cilindra!Rjeenje

Ukupna volumetrijska efikasnost:

Uzima se da je kompresija adijabatska ;

Primjer 5.3Kompresor ima 3 cilindra s relativnim tetnim prostorom od 4%, te ukupnim radnim volumenom .

Koliki je kapacitet ovog kompresora ako on sie okolni zrak i tlai ga u samo jednom stupnju na 60 bar? Hoe li se poveati kapacitet istog kompresora, ako on sa 2 cilindra radi u prvom stupnju, a sa jednim cilindrom u drugom stupnju? Koliki je meutlak 1. i 2. stupnja bez meuhlaenja?Rjeenje:

a) Kompresija samo u jednom stupnju

b) Kompresija u dva stupnja (Usisane koliine u prvi i drugi stupanj moraju biti jednake):

odnosno:

U prethodnoj jednakosti meutlak px je viestruko ukljuen i nije ga mogue izraziti eksplicitno. Zadatak se rjeava probanjem i grafiki:

Ako je

Za 1. stupanj

za 2. stupanj

Za drugi stupanj bi imao vei kapacitet od prvog. Treba probati s niim .

Ako je px = 4 baranalognim proraunima dobiva se:

Znai, ve priblino zadovoljava. Vidi se da je kapacitet kompresora sada puno vei nego kada sva tri cilindra rade paralelno (tada bi bilo ).

Primjer 5.4Kompresor usisava okolni zrak p1 = 1 bar, t1 = 20 C i tlai ga u rezervoar p2 = 6 bar. Kapacitet kompresora je , a ostali podaci su:

promjer cilindra:D= 0.12 m hod klipa:

s= 0.09 m broj cilindara:z= 4 broj okretaja:

n= 1500 min-1 adijabatska kompresija:= 1.4 konstanta za zrak:R= 287 J/kg KZa padove tlaka na usisu i potisu, te za koeficijente uzeti uobiajene vrijednosti (iz predavanja). Izraunati relativni tetni prostor kod ovog kompresora!Rjeenje:

6. IZBOR BROJA STUPNJEVA

to je vei broj stupnjeva s meuhlaenjem, kompresija je blie izotermi. Time se istovremeno poveava efikasnost kompresora (vidi poglavlje 8). S druge strane konstrukcija je sloenija, veih je dimenzija, a vei su i zahtjevi odravanja.

Postoji optimalna vrijednost broja stupnjeva, ovisno o namjeni kompresora, ukupnom poveanju tlaka i drugim zahtjevima.

Od kompresora koji treba raditi povremeno, a da pri tome rijetko bude potpuno optereen zahtjeva se da bude jeftin to se moe postii izborom najmanjeg broja stupnjeva za zadani ukupni omjer tlakova kompresora . Pri tome se mora paziti da se ne prekorai maksimalnu dozvoljenu temperaturu.

Nasuprot tome, visokotlani kompresor koji radi neprekidno danju i nou mora imati veliki broj stupnjeva.

Na slici 6.1 je prikazana raunska ovisnost mogueg maksimalnog omjera tlakova u kompresoru u ovisnosti omjera tlakova u stupnju pri jednakom za sve stupnjeve. U praksi se broj stupnjeva bira izmeu graninih linija, u ovisnosti o prethodno izloenom.

Slika 6.1 Broj stupnjeva kompresora i ukupan omjer tlakova kompresora (6(6.1 ODNOSI RADNIH VOLUMENA I TLAKOVA POJEDINIH STUPNJEVA

Uz pretpostavku da vrijedi jednadba stanja idealnog plina, meuhlaenje do poetne temperature, nema gubitaka priguenja usisa i potisa, potpuna nepropusnost stupnjeva i uz istu vrijednost relativnog tetnog prostora c moe se napisati:

(6.1)

(6.2)

Slika 6.2 Teoretski p-V dijagram dvostupanjskog kompresoraPrema tome omjer tlakova u stupnju s tetnim prostorom odreen je omjerom radnih volumena tog stupnja i sljedeeg kod viestupanjskih kompresora. Ako se eli postii jednak omjer tlakova u svim stupnjevima mora postojati sljedea veza izmeu radnih volumena.

(6.3)Pri razliitim omjerima volumena, razliit je i omjer tlakova:

Kod kompresora sa z stupnjeva razliitih omjera tlakova, ukupan omjer tlakova je:

(6.4)Odavde slijedi omjer tlakova za zadnji stupanj:

(6.5)U pogonu se automatski uspostavlja omjer tlakova u posljednjem stupnju , koji ovisi o omjeru tlakova kompresora i omjeru tlakova pojedinih stupnjeva , koji pak ovise o omjerima radnih volumena. Pri prekoraenju konanog tlaka kompresije , ili pri priguenju tlaka na usisu, ukupan omjer tlakova raste. Ovo poveanje omjera tlakova u pogonu preuzima zadnji stupanj kompresora. Zbog toga se esto posljednji stupanj namjerno neto rastereuje, poveanjem omjera radnih volumena prethodnih stupnjeva.

Porast tlaka u svakom stupnju prati porast temperature komprimiranog plina. S tim su vezana i ogranienja na omjer tlakova u stupnju, s obzirom na temperaturu zapaljenja uljnih para ili kemijsku degradaciju ulja za podmazivanje.

7. SNAGA KOMPRESORA

Izraz za indiciranu snagu kompresora izvodi se po ranije utvrenim uvjetima. Najprije se odreuje proraunski indicirani utroeni rad, koji se u p-Vcil dijagramu prikazuje povrinom unutar linija a-b-c-d.

Slika 7.1 Proraunski indicirani utroeni rad jednostupanjskog klipnog kompresora

(7.1)gdje se sa V oznaava volumen plina u cilindru tijekom kompresije i ekspanzije. Indicirana snaga potrebna za rad kompresora je:

(7.2)gdje je wi indicirani rad po mehanikom ciklusu za 1 kg radnog plina.Koristei izraz za tehniki rad po politropi utroena indicirana snaga bit e:

(7.3)gdje su:

maseni protok plina prilikom kompresije

maseni protok plina prilikom ekspanzije

Radi jednostavnosti izvoda, pretpostavlja se da su eksponenti kompresije i ekspanzije identini, to u praksi nije sluaj.Ako se usvaja da je , tj. da nema zagrijavanja plina u cilindru, bit e:

(7.3a)Poto je:

slijedi:

(7.4)Kako je , to je konano:

(7.5)Za neki izvedeni kompresor poznato je: , a druge veliine su manje-vie konstantne. Prema tome, zavisi samo o i , odnosno o . Ta ovisnost grafiki izgleda kao na slici 7.2.

Slika 7.2 Promjena indicirane snage u funkciji omjera tlakovaKao to se vidi, u dva sluaja je , a najvea indicirana snaga predana plinu u cilindru je negdje izmeu. Objanjenje: Ako je kompresor ne savladava razliku tlakova (lan u desnoj uglatoj zagradi jedn. 7.5 je jednak 0) pa je i utroena snaga jednaka 0. No tako je samo za i . Praktino se ipak troi neki rad za savladavanje trenja plina pri prolasku kroz ventile i drugih gubitaka. (vidi sliku 7.3) za vei omjer tlakova moe se dogoditi da je dio izraza , pa je izraz u vitiastoj zagradi jednak 0, te je opet utroena indicirana snaga za komprimiranje jednaka 0. Meutim, i ovdje pogonski motor troi neki rad za savladavanje trenja i pogonjenje pomonih ureaja. U ovom sluaju volumetrijski faktor zbog tetnog prostora je nula , te kompresor nita ne usisava. U oba ova sluaja kada je stvarna indicirana snaga vrlo mala, efektivna snaga je vea, zbog mehanikih gubitaka:

Ni,max je zapravo najpovoljniji sluaj. Utroeni rad je najvei, ali pri tome je najvea i dobava, tako da je specifini rad ili specifina snaga najmanja.

Slika 7.3 Rad utroen pri nultoj dobavi kompresoraNa slici 7.4 prikazan je sluaj kompresora koji usisava pri i tlai na razliite vee tlakove. Npr., ako je i tada je i za . Idealizirani indicirani rad za neki odreeni izlazni tlak je po jednom mehanikom ciklusu jednostupanjskog kompresora ravan rafiranoj povrini krivocrtnog romboida ciklusa. Za vie izlazne tlakove taj se romboid izduuje i suava, da bi mu povrina za pala na nulu. To znai, da se sav plin sabija u tetni prostor i isti se plin prilikom ekspanzije proiri i ispuni sav cilindar. Takav sluaj nazivamo granini omjer kompresije.

Slika 7.4 Rad utroen pri razliitim omjerima tlakova pri tlaenju plinovaAko kompresor usisava na razliitim niim tlakovima a komprimira na isti izlazni tlak, utroeni rad prikazan je na slici 7.5.

Slika 7.5 Rad utroen pri razliitim omjerima tlakova rashladnih kompresoraOvo je sluaj u rashladnoj tehnici. Toplina se odaje kod to odgovara nekom , a oduzima se kod razliitih temperatura isparavanja tj., razliitih .

Stvarna, efektivna, snaga za pogon kompresora vea je od indikatorske snage za mehanike gubitke uslijed trenja samog mehanizma te za pogon sustava podmazivanja ( i hlaenja ) koji se najee pogone s iste osovine.

(7.6)Odavde je:

(7.7)

Takoer, prema jednadbi (4.6) vrijedi:

(7.8)

gdje je Ap povrina klipa kompresora.Vrijednosti mehanike efikasnosti priblino su:

za velike industrijske kompresore, za male brzohodne kompresore.Primjer ovisnosti o i , odnosno od odgovarajuih temperatura rashladnog medija dat je na slici 7.4. (GRASSO:RC69.NH3):

Slika 7.6Za kompresor sa z stupnjeva, ukupna snaga je suma zahtijevane snage svakog pojedinog stupnja. Isti je sluaj ako jednostupanjski kompresor ima vie cilindara.

Zahtijevana izotermna snaga viestupanjskog kompresora je:

(7.9)Zahtijevana adijabatska snaga viestupanjskog kompresora je:

(7.10)Zahtijevana indicirana snaga viestupanjskog kompresora je:

(7.11)Prema jednadbi (7.7) je:

(7.7a)Koliina (masa) plina, kompresijski omjer, relativna vlanost i poetna temperatura ne trebaju biti jednake u svim stupnjevima.

Kompresor se najee pogoni elektromotorom direktno spojenim s kompresorom, ali je mogue da se povezuje preko neke transmisije ija efikasnost iskustveno iznosi t = 0.92 0.98. Snaga elektromotora treba biti od 15 do 30% vea od izraunate potrebne snage Ne na osovini kompresora, pa je:

(7.12)Ovo se radi zbog sigurnosti u pogonu, ali i zbog prijelaznog reima rada s pojavom maksimalne snage. Kod direktnog spoja kompresora i elektromotora t = 1.Primjer 7.1Kompresor klima ureaja usisava paru R-22 pri temperaturi isparavanja i tlai je u kondenzator gdje je temperatura kondenzacije .

Izraunati indikatorsku i stvarnu snagu kompresora, ako su ostali podaci:

relativni tetni prostor,

eksponent politrope,

volumetrijska efikasnost zbog proputanja,

radni volumen kompresora,

mehanika efikasnost.Rjeenje:

tablice ili h-s dijagram za R-22

Usvaja se:

Indikatorska snaga je:

Efektivna snaga utroena za rad kompresora je:

Za stvarni kompresor odabran je ( MANERUOP; MT 18 ZA)

Snaga pogonskog elektromotora se uveava 15 do 30%

Primjer 7.2Kompresor usisava zrak stanja i tlai ga na krajnji tlak .Nai vrijednost tlakaza koji je indikatorska snaga maksimalna. Ostali podaci su:

relativni tetni prostor

eksponent kompresije (adijabata)

faktor propusnosti

ukupni radni volumen

pad tlaka na usisu

pad tlaka na potisu

Najnii konani tlak moe biti . Tada je , odnosno treba savladati samo otpore na usisu i potisu.

za kompresor sie i tlai zrak u okolinu

Najvei mogui slijedi iz uvjeta da je izraz u vitiastoj zagradi ravan 0 ().

Izmeu i treba traiti . To e se uiniti probanjem i grafiki, iako bi moglo preko .

Interesantno je primijetiti da ne ovisi o poetnoj temperaturi (u ovom sluaju je svejedno je li ili je ).

Slika 7.7

8. EFIKASNOST KOMPRESORA8.1 Mehanika efikasnost

Mehanika efikasnost jest mjera za mehanike gubitke kompresora, a definira se kao omjer utroene indicirane snage Ni unutar cilindra za komprimiranje plina i efektivne snage Ne potrebne na ulaznoj osovini kompresora. Mehanika efikasnost obino obuhvaa i gubitke spojke ili prijenosa, tj.

(8.1)pa je snaga potrebna na osovini kompresora prema (7.8):

Vrijednost mehanike efikasnosti ovisi o vrsti kompresora, kvaliteti izrade i nainu hlaenja i podmazivanja kompresora, te o dotrajalosti stroja. Istroeni dijelovi kompresora uzrokuju i vee mehanike gubitke nego novi. U praksi mehanika efikasnost kompresora se kree od 0.90 do 0.98 za kompresore dobre izvedbe, od 0.88 do 0.93 za viestupanjske kompresore, dok za male jednostupanjske kompresore iznosi oko 0.85.8.2 Izotermna efikasnost

(8.2)gdje je wi indicirani rad po ciklusu i kilogramu.Izotermna efikasnost usporeuje najmanju moguu snagu idealnog kompresora izotermnog komprimiranja bez gubitaka s indiciranom snagom stvarnog kompresora. Da bi usporedba bila korektna, moraju oba kompresora, idealni i stvarni, imati istu brzinu vrtnje n, isti stapajni volumen Vs i raditi izmeu istih tlakova u usisnom i tlanom vodu p1 i p2. Zbog volumetrijskih gubitaka stvarnog kompresora koliina usisanog plina je umanjena, pa je kod usporeivanja snaga potrebno ugraditi volumetrijsku efikasnost kako bi oba kompresora, i idealni i stvarni, radili s istim protokom plina. Zbog toga izraz za izotermnu efikasnost glasi:

(8.3)

Kao to je ve reeno, izotermna kompresija troi manje rada od izentropske. Meutim, u praksi stvarni kompresor je mnogo blii izentropskoj nego izotermnoj kompresiji.

8.3 Izentropska (adijabatska) efikasnost

(8.4)to se tie brzine vrtnje, stapajnog volumena i tlakova u usisnom i tlanom vodu vrijedi isto to je navedeno za izotermnu efikasnost. Takoer, ako se ele usporeivati kompresori koji dobavljaju jednaku koliinu plina potrebno je ugraditi izraz za volumetrijsku efikasnost.

(8.5)

Katkada veoma efikasni kompresori imaju izentropsku efikasnost veu od jedinice. To se deava kod kompresora s intenzivnim unutranjim hlaenjem uljem, primjerice kod vijanih kompresora. Takoer, izentropska efikasnost je vea za kompresore koji komprimiraju lake plinove. Izentropska, odnosno adijabatska efikasnost ne ovisi samo o kvaliteti kompresora ve i o svojstvima plina koji se komprimira.

U sluaju jednostupanjskog kompresora adijabatska efikasnost daje bolju predodbu opih uvjeta od izotermne, koja znaajno ovisi o omjeru tlakova. Takoer, jednostupnjska izotermna kompresija u praksi je gotovo neizvediva. Zbog toga se za jednostupanjske kompresore preporuuje kao mjeru uspjenosti stvarne unutranje kompresije koristiti adijabatsku efikasnost.

8.4 Ukupna izotermna efikasnost

Ako se kao usporedbeni parametar koristi stvarno utroeni rad doveden ulaznoj osovini kompresora We, tada se to naziva ukupna izotermna ili ukupna izentropska efikasnost.

(8.6)8.5 Ukupna izentropska (adijabatska) efikasnost

(8.7)Takoer vrijedi:

(8.8)Umnoak izentropske i mehanike efikasnosti jednak je ukupnoj izentropskoj efikasnosti.Kod viestupanjskog komprimiranja s meuhlaenjem, kompresija se pribliava izotermi. Zbog toga se u takvim sluajevima preporuuje za ukupnu efikasnost viestupanjskog kompresora koristiti izraz ukupne izotermne efikasnosti (8.6).

Tablica 8.1 Efikasnosti tipinih komercijalnih kompresora (2(Unutranja (indicirana) izentropska efikasnostUkupna izentropska efikasnost

Klipni jednostupanjski0.90 0.950.83 0.94

Klipni viestupanjski0.76 0.830.72 0.78

Dvovijani kompresori0.80 0.85

Lamelni kompresori0.70 0.75

Roots0.60 0.65

Turbo puhala0.60 0.80

Jednostupanjski centrifugalni0.80 0.860.77 0.82

Viestupanjski centrifugalni0.68 0.77

Aksijalni0.85 0.87

Primjer 8.1Dvocilindarski kompresor usisava okolni zrak stanja i tlai ga na krajnji tlak = 8 bar. Svaki cilindar ima promjer 15 cm i stapaj 20 cm. Relativni tetni prostor iznosi 8% stapajnog volumena. Za brzinu vrtnje od 900 o/min treba nai volumni protok standardnog zraka ( = 1.225 kg/m3).Pretpostaviti eksponent politropske kompresije i ekspanzije n = 1.60, a zrak kao idealan plin ( =1.40 i M = 29.Treba izraunati takoer potrebnu osovinsku snagu za m = 0.85 i ukupnu adijabatsku i izotermnu efikasnost kompresora. Ostali podaci su:

volumetrijska efikasnost zbog izmjene topline

volumetrijska efikasnost zbog propusnosti

pad tlaka na usisu

pad tlaka na potisu

Volumetrijska efikasnost zbog tetnog prostora je:

Volumetrijska efikasnost zbog priguenja na usisu je:

Volumni protok standardnog zraka je:

Potrebna osovinska snaga je:

Izentropski rad kompresije je:

Ukupna adijabatska efikasnost kompresora je:

Izotermni rad kompresije je:

Ukupna izotermna efikasnost kompresora je:

S obzirom da se radi o jednostupanjskoj kompresiji, adijabatska efikasnost je u ovom sluaju primjerenija.

9. KONSTRUKcijskA RJEENJA KLIPNIH KOMPRESORA

Klipni kompresor je relativno jednostavan stroj koji se sastoji od malog broja osnovnih elemenata, a to su:

1. cilindar s oscilirajuim klipom ijim gibanjem unutar cilindra se usisava, komprimira i istiskuje plin (ili para).

2. razvodni organi izvedeni kao samoradni ventili, koji se povremeno otvaraju i zatvaraju zbog razlike u tlakovima.

3. klipni mehanizam koji pretvara rotacijsko gibanje vratila u pravocrtno gibanje klipa unutar cilindra i prenosi rad potreban za komprimiranje plina.

4. kuite kompresora koje ujedinjuje prethodno navedene elemente kompresora, sadri glavne leajeve vratila, te slui kao spremnik ulja za podmazivanje.

9.1 konstrukcijska rjeenja

a)stojei jednoradni klipni kompresorb)leei dvoradni stapni kompresor s krinom glavom

Slika 9.1 Osnovni tipovi gradnje klipnih/stapnih kompresora (4(S obzirom na izvedbu, cilindri mogu biti jednoradni i dvoradni, ve prema tome komprimira li se plin s jedne ili s obje strane klipa. Dvoradni kompresori su izvedeni s krinom glavom i stapajicom. Prostor cilindra odvojen je od prostora kuita stjenkom kroz koju prolazi stapajica. Ako se eli strogo odvojiti podmazivani prostor kuita od komprimiranog plina ugrauje se dvostruka stjenka. Kod jednoradnih klipnih kompresora bone stjenke klipa preuzimaju bonu silu i prenose je na kouljicu cilindra. Kod dvoradnih kompresora bona sila se prenosi preko krine glave na klizne staze. Stoga klip ne mora biti dug, ve je kratke izvedbe pa se naziva stap. Na slici 9.1a prikazana je stojea izvedba jednoradnog kompresora, a na slici 9.1b leea izvedba dvoradnog kompresora s krinom glavom. Najmanji kompresori su jednostupanjski s jednim cilindrom ili dva cilindra u V izvedbi, zrakom hlaeni i pogonjeni elektro motorom. To su brzohodni strojevi. Sporohodni kompresori velike dobave imaju leee dvoradne cilindre.

Kompresor moe biti izveden kao jednocilindarski ili viecilindarski. Ako se kompresija obavlja u vie cilindara koji se nalaze na zajednikom postolju, a cilindri su spojeni u paralelu, takav kompresor se naziva jednostupanjski. Kada je vie cilindara na zajednikom postolju spojeno u seriju, uobiajeno preko hladnjaka radnog plina, takav kompresor je viestupanjski kompresor. Cilindri mogu biti izvedeni kao leei ili stojei, mogu biti smjeteni u obliku slova V, L, W, H, bokser izvedbe itd.

Slika 9.2 Viecilindarski klipni/stapni kompresori (4(Suvremeni kompresori velike dobave su viecilindarski spojeni u paralelu. Izvedbe do 4 cilindra su stojee redne i prikazane su na slikama 9.2 a,b. Kada je potreban vei broj cilindara, do 8, pribjegava se konstrukcijama V, W ili dvostruko V kao, na slikama 9.2 c,d,e. Kutni raspored cilindara nudi odreene prednosti, smanjen volumen i teinu, te superiornu izbalansiranost stroja. Veliki kompresori grade se u izvedbama prikazanim sa slikama 9.2 f,g,h. L izvedba prikazana slikom 9.2 f koristi se i kod kombinirane konstrukcije gdje je kompresor leee izvedbe a pogonski motor uspravne. L izvedba s vertikalnim niskotlanim cilindrom i horizontalnim visokotlanim cilindrom je pogodna za vee strojeve, laku ugradnju, odravanje i demontau. Bokser izvedba (vidi sliku 9.2g) primjenjuje se kad je raspoloiva visina za montau mala, i kod najveih kompresora s krinom glavom.Za postizanje viih i visokih konanih tlakova koriste se viestupanjski klipni kompresori. Viestupanjski kompresori dobivaju se, kao to je ve reeno, povezivanjem cilindara u seriju. Uobiajeno se komprimirani medij hladi nakon kompresije u pojedinom stupnju. Komprimiranjem i hlaenjem volumen plina znaajno opada pa svaki naredni stupanj ima manji volumen (vidi poglavlje 3.).

Slika 9.3 Viestupanjski klipni/stapni kompresori (4(Na slici 9.3a tri cilindra prvog stupnja povezana su u paralelu, a etvrti cilindar je u serijskoj vezi i slui kao drugi stupanj kompresora. Uobiajena izvedba viestupanjske kompresije prikazana je slikom 9.3b. Trei nain viestupanjske kompresije je tzv. stepenasta izvedba stapa i cilindra prikazana slikama 9.3c,d,e. Manji kompresori se grade kao brzohodni stojei prema slici 9.3c, dok se za vee dobave i tlakove koriste leee konstrukcije s krinom glavom kao na slici 9.3d. Za najvie tlakove pogodna je konstrukcija kao na slici 9.3e. Na slici 9.3f prikazan je kompresor s krinom glavom za srednje i velike dobave. Za najvee dobave i vrlo visoke tlakove iznad 2000 bar grade se bokser kompresori kao na slici 9.3g.Kompresori se razlikuju i po smjeru strujanja plina kroz cilindre. Strujanje moe biti protusmjerno ili istosmjerno. Kod protusmjernog strujanja plin pri usisavanju i istiskivanju slijedi smjer gibanja klipa (slike 9.4 a,e,f), a kod istosmjernog strujanja plin uvijek struji u smjeru od kuita prema poklopcu cilindra. Tlani ventil je ugraen u poklopac cilindra, a usisni u kruni klipa. Na taj nain gotovo cijeli poprjeni presjek cilindra je na raspolaganju za smjetaj ventila. Otpori strujanja zbog velikog presjeka su znatno manji. Meutim, ugradnjom elinog ventila u klip koji se uglavnom gradi od aluminijskih legura, klip postaje tei pa rastu i sile inercije. Osim toga, plin kod usisa prolazi kroz kuite (slika 9.4b) pa se mijea s uljnim kapljicama i parama, pa tako ulje u velikoj koliini dospijeva u tlani vod. Ovo ulje treba u tlanom dijelu izdvojiti iz komprimiranog plina i vratiti u sustav podmazivanja. Izvedbom 10.4c smanjuje se gubitak ulja, ali klip postaje jo tei pa se pojaavaju vibracije stroja. Konstrukcijom 9.4d smanjuje se masa klipa i nema odvoenja uljnih para, ali raste utroak rada po jedinici mase dobavljenog plina.

Slika 9.4 Klipni kompresori protusmjernog i istosmjernog toka plina (4(Danas se uglavnom grade kompresori protusmjernog strujanja. Kompresor prikazan na slici 9.4a prikladan je za gradnju manjih i srednjih kompresora niskog tlaka i male gustoe plina, te nie srednje klipne brzine. Suvremeni brzohodni kompresori srednje dobave grade se kao strojevi s protusmjernim strujanjem plina i tzv. koncentrinim samoradnim ventilima (slike 9.4 e,f) pri emu je tlani ventil obino smjeten u sredite, a usisni prstenasti oko njega. Za komprimiranje plinova i para velike gustoe, kao to je sluaj u rashladnoj tehnici, presjeci za prostrujavanje plina kroz ventile moraju se izdano dimenzionirati, pa se u tu svrhu koriste izvedbe kao na slici 9.4f.

Vrsta radnog fluida ima odluujuu ulogu u rjeavanju mnogih elemenata kompresora. Konstruktivna rjeenja mnogih elemenata i samih kompresora ovise i o njihovoj veliini i snazi. Dovoljno je rei da se snage kompresora kreu od 0.1 kW do 3 000 kW, pa da odmah postane jasno da najmanji i najvei kompresori ne mogu imati ista, a esto niti slina rjeenja. Ovdje veliku ulogu igra i nain izrade kompresora, mali kompresori se rade u serijama od milijun i vie komada godinje, dok najvei predstavljaju pojedinanu proizvodnju. U njihovoj izradi, ova injenica igra bitnu ulogu.

Zbog svoje svestranosti jo uvijek se najee koriste klipni kompresori. Nedostaci klipnih kompresora su:

zahtijevaju dobro temeljenje radi preuzimanja (neuravnoteenih) inercijskih sila klipova i klipnjaa; potrebno je iskusno osoblje za odravanje; usisni i potisni ventili su skloni kvarovima; diskontinuirana dobava moe uzrokovati vibracijsku rezonancu u tlanim prolazima i distribucijskom sustavu.

Mase klipova, klipnih prstenova, osovinica klipa i dijela klipnjae koji se gibaju pravolinijski oscilatorno, uzrokuju promjenjive sile inercije koje se prenose na koljenasto vratilo i dalje na temelje koji stoga moraju biti izdano dimenzionirani. Osim toga, samoradni ventili uzrokuju poveanje volumetrijskih gubitaka, koji postaju to vei to je vea brzina vrtnje. Zbog toga se klipni kompresori rade za umjerene brzine vrtnje koje rijetko prelaze 2000 min-1.

Slika 9.5 Rashladni klipni kompresor RC11 (7(Premda se posljednjih godina istiskuju vijanim i lamelnim kompresorima, klipni kompresori jo uvijek dominiraju kod velikih stacionarnih jedinica i kod komprimiranja na visoke tlakove.

Ovisno o kapacitetu i veliini, klipni kompresori u plinskoj tehnici imaju 1,2,3..., a najvie do 16 cilindara. Raspored cilindara moe biti razliit, kao to je prethodno pokazano. Nekada su cilindri sporohodnih kompresora imali mali promjer cilindra i veliku duinu stapaja, a sada su promjeri cilindra priblino jednaki stapaju. Kod suvremenih kompresora omjer .

9.2 dijelovi kompresora

9.2.1 Cilindri i kuite klipnih kompresora

Za manje kompresore cilindri se bue direktno u tijelu kompresora, dok se kod veih kompresora rade zamjenjive cilindarske kouljice. U svakom sluaju cilindri moraju biti vrlo precizno i fino obraeni, te moraju imati odgovarajuu povrinsku tvrdou i otpornost na habanje.

Materijali od kojih se izrauju cilindri ovise o tlaku, promjeru cilindra i vrsti plina koji se komprimira. Za kompresore niskog i srednjeg tlaka izrauju se od lijevanog eljeza, nodularnog lijeva ili elinog lijeva, ovisno o primjeni. Cilindri od srednjeg do visokog tlaka imaju manje promjere i deblje stjenke. Uobiajeno se koristi nodularni lijev. Cilindri visokog tlaka do 500 bar izrauju se od kovanog elika. Otvori za ventile su zavrno obraene do visokog poliranja.Kouljice cilindra se uglavnom ne koriste kod niskotlanih i srednjetlanih cilindara kod kompresije nekorozivnih plinova kao to je zrak. Kouljice se gotovo uvijek koriste u srednjetlanim i visokotlanim cilindrima, gdje se komprimira korozivan plin. Meutim, neki proizvoai bez obzira na to uvijek ugrauju kouljice.Iako ugradnja kouljica cilindra poveava cijenu kompresora, u sluaju zamjene, znatno su povoljnije nego zamjena kompletnog cilindra.Za izradu kouljica do tlaka od 200 bar za podmazivane kompresore openito se koristi centrifugalno lijevano eljezo. Za vie tlakove koristi se otvrdnuti elini lijev. Za korozivne plinove koristi se lijevano eljezo koje sadri 20% nikla. Za najvie tlakove koristi se kovani elik s nitriranom povrinom.

Kuite kompresora nosi cilindre, a u njemu su i leajevi za koljenasto vratilo. Takoer, kuite nosi i druge dijelove kompresora, kao to su uljna pumpa i filtar ulja. Izrauje se od kvalitetnog lijevanog eljeza ili zavarene eline konstrukcije.9.2.2 Cilindarska glava

Iznad ventilske ploe i cilindara nalazi se glava cilindra, koja se s vie vijaka privrsti za cilindar, odnosno kuite kompresora. Glava cilindra uglavnom slui za razvod plina koji se usisava i plina koji se istiskuje. Unutar glave cilindra obino se nalazi i jedna jaka opruga koja pritie ventilsku plou. U sluaju da u cilindar prodre vea koliina tekueg rashladnog fluida (kod rashladnih kompresora), lako moe doi do tzv., hidraulikog udara s velikim mehanikim oteenjima cilindra, klipa, klipnjae i drugih dijelova kompresora. Spomenuta opruga slui za sigurnost, jer se ona stisne, ventilska ploa se podigne i tekuina prijee na potisnu stranu.

9.2.3 Samoradni ventili

Cilindri se zatvaraju poklopcem na kome su obino usisni i potisni ventili te se taj poklopac zove i ventilska ploa. Ventilska ploa je obina, ravna ploa precizno obraena i izbuena s nizom otvora za usis i potis. Zadaa ventila je da omogue jednosmjerno strujanje plina ili para u ili van cilindra. Na svakoj ventilskoj ploi moraju biti jedan ili vie ventila za usis i za potis. Ventili na ventilskoj ploi mogu imati razliita rjeenja i oblike, ali su najei u obliku elastinih pera i koncentrinih prstenova. Za ventile se postavljaju slijedei zahtjevi:

- mala masa pokretnih dijelova (manje sile inercije)

- veliki protoni presjek sa to manjim otporima strujanju- lako i brzo otvaranje pri malim razlikama tlakova- male dimenzije ugradnje

- mali tetni prostor

- niski nivo buke

- lako odravanje i servisiranje

- velika sigurnost i vijek trajanja

Samoradni kompresorski ventili upravljaju ciklusom u cilindru kompresora. Automatski se aktiviraju kod male razlike tlakova s jedne i druge strane ventila koje nastaju u pojedinim dijelovima kompresorskog radnog ciklusa. Uslijed inercije zatvaranje ventila kasni to uzrokuje povrat dijela u usisni prostor kod usisnih ventila, odnosno u cilindar kod potisnih ventila.Samoradni ventili su najoptereeniji dijelovi kompresora. Kod brzohodnih strojeva oni pri svakom okretu koljenastog vratila moraju obaviti svoju funkciju u vremenu koje se esto mjeri tisuinkom sekunde. U tom vrlo kratkom vremenu moraju se otvoriti, propustiti plin i ponovno zatvoriti. Da bi se to ostvarilo, ventilska ploica se mora gibati velikim brzinama, pa stoga udara velikim silama o mirujue dijelove ventila. To izaziva velika dinamika naprezanja, pa se za tu svrhu koriste elici velike vrstoe i ilavosti. Posljednjih godina razvijaju se ventili od vlaknima ojaane plastike visoke stabilnosti kod brzih udarnih uvjeta i visoke temperature. Takoer se koriste i PEEK polietereterketoni koji zadravaju dobra fizikalna svojstva (vrstou i stabilnost) do 200 C, te manje apsorbiraju vlagu od drugih termoplastika. Nastoje se uvesti i kompozitni materijali, te keramika.Vrste samoradnih ventilaU nastojanju da se to bolje udovolji razliitim zahtjevima koji se postavljaju pred samoradne ventile razvijene su i razliite izvedbe namijenjene pojedinim vrstama kompresora.

Kompresori srednje i velike dobave do brzine vrtnje od 1200 min-1 najee se opremaju tzv. samoradnim ventilima s koncentrinim rasporima, prikazanim na slici 9.6. Ovi ventili koriste jedan ili vie relativno tankih metalnih ili nemetalnih prstenova rasporeenih koncentrino oko centralne osi ventila, odnosno ploica ili diskova s otvorima za prolaz plina. Tlani ventil i usisni ventil smjetaju se obino jedan pored drugoga u za to predviena gnijezda u ventilskoj ploi. Jedna od izvedbi kod koje ventil nazivamo ventilom s ploicom, prikazana je slici 9.6. Ventil se sastoji od sjedita ventila A s jednim ili vie prstenastih kanala ili otvora zatvorenim ventilskom ploicom C. Podizaj ploice je ogranien odbojnikom B na koji djeluju zaporne opruge G, pritiskujui vodei disk D. Ventilska ploica C voena je oprugom F za koju je privrena zakovicom ili vijkom. Vijak s maticom ini sklop u kojem prsten E odreuje razmak izmeu sjedita ventila i odbojnika, a time i podizaj ploice.

Slika 9.6 Ventili s koncentrinim rasporima (8(Prostor ispod ploice ventila sastavni je dio ukupnog volumena cilindra V1. Kod veine kompresora to je glavni dio tetnog prostora Vc. Podizaji ventila idu do 4 mm, ali najee iznose oko 2.5 mm.Sjedita ventila uglavnom se izrauju od visokokvalitetnog sitnozrnatog sivog lijeva ili iz kovanog ili valjanog elika. Ventilske ploice se izrauju od elika legiranih komom, krom niklom, krom molibdenom ili krom vanadijem. Odbojnik ventila izrauje se od lijevanog eljeza ili elika.Samoradni ventili s ravnim rasporima (slika 9.7) se esto koriste. U cilindar se smjetaju na isti nain kao i ventili s koncentrinim rasporima. Izvedba im je neto jednostavnija, odnosno sastoje se od manje dijelova. U sjeditu ventila 1 urezani su ravni raspori koje zatvaraju isto takve duge i tanke ventilske ploice 2 pritisnute lisnatim ventilnim perima 3, koja se oslanjaju na ventilni odbojnik 4. Podizaj ventilskih ploica odreuje debljina uloka 5, koji ujedno slui i za voenje ploica. Upravo je voenje ploica kod ove vrste ventila vrlo zahtjevno glede precizne i kvalitetne obrade da ne bi dolo do zaglavljivanja i lomova. Uobiajena primjena je kod sporohodnih do srednjehodnih kompresora i nisu se pokazali uspjenim kod velikih brzina i visokih tlakova. Namijenjeni su za komprimiranje istih i nekorozivnih plinova, i tada su pouzdani u radu uz postizanje najviih efikasnosti.

Slika 9.7 Ventil s ravnim rasporima (4(Lamelni ventili (slika 9.8) namijenjeni su uglavnom najmanjim srednje optereenim klipnim kompresorima kao to su manje rashladne jedinice hermetike ili poluhermetike izvedbe. U ventilskoj ploi 1 nalaze se provrti usisnog i tlanog ventila. Zatvaraju ih lamelne ploice posebno tlanog 2 a posebno usisnog ventila 3. Vrlo su tanke i elastine, te svojim progibom oslobaaju usisne odnosno tlane otvore pa posebne ventilske opruge nisu potrebne. Podizaj tlane ploice ogranien je stremenom.

Slika 9.8 Lamelni ventil (9(Zajednika znaajka opisanih tipova ventila je naglo skretanje struje plina kako bi nakon prolaska kroz raspore u ventilskoj ploi zaobila ventilsku ploicu i prola kroz raspore u odbojniku (vidi sliku 9.6). Ova dva uzastopna skretanja struje plina za 90 bitno utjeu na pad tlaka u ventilu, pa time i na volumetrijsku efikasnost.

Slika 9.9 Ravnostrujni ventil (4(Taj gubitak znatno je umanjen u ravnostrujnom ventilu prikazanom na slici 9.9, gdje su kanali za prolaz plina usmjereni gotovo okomito na ventilski sklop, a sama ventilska ploica takoer prati taj smjer. Na taj nain je izbjegnuto naglo skretanje struje plina. Ventilske ploice uklijetene su izmeu segmenata ventila i djeluju na slian nain kao u lamelnom ventilu. Ravnostrujni se ventili odlikuju neto manjim gubicima priguivanja, ali zbog vee debljine ventilske ploe uzrokuju vei tetni prostor, ime se smanjuje volumetrijska efikasnost.Kod viestupanjskih kompresora u viim stupnjevima kompresije esto nedostaje prostor za smjetaj ventila. Dobro rjeenje je etani ventil prikazan na slici 9.10. Umjesto nekoliko koncentrinih prstenova razliitih promjera, uloenih u zajedniko ravno sjedite, etani ventili sadre dva ili vie usisnih odnosno tlanih ventila smjetenih jedan iznad drugog. Time se na maloj tlocrtnoj povrini ostvaruju velike povrine presjeka otvora ventila, ali se time znaajno poveava tetni prostor. Usis i istiskivanje plina su poboljani, i hlaenje plina takoer je poboljano, ime se poveava ukupna volumetrijska efikasnost i pored velikog tetnog prostora.

Slika 9.10 Etani ventil viestupanjskih kompresora. Lijeva strana usisni ventil, desna strana potisni ventil (8(Smjetaj ventilaSamoradne ventile je mogue smjestiti u glavi cilindra ili u samom cilindru na razne naine. Pri tome uvijek postoje dva proturjena zahtjeva; da ventil ima to veu propusnu povrinu, a da pri tome tetni prostor ne bude velik. Tlani ili potisni ventili otvoreni su krae vrijeme u odnosu na usisni. Neke mogunosti smjetaja ventila prikazane su na slici 9.11.

Slika 9.11 Smjetaj samoradnih ventila u poklopcu cilindra (4(Na slici 9.11a prikazan je usporedni smjetaj usisnog 1 i tlanog 2 ventila u poklopcu cilindra. esto se primjenjuje kod kompresora niskog tlaka gdje su zbog male gustoe plina doputene vee brzine strujanja kroz ventil. Tijekom usisa plin je u kontaktu s malom povrinom tako da je utjecaj na volumetrijsku efikasnost malen. Meutim, kod zrakom hlaenih kompresora, prijelaz topline s prostora tlane komore prema usisnoj komori je znatan. Nasuprot tome, kod visokotlanih kompresora u viim stupnjevima komprimiranja, ventile je zbog malog promjera cilindra potrebno pri smjetaju u poklopac cilindra postaviti jedan nasuprot drugom, kao na slici 9.11b. To daje znatno vei tetni prostor, pa time i vee volumetrijske gubitke. Izvedbe kao to su prikazane sa slikama 9.11a,b olakavaju nadzor i odravanje, te vaenje i umetanje ventila bez odvajanja usisnog i tlanog voda.Mnogo bolje iskoritenje raspoloivog prostora pruaju koncentrine izvedbe. Na slici 9.11c prstenasti tlani ventil 2 obuhvaa usisni ventil 1, a cijeli je sklop vijcima 5 i ahurom 3 pritisnut na dosjednu plohu u cilindru 4.

Izvedba koncentrinog ventilskog sklopa prikazana slikom 9.11d esta je kod rashladnih kompresora. Tlani ventil, obino jedan elini prsten pritisnut sinusoidalnim oprugama zatvara tlane otvore u ventilskoj ploi 2. Ventilska ploa tlanog ventila 2 zatvara cilindar pritiskom opruge 3. Na taj je nain osigurano podizanje itavog ventilskog sklopa u sluaju hidraulikog udara, i olakano istiskivanje tekue faze iz cilindra. Usisni ventil 1 pomaknut je na vei promjer oboda cilindra, to daje vei usisni presjek. To je osobito vano pri usisavanju freona koji imaju veliku gustou i stoga vea ogranienja brzine strujanja kroz ventile.Kod dvoradnih strojeva nije mogua ugradnja ventila u poklopac cilindra na strani krine glave. Tada se, radi simetrije, obino na obje strane cilindra ventili ugrauju bono u stjenku cilindra, kao to je prikazano na slici 9.12.

Slika 9.12 Smjetaj samoradnih ventila u stjenku cilindra dvoradnih kompresora (8(9.2.4 Koljenasto vratilo, klip, klipnjaa i klipni prstenovi

Koljenasto vratilo prenosi ulazni rad preuzet od pogonskog stroja i predaje ga preko klipnjae i klipa radnom plinu. Koljenasto vratilo izrauje se od kovanog ugljinog elika ili od nodularnog lijeva. Ne koristi se toplinska obrada kaljenjem radi otvrivanja povrine. Veina kovanih koljenastih vratila u skladu su s AISI 1020, ASTM 668 za manje promjere i AISI 1045, ASTM 668 klasa F za vee promjere. Koljenasta vratila iz nodularnog lijeva u skladu su s ASTM A-536 Grade 80-55-06. Statiki se balansiraju za manje brzine vrtnje, a preko 900 o/min dinamiki se balansiraju. Glavni leajevi su od bijele kovine u elinoj blazinici upresanoj u poklopcu od lijevanog eljeza.Izvedba klipa ovisi o tipu i namjeni kompresora. Kod konstruiranja se vodi rauna o promjeru cilindra, potisnom tlaku, brzini vrtnje koljenastog vratila, duini stapaja i zahtijevanoj teini klipa. Moe biti iz punog komada ili sa upljinom prema kuitu. Ako je sa upljinom, uobiajeno je s unutranje strane orebren, radi ojaanja kako bi se sprijeile deformacije, a klip ostao to laki. Kod bezuljnih konstrukcija mogue su izvedbe sa utorima na stjenkama klipa ili na kouljicama cilindara ime se postie labirintno brtvljenje. Postoje tri osnovna tipa:

Klip iz jednog komada, izrauje se od punog lijevanog eljeza ili elika za male promjere i visoke razlike tlakova. Za velike promjere i niske tlakove izrauju se od upljeg lijevanog eljeza ili aluminijskih legura.

Klip iz dva komada izrauje se od aluminija, elika ili lijevanog eljeza. Mogua je kombinacija materijala. Ovakva konstrukcija omoguuje ugradnju irokog rider prstena od teflona ili olovne bronce. Aluminij smanjuje teinu klipa, pa time i sile inercije. Openito se koristi za promjere iznad 25 cm.Klip iz tri komada se koristi kada se dodatni rider prsten eli direktno umetnuti u utor u klipu. Na taj nain mogue je umetnuti deblji rider prsten, budui da se on ne navlai preko klipa. Takoer, kod aluminijskih klipova velikih promjera, metalni prsteni bi mogli otetiti povrinu klipa pri navlaenju.Openito, za izradu klipa koriste se aluminij, lijevano eljezo i elik. Aluminij se koristi kad je god mogue zbog svoje male teine i malih sila inercije. To su specijalne legure aluminija visoke vrstoe od 27.6 kN/cm2 i tvrdoe 100 do 110 Bhn. Ako se povrina anodizira postie se tvrdoa od 370 do 475 Bhn. Aluminijski klipovi se koriste do temperature od 80 C i diferencijalnog tlaka od 8.6 bar. Lijevano eljezo je materijal koji se najee koristi za izradu klipa zbog visoke vrstoe, otpornosti na troenje i na koroziju. Lijevano eljezo odgovara kvaliteti ASTM A275, klasa 40. elik se koristi za male promjere i visoke tlakove u skladu s ASTM A354 ili A320, kada su zahtjevi za vrstoom visoki.

Klipni ili stapni prstenovi se dijele na kompresijske, uljne i rider prstenove. Kompresijski prsteni su uvijek prisutni, a dali e biti ugraeni uljni prsteni ili rider prsteni ovisi o tipu kompresora i namjeni.

Standardni kompresijski prstenovi su elastini, od sivog lijeva, razrezani na jednom mjestu. U slobodnom stanju vei su od provrta cilindra. Broj kompresijskih prstenova ovisi o razlici tlakova iznad i ispod klipa. Ovakvi prstenovi iz jednog komada imaju poprjeni pravokutni presjek, ali ponekad se povrina prstena u kontaktu s kouljicom cilindra izrauje zaobljena, radi sprjeavanja oteenja brida i radi poboljanja podmazivanja. Kompresijski prstenovi ponekad se izrauju iz dva dijela. Osim lijevanog eljeza sve vie se koriste drugi materijali, kao npr. teflon, bronca i Ryton. PTFE (teflon ili fluoropolimer) moe biti dodatno s ispunom. Kod zranih kompresora ispuna moe biti od staklenih vlakana, ugljika, ugljinih vlakana, grafita ili bronce. PTFE prsteni s ispunom imaju poboljanu otpornost na troenje, poveanu krutost i toplinsku vodljivost. PTFE prsteni se koriste za temperature od -268 do +260 . Kemijski su inertni na veinu kemikalija i kiselina ak i pri visokim temperaturama.

Uljni prstenovi se koriste kod uljem podmazivanih kompresora i imaju zadau da razmazuju ulje, a kod kretanja klipa prema dolje struu ulje sa kouljice i vraaju ga u kuite. Uljni prsteni mogu biti iznad ili ispod osovinice klipa. Radni uvjeti uljnih prstenova su blai od uvjeta kojima su izloeni kompresijski prstenovi. Da bi se sprijeilo oneienje uljem iz kuita kompresora, u meupregradu izmeu kuita i prostora ispod stapa ugrauju se gumeni prstenovi koji brtve stapajicu.Rider prstenovi su dio konstrukcije svih klipova gdje nema podmazivanja ili gdje postoji opasnost od prestanka podmazivanja tijekom rada kompresora. Novi procesni kompresori imaju rider prstenove bez obzira na podmazivanje. Rider prsteni sprjeavaju direktan kontakt /trenje izmeu klipa i kouljice cilindra. Izrauju se od olovne bronce ili teflona. Rider prsteni od teflona koriste se za sve tlakove, temperature i plinove. Boni vertikalni utori na rider prstenima osiguravaju da ne djeluju kao kompresijski prstenovi. Klipnjae se izrauju kovanjem od niskougljinog elika, poprjenog presjeka dvostrukog T profila. Omjer radijusa koljenastog vratila i duine klipnjae uobiajeno iznosi od 1/4 do 1/5. Kod rashladnih i niskotlanih kompresora najee zadovoljava ilavi lijev. Takoer se izrauju i od aluminijskih legura. Leajevi su najee od bijelog metala u elinoj blazinici za veliku pesnicu, a mogue su konstrukcije od aluminija, bronce ili 3-metalne izvedbe. Leajevi male pesnice su od bronanog tuljka, aluminija ili bijele kovine u elinoj blazinici. Ponekad se koriste igliasti leajevi posebice za malu pesnicu.9.2.5 Sastavni dijelovi kompresora

Slika 9.13 Dvostupanjski dvoradni stapni kompresor RDS Ingersoll-Rand (10(Kompresor se sastoji od sljedeih dijelova:

1 meukomad s etiri NPT spojnice za ventilaciju, drenau, brtvilo i ulje za podmazivanje;2 prsteni - brisai ulja;3 temelj - kuite kompresora4 klizni leajevi od aluminija, tlano podmazivani;5 izdanci kuita za krine glave;6 spoj krine glave i stapajice s protuutegom;7 ventili prvog stupnja;8 cilindri (izrauju se od sivog lijeva, nodularnog lijeva ili kovanog elika ovisno o konanom tlaku);9 samopodesiva brtvenica;10 ojnica s provrtima za podmazivanje;11 podesiva klizna staza, tlano pomazivana;12 stapajica;13 aluminijska slitina otporna na koroziju u kliznim leajevima i stazama, podnosi visoka optereenja (nije prikazano);14 koljenasto vratilo i ojnice su od kovanog elika. Navoji na ojnici su valjani zbog vee vrstoe (nije prikazano);15 otvoreno kuite omoguava jednostavan pregled i zamjenu temeljnih i leteih leajeva i koljenastog vratila.

Slika 9.14 Dijelovi klipnog kompresora (11(

1leajevi10rotor elektro motora

2klipni prstenovi11stator elektro motora

3usisni ventili12koljenasto vratilo

4potisni ventili13klipovi

5ploa14osovinica klipa

6sigurnosni prsten15klipnjaa

7ploa s natpisom16ventilske ploe

8elektrini spojevi17leaj pumpe ulja

9komponente kuita

10. REGULACIJA dobave KLIPNIH KOMPRESORARegulacija rada kompresora je postupak kojim se prilagoava njegova dobava s promjenjivom potronjom komprimiranog plina pri tlaku p2. Iz jednadbe dobave kompresora slijedi:

(10.1)

(10.2)Dobava kompresora moe se prema prethodnoj jednadbi mijenjati promjenom volumetrijske efikasnosti, (prije svega promjenom volumetrijske efikasnosti zbog tetnog prostora), promjenom broja cilindara prvog stupnja podizanjem ventilskih ploica, promjenom brzine vrtnje kompresora, promjenom gustoe radnog medija na usisu, te povremenim zaustavljanjem rada kompresora. Veliina stapajnog volumena Vh izvedenog kompresora ne moe se mijenjati, osim kod specijalnih konstrukcija koje omoguavaju promjenu stapaja za vrijeme rada kompresora.10.1 Regulacija periodikim ukljuivanjem i iskljuivanjem kompresoraU rashladnim ureajima i postrojenjima rashladni uin kompresora je redovito vei od potrebnog. Slino je i kod kompresora plina, dobava je najee vea od potronje. Najjednostavniji nain usklaivanja mogunosti i potreba u takvim sluajevima je po sustavu RADI - NE RADI. U nekom hlaenom prostoru se, naime, zada eljena temperatura, npr., -18 C do 20 C. Kada rashladni ureaj radi, budui da je njegov rashladni uin vei od dobitaka topline temperatura u prostoru se polako sniava. Kada temperatura dostigne vrijednost 20 C, kompresor i rashladni ciklus se zaustavljaju. Nakon ovoga, uslijed daljnjih dobitaka topline, temperatura u hlaenom prostoru raste, te kad dostigne 18C kompresor i rashladni ureaj se ponovo ukljuuju. Isto vrijedi i kod kompresora za zrak, kada se mogu odrediti granine vrijednosti tlaka pmax i pmin kod kojih se kompresor iskljuuje, odnosno ukljuuje.

Slika 10.1 Regulacija rada periodinim ukljuivanjem i iskljuivanjem kompresoraUgradnja, u pravilu prekapacitiranog kompresora s estim ukljuivanjem i iskljuivanjem ima nekoliko nedostataka. Prvi nedostatak je visoka potronja elektrine energije kod svakog startanja kompresora. Takoer esto startanje uzrokuje vea naprezanja i troenje pojedinih dijelova kompresora to skrauje ivotni vijek, odnosno poskupljuje odraavanje. Za vea rashladna postrojenja ovaj nain regulacije nije dovoljan i poeljan, pa se primjenjuje jedan od nekoliko drugih moguih naina regulacije.10.2 Regulacija dodatnim, promjenjivim tetnim prostorom

Bazirana je na injenici da tetni prostor direktno utjee na volumetrijsku efikasnost, a time ujedno na kapacitet i rashladni uin kompresora.

Slika 10.2 Regulacija rada kompresora promjenjivim tetnim prostoromKao to se vidi na slici 10.1 tetni prostor kompresora je povean s jednim dodatnim malim cilindrom. Kada je u malom cilindru klip u gornjoj mrtvoj toki, tetni prostor kompresora jednak je onom u glavnom cilindru uveanom za volumen spojne cijevi do malog cilindra. Kada se u malom cilindru klip pomakne i ostvari neki slobodni volumen (kao na slici), tada je ukupan tetni prostor jednak onome u glavnom cilindru uvean za volumen spojne cijevi i volumen slobodnog prostora malog cilindra. Iz slike 10.2 je vidljivo da se tetni prostor moe kontinuirano poveavati do neke maksimalne vrijednosti. Iz formule za kapacitet kompresora proizlazi:

(10.3)

Vidi se da poveanjem relativnog tetnog prostora c pada kapacitet .

Na ovaj nain je mogue samo smanjivati maksimalni kapacitet kompresora, ali je zato regulacija kontinuirana, a s opadanjem kapaciteta opada i potrebna snaga za pogon kompresora.

(10.4)Ovaj nain regulacije se ipak rijetko primjenjuje.

10.3 Regulacija vraanjem dijela komprimirane pare rashladnog fluida iz potisnog u usisni vod

Ovaj nain je jednostavan nain regulacije, ali s dva nedostatka. Sama regulacija moe biti kontinuirana i ii od maksimuma pa (teoretski) do nule.

Slika 10.3 Regulacija vraanjem dijela komprimirane pare iz potisnog u usisni vodPrvi nedostatak ovog naina je taj to se smanjenjem kapaciteta kompresora uope ne smanjuje potrebna snaga za njegov pogon. Sam kompresor je stalno gotovo maksimalno optereen, ali se od njegovog kapaciteta samo dio koristi, a dio priguuje i vraa na usis.

Drugi nedostatak je povezan sa porastom radne temperature kompresora. Usisavanjem dijela pare iz isparivaa i dijela pare iz potisnog voda raste temperatura na usisu pa time i temperatura na potisu. Ovaj nepovoljni trend tim je vei to je vee smanjenje kapaciteta. Takoer, proces je induktivan i dolazi do progresivnog rasta temperature na potisu, to neminovno vodi pregrijanju kompresora. Iz ovog razloga mora se kontrolirati izlazna ili ulazna temperatura i kad ona dostigne kritinu vrijednost treba zaustaviti kompresor ili dodatno hladiti ubrizgavanjem tekueg fluida.

Ventil za ubrizgavanje je ustvari priguni ventil koji radi automatski i koji e biti opisan kasnije. Ovaj nain regulacije se susree kod kompresora srednjih veliina.

Slika 10.4 Shema regulacije vraanjem dijela komprimirane pare iz potisnog u usisni vod uz hlaenje ubrizgavanjem ohlaenog fluida10.4 Regulacija priguivanjem na usisu

Ova regulacija temelji se na promjeni uslijed veeg omjera tlakova i manje gustoe pare na usisu. To je prikazano na slici 10.5.

Slika 10.5 Regulacija priguivanjem na usisuSlino prethodnom sluaju i ovdje se moe pojaviti neeljeno visoka temperatura , te se u shemi moe predvidjeti ubrizgavanje tekueg ra