Kompresor (plyn)

Kompresor je v širšom zmysle pracovný stroj určený na stláčanie (kompresiu) plynov a pár. Inak povedané kompresor je elektromechanické zariadenie slúžiace na premenu mechanickej energie na energiu tlakovú (energiu stlačeného plynu).

Kompresor v užšom zmysle je typ kompresora, pracujúci s tlakovým pomerom väčším ako 3.

Vzhľadom na to že v kompresore nastáva adiabatické stláčanie dochádza tiež k adiabatickému ohrevu plynu.

Charakteristika

Kompresory charakterizujú nasledovné okruhy parametrov:

tlakové pomery

p_s - nasávací tlak (tlak na vstupe)

p_t - tlak na výstupe

πぱい = p_t/p_s - kompresný pomer

Δでるたp = p_t - p_s - celkový tlak (tlakový zisk)

Objemová výkonnosť (nasávaný objem plynu)

V/t (m³s^-1)

Príkon na hriadeli kompresora

Pef [W]

Delenie kompresorov

Rozdelenie kompresorov

Základné rozdelenie

Podľa spôsobu premeny energie

objemový kompresor - zvýšenie tlaku plynu nastáva zmenšením objemu pracovného priestoru v ktorom je plyn uzatvorený
dynamický kompresor (tiež rýchlostný kompresor) - zvýšenie tlaku plynu nastáva jeho urýchlením (zvýšením jeho kinetickej energie) a nasledujúcou premenou kinetickej energie na tlakovú energiu.

Podľa tlakových pomerov potom môžeme rozdeliť zariadenia na stláčanie vzduchu na

ventilátor: πぱい < 1,13 (tlak na výstupe neprekračuje 10 kPa)

dúchadlo: 1,13 < πぱい < 3 (tlak na výstupe neprekračuje 200 kPa)

kompresor: πぱい > 3

Špeciálne kompresory podľa tlakového pomeru vstup-výstup

výveva – nasává vzduch pri tlaku nižšom ako je atmosférický (normálny) a stláča ho na atmosférický tlak

booster – pomocný kompresor (dotlačovací kompresor), používaný pri príliš vysokom tlakovom pomere. Zaraďuje sa na vstup hlavného kompresora.

cirkulátor - cirkulačný kompresor nasáva plyn o vysokom tlaku a ďalej ho stláča s malým tlakovým pomerom. Slúži ako vyrovnávač tlaku napr. v plynovodoch.

Objemové kompresory

Podľa konštrukcie delíme ďalej

Objemový kompresor s vratným pohybom - tlak je vytváraný priamočiaro sa pohybujúcim zariadením zmenšujúcim objem priestoru a sústavou jednocestných ventilov
- Piestový kompresor - objem priestoru zmenšuje priamočiaro sa pohybujúci piest (podobne ako pri spaľovacom motore)
- Membránový kompresor - je vhodný len pre malé množstvo plynu, nasáva a stláča ho mechanickým prehýbaním membrány (kovovej, gumovej, plastovej a pod.)
- Kompresor s voľným piestom - piest oddeľuje dve rôzne médiá, samotný nie je mechanicky spojený s pohybovým mechanizmom. Pohon môže byť stlačeným vzduchom, alebo hydraulicky.

Objemový rotačný kompresor - k stláčaniu dochádza rotáciou jedného / dvoch rotorov otáčajúcich sa okolo svojich osí rovnobežných s osou pracovného valca. Stláčaný plyn sa pri pohybe rotujúcich piestov (rotorov) oddelí od nasávacieho priestoru potom sa jeho objem tlakom rotorov na plyn zmenšuje, čím stúpa jeho tlak. Obvodová rýchlosť rotačného pohybu piestov je rádovo vyššia, ako piestová rýchlosť pri kompresoroch s vratným pohybom piestu. Preto majú menšie rozmery. Malá hmotnosť malá zložitosť vedú k nízkej výrobnej cene. Rotačné kompresory môžu byť spojené priamo (bez prevodu) s rýchlobežným motorom, čím odpadnú aj náklady na prevodovku. Avšak v porovnaní s kompresormi s vratným pohybom piestu sa vyznačujú nižšími energetickými účinnosťami a vyššou hlučnosťou. Najväčšie straty predstavuje netesnosť.
- Lamelový kompresor - je tvorený valcovým rotorom s hlbokými zárezami excentricky uloženým v pracovnej komore. V zárezoch sa nachádzajú voľne posuvne uložené lamely. Pri otáčaní rotora sa lamely odstredivou silou vysunú, až sa oprú o steny pracovného valca. Pracovný priestor polmesiacovitého prierezu je jednotlivými lamelami rozdelený na komôrky, ktorých objem sa postupne zmenšuje, čím dochádza k stlačeniu plynu a jeho presunu smerom k výtlačnému otvoru.
- Vodokružný kompresor - plyn sa dopravuje v komôrkach tvorených pevnými krídlami excentricky uloženého rotora a vodného prstenca obiehajúceho v statore. Plyn vstupuje sacím otvorom a odchádza výtlačným otvorom v čelnej stene rotora. Pri otáčaní tesní kvapalinový prstenec medzi rotorom a krídlami pracovný priestor. Počet lopatiek býva 8 až 12 niekedy až do 20. Vplyvom priameho styku s kvapalinou je kompresia takmer izotermická, avšak celková izotermická účinnosť je nízka.
- Skrutkový kompresor. Stlačenie plynu sa dosahuje zmenšovaním objemu párových komôrok medzi skrutkami rotorov. Rotory sú skrutkového tvaru so závitom o veľkom stúpaní. Hlavný (hnací) rotor má najčastejšie štyri zuby, vedľajší má obvykle šesť zubov. Rotory sa otáčajú v opačných smeroch, čím sa objem pracovných komôrok na sacej strane postupne zväčšuje a na výtlačnej strane sa postupne zmenšuje. Existujú suché kompresory, so vstrekovaním vody, mazané olejom.

Mechanizmus špirálového kompresora

- Dúchadlo - dva rotačné piesty sa po sebe odvaľujú a dopravujú plyn v komorách vytvorených stenami rotora a statora. Ide o kompresor s vonkajšou kompresiou - stlačenie plynu nenastáva vo vnútri samotného kompresora, ku zvýšeniu tlaku dochádza až pri vytláčaní plynu do uzatvoreného priestoru. Typickým príkladom je Rootsovo dúchadlo s dvoma rotormi piškótovitého tvaru otáčajúcimi sa okolo rovnobežných osí. Piesty sú navzájom spriahnuté priamym prevodom a majú navzájom odlišný zmysel otáčania. Medzi stenami valca a rotormi sa pri otáčaní vytvárajú komôrky spojené so sacím, resp. výtlačným kanálom.
- Špirálový kompresor používa dve združené lamely stočené do špirály. Vytvárajú tzv. Archimedovu špirálu.

Mechanizmus špirálového kompresora

- Zubový kompresor je tvorený dvoma navzájom do seba zaberajúcimi, tesnými ozubenými kolesami. Medzery medzi zubami vytvárajú komôrky na prenos plynu. V mieste záberu je plyn z komôrok vytláčaný.

Dynamické kompresory

Rýchlostné kompresory dosahujú zvýšenie tlaku zrýchlením prúdiaceho plynu a po ňom nasledujúcou premenou kinetickej energie prúdiaceho plynu na tlak.

Výhody: pokojný chod, jednoduchá konštrukcia, jednoduchá obsluha a údržba, vysoká spoľahlivosť, dlhá životnosť, plyn neprichádza do styku s mazadlami

Nevýhody: hlučnosť, vysoké otáčky, pomalý nábeh výkonu, nízka účinnosť, pre vyšší tlak je potrebných viac stupňov

Radiálny kompresor. Plyn je nasávaný sacím hrdlom, v obežnom kolese (rotore). Pri prechode lopatkovými kanálami je mu udelená kinetická energia. Tá sa v difúzore tvorenom lopatkami opačnej orientácie premieňa na tlakovú energiu, čiže stúpa tlak plynu. Takto stlačený plyn je privedený do nasledujúceho stupňa. Posledným stupňom je špirálová skriňa a výtlačné hrdlo. Hriadeľ je uložený na ložiskách. Dynamické stláčanie vyžaduje vysoké obvodové rýchlosti až 450 m/s, čiže i vysoké otáčky 5 000 – 100 000 ot./min. Z toho vyplýva aj požiadavka na vysoko kvalitný materiál lopatiek obežného kolesa. Pre vyššie tlaky je potrebné viac stupňov. Stupeň tvorí obežné koleso, difúzor a vratný kanál. Plyn je nutné po prechode cca. troma stupňami chladiť, čím sa zvýši hustota plynu, čo je potrebné pre ďalšie stláčanie.
Axiálny kompresor. Plyn sa nasáva hrdlom do komory, usmerní sa lopatkami statora, urýchli obežnými lopatkami jednotlivých obežných kolies rotora, v smerovacích lopatkách statora sa zvýši jeho tlak a je presmerovaný do ďalšieho stupňa. Za posledným stupňom je zaradený difúzor. Z neho tečie stlačený plyn do výtlačného hrdla. Pri týchto kompresoroch sa plyn väčšinou nechladí, kvôli zložitosti vedenia plynu. Axiálne kompresory sa vyrábajú pre tlaky okolo 2 MPa. Obvodová rýchlosť obežných lopatiek sa volí až 450 m/s (nadzvukový ventilátor motora DV-2), a otáčky 3 000 – 20 000 ot./min.

Ejektor

Ejektor (difuzér). Slúžia pre odsávanie, alebo stláčanie plynov. Stlačený vzduch sa privedie do pracovnej dýzy, kde expanduje na tlak nižší, ako je v sacom hrdle. Pri výtoku v zmiešavacej komore so sebou strháva plyn zo sacieho hrdla. V difúzore sa kinetická energia oboch prúdov opäť mení na energiu tlakovú. Ejektory (prúdové kompresory) sa používajú na odsávanie plynov a v priemysle. Tlak hnacieho plynu je do 1 MPa.

Iné delenia

Podľa počtu stláčacích stupňov

jednostupňový
viacstupňový - dva a viacstupňové. Pri dynamických kompresoroch môže byť počet stupňov aj viac ako 40.

Podľa výstupného tlaku

nízkotlakový - výtlačný tlak < 0,5 MPa
strednotlakový - výtlačný tlak 0,5 < 1,5 MPa
vysokotlakový - výtlačný tlak 1,5 < 450 MPa

Podľa stavby

stacionárne
prenosné
pojazdné

Podľa chladenia

chladené vodou
chladené vzduchom
- pasívne chladenie
- chladené náhonom od vstupného hriadeľa kompresora
- chladené externým ventilátorom

Podľa pohonu

priamo (motor je priamo spojený s náhonom kompresora len spojkou alebo stator motora je priamo na hriadeli kompresora)
nepriamo (kompresor je poháňaný cez prevod so zmenou otáčok - remeň, prevodovka ...)

Podľa druhu pohonu

elektrický /12V, 230V, 400V, 6000V/
benzínový
dieselový

Dejiny

Prvé kompresory boli zariadenia na stláčanie vzduchu a používané boli väčšinou v oblasti hutníctva, kde sa používali na vháňanie vzduchu do priestoru ohniska. tieto kompresory boli modifikáciou piestových kompresorov. Boli tvorené koženými vakmi s pevným dnom. Piest bol súčasťou vaku a tvorila ho doska. Kompresory boli s ručným pohonom, neskôr na bola na pohon použitá voda (hámor).

S narastaním spotreby kovov, s baníckou činnosťou a pri výrobe ocele prišla zvýšená požiadavka na množstvá dodávaného vzduchu ako aj na nárast tlaku na výstupe kompresorov. Bola potreba zvýšiť kompresný pomer, čo je jedna z hlavných charakteristík kompresorov. V tých časoch sa na pohon používali parné stroje a princíp vratného piestu bol vynikajúci prostriedok na konštrukciu kompresora.

V polovici 19 storočia zároveň s pokusmi so spaľovacími motormi boli položené teoretické základy pre konštrukciu lopatkových kompresorov. Táto konštrukcia prežila svoj boom v 20. storočí s rozvojom letectva a s potrebou zvýšiť dostup lietadiel. Najväčší rozvoj zaznamenala s vývojom prúdových motorov.

Kompresor (plyn)

Obsah