Toplinski strojevi i uređaji 4. predavanje

1. Toplinski strojevi i uređaji 4. predavanje

2. KOMPRESORI UVOD

3. KOMPRESORI • Kompresori su radni strojevi u kojima se vrši povećanje tlaka plinovitom mediju u jednom ili više stupnjeva kompresije, • Kompresori se izvode kao volumetrijski i kao dinamički (turbo) strojevi, • Volumetrijski kompresori se izvode tako da radnom mediju smanjuju volumen, kako bi mu povećali tlak. Za smanjivanje volumena koristi se klip, stap ili rotirajući potiskivač (kao par vijaka, kao rotor s krilcima itd.), • Radni medij mogu biti inertni plinovi (zrak, kisik, dušik, vodik) ili ugljikovodici (acetilen, gorivi plinovi, plinovi za polimerizaciju) ili to mogu biti različite smjese plinova.

4. 103 Kompresori Tlak, MPa Mali Srednji Veliki Kompresori najvišeg tlaka Klipni 102 Visokotlačni kompresori 10 Vijčani Kompresori Rotacijski 1 Turbo Kompresija Puhala 10-1 Klipni Podjela kompresora po tlaku i kapacitetu Vakuum Vakuumske pumpe Turbo 10-2 10 102 103 104 105 106 Protok, m3/h

5. Područja primjene Klipni kompresori se koriste za relativno male kapacitete do ~200m3/h s kompresijom na tlakove do ~2500 bar (npr. u petrokemiji pri sintezi polietilena). Radni medij mogu biti: ·zrak, ·gorivi plinovi (zemni plin, gradski plin, koksni plin itd.), ·industrijski plinovi (kisik, dušik, acetilen itd.), ·rashladni mediji za frižidere (amonijak, sumporni dioksid, freon, frigen itd.), ·smjese plinova za kemijsku industriju, ·vodena para. Kompresore prema tlaku dijelimo na: ·puhala, do 2 bar, ·kompresori, do 50 bar, ·visokotlačni kompresori, do 500 bar, ·kompresori za najviše tlakove, preko 500 bar. Posebne izvedbe koje spadaju u red kompresora su vakuumske pumpe, kojima postižemo tlakove do 0.00013 bar pri evakuaciji zatvorenih volumena. Tome moramo još pribrojiti cirkulacijske kompresore za potrebe plinovoda, koji rade pri visokim tlakovima, a sami vrše vrlo malu dodatnu kompresiju da bi se pokrili gubici strujanja u plinovodu.

6. PROCES KOMPRESORA

7. KOMPRESIJA U JEDNOM STUPNJU

8. Mjerenje volumnog ili masenog protoka Jedan (izdvojeni) stupanj kompresora Tlačni spremnik Kompresor 3 siše radni medij iz usisnog spremnika 1, odnosno iz atmosfere i tlači ga u tlačni spremnik 2 s tlakovima po stupnjevima p1 i p2 i temperaturama ta i tf. Ove veličine služe za termodinamičke proračune. Usisni tlak u cilindru p'1 i tlak na kraju kompresije p"2 su polazne veličine za određivanje sila u koljenastom mehanizmu. Kompresor Usisni spremnik Mjerenje volumnog ili masenog protoka

9. Mjerenje volumnog ili masenog protoka Tlačni spremnik VC VS p GMT DMT p''2 2 3 p2 Kompresor mr m0 + mr Usisni spremnik VRt VD VR pR 1 Mjerenje volumnog ili masenog protoka p1 4 p'1 V Ostale veličine stanja radnog medija u cilindru označene su prema točkama dijagrama. Od točke 1 do točke 2 imamo kompresiju, od točke 2 do točke 3 istiskivanje, od 3 do 4 ekspanziju zaostalog radnog medija i od 4 do 1 usis u cilindar.

10. Omjer tlakova na stupnju određuje porast tlaka i temperature, a prema tome mehaničko i termičko opterećenje kompresora. Omjer tlakova na stupnju iznosi maksimalno = 8...10. VC VS Više vrijednosti vrijede samo za kratkotrajni rad, pošto povišene temperature dijelova kompresora dovode do smanjenja usisane mase radnog medija. Maksimalna temperatura kod kompresora zraka smije biti do 200 C, kako bi se spriječila mogućnost eksplozije para ulja. Stvarni omjer tlakova je za 10 do 25% viši od idealnoga zbogpada tlaka u cjevovodu, u kanalima i na ventilima kompresora. p GMT DMT p''2 2 3 p2 mr m0 + mr VRt VD VR pR 1 p1 4 p'1 V

11. C S T-s dijagram p-V dijagram

12. GMT DMT VC VS p istiskivanje 2 3 p2 mr kompresija m0 + mr ekspanzija VD 1 p1 4 usis V Dijelovi procesa kompresora

15. Štetni prostor VC VC VS VC VS p p GMT DMT GMT DMT p''2 2 3 p2 mr m0 + mr VRt VD VR pR 1 p1 4 p'1 V

17. Volumeni i kapacitet kompresora

19. Bilanca volumena VS = Vth VD Vs - stapajni volumen Vth - teorijski volumen VD- dobavljeni volumen Va - posisani volumen VD - propuštanje Vfa - volumen istisnut u tlačni spremnik VRu - volumen od ekspanzije u štetnom prostoru VA- gubici od zagrijavanja i na ventilima VL - ukupni volumni gubici Va 0 20 40 60 80 % 100 VRu Vfa VA V0 VL Teorijska masa, mth Gubitak grijanjem na ventilima Usisana masa, ma Pri tlaku p1 Bilanca masa Gubitak grijanjem na ventilima Istisnuta masa, mf Pri tlaku p2 Propušteno

20. Mase i maseni protoci

21. Volumetrijski stupanj djelovanja

22. VC VS VC VS p p GMT DMT GMT DMT p''2 2 3 p2 mr m0 + mr Kapacitet (dobava) kompresora VRt VD VR pR 1 p1 4 p'1 V

24. Utjecaj volumena štetnog prostora pmax Utjecaj na dobavu kompresora pri istom omjeru tlakova p3 p2 p2 VD VD p1 p1 0 0 VC Vmax VC Vmax VD VD Utjecaj na dobavu kompresora pri promjenljivom omjeru tlakova

26. Stupanj punjenja ili volumetrijski stupanj djelovanja obuhvaća: • Gubitke od ekspanzije zaostalog plina u štetnom prostoru, • Gubitke zbog pada tlaka i zagrijavanja pri usisu • Gubitke zbog propuštanja

27. IDEALNI KOMPRESOR • Idealni kompresor bi trebao imati sljedeće karakteristike: • Trebao bi samo stlačiti plin (ne ga pritom zagrijati), • Volumen kompresijskog prostora bi trebao po mogućnosti biti jednak nuli, • Usis i istiskivanje kroz tlačni ventil bi se trebali odvijati bez gubitaka strujanja, • Plin bi trebao imati svojstva idealnoga plina, • Između dijelova prilikom gibanja nebi trebalo biti trenja.

28. Nema volumena štetnog prostora Dijelovi procesa 1 - 2 Izotermna kompresija 2 - 3 Izbacivanje stlačenog plina kroz tlačni ventil pri konstantnom tlaku 3 - 4 Izohorna ekspanzija 4 - 1 Usis pri konstantnom tlaku Izoterma p-V dijagram idealnoga procesa kompresora

29. RAD PROCESA KOMPRESORA

30. T p2 2 p2 p2 p1 p1 p1 2 2 1 1 2 1 1 Idealno hlađenje, izotermni proces w = q Realni proces s hlađenjem w = h2 - h1 + q Adijabatski proces w = h2 - h1 s Rad kompresije, w Toplina odvedena hlađenjem, q

31. Specifični rad Specifični rad kompresije (rad po 1 kg radnoga medija) od točke 1 do točke 2: Da bi jednostavnije mogli izračunati rad cijeloga procesa, koristiti ćemo tehnički rad procesa: VC VS p GMT DMT p''2 2 3 p2 Ukupni specifični rad procesa kompresora će biti: mr m0 + mr VRt VD VR pR 1 p1 4 p'1 V

32. Izotermni proces Jednadžba izotermne promjene u procesu je: Specifični rad izotermne promjene u procesu je: Ukupni specifični rad kompresora s izotermnom promjenom u procesu je: Specifični rad idealnoga kompresora (V3 = 0) je:

33. Politropski proces Jednadžba politropske promjene u procesu je: Specifični rad politropske promjene u procesu je: Ukupni specifični rad kompresora s politropskom promjenom u procesu je:

34. Snaga za pogon kompresora Indicirana snaga je snaga potrebna za obavljanje procesa kompresora. Za maseni protok na usisu m1 indicirana snaga je: gdje su n brzina vrtnje i z broj cilindara. Indicirana snaga za pojedine vrste procesa kompresora je: Za idealni kompresor: Za izotermni proces, realni kompresor: Za politropski proces, realni kompresor:

35. Pogonski stroj za pogon kompresora mora kompresoru dati, osim indicirane snage, i dodatak za pokrivanje mehaničkih gubitaka kompresora (gubici trenja pri gibanju dijelova i pogona prograđene pomoćne opreme kompresora). Ukupna snaga potrebna za pogon kompresora naziva se efektivna snaga:

37. KOMPRESIJA U VIŠE STUPNJEVA

38. S krajnjim tlakom kompresije raste temperatura radnog medija, dovedena snaga, sile u mehanizmu i habanje dijelova, uz istovremeno smanjenje kapaciteta kompresora. Pritom postoji i granica iza koje dolazi do eksplozije smjese para ulja za podmazivanje i zraka. Dopuštena temperatura na koju komprimiramo zrak iznosi 200 C (kod kompresora s jednim stupnjem). Da bi se otklonili svi ti problemi, radni medij komprimiramo u više stupnjeva (maksimalno 7) uz hlađenje radnog medija među stupnjevima. Ti sehladnjaci nazivaju i međuhladnjaci. Ekonomični omjer tlakova na jednom stupnju se kreće u području = 3....8.

39. Kompresor s dva stupnja Izoterma Kompresijom u više stupnjeva, s hlađenjem radnog medija među stupnjevima, možemo smanjiti potrošnju energije za rad kompresora Ušteda na radu procesa

40. Ovaj omjer tlakova daje najveću uštedu u radu kompresora, a snage pojedinih stupnjeva su izjednačene

41. Gornja granica Donja granica Područja ukupnog omjera tlakova za kompresore s više stupnjeva Optimalni ukupni omjer tlakova za kompresore s jednim, dva i tri stupnja

46. Izvedbe kompresora a - s jednim stupnjem, b...h - s dva stupnja

47. Visokotlačni dvoradni kompresor s dva stupnja, hlađen vodom

48. Kompresor s više stupnjeva

50. Izvedbe kompresora s tri stupnja