Compresoare volumice cu miscare alternativa

COMPRESOARE VOLUMICE CU MISCARE ALTERNATIVA

La masinile volumice cu miscare alternativa folosite la comprimarea gazelor, ridicarea presiunii se obtine prin micsorarea volumului gazului aflat intr-un spatiu inchis, cu ajutorul unui element care efectueaza o miscare de du-te-vino in interiorul unui cilindru.

Dupa felul si forma organului cu miscare alternativa, se deosebesc doua categorii principale de masini :

— masini cu piston ;

— masini cu membrana.

La aceste tipuri de masini este caracteristica prezenta organelor de in­chidere (supape).

1. Compresoare eu piston

Definitie. Domeniu de utilizare. Tipul cel mai vechi, mai cunoscut, mai raspandit si mai reprezentativ din categoria masinilor volumice cu miscare alternativa este compresorul cu piston (pompa de vid cu piston este un compresor cu functionare inversa).

S-a construit si se construieste pentru debite si rapoarte de compresie cuprinse intre limite foarte mari : debite pina la 20 000 m³/h la aspiratie si presiuni pina la 200 MPa. Ca pompa de vid se realizeaza masini cu debite pina la 100 m/min si un. vacuum de 0,07 .. .0,075 bar (700 .. .750) mm H₂0.

La acest tip de masina, elemenul principal il constituie pistonul; compri­marea gazului se realizeaza prin variatia ciclica a volumului cuprins intre un cilindru cu capac fix si un piston mobil (fig.1).

Presiunea pe care o poate produce un compresor cu piston este teoretic nelimitata. Practic, ea este limitata datorita temperaturii dezvoltate, prin comprimare, rezistentei diferitelor piese componente si puterii motorului de actionare. Din aceasta cauza, se procedeaza la fractionarea compresiei ga­zului in mai multe trepte (etaje) si la racirea intermediara a gazului.

Fig. 1 Compresor cu piston :

a - aspiratie ; b - refulare ; 1 -ci­lindru ; 2 - piston ;3- supapa aspi­ratie ; 4- supapa refulare ; 5 - biela ; 6 - manivela arbore ; 7 -tija ; 8 - cap de cruce

In figura 2 sunt reprezentate schematic o serie de tipuri de compresoare dupa criteriile de clasificare expuse mai inainte. La unele din compresoarele bi- si multietajate s-au indicat si legaturile la racitoarele intermediare.:

Actionarea se face in mod uzual cu motoare electrice sau cu motoare cu combustie interna (mai rar cu turbine cu abur sau gaze).

Fig. 2. Tipuri de compresoare (scheme)

Compresoare monoetajate : a - vertical cu un cilindru;b-cu doi cilindri in V;c-vertical,cu doi cilindri cu dublu efect ; d-orizontal,cu doi cilindri paraleli;e-orizontal

Compresoare  bietajate :f-vertical cu doi cilindri;g-orizontal,cu doi cilindri in tandem;h,i,j-cu doi cilindri cu piston diferential;k-cu doi cilindri in echer(L);l-cu trei cilindri in W;m-cu doi cilindri paraleli;

Compresoare  multietajate:n-in trei trepte;o-in patru trepte;p-in cinci trepte;r-in sase trepte;s-cu cilindri opusi(din figura cu doua trepte-se fac cu doua ,trei si patru manivele si pana la sasa trepte);

I……VI-treapta

Is-stanga ;Id-dreapta

Ri-racire intermediara.

Batiul este piesa de baza pe care se monteaza celelalte piese si care se reazema pe fundatie. Din aceasta cauza se impune o mare rigiditate acestei piese care se executa de regula turnata, din fonta sau otel (la compresoarele mari). Este prevazut cu nervuri de rigidizare a peretilor si a lagarelor arborelui cotit. (Se pot intalni si batiuri sudate sau ambutisate la unitati mici.)

Arborele cotit este piesa cea mai importanta si cea mai solicitata a compre­sorului. Se confectioneaza prin forjare din oteluri carbon de calitate sau •oteluri aliate (Cr, Ni, Mn) de mare rezistenta. Dupa forjare si prelucrare este supus unor tratamente termice, unor operatii de durificarea suprafetelor •de uzura (fusurile manivelelor si.lagarelor) si operatiilor de finisare. De mare .importanta pentru durata.de functionare este prelucrarea racordarilor si eli­minarea fisurilor sau orificiilor amorse de ruptura la oboseala.

Volantul are rolul de a uniformiza miscarea masinii cu piston. Roata de curea sau rotorul motorului electric (la compresoarele mari) pot avea si functie de volant. Volantul trebuie sa fie bine centrat pe arbore si echilibrat acesta.

Echipajul mobil este foarte solicitat de fortele din sistem (presiune, inertie).

Pistonul este piesa activa care produce comprimarea gazului in cilindru. Ca si la pompe, se intalnesc pistoane disc:(cu simplu sau dublu efect) si pis­toane plonjoare. La compresoarele mici cu piston sau cu o singura fata activa, legatura intre piston si arborele cotit se realizeaza cu ajutorul bielei asamblate prin intermediul boltului (schema constructiva identica motoa­relor cu piston cu combustie interna). La compresoarele cu mai multe trepte cu pistoane cu dublu efect sau plonjoare-diferentiale, legatura se realizeaza prin ansamblul biela-cap de cruce-tija.

Supapele sunt organele de distributie ale compresorului, efectuand aspi­ratia si refularea gazului in si din compresor. La toate compresoarele moderne, comanda supapelor este automata, deschiderea si inchiderea lor facindu-se datorita diferentei de presiune din cele doua spatii intre care se face lega­tura. Supapele constituie partea critica ce conditioneaza parametrii unui compresor.

Racirea are rolul de scadere a temperaturii gazului (incalzit in procesul de comprimare) in scopul obtinerii unui randament ridicat si impiedicarii unei ungeri defectuoase.

Racirea se face pe de o parte prin sistemul constructiv al cilindrului (manta de racire sau aripioare), iar pe de alta parte prin racitoarele inter­mediare (intre trepte) si cel final. Dupa racitoare se monteaza obligatoriu separatoarele de apa si ulei, de tip cu detenta, cu sicane sau centrifugale.

Ungerea completa si automata a tuturor lagarelor, glisierelor, segmentilor si tuturor elementelor in miscare relativa, este esentiala, tinand seama de faptul ca masinile compresoare functioneaza continuu in instalatii. Se uti­lizeaza in principal sistemul de ungere sub presiune (cu pompe cu roti dintate sau cu pistoane) — uleiul circuland prin canale practicate prin cuzineti, arbore, biela, sau prin conducte la punctele de ungere -ca si sistemul prin barbotare sau ceata de ulei.

Din punct de vedere constructiv, un compresor cu piston se compune, in principiu, din elementele precizate in figura 3 ;cilindrul C, pistonul P si chiulasa CL. In care sunt montate doua supape. Una din supape permite aspiratia gazului in ci­lindru, si se numeste supapa de aspiratie SA, a doua, prin care, dupa compri­mare se refuleaza gazul in afara cilindrului, si se numeste supapa de refu­lare SR. Compresorul mai este prevazut cu o conducta de aspiratie CA si o con­ducta de refulare CR.

In timpul functionarii, pistonul se deplaseaza alternativ intre doua puncte extreme denumite: punct mort interior (PMI) si punct mort exterior (PME). Dis­tanta dintre cele doua puncte moarte se numeste cursa pistonului, s, iar volumul de gaz impins de piston in timpul desfasurarii cursei, se numeste volumul cursei sau cilindree, V_. Spatiul care ramane intre capul pistonului si chiuloasa, cand pistonul este in PMI, se numeste volum mort, V_{m .}

Dimensiunile principale ale compresorului cu piston sunt: D - diametrul cilindrului, s - cursa pistonului, A_p - suprafata frontala a pistonului (Ap =π∙D² /4), V_s - cilindreea spatiului activ.

Debitul volumic Q_vr, este volumul de gaz refulat in unitatea de timp de catre ultima treapta, raportat la starea de aspiratie:

Q_vr =λ∙i∙n∙V_s

unde λ este coeficientul global de debit, i este numarul de cilindri, iar n este turatia.

Neetanseitatile exterioare se manifesta la garniturile chiulasei, la segmentii pistonului, la cutiile de etansare. Aceste neetanseitati provoaca pierderi cantita­tive. Scaparile de gaz datorate acestor conditii imperfecte pot fi evitate prin ra­cordarea zonelor neetanse la conducta de aspiratie. Prin aceasta masura, gazul pierdut prin neetanseitati este reintrodus in compresor. Procedeul este curent la compresoarele care lucreaza cu gaze toxice sau explozive.

Neetanseitatile interioare - prin supapele de aspiratie si refulare, prin seg­mentii pistonului, in cazul compresoarelor cu doua fete active ale pistonului -provoaca si ele o reducere a debitului compresorului, insa nu prin scapari de gaz in exterior, ci prin crearea unui circuit interior, continuu de gaz.

Toti acesti factori care intervin in functionarea reala a compresoarelor duc la marirea lucrului mecanic necesar obtinerii aceleiasi cantitati de gaz com­primat.

Fig.3.Schema compresorului cu piston

Compresoarele in care aceeasi cantitate de gaz este comprimata succesiv in mai multi cilindri, se numesc compresoare in trepte.

Se va prezenta spre exemplificare, compresorul cu doua trepte de compri­mare (fig.4 )

Un astfel de compresor se compune, in principiu, din urmatoarele: cilindrul I al treptei de joasa presiune, racitorul intermediar RI, cilindrul 2 al treptei de inalta presiune, pistoanele P, bielele B, arborele cotit A si rezervorul de gaze R.

Gazul supus procesului de comprimare, este aspirat in treapta de joasa pre­siune prin supapa de aspiratie SA₁ comprimat in aceasta treapta si refulat, prin supapa de refulare a primei trepte SR_1, in racitorul intermediar RI. In acesta, gazul este racit la presiune constanta, dupa care este aspirat in treapta de inalta presiune prin supapa de aspiratie SA₂, din nou comprimat si apoi refulat prin supapa de refulare

SR_{2 .} Dupa a doua comprimare, gazul este introdus in rezervo­rul de gaz R, de unde este trimis spre utilizator.

Segmentii de etansare realizeaza etansarea intre camera de comprimare si exterior, de buna functionare a acestora depinzand foarte mult raportul de com­primare. Pentru reducerea uzurii segmentilor cat si pentru imbunatatirea etansarii dintre acestia, cilindri si pistoane, este necesara ungerea lor. In cazurile speciale, in care ungerea segmentilor este imposibila (industria chimica, indus­tria alimentara), se folosesc segmenti din gra­fit. In cazurile uzuale, segmentii se executa din oteluri speciale.

Segmentii se utilizeaza pana la 400 MPa, pentru obtinerea unor presiuni mai ridicate utilizandu-se rectificarea fina.

Fig. 4. Schema compresorului cu doua trepte.