Plynový kompresor: definice, princip činnosti, typy a použití

Existuje mnoho různých typů plynových kompresorů. Dvě základní kategorie jsou:

• Objemové kompresory se dvěma podkategoriemi:
• Pístový pohon
• Rotary
• Dynamické kompresory mají také dvě podkategorie:
• Odstředivé
• Axiální

Níže jsou popsány nejdůležitější typy v každé ze čtyř podkategorií.

Odstředivé kompresory

Odstředivé kompresory používají lopatkový rotující disk nebo oběžné kolo ve tvarovaném krytu, které tlačí plyn k okraji oběžného kola, čímž se zvyšuje rychlost plynu. Difuzní část (divergentní potrubí) přeměňuje rychlostní energii na tlakovou. Používají se především pro nepřetržitý stacionární provoz v průmyslových odvětvích, jako jsou ropné rafinerie, chemické a petrochemické závody a závody na zpracování zemního plynu. Jejich použití může být od 100 koní (75 kW) až po tisíce koní. Díky vícenásobnému stupňování mohou dosahovat extrémně vysokých výstupních tlaků vyšších než 10 000 psi (69 MPa).

Tento typ kompresoru se používá v mnoha velkých zasněžovacích provozech (například v lyžařských střediscích). Používají se také ve spalovacích motorech jako turbodmychadla a turbodmychadla. Odstředivé kompresory se používají v malých plynových turbínách nebo jako poslední kompresní stupeň středně velkých plynových turbín.

Diagonální nebo smíšené kompresory

Diagonální nebo smíšené kompresory jsou podobné odstředivým kompresorům, ale na výstupu z rotoru mají radiální a axiální složku rychlosti. Difuzor se často používá k otočení diagonálního proudění do axiálního směru. Diagonální kompresor má menší průměr difuzoru než ekvivalentní odstředivý kompresor.

Axiální kompresory

Axiální kompresory využívají k postupnému stlačování proudu plynu řadu rotujících rotorových lopatek ve tvaru ventilátoru. Stacionární statorové lopatky umístěné za každým rotorem přesměrovávají proudění na další sadu rotorových lopatek. Plocha průchodu plynu kompresorem se zmenšuje, aby se udrželo přibližně konstantní axiální Machovo číslo. Kompresory s axiálním průtokem se obvykle používají v aplikacích s vysokým průtokem, jako jsou střední a velké plynové turbínové motory. Téměř vždy jsou vícestupňové. Nad konstrukčním tlakovým poměrem přibližně 4:1 se často používá proměnná geometrie pro zlepšení provozu.

Pístové kompresory

Pístové kompresory používají písty poháněné klikovým hřídelem. Mohou být stacionární nebo přenosné, jednostupňové nebo vícestupňové a mohou být poháněny elektromotory nebo spalovacími motory. Malé pístové kompresory o výkonu 5 až 30 koní se běžně vyskytují v automobilovém průmyslu a jsou obvykle určeny pro přerušovaný provoz. Větší pístové kompresory o výkonu až 1 000 k se stále běžně vyskytují ve velkých průmyslových aplikacích, ale jejich počet klesá, protože jsou nahrazovány různými jinými typy kompresorů. Výtlačné tlaky se mohou pohybovat od nízkých tlaků až po velmi vysoké (>5000 psi nebo 35 MPa). V některých aplikacích, jako je například stlačování vzduchu, jsou vícestupňové dvojčinné kompresory údajně nejúčinnějšími dostupnými kompresory, které jsou obvykle větší, hlučnější a dražší než srovnatelné rotační jednotky.

Rotační šroubové kompresory

Rotační šroubové kompresory používají dva rotující šrouby s kladným posunem, které tlačí plyn do menšího prostoru. Obvykle se používají pro nepřetržitý provoz v komerčních a průmyslových aplikacích a mohou být stacionární nebo přenosné. Jejich použití může být od 3 hp (2,24 kW) do více než 500 hp (375 kW) a od nízkého tlaku po velmi vysoký tlak (>1200 psi nebo 8,3 MPa). Běžně se s nimi setkáváme u silničních opravárenských čet, které pohánějí pneumatické nářadí. Tento typ se používá také u mnoha přeplňovacích zařízení automobilových motorů, protože se snadno přizpůsobí sacímu výkonu pístového motoru.

Spirálové kompresory

Spirálový kompresor, známý také jako spirálová vývěva nebo spirálová vývěva, používá k čerpání nebo stlačování kapalin, jako jsou kapaliny a plyny, dvě proložené spirálovité lopatky. Geometrie lopatek může být involutní, archimédovská spirála nebo hybridní křivky. Pracují plynuleji, tišeji a spolehlivěji než jiné typy kompresorů.

Často je jeden ze šroubů pevný, zatímco druhý obíhá excentricky, aniž by se otáčel, čímž dochází k zachycování a čerpání nebo stlačování kapalin mezi šrouby.

Membránové kompresory

Membránový kompresor (známý také jako membránový kompresor) je variantou běžného pístového kompresoru. Ke stlačování plynu dochází pohybem pružné membrány namísto sacího prvku. Pohyb membrány tam a zpět je poháněn tyčí a klikovým hřídelem. Do styku se stlačovaným plynem přichází pouze membrána a kompresorová skříň.

Membránové kompresory se používají pro vodík a stlačený zemní plyn (CNG) a v řadě dalších aplikací.

Různé

Vzduchové kompresory prodávané široké veřejnosti a používané širokou veřejností jsou často připojeny k nádrži, ve které se uchovává stlačený vzduch. K dispozici jsou kompresory mazané olejem a bez oleje. Bezolejové kompresory jsou žádoucí, protože bez správně navrženého odlučovače se může olej dostat do proudu vzduchu. Pro některé účely, například jako potápěčský vzduchový kompresor, může být i malé množství oleje v proudu vzduchu nepřijatelné.

Charlesův zákon říká, že "když se plyn stlačuje, zvyšuje se jeho teplota". Existují tři možné vztahy mezi teplotou a tlakem v objemu stlačovaného plynu:

• Izotermický - plyn má v průběhu procesu konstantní teplotu. V tomto cyklu se vnitřní energie odebírá ze systému jako teplo stejnou rychlostí, jakou se přidává mechanickou prací při stlačování. Izotermickou kompresi nebo expanzi podporuje velká teplosměnná plocha, malý objem plynu nebo dlouhá časová škála (tj. malá úroveň výkonu). U praktických zařízení není izotermická komprese obvykle dosažitelná. Například i čerpadlo na pneumatiky jízdních kol se během používání zahřívá.
• Adiabatický - Při tomto procesu nedochází k přenosu tepla do systému ani ze systému a veškerá dodaná práce se přidává k vnitřní energii plynu, což vede ke zvýšení teploty a tlaku. Teoretický nárůst teploty je T₂ = T₁ -R_c^((k-1)/k)) , přičemž T₁ a T₂ jsou ve stupních Rankina nebo kelvinech a k = poměr měrných tepel (přibližně 1,4 pro vzduch). Nárůst poměru vzduchu a teploty znamená, že se komprese neřídí jednoduchým poměrem tlaku a objemu. Ta je méně účinná, ale rychlá. Adiabatickou kompresi nebo expanzi zvýhodňuje dobrá izolace, velký objem plynu nebo krátká časová škála (tj. vysoká úroveň výkonu). V praxi bude vždy docházet k určitému tepelnému toku, protože k vytvoření dokonalého adiabatického systému by byla nutná dokonalá tepelná izolace všech částí stroje.
• Polytropický - Předpokládá, že teplo může do systému vstupovat i z něj vystupovat a že práce na vstupním hřídeli se může projevit jak zvýšeným tlakem (obvykle užitečná práce), tak zvýšenou teplotou nad adiabatickou (obvykle ztráty způsobené účinností cyklu). Účinnost cyklu je pak poměr nárůstu teploty při teoretických 100 % (adiabatických) a skutečných (polytropických).

Vzhledem k tomu, že při kompresi vzniká teplo, je třeba stlačený plyn mezi jednotlivými stupni ochlazovat, aby byla komprese méně adiabatická a více izotermická. Mezistupňové chladiče způsobují kondenzaci, což znamená, že jsou přítomny odlučovače vody s vypouštěcími ventily. Setrvačník kompresoru může pohánět chladicí ventilátor.

Například v typickém potápěčském kompresoru se vzduch stlačuje ve třech stupních. Pokud má každý stupeň kompresní poměr 7:1, může kompresor vyvinout 343násobek atmosférického tlaku (7 x 7 x 7 = 343 atmosfér).

Plynové kompresory se používají v různých aplikacích, kde je potřeba buď vyšší tlak, nebo nižší objem plynu:

• v potrubní přepravě vyčištěného zemního plynu, která slouží k přepravě plynu z místa těžby ke spotřebiteli.
• v ropných rafineriích, závodech na zpracování zemního plynu, petrochemických a chemických závodech a podobných velkých průmyslových zařízeních pro stlačování meziproduktů a koncových plynů.
• v chladicích a klimatizačních zařízeních k přenosu tepla z jednoho místa na druhé v chladicích cyklech: viz Chlazení s kompresí par.
• v plynových turbínách ke stlačování nasávaného spalovacího vzduchu.
• při skladování čištěných nebo vyráběných plynů v malém objemu, vysokotlakých lahvích pro lékařské, svářečské a jiné použití.
• v mnoha různých průmyslových, výrobních a stavebních procesech k pohonu všech typů pneumatického nářadí.
• jako médium pro přenos energie, například pro pohon pneumatických zařízení.
• v přetlakovém letadle, které zajišťuje dýchatelnou atmosféru o vyšším tlaku, než je okolní tlak.
• v některých typech proudových motorů (např. turbodmychadlech a turboventilátorech) k dodávce vzduchu potřebného pro spalování paliva v motoru. Energie pro pohon kompresoru spalovacího vzduchu pochází z vlastních turbín proudového motoru.
• v potápění SCUBA, hyperbarické kyslíkové terapii a dalších zařízeních pro podporu života k uchovávání dýchacího plynu v malém objemu, například v potápěčských lahvích.
• v ponorkách k uchovávání vzduchu pro pozdější použití jako vztlaku.
• v turbodmychadlech a přeplňovacích kompresorech, které zvyšují výkon spalovacích motorů tím, že koncentrují kyslík.
• v železniční a těžké silniční dopravě k zajištění stlačeného vzduchu pro provoz brzd a různých dalších systémů (dveře, stěrače, ovládání motoru/převodovky atd.).
• pro různá použití, jako je poskytování stlačeného vzduchu pro plnění pneumatik.

• Pneumatika
• Čerpadlo
• Vzduchové čerpadlo