94 Termotehnic

8.COMPRESOARE

Comprimarea gazelor n tehnic se efectueaz cu ajutorul unor maini de lucru numite compresoare, care pot ridica presiunea la valori de pn la 1000 bar. Compresorul aspir aer dintr-o surs de joas presiune, i mrete presiunea i l refuleaz ntr-o incint de presiune ridicat. Compresorul este acionat de un motor electric. Astfel, energia electric este transformat n energie potenial de presiune a aerului. Compresorul este un generator pneumatic.

Creterea presiunii se poate realiza ntr-un singur etaj (compresor monoetajat) sau, pentru valori mari, n mai multe trepte de comprimare (compresoare polietajate).

Compresoarele pot fi rotative, cu funcionare continu, sau volumice, cu funcionare intermitent. Cele mai utilizate compresoare volumice sunt cele cu piston i cele cu membran.

8.1.Compresorul teoretic, monoetajat, cu piston

Compresorul teoretic presupune inexistena spaiului mort, adic pistonul evacueaz tot gazul aflat n zona de lucru. Cursa pistonului se realizeaz ntre punctul mort intern, care corespunde suprafeei interne a chiulasei i punctul mort extern. Ambele sunt puncte n care viteza pistonului trece prin valoarea 0, atunci cnd sensul de deplasare se schimb. Ciclul teoretic de comprimare (fig.8.1.a) este format din urmtoarele procese:

4-1 transformare izobar (aspiraia); 1-2 comprimare; 2-3 transformare izobar (evacuarea); 3-4 transformare izocor.

Fig. 8.1 Ciclul de comprimare n cazul compresorului teoretic. Schia cilindrului cu piston

p

dp=0

1

2

dp=0

v

3

4

Termotehnic 95

Lucrul mecanic tehnic consumat de compresor, lc, este proporional cu aria 12341. Fiind un lucru mecanic primit de sistem, el are valoare negativ. Mrimea ariei 12341 depinde de tipul procesului de compresie 1-2, care poate fi:

izoterm, 1-2T; adiabatic, 1-2a; politropic, 1-2p, cu exponentul politropic kn

96 Termotehnic

(8.3) ( )

==

1pp

TcmTTcmQ n1n

1

21p12p p

Sistemul de rcire al compresorului evacueaz aceast sarcin termic n mediul exterior. Sistemul este alctuit dintr-o cma de ap cu radiator de rcire. Pentru compresoarele de mai mic putere, rcirea se face cu aer, suprafaa exterioar a cilindrului i a chiulasei fiind nervurate pentru o intensificare a schimbului termic.

8.2.Compresorul real, monoetajat, cu piston

Fig.8.3 Ciclul de comprimare n cazul compresorului tehnic (real), monoetajat

Compresorul tehnic (real) monoetajat lucreaz dup ciclul reprezentat n figura 8.3. La sfritul cursei de evacuare, n cilindru mai rmne volumul V3, volum care ocup spaiul mort. Rolul acestui volum de gaz neevacuat este de a proteja compresorul la suprasolicitri mecanice cauzate de blocarea eventual a supapelor, sau de incompresibilitatea lichidelor ptrunse ntmpltor n cilindru.

Principalele mrimi care caracterizeaz compresorul: ! cilindreea

(8.4) 31c VVV = ; ! spaiul mort relativ-arat ct la sut din volumul cilindreei reprezin

volumul spaiului mort

(8.5) 31

3VV

V

= ;

p

0

2 a

e

V1 V4 V3

1

V

3

4

Termotehnic 97

! gradul de umplere- arat ct la sut din volumul cilindreei reprezin volumul de gaz aspirat

(8.6) 31

41VVVV

= .

Relaia de legtur ntre spaiul mort relativ i gradul de umplere este:

(8.7) k

1

1

2pp

1

+=

Se observ c presiunea de refulare, p2, influeneaz mrimea gradului de umplere. n fig.8.4 s-a considerat c presiunea de aspiraie este aceeai i spaiul mort relativ este constant. Din relaia (8.7) rezult c pe msur ce presiunea de refulare p2 crete, gradul de umplere scade. Pentru valoarea maxim a presiunii de refulare :

(8.8) k

1Max211pp

+=

gradul de umplere se anuleaz. Rezult c presiunea de refulare p2 trebuie s aib valori strict mai mici dect valoarea p2Max.

Fig.8.4.Creterea presiunii de refulare conduce la diminuarea gradului de umplere

Lucrul mecanic consumat de compresor variaz att n funcie de natura comprimrii 1-2, ct i de natura destinderii 3-4 a volumului de gaz din spaiul mort. Destinderea 1-2, ca i comprimarea 3-4, poate fi izoterm, adiabat sau politrop. Se pot concepe o infinitate de combinaii n care compresia i destinderea s fie de aceeai natur, sau de natur diferit. Ciclul compresorului tehnic (fig.8.3) poate fi considerat ca fiind format din ciclul unui compresor teoretic 12ae1 i ciclul unei maini care ar produce lucru mecanic prin destinderea gazului din spaiul mort, 34ea3. Pentru ambele cicluri se calculeaz lucrul mecanic cu relaia (8.2), scris pentru valoarea corespunztoare a exponentului n. Valorile obinute se nsumeaz algebric, obinndu-se lucrul mecanic consumat de compresorul real, monoetajat.

p2Max

V3 V 4

3

3

3

4 1,4

2

2

4

V1 V4 V

p

98 Termotehnic

Relaia la care se ajunge, considernd att compresia, ct i destinderea de natur politropic, este de forma:

(8.9) ( )

=

1pp

vvp1n

nln

1n

1

2311c

Studiind dependena lucrului mecanic consumat de gradul de umplere, rezult c, pentru gaze biatomice i 05,0= , valoarea maxim a lucrului mecanic consumat se obine pentru valoarea gradului de umplere:

615,0= , respectiv pentru presiunea de refulare: 12 p67,20p = . Aceste valori trebuie evitate, pentru a evita consumul maxim de lucru mecanic. n realitate, ciclul unui compresor tehnic cu piston nu prezint nici admisia i nici refularea ca transformri izobare. Datorit ineriei supapelor i pentru a acoperi pierderile de sarcin pe circuit, apar suprapresiuni att pe circuitul de aspiraie, pa, ct i pe cel de refulare, pr. Astfel, n cursa de admisie 4-1, presiunea din cilindru este de fapt mai mic dect cea din coloana de aspiraie, iar n cursa de refulare 2-3, presiunea gazului din interiorul cilindrului este mai mare dect cea din coloana de refulare. Aceste diferene de presiune asigur deplasarea gazului.

Fig.8.5 Ciclul real al compresorului tehnic cu piston

8.3.Compresorul tehnic (real), polietajat, cu piston

Limita impus pentru presiunea de refulare a unui compresor monoetajat, conform relaiei (8.8), poate fi depit prin construcia unui compresor polietajat. Un compresor polietajat este un ansamblu de compresoare monoetajate montate n serie (astfel nct refularea unuia s fie legat la admisia urmtorului compresor).

pa

pr

4

3 2

2

V3

4 1

V1 V

p

Termotehnic 99

Fig.8.6 Schema unui compresor cu dou etaje

Fiecare etaj de compresiune este, de fapt, un compresor monoetajat. ntre etajele de compresiune se monteaz un rcitor de gaz, care diminueaz lucrul mecanic consumat de compresor. n fig. 8.6 este reprezentat schema unui compresor cu dou trepte de compresiune. La un compresor polietajat, la care se cunosc presiunile de aspiraie i de refulare se pune problema determinrii presiunilor intermediare, pe baza condiiei de minimizare a lucrului mecanic consumat.

Fig.8.7 Procesele corespunzoare unui compresor cu dou etaje de compresie [7](izotermele corespunztoare principalelor stri s-au trasat cu linie ntrerupt)

Se apeleaz la compresorul teoretic polietajat, deoarece concluziile sunt valabile i pentru compresorul tehnic. Rcirea maxim a agentului, ntre etaje, se efectueaz pn la izoterma strii 1 n fig.8.7 punctul 2 corespunde funcionrii fr rcire, caz n care starea final ar fi F, iar punctul 2 corespunde funcionrii cu rcirea agentului ntre etaje. Rcirea este un proces izobar, care se desfoar ntre strile 2 i 2. Determinarea presiunilor intermediare se face n ipoteza:

rcitor intermediar

etaj II

etaj I

T1=ct

T2=ct

T3=ct

V

pr

pa

F

3 3

2 2

1

p

100 Termotehnic

'

n'

3'

21 T...TTT ==== n cazul unui compresor cu n etaje de compresiune. Lucrul mecanic consumat este minim dac raportul de compresiune, X, este acelai pentru fiecare etaj:

(8.10) 3a

r

pp

X = ,

deci vom avea relaia ntre presiuni:

(8.11) ''' n

1n

3

4

2

3

1

2p

p...

pp

pp

pp +

====

n cazul n care aceste condiii se respect, funcionarea compresorului este optim. Dac ntreinerea compresorului este defectuoas, lucrul mecanic consumat crete. De exemplu, depunerea de piatr pe evile rcitorului intermediar face ca punctele 1, 2, 3,n s nu se mai situeze pe aceeai izoterm, izoterma punctului 1, ci pe izoterme diferite. Lucrul mecanic consumat crete, iar randamentul compresorului se reduce.

8.4.Instalaii de preparare i comprimare a aerului

O instalaie de pregtire i comprimare a aerului se compune din compresorul propriu-zis, filtru de praf, filtru pentru vaporii de ulei, sistem de uscare i rcire a aerului, un rezervor de aer comprimat (rezervor tampon) pentru cazuri de avarie, dispozitive i aparate de reglare a presiunii (fig.8.8).

Fig.8.8. Schema simplificat a unei instalaii de preparare i comprimare a aerului:1.filtru de praf; 2.supap de aspiraie; 3.elemente de etanare; 4.ansamblu

piston; 5. arbore cotit; 6.baie ulei; 7.rezervor tampon; 8.motor electric; 9.filtru ulei; 10.supap de refulare

3

9

8

5

4

1

2

6

7

10

Termotehnic 101

Utilizarea aerului umed nu este permis, deoarece n diferite componente ale sistemului pneumatic temperatura poate cobor astfel nct vaporii de ap s condenseze sau chiar s nghee. fenomenul trebuie evitat pentru a nu periclita micarea relativ a piselor. Instalaiile sunt echipate cu sisteme de uscare a aerului. Vaporii de ulei, provenii din lubrifierea echipajului mobil, sunt reinui de filtre speciale, pentru a nu nfunda componente sau a nu degrada reperele din cauciuc ale sistemului [11].

ntrebri test

1.Lucrul mecanic consumat de un compresor teoretic cu piston este minim dac procesul de comprimare se desfoar dup o:

a)izoterm;............................................................................................................. b)adiabat; a) b) c) c)politrop.

2. Procesul real de comprimare ntr-un compresor cu piston este considerat a)izoterm;................................................................................................................. b)adiabat; a) b) c) c)politropic.

3.Lucrul mecanic tehnic consumat de un compresor teoretic, monoetajat, cu piston: a) are valoare negativ, fiind un lucru mecanic primit de sistem;...........................

b) are valoare pozitiv, fiind un lucru mecanic primit de sistem; a) b) c) c)are valoarea minim atunci cnd procesul de compresie este considerat izoterm.

4.Compresorul real, monoetajat cu piston: a)nu prezint spaiu mort la sfritul cursei de evacuare;.........................................

b)este caracterizat de gradul de umplere, ; a) b) c) c)este caracterizat de o valoare maxim a presiunii de refulare, Max2p .

5.Gradul de umplere al unui compresor real reprezint: a)cilindreea compresorului;......................................................................................

b)raportul dintre volumul aspirat i cilindreea compresorului; a) b) c) c)raportul dintre volumul mort i cilindreea compresorului.

6.Volumul mort al unui compresor real cu piston : a)protejaz compresorul la supranclzire;...............................................................

b)diminueaz cilindreea teoretic a compresorului; a) b) c) c)protejaz compresorul la suprasolicitri mecanice, datorit compresibilitii gazului.

7.Rcirea compresorului, de la temperatura real, T2, la o temperatur T1, apropiat de temperatura corespunztoare unei compresiuni izoterme:

a)permite diminuarea lucrului mecanic consumat de compresor;........................... b)const n evacuarea sarcinii termice ( )12p TTcmQ =

; a) b) c) c)contribuie la mbuntirea funcionrii compresorului.

8.Creterea presiunii de refulare a unui compresor tehnic cu piston se poate obine prin: a)izolarea termic a pereilor cilindrului;.................................................................

b)montarea n paralel a mai multor etaje de comprimare; a) b) c) c)montarea n serie a mai multor etaje de comprimare.

102 Termotehnic

Problema 8.1

8.1.Un compresor monoetajat teoretic (fr volum mort) cu piston are cilindreea 31 dm6V = El aspir aer la presiunea 21 m

kN100p = i temperatura

K291T1 = i l refuleaz la presiunea bar6p2 = . Considernd compresiunea ca fiind un proces la temperatur constant, s se calculeze lucrul mecanic tehnic consumat de compresor la un ciclu de funcionare. Care este puterea consumat de compresor, dac funcioneaz la turaia de

minrot500N = ?

Rezolvare

Fig.8.1P Ciclul de funcionare al unui compresor teoretic, monoetajat, cu piston

Lucrul mecanic tehnic consumat de compresor este dat de relaia:

=2

1t dpVL

unde volumul poate fi exprimat n funcie de presiune scriind legea transformrii izoterme:

ctVpVp 11 ==

p1VpV 11=

Deci,

J107510100

106ln10610100

pplnVp

pdpVp

pdpVpL

3

533

1

211

2

111

2

111t

=

====

Puterea consumat de compresor este dat de produsul dintre lucrul mecanic consumat n timpul unui ciclu i turaie (exprimat n rotaii pe secund):

2

3

V1 V

p

4

V2

1

p2=6 bar

p1=100kN/m2

T=ct

Termotehnic 103

W3,8958107560500LNP tc ===

Probleme propuse

8.2. Considernd aceleai date ca n problema 8.1., s se calculeze lucrul mecanic tehnic consumat n timpul unui ciclu, n cazul n care compresiunea este o transformare politropic, avnd 5,1n = . La ce temperatur, T2, este refulat aerul?

8.3. Un compresor real, monoetajat, cu piston aspir aer la presiunea bar1p1 = i temperatura K293T1 = i refuleaz la presiunea bar8p2 = .

Debitul masic de aer vehiculat de compresor este s

kg012,0m =

Se cunoate

cldura specific sub presiune constant a aerului KkgkJ1c p

= . Se consider

c, att compresiunea, ct i destinderea sunt transformri politropice cu exponentul 2,1n = . S se calculeze fluxul de cldur care trebuie evacuat pentru ca funcionarea compresorului n timpul compresiunii s poat fi considerat izoterm.

RSPUNSURI I REZOLVRI

ntrebri test 1.a; 2.c; 3.a,c; 4.b,c; 5.b; 6.b,c; 7.a,b,c; 8.c.

Probleme

8.2.Rezolvare Lucrul mecanic tehnic consumat de compresor este dat de relaia:

=2

1t dpVL

unde volumul poate fi exprimat n funcie de presiune scriind legea transformrii politrope:

ctVpVp nn11 ==

n1

11 p

pVV

=

Deci,

104 Termotehnic

J79,1277110100

106106101005,11

5,1

1ppVp

n1nppVp

n1n

dppVpdppVpL

5,115,1

3

533

n1n

1

211n

111n

1121n

11

2

1

n1

1n1

1n12

11n

11t

=

=

=

=

===

Temperatura la care este refulat aerul comprimat este:

n1n

2

2

n1n

1

1

p

T

p

T

= , rezult

K75,52816291

pp

TT5,1

15,1n

1n

1

212 =

=

=

Observaie n cazul comprimrii politropice lucrul mecanic consumat este mai mare , n modul, dect n cazul comprimrii izoterme.

8.3.Rezolvare Rcirea compresorului trebuie fcut astfel nct s se evacueze fluxul

termic corespunztor diferenei dintre temperatura strii 2p i temperatura strii 1. n fig.8.4.temperatura strii 2p reprezint temperatura gazului dup o comprimare politropic, iar temperatura strii 1 este temperatura gazului la admisie, deci temperatura la care s-ar desfura comprimarea izoterm. Fig.8.4. Ciclul de comprimare al unui compresor real cu piston. Cele dou curbe

trasate cu linie subire reprezint izotermele corespunztoare temperaturilor T1 i, respectiv, T2p

( ) W68,1455118293101012,01

pp

TcmTTcmQ 2,112,1

3n1n

1

21p12p p =

=

==

T2p=ct

T1=ct

2T 2p

4

V1 V4 V3

1

V

p

3

cilindreea8.4.Instalatii de preparare si comprimare a aeruluiProbleme propuse

ntrebari testProbleme