En stempelkompressor er en maskine med positiv forskydning, der bruger et stempel til at komprimere en gas og levere den under højt tryk.
De er ofte nogle af de mest kritiske og dyre systemer på et produktionsanlæg og fortjener derfor særlig opmærksomhed. Gastransmissionsrørledninger, petrokemiske anlæg, raffinaderier og mange andre industrier er alle afhængige af denne type udstyr.
På grund af mange faktorer, herunder, men ikke begrænset til, kvaliteten af den oprindelige specifikation/konstruktion, tilstrækkeligheden af vedligeholdelsespraksis og driftsfaktorer, kan industrianlæg forvente meget varierende levetidsomkostninger og pålidelighed fra deres egne installationer.
Der findes forskellige kompressorer i næsten alle industrianlæg. Typer af komprimerede gasser omfatter følgende:
-
Luft til komprimerede værktøjs- og instrumentluftsystemer
-
Hydrogen, ilt osv. til kemisk behandling
-
Lette kulbrintefraktioner ved raffinering
-
Varierende gasser til opbevaring eller transmission
-
Andre anvendelser
Der findes to primære klassifikationer af industrikompressorer: Intermitterende flow (positiv fortrængning), herunder frem- og tilbagegående og roterende typer, og kontinuerlig flow, herunder centrifugal- og aksialflowtyper.
Stik- og vekselkompressorer anvendes typisk, hvor der kræves høje kompressionsforhold (forholdet mellem udløbstryk og sugetryk) pr. trin uden høje strømningshastigheder, og hvor procesvæsken er relativt tør.
Vådgaskompressorer har en tendens til at være centrifugaltyper. Anvendelser med højt flow og lavt kompressionsforhold er bedst tjent med kompressorer med aksialflow. Roterende typer er primært specificeret i trykluftanvendelser, selv om andre typer kompressorer også findes i lufttjeneste.
Grundlæggende design
De primære komponenter i et typisk stempelkompressorsystem kan ses i figur 1 og 2. Det skal bemærkes, at forfatteren aldrig har set et “typisk” kompressoranlæg og erkender, at der findes mange undtagelser.
Kompressionscylindrene (figur 1), også kendt som trin, hvoraf en bestemt konstruktion kan have fra en til seks eller flere, sørger for indeslutning af procesgassen under kompressionen.
Et stempel drives i en frem- og tilbagegående bevægelse for at komprimere gassen. Anordningerne kan være enkelt- eller dobbeltvirkende. (I den dobbeltvirkende konstruktion sker kompressionen på begge sider af stemplet under både det fremadgående og tilbagetrukne slag.)
I nogle dobbeltvirkende cylindre i højtryksanvendelser vil der være en stempelstang på begge sider af stemplet for at give samme overfladeareal og afbalancere belastningerne. Tandemcylinderarrangementer bidrager til at minimere de dynamiske belastninger ved at placere cylindrene parvis, forbundet til en fælles krumtapaksel, således at stemplernes bevægelser modarbejder hinanden.
Gastrykket forsegles, og slid af dyre komponenter minimeres ved brug af henholdsvis engangsstempelringe og rytterbånd. Disse er fremstillet af forholdsvis bløde metaller i forhold til stempel- og cylinder-/linermetallurgi eller materialer som polytetrafluorethylen (PTFE).
Figur 2 A. To-trådet HSE-ramme og løbehjul
Figur 2 B. To-trådet HSE-ramme og løbehjul
De fleste udstyrskonstruktioner omfatter bloksmøringssystemer med krafttilførsel; men når der er nul procestolerance for olieoverførsel, anvendes usmurede konstruktioner.
Cylindre til større applikationer (typisk grænseværdi er 300 hk) er udstyret med kølemiddelpassager til systemer af termosyphon- eller cirkulerende flydende kølemiddel-typen, mens nogle mindre kompressorer til hjemmebrug og værksteder typisk er luftkølede. Cylindre til store anvendelser er generelt udstyret med udskiftelige foringer, der er presset ind i boringen, og kan omfatte en antirotationsstift.
Procesgas suges ind i cylinderen, presses, holdes inde og frigives derefter af mekaniske ventiler, der typisk fungerer automatisk ved hjælp af differenstryk. Afhængigt af systemets udformning kan cylinderne have en eller flere suge- og aflastningsventiler.
Det er særlige ventiler, der styrer den procentdel af den fulde belastning, som kompressoren bærer ved en given omdrejningshastighed for sin driver. Aflastningsventiler manipulerer sugeventilernes virkning for at tillade gassen at blive genbrugt.
Fritrumslommeventiler ændrer cylinderhovedets rum (fritrumsvolumen). De kan være af fast eller variabel volumen. Disse anordninger ligger uden for denne artikels anvendelsesområde.
Afstandsstykket (undertiden kaldet hundehuset) er et konstruktionselement, der forbinder kompressorrammen med cylinderen. Blanding af væsker mellem cylinderen og afstandsstykket skal undgås. Pakningsringe dæmmer op for gastrykket i cylinderen, og de forhindrer olie i at trænge ind i cylinderen ved at tørre olie af fra stempelstangen langs dens vandring.
Distancestykket udluftes typisk i overensstemmelse med det farligste materiale i systemet, som ofte er den gas, der komprimeres i cylinderen. Pakningsringene er konstrueret til at holde gassen inde i cylinderen, men med det høje tryk er det muligt, at noget af den komprimerede gas lækker forbi pakningsringene.
Køreværket, der er anbragt i kompressorrammen (figur 2), består af tværhovedet og forbindelsesstangen, som forbinder stempelstangen med krumtapakslen og omdanner dens roterende bevægelse til en frem- og tilbagegående lineær bevægelse.
Krumtapakslen er forsynet med kontravægte for at afbalancere de dynamiske kræfter, der skabes af de tunge stempels bevægelse. Den er understøttet i kompressorens ramme af glidelejer på adskillige ledbolte. Der er også et svinghjul til at lagre rotationstræghed og give mekanisk fordel til manuel rotation af aggregatet.
Nogle kompressorer smører deres rammekredsløb med en integreret, akseldrevet oliepumpe, mens andre er forsynet med mere omfattende, skidmonterede smøresystemer. Alle korrekt konstruerede systemer skal ikke blot sørge for oliecirkulation til udstyrets kritiske tribooverflader, men også for smøremiddeltemperaturstyring, filtrering og en vis grad af instrumentering og redundans.
Sugningsgasser ledes normalt gennem sugesigter og separatorer for at fjerne medfølgende partikler, fugt og procesvæske i flydende fase, som kan forårsage alvorlige skader på kompressorventiler og andre kritiske komponenter og endda true cylinderintegriteten med katastrofale følger.
Gas kan også forvarmes for at få flydende procesgas over i dampfasen. Mellemkølere giver mulighed for at fjerne varme fra procesgassen mellem kompressionstrinene. (Se følgende afsnit: Den termodynamiske cyklus.) Disse varmevekslere kan være en del af kompressorens olie- og/eller cylinderkølesystem(er), eller de kan være tilsluttet anlæggets kølevandssystem.
På udløbssiden tjener trykbeholdere som pulsationsdæmpere, der tilvejebringer systemkapacitet for at udligne de flow- og trykpulsationer, der svarer til stemplens kompressionsslag.
Typisk er frem- og tilbagegående kompressorer enheder med relativt lav hastighed og er direkte- eller remdrevne af en elektrisk motor, enten med eller uden styring med variabel hastighed.
Ofte er motoren fremstillet til at være integreret i kompressoren, og motorakslen og kompressorens krumtapaksel er ét stykke, hvilket eliminerer behovet for en kobling. Hastighedsnedsættere af gearkassetypen anvendes i forskellige installationer.
I nogle tilfælde, men sjældnere, drives de af dampturbiner eller andre energikilder som f.eks. naturgas- eller dieselmotorer. Systemets overordnede udformning og den valgte drivtype vil påvirke smøringen af disse perifere systemer.
Den termodynamiske cyklus
En forklaring af nogle få grundlæggende termodynamiske principper er nødvendig for at forstå videnskaben om stempelkompressorer. Kompressionen sker i cylinderen som en cyklus i fire dele, der opstår ved hver frem- og tilbagetrækning af stemplet (to slag pr. cyklus).
De fire dele af cyklusen er kompression, udladning, ekspansion og indsugning. De vises grafisk med tryk vs. volumen plottet i et såkaldt P-V-diagram (figur 3).
Figur 3. Indsugning
I slutningen af en tidligere cyklus er stemplet fuldt tilbagetrukket i cylinderen ved V1, hvis volumen er fyldt med procesgas ved indsugningsbetingelser (tryk, P1 og temperatur, T1), og indsugnings- og udløbsventilerne er alle lukkede.
Dette er repræsenteret ved punkt 1 (nul) i P-V-diagrammet. Efterhånden som stemplet bevæger sig fremad, reduceres volumenet i cylinderen. Dette medfører, at gassens tryk og temperatur stiger, indtil trykket i cylinderen når op på trykket i udløbssamlingen. På dette tidspunkt begynder udløbsventilerne at åbne, hvilket er angivet i diagrammet ved punkt 2.
Med udløbsventilerne åbne forbliver trykket fast på P2 i resten af fremadgående slag, da volumen fortsat falder i udløbsdelen af cyklussen. Stemplet kommer til et kortvarigt stop ved V2, inden det vender retningen.
Bemærk, at der stadig er en vis minimal volumen tilbage, kendt som clearancevolumen. Det er det rum, der er tilbage i cylinderen, når stemplet befinder sig i den mest fremskudte position i sin bevægelse. Et vist minimalt clearancevolumen er nødvendigt for at forhindre kontakt mellem stempel og hoved, og håndteringen af dette volumen er en vigtig parameter for kompressorens ydeevne. Cyklussen er nu nået til punkt 3.
Der sker nu ekspansion, idet den lille gasmængde i mellemrummet ekspanderes til lidt under sugetrykket, hvilket lettes af lukningen af udgangsventilerne og stemplens tilbagetrækning. Dette er punkt 4.
Når P1 er nået, åbnes indsugningsventilerne, så frisk ladning kan komme ind i cylinderen til indsugningen og cyklussens sidste fase. Endnu en gang holdes trykket konstant, mens volumenet ændres. Dette markerer tilbagevenden til punkt 1.
Forståelse af denne cyklus er nøglen til diagnosticering af kompressorproblemer og til forståelse af kompressorens effektivitet, effektbehov, ventilfunktion osv. Denne viden kan opnås ved at opstille tendenser for procesoplysninger og overvåge den virkning, som disse elementer har på cyklussen.
