Mäntäkompressori on iskutilavuudeltaan positiivinen kone, joka käyttää mäntää kaasun puristamiseen ja sen toimittamiseen korkeassa paineessa.
Kompressorit ovat usein tuotantolaitoksen kriittisimpiä ja kalleimpia järjestelmiä, ja ne ansaitsevat erityistä huomiota. Kaasunsiirtoputkistot, petrokemian tehtaat, jalostamot ja monet muut teollisuudenalat ovat kaikki riippuvaisia tämäntyyppisistä laitteista.
Johtuen monista tekijöistä, kuten alkuperäisen eritelmän/suunnittelun laadusta, kunnossapitokäytäntöjen riittävyydestä ja toiminnallisista tekijöistä, teollisuuslaitokset voivat odottaa, että niiden omien laitteistojen elinkaarikustannukset ja toimintavarmuus vaihtelevat suuresti.
Vaihtelevia kompressoreja on lähes jokaisessa teollisuuslaitoksessa. Paineistettavia kaasutyyppejä ovat muun muassa seuraavat:
-
Aira paineistettuihin työkalu- ja instrumenttiilmajärjestelmiin
-
Vety, happi jne. kemialliseen prosessointiin
-
Kevyet hiilivetyjakeet jalostuksessa
-
Erilaiset kaasut varastointiin tai siirtoon
-
Muut käyttökohteet
Teollisuuskompressoreiden ensisijaisia luokitteluja on kaksi: Jatkuva virtaus, mukaan lukien keskipako- ja aksiaalivirtaustyypit.
Takaisinkompressoreita käytetään tyypillisesti silloin, kun tarvitaan suuria puristussuhteita (purkaus- ja imupaineiden suhde) vaihetta kohti ilman suuria virtausnopeuksia ja kun prosessineste on suhteellisen kuivaa.
Kosteat kaasukompressorit ovat yleensä keskipakokompressoreita. Suuren virtauksen ja alhaisen puristussuhteen sovelluksiin soveltuvat parhaiten aksiaalivirtauskompressorit. Pyöriviä tyyppejä käytetään ensisijaisesti paineilmasovelluksissa, mutta myös muita kompressorityyppejä käytetään paineilmakäytössä.
Perussuunnittelu
Tyypillisen mäntäkompressorijärjestelmän pääkomponentit näkyvät kuvissa 1 ja 2. On huomattava, että kirjoittaja ei ole koskaan nähnyt ”tyypillistä” kompressorilaitteistoa ja myöntää, että on olemassa monia poikkeuksia.
Kompressiosylinterit (kuva 1), joita kutsutaan myös portaiksi ja joita tietyssä rakenteessa voi olla yhdestä kuuteen tai useampia, rajoittavat prosessikaasua puristuksen aikana.
Mäntää käytetään edestakaisin kaasun puristamiseksi. Järjestelyt voivat olla yksi- tai kaksitoimisia. (Kaksitoimisessa rakenteessa puristus tapahtuu männän molemmilla puolilla sekä etenevän että vetäytyvän iskun aikana.)
Joissain korkeapainesovelluksissa olevissa kaksitoimisissa sylintereissä on männänvarsi männän molemmilla puolilla, jotta saadaan aikaan yhtä suuri pinta-ala ja tasauskuormat. Tandem-sylinterijärjestelyt auttavat minimoimaan dynaamiset kuormitukset sijoittamalla sylinterit pareittain, jotka on yhdistetty yhteiseen kampiakseliin, niin että mäntien liikkeet ovat toisiaan vastakkaisia.
Kaasunpaine tiivistetään ja kalliiden komponenttien kuluminen minimoidaan käyttämällä kertakäyttöisiä männänrenkaita ja vastaavasti ratsastinrenkaita. Nämä muodostetaan verrattain pehmeistä metalleista suhteessa männän ja sylinterin/vuorauksen metallurgiaan tai materiaaleista, kuten polytetrafluorieteenistä (PTFE).
Kuva 2 A. Kaksisuuntainen HSE-runko ja juoksupyörä
Kuva 2 B. Kaksisuuntainen HSE-runko ja juoksupyörä
Useimmissa laitteistomalleissa käytetään lohkotyyppisiä, väkisyöttöön perustuvia voitelujärjestelmiä; kuitenkin silloin, kun öljyn kulkeutumiselle ei ole minkäänlaista prosessin suvaitsevaisuutta, on käytössä voiteluaineettomissa rakenteissa.
Suurten sovellusten sylinterit (tyypillinen raja-arvo on 300 hv) varustetaan jäähdytysnestekanavilla termosyfoni- tai kiertävän nestejäähdytystyyppisiä järjestelmiä varten, kun taas jotkin pienemmät koti- ja myymäläkompressorit ovat tyypillisesti ilmajäähdytteisiä. Suurten sovellusten sylinterit on yleensä varustettu vaihdettavilla vuorauksilla, jotka on puristusasennettu reikään, ja niissä voi olla kiertymisen estävä tappi.
Prosessikaasu imetään sylinteriin, puristetaan, suljetaan ja vapautetaan sitten mekaanisilla venttiileillä, jotka tyypillisesti toimivat automaattisesti paine-erojen mukaan. Järjestelmän rakenteesta riippuen sylintereissä voi olla yksi tai useampi imu- ja poistoventtiili.
Purkaimet ja tyhjennystaskut ovat erikoisventtiilejä, jotka säätelevät kompressorin kuljettaman täyden kuorman prosenttiosuutta sen kuljettajan tietyllä pyörimisnopeudella. Purkaimet manipuloivat imuventtiilien toimintaa, jotta kaasu pääsee kierrätykseen.
Vapaataskuventtiilit muuttavat sylinterin pään tilaa (vapaatilavuutta). Ne voivat olla kiinteän tai muuttuvan tilavuuden venttiilejä. Nämä laitteet eivät kuulu tämän artikkelin piiriin.
Välikappale (jota joskus kutsutaan koirankopiksi) on rakenneosa, joka yhdistää kompressorin rungon sylinteriin. Nesteiden sekoittumista sylinterin ja välikappaleen välillä on vältettävä. Tiivistysrenkaat hillitsevät kaasun painetta sylinterin sisällä, ja ne estävät öljyn pääsyn sylinteriin pyyhkimällä öljyä männänvarresta sen matkan varrella.
Välikappale tuuletetaan tyypillisesti järjestelmän vaarallisimman aineen mukaan, joka on usein sylinteriin puristettu kaasu. Tiivistysrenkaat on suunniteltu pitämään kaasu sylinterin sisällä, mutta korkeassa paineessa on mahdollista, että osa puristetusta kaasusta vuotaa tiivisterenkaiden ohi.
Käyttölaite, joka sijaitsee kompressorin rungossa (kuva 2), koostuu poikkipäästä ja yhdystangosta, jotka yhdistävät männänvarren kampiakseliin ja muuttavat sen pyörimisliikkeen edestakaiseksi lineaariseksi edestakaiseksi liikkeeksi.
Kampiakselissa on vastapainot tasapainottamassa dynaamisia voimia, jotka syntyvät raskaiden mäntien liikkeistä. Se on tuettu kompressorin rungossa liukulaakereilla useissa nivelissä. Kammiossa on myös vauhtipyörä, joka varastoi pyörimisinertiaa ja antaa mekaanista etua kokoonpanon manuaaliselle pyörittämiselle.
Joidenkin kompressoreiden rungon käyttölaitteisto voidellaan kiinteällä akselikäyttöisellä öljypumpulla, kun taas toisissa kompressoreissa on laajemmat, luistiin asennetut voitelujärjestelmät. Kaikissa oikein suunnitelluissa järjestelmissä huolehditaan öljyn kierrättämisestä laitteiston kriittisille kolmoispinnoille sekä voiteluaineen lämpötilan säädöstä, suodatuksesta ja jonkinasteisesta instrumentoinnista ja redundanssista.
Imukaasut johdetaan yleensä imusiivilöiden ja erottimien läpi, jotta voidaan poistaa mukana kulkeutuneet hiukkaset, kosteus ja nestemäisessä faasissa oleva prosessineste, jotka voivat aiheuttaa vakavia vaurioita kompressorin venttiileille ja muille kriittisille komponenteille ja jopa uhata sylinterin eheyttä katastrofaalisin seurauksin.
Kaasua voidaan myös esilämmittää nestemäisen prosessikaasun saattamiseksi höyryfaasiin. Välijäähdyttimet tarjoavat mahdollisuuden poistaa lämpöä prosessikaasusta puristusvaiheiden välillä. (Ks. seuraava luku: Termodynaaminen kierto.) Nämä lämmönvaihtimet voivat olla osa kompressorin öljy- ja/tai sylinterijäähdytysjärjestelmää (-järjestelmiä), tai ne voidaan liittää laitoksen jäähdytysvesijärjestelmään.
Painesäiliöt toimivat purkauspuolella pulsaationvaimentimina, jotka tuottavat järjestelmän kapasitanssin tasaamaan männän puristuslyöntejä vastaavat virtaus- ja painepulssit.
Tyypillisesti mäntäkompressorit ovat suhteellisen hidaskäyntisiä laitteita, ja ne saavat sähkömoottorilta suoran tai hihnakäytön joko taajuusmuuttajasäätimellä tai ilman taajuusmuuttajasäädintä.
Usein moottori valmistetaan siten, että se on kiinteä osa kompressoria, ja moottorin akseli ja kompressorin kampiakseli ovat yhtä kappaletta, mikä eliminoi kytkimen tarpeen. Vaihteistotyyppisiä alennusvaihteita käytetään erilaisissa laitteistoissa.
Joskus, vaikkakin harvemmin, niitä käytetään höyryturbiineilla tai muilla voimanlähteillä, kuten maakaasu- tai dieselmoottoreilla. Järjestelmän kokonaissuunnittelu ja valitun käyttövoiman tyyppi vaikuttavat näiden oheisjärjestelmien voiteluun.
Termodynaaminen kierto
Mäntäkompressoreihin liittyvän tieteen ymmärtäminen edellyttää muutaman termodynaamisen perusperiaatteen selittämistä. Puristus tapahtuu sylinterissä neliosaisena syklinä, joka tapahtuu männän jokaisen etenemisen ja perääntymisen yhteydessä (kaksi iskua sykliä kohti).
Syklin neljä osaa ovat puristus, purkaus, paisunta ja imu. Ne esitetään graafisesti paineen ja tilavuuden suhteena niin sanotussa P-V-diagrammissa (kuva 3).
Kuva 3. Imu
Edellisen syklin päättyessä mäntä on täysin vetäytynyt sylinterissä V1:n kohdalla, jonka tilavuus on täytetty prosessikaasulla imuolosuhteissa (paine, P1 ja lämpötila, T1), ja imu- ja poistoventtiilit ovat kaikki kiinni.
Tätä kuvaa P-V-diagrammissa piste 1 (nolla). Kun mäntä etenee, sylinterin tilavuus pienenee. Tämä aiheuttaa kaasun paineen ja lämpötilan nousun, kunnes sylinterin sisäinen paine saavuttaa purkausputken paineen. Tällöin poistoventtiilit alkavat avautua, mikä on merkitty kaavioon pisteellä 2.
Poistoventtiilien avautuessa paine pysyy kiinteänä P2:ssa koko etenemistahdin loppuosan ajan, kun tilavuus vähenee edelleen syklin poisto-osuuden ajan. Mäntä pysähtyy hetkellisesti V2:n kohdalle ennen suunnan kääntämistä.
Huomaa, että jäljelle jää jonkin verran minimitilavuutta, jota kutsutaan tyhjennystilavuudeksi. Se on sylinteriin jäävä tila, kun mäntä on liikkeensä pisimmälle edenneessä asennossa. Jonkin verran vähimmäistilavuutta tarvitaan männän ja pään välisen kosketuksen estämiseksi, ja tämän tilavuuden manipulointi on tärkeä kompressorin suorituskykyparametri. Sykli on nyt pisteessä 3.
Seuraavaksi tapahtuu paisuminen, kun välystaskussa oleva pieni kaasutilavuus paisuu hieman imupaineen alapuolelle, mitä helpottaa poistoventtiilien sulkeminen ja männän vetäytyminen. Tämä on kohta 4.
Kun P1 on saavutettu, imuventtiilit avautuvat, jolloin sylinteriin pääsee tuoretta täytettä syklin imua ja viimeistä vaihetta varten. Jälleen kerran paine pysyy vakiona, kun tilavuus muuttuu. Tämä merkitsee paluuta kohtaan 1.
Tämän syklin ymmärtäminen on avainasemassa kompressoriongelmien diagnosoinnissa ja kompressorin hyötysuhteen, tehontarpeen, venttiilien toiminnan jne. ymmärtämisessä. Tämä tietämys voidaan hankkia prosessitietoja seuraamalla ja seuraamalla näiden kohtien vaikutusta sykliin.
