A dugattyús kompresszor egy dugattyúval működő, pozitív kiszorítású gép, amely egy dugattyút használ a gáz tömörítésére és nagy nyomáson történő szállítására.
Ezek gyakran a legkritikusabb és legdrágább rendszerek közé tartoznak egy gyártóüzemben, ezért különös figyelmet érdemelnek. Gázszállító csővezetékek, petrolkémiai üzemek, finomítók és számos más iparág függ az ilyen típusú berendezésektől.
Az ipari létesítmények számos tényező miatt – többek között, de nem kizárólagosan az eredeti specifikáció/tervezés minősége, a karbantartási gyakorlatok megfelelősége és az üzemeltetési tényezők miatt – nagyon eltérő életciklusköltségekre és megbízhatóságra számíthatnak saját berendezéseiktől.
A különböző kompresszorok szinte minden ipari létesítményben megtalálhatók. A sűrített gázok típusai a következők:
-
Lég a sűrített szerszám- és műszerlevegő rendszerekhez
-
Hidrogén, oxigén stb. vegyipari feldolgozáshoz
-
Könnyű szénhidrogénfrakciók a finomításban
-
Változatos gázok tárolására vagy továbbítására
-
Egyéb alkalmazások
Az ipari kompresszoroknak két elsődleges osztályozása van: Ide tartoznak a dugattyús és a forgódugattyús típusok; és a folyamatos áramlásúak, beleértve a centrifugális és az axiális áramlású típusokat.
A dugattyús kompresszorokat jellemzően ott használják, ahol nagy kompressziós arányokra (a kiadási és a szívási nyomás aránya) van szükség fokozatonként, nagy áramlási sebesség nélkül, és a technológiai folyadék viszonylag száraz.
A nedves gázkompresszorok általában centrifugális típusok. A nagy áramlású, kis sűrítési arányú alkalmazásokhoz a legjobbak az axiális áramlású kompresszorok. A forgódugattyús típusokat elsősorban sűrített levegős alkalmazásokban határozzák meg, bár más típusú kompresszorok is előfordulnak a levegőszolgáltatásban.
Az alapvető kialakítás
A tipikus dugattyús kompresszorrendszer elsődleges összetevői az 1. és 2. ábrán láthatók. Meg kell jegyezni, hogy a szerző soha nem látott “tipikus” kompresszor-berendezést, és elismeri, hogy számos kivétel létezik.
A sűrítőhengerek (1. ábra), más néven fokozatok, amelyekből egy adott konstrukcióban egytől hatig vagy több is lehet, biztosítják a technológiai gáz elzárását a sűrítés során.
A dugattyú a gáz sűrítésére oda-vissza mozgást végez. Az elrendezések lehetnek egy- vagy kettős működésűek. (A kettős működésű kivitelben a dugattyú mindkét oldalán történik a tömörítés mind az előremenő, mind a visszahúzó löket során.)
Néhány kettős működésű henger nagynyomású alkalmazásokban a dugattyú mindkét oldalán van egy-egy dugattyúrúd, hogy egyenlő felületet biztosítson és kiegyensúlyozza a terhelést. A tandem hengerelrendezések segítenek a dinamikus terhelések minimalizálásában azáltal, hogy a hengerek párban helyezkednek el, közös forgattyús tengelyhez csatlakoztatva, így a dugattyúk mozgása egymással szemben áll.
A gáznyomás tömítése és a drága alkatrészek kopásának minimalizálása az eldobható dugattyúgyűrűk, illetve a lovas szalagok alkalmazásával történik. Ezeket a dugattyú és a henger/bélés fémekhez képest viszonylag lágy fémekből vagy olyan anyagokból, mint például a politetrafluoretilén (PTFE) alkotják.
2. ábra A. Kétsoros HSE váz és futómű
2. ábra B. Kétsoros HSE váz és futómű
A legtöbb berendezés kialakítása blokk típusú, erőátviteles kenőrendszert tartalmaz; ha azonban az olaj átvitelére nincs technológiai tolerancia, akkor kenés nélküli kialakításokat alkalmaznak.
A nagyobb alkalmazások hengereit (a tipikus határérték 300 LE) hűtőfolyosókkal látják el a termoszifon vagy keringtetett folyadékhűtő típusú rendszerekhez, míg néhány kisebb otthoni és bolti kompresszor jellemzően léghűtéses. A nagy alkalmazású hengereket általában cserélhető béléssel látják el, amelyet a furatba sajtolnak, és tartalmazhatnak egy elfordulásgátló csapot.
A technológiai gázt a hengerbe szívják, összenyomják, visszatartják, majd mechanikus szelepekkel engedik ki, amelyek általában a nyomáskülönbségek alapján automatikusan működnek. A rendszer kialakításától függően a hengerek egy vagy több szívó- és nyomószeleppel is rendelkezhetnek.
A tehermentesítő és ürítőzsebek olyan speciális szelepek, amelyek szabályozzák a kompresszor által a meghajtó adott fordulatszámánál a teljes terhelés százalékos arányát. A tehermentesítő szelepek a szívószelepek működését manipulálják, hogy lehetővé tegyék a gáz visszaforgatását.
A clearance pocket szelepek a hengerfej terét (clearance volume) változtatják. Ezek lehetnek fix vagy változó térfogatúak. Ezek az eszközök túlmutatnak e cikk keretein.
A távolsági darab (néha kutyaháznak is nevezik) a kompresszor vázát a hengerrel összekötő szerkezeti elem. El kell kerülni a folyadékok keveredését a henger és a távolsági darab között. A tömítőgyűrűk a hengeren belüli gáznyomást tartják kordában, és megakadályozzák az olaj bejutását a hengerbe azáltal, hogy a dugattyúrúdról annak útja mentén letörlik az olajat.
A távtartó darabot általában a rendszerben lévő legveszélyesebb anyagnak megfelelően szellőztetik, ami gyakran a hengerben sűrített gáz. A tömítőgyűrűk úgy vannak kialakítva, hogy a gázt a hengeren belül tartsák, de a nagy nyomás miatt lehetséges, hogy a sűrített gáz egy része átszivárog a tömítőgyűrűkön.
A kompresszor vázában elhelyezett futómű (2. ábra) a keresztfejből és az összekötőrúdból áll, amelyek a dugattyúrudat a forgattyús tengelyhez kapcsolják, és annak forgó mozgását oda-vissza lineáris mozgássá alakítják.
A forgattyús tengely ellensúlyokkal van ellátva a nehéz dugattyúk mozgása által létrehozott dinamikus erők kiegyensúlyozására. A kompresszor vázán belül több csapágyazásnál simacsapágyakkal van alátámasztva. A forgási tehetetlenség tárolására és a szerelvény kézi forgatásához szükséges mechanikai előny biztosítására egy lendkerék is rendelkezésre áll.
Egyes kompresszorok a keretes futóművüket egy beépített, tengely meghajtású olajszivattyúval kenik, míg másokat kiterjedtebb, csúszkára szerelt kenőrendszerrel látnak el. Minden megfelelően megtervezett rendszer nemcsak a berendezés kritikus háromoldalú felületeinek olajkeringetéséről gondoskodik, hanem a kenőanyag hőmérsékletének szabályozásáról, szűréséről, valamint bizonyos fokú műszerezettségről és redundanciáról is.
A szívógázokat általában szívószűrőkön és szeparátorokon vezetik át, hogy eltávolítsák a magával ragadt részecskéket, nedvességet és folyékony fázisú technológiai folyadékot, amelyek súlyos károkat okozhatnak a kompresszorszelepekben és más kritikus alkatrészekben, sőt, katasztrofális következményekkel fenyegethetik a hengerek integritását.
A gázt előmelegíthetik is, hogy a folyékony technológiai gázt gőzfázisba tereljék. A köztes hűtők lehetőséget biztosítanak a hő eltávolítására a technológiai gázból a sűrítési fokozatok között. (Lásd a következő szakaszt: A termodinamikai ciklus.) Ezek a hőcserélők lehetnek a kompresszor olaj- és/vagy hengerhűtő rendszer(ek) részei, vagy csatlakozhatnak az üzem hűtővízrendszeréhez.
A nyomóoldalon a nyomástartályok pulzációcsillapítóként szolgálnak, a rendszer kapacitását biztosítva a dugattyú sűrítési lökéseinek megfelelő áramlási és nyomáspulzációk kiegyenlítésére.
A dugattyús kompresszorok jellemzően viszonylag kis fordulatszámú berendezések, és közvetlenül vagy szíjjal meghajtott elektromos motorral működnek, változó fordulatszámú vezérlővel vagy anélkül.
A motor gyakran úgy készül, hogy a kompresszorral egybeépített legyen, és a motortengely és a kompresszor forgattyútengelye egy darabból áll, így nincs szükség tengelykapcsolóra. A sebességváltó típusú fordulatszám-csökkentőket különböző berendezésekben használják.
Néha, bár ritkábban, gőzturbinák vagy más energiaforrások, például földgáz- vagy dízelmotorok hajtják őket. A rendszer általános kialakítása és a választott meghajtó típusa befolyásolja e perifériás rendszerek kenését.
A termodinamikai ciklus
A dugattyús kompresszorok tudományának megértéséhez szükséges néhány alapvető termodinamikai elv magyarázata. A sűrítés a hengerben egy négyrészes ciklusban történik, amely a dugattyú minden egyes előretolásával és visszahúzásával (ciklusonként két ütem) történik.
A ciklus négy része a sűrítés, az ürítés, a tágulás és a szívás. Ezeket grafikusan a nyomás és a térfogat függvényében ábrázoljuk az úgynevezett P-V diagramban (3. ábra).
3. ábra. Beszívás
Az előző ciklus végén a dugattyú teljesen visszahúzódik a hengerben V1-nél, amelynek térfogata szívási körülmények között (nyomás, P1 és hőmérséklet, T1) technológiai gázzal van feltöltve, és a szívó- és nyomószelepek mind zárva vannak.
Ezt a P-V diagramon az 1. pont (nulla) ábrázolja. A dugattyú előrehaladásával a hengerben lévő térfogat csökken. Ennek hatására a gáz nyomása és hőmérséklete addig emelkedik, amíg a hengeren belüli nyomás el nem éri a nyomócső nyomását. Ekkor a nyomószelepek nyitni kezdenek, amit a diagramon a 2. pont jelöl.
A nyomószelepek kinyílásával a nyomás az előremenő löket hátralévő részében a P2 értéken marad, mivel a térfogat tovább csökken a ciklus kiürítési szakaszában. A dugattyú egy pillanatra megáll a V2-nél, mielőtt megfordítja az irányt.
Megjegyezzük, hogy marad egy minimális térfogat, az úgynevezett üres térfogat. Ez az a tér, amely akkor marad a hengerben, amikor a dugattyú a mozgásának legelőrehaladottabb helyzetében van. A dugattyú és a hengerfej érintkezésének megakadályozásához szükséges némi minimális hézagtérfogat, és ennek a térfogatnak a manipulálása a kompresszor egyik fő teljesítményparamétere. A ciklus most a 3. pontnál tart.
A következő lépés a tágulás, amikor a hézagzsebben lévő kis gáztérfogat a szívónyomás alá tágul, amit a nyomószelepek záródása és a dugattyú visszahúzódása segít elő. Ez a 4. pont.
A P1 elérésekor a szívószelepek kinyílnak, így friss töltet kerülhet a hengerbe a ciklus szívó és utolsó szakaszához. A nyomás ismét állandó marad, miközben a térfogat változik. Ez jelenti a visszatérést az 1. ponthoz.
A ciklus megértése kulcsfontosságú a kompresszorproblémák diagnosztizálásához, valamint a kompresszor hatásfokának, teljesítményigényének, szelepműködésének stb. megértéséhez. Ezt a tudást a folyamatinformációk trendjeinek követésével és az ezen elemek ciklusra gyakorolt hatásának figyelemmel kísérésével lehet megszerezni.
