Een zuigercompressor is een machine met positieve verplaatsing die een zuiger gebruikt om een gas samen te persen en onder hoge druk te leveren.
Ze behoren vaak tot de meest kritische en duurste systemen in een productiefaciliteit, en verdienen speciale aandacht. Pijpleidingen voor gastransport, petrochemische fabrieken, raffinaderijen en vele andere industrieën zijn allemaal afhankelijk van dit soort apparatuur.
Door vele factoren, met inbegrip van maar niet beperkt tot de kwaliteit van de oorspronkelijke specificatie/ontwerp, adequaatheid van onderhoudspraktijken en operationele factoren, kunnen industriële faciliteiten sterk variërende levenscycluskosten en betrouwbaarheid verwachten van hun eigen installaties.
Verschillende compressoren zijn te vinden in bijna elke industriële faciliteit. Onder meer de volgende gassen worden gecomprimeerd:
-
Lucht voor persluchtsystemen voor gereedschappen en instrumenten
-
Waterstof, zuurstof, enz. voor chemische verwerking
-
Lichte koolwaterstoffracties bij raffinage
-
Verschillende gassen voor opslag of transmissie
-
Andere toepassingen
Er zijn twee primaire classificaties van industriële compressoren: intermitterende stroming (positieve verplaatsing), met inbegrip van zuiger- en roterende types; en continue stroming, met inbegrip van centrifugale en axiale stroming types.
Reverplaatsingscompressoren worden doorgaans gebruikt wanneer per trap een hoge compressieverhouding (verhouding tussen druk aan de uitlaat en druk aan de zuigzijde) vereist is zonder hoge debieten, en de procesvloeistof relatief droog is.
Wetgascompressoren zijn meestal centrifugale types. Toepassingen met een hoog debiet en een lage compressieverhouding worden het best gediend door axiale compressoren. Roterende compressoren worden hoofdzakelijk gebruikt voor persluchttoepassingen, hoewel ook andere compressortypes worden gebruikt.
Basisontwerp
De primaire componenten van een typisch zuigercompressorsysteem zijn te zien in de figuren 1 en 2. Opgemerkt zij dat de auteur nooit een “typische” compressorinstallatie heeft gezien, en het bestaan van vele uitzonderingen erkent.
De compressiecilinders (figuur 1), ook wel trappen genoemd, waarvan een bepaald ontwerp er een tot zes of meer kan hebben, zorgen voor de insluiting van het procesgas tijdens de compressie.
Een zuiger wordt in een heen en weer gaande beweging aangedreven om het gas samen te persen. De inrichtingen kunnen enkel- of dubbelwerkend zijn. (Bij de dubbelwerkende uitvoering vindt de compressie plaats aan beide zijden van de zuiger tijdens zowel de op- als de teruggaande slag.)
Sommige dubbelwerkende cilinders in hogedruktoepassingen hebben een zuigerstang aan beide zijden van de zuiger om een gelijk oppervlak te verkrijgen en de belastingen in evenwicht te houden. Tandemcilinderopstellingen helpen dynamische belastingen te minimaliseren door cilinders paarsgewijs te plaatsen, verbonden met een gemeenschappelijke krukas, zodat de bewegingen van de zuigers elkaar tegenwerken.
Gasdruk wordt afgedicht en slijtage van dure onderdelen wordt geminimaliseerd door het gebruik van respectievelijk wegwerp zuigerveren en ruiterbanden. Deze worden gevormd uit relatief zachte metalen ten opzichte van zuiger en cilinder/liner metallurgie of materialen zoals polytetrafluorethyleen (PTFE).
Figuur 2 A. Two-throw HSE Frame and Running Gear
Figuur 2 B. Two-throw HSE Frame and Running Gear
De meeste apparatuur ontwerpen zijn voorzien van blok-type, force-feed smeersystemen; echter wanneer er geen proces tolerantie voor olie carry-over is, worden niet-gesmeerde ontwerpen gebruikt.
Cilinders voor grotere toepassingen (typische cutoff is 300 pk) zijn uitgerust met koelvloeistof doorgangen voor thermosyphon of circulerende vloeibare koelvloeistof-type systemen, terwijl sommige kleinere huis en winkel compressoren zijn meestal luchtgekoeld. Grote toepassingscilinders zijn over het algemeen uitgerust met vervangbare voeringen die in het boorgat worden geperst, en kunnen een anti-rotatiepen bevatten.
Procesgas wordt in de cilinder gezogen, samengeperst, ingesloten en vervolgens vrijgegeven door mechanische kleppen die gewoonlijk automatisch werken door differentiële druk. Afhankelijk van het systeemontwerp kunnen cilinders één of meerdere aanzuig- en afvoerkleppen hebben.
Lossers en ontluchters zijn speciale kleppen die het percentage van de volledige lading regelen dat door de compressor wordt gedragen bij een bepaalde rotatiesnelheid van zijn aandrijving. Ontladers manipuleren de werking van de zuigkleppen om het gas te laten recyclen.
Spelingpocketkleppen veranderen de cilinderkopruimte (spelingvolume). Zij kunnen een vast of variabel volume hebben. Deze inrichtingen vallen buiten het bestek van dit artikel.
Het afstandsstuk (soms het hondenhok genoemd) is een structureel onderdeel dat het compressorframe met de cilinder verbindt. Menging van vloeistoffen tussen de cilinder en het afstandstuk moet worden vermeden. Pakkingringen houden de gasdruk in de cilinder binnen de perken, en zij zorgen ervoor dat er geen olie in de cilinder komt door de olie van de zuigerstang af te vegen tijdens zijn reis.
Het afstandsstuk wordt gewoonlijk ontlucht op basis van het gevaarlijkste materiaal in het systeem, dat vaak het in de cilinder samengeperste gas is. De pakkingringen zijn ontworpen om het gas binnen de cilinder te houden, maar met de hoge druk is het mogelijk dat een deel van het samengeperste gas langs de pakkingringen lekt.
Het loopwerk, ondergebracht in het frame van de compressor (figuur 2), bestaat uit de kruiskop en de drijfstang die de zuigerstang verbinden met de krukas, waardoor de draaiende beweging wordt omgezet in een heen en weer gaande lineaire beweging.
De krukas is voorzien van tegengewichten om de dynamische krachten die ontstaan door de beweging van de zware zuigers, in evenwicht te houden. De krukas wordt in het frame van de compressor ondersteund door glijlagers op verschillende scharnierpunten. Er is ook een vliegwiel om de rotatietraagheid op te slaan en mechanisch voordeel te bieden voor het handmatig draaien van de assemblage.
Sommige compressoren smeren hun frame loopwerk met een integrale, as-aangedreven oliepomp, terwijl andere zijn voorzien van meer uitgebreide, op glijders gemonteerde smeersystemen. Alle goed ontworpen systemen zullen niet alleen voorzien in oliecirculatie naar de kritieke drievlakken van de apparatuur, maar ook in temperatuurregeling van het smeermiddel, filtratie en enige mate van instrumentatie en redundantie.
Afzuiggassen worden in het algemeen door aanzuigfilters en afscheiders geleid om ingesloten deeltjes, vocht en procesvloeistof in vloeibare fase te verwijderen die ernstige schade kunnen toebrengen aan de compressorkleppen en andere kritische componenten, en zelfs de integriteit van de cilinders kunnen bedreigen met rampzalige gevolgen.
Gas kan ook worden voorverwarmd om vloeibaar procesgas in de dampfase te brengen. Tussenkoelers bieden de mogelijkheid om tussen de compressiefasen warmte aan het procesgas te onttrekken. (Deze warmtewisselaars kunnen deel uitmaken van het olie- en/of cilinderkoelsysteem van de compressor, of aangesloten zijn op het koelwatersysteem van de installatie.
Aan de perszijde fungeren drukvaten als pulsatiedempers, die systeemcapaciteit leveren om de stromings- en drukpulsaties gelijk te maken die overeenkomen met de compressieslagen van de zuiger.
Typisch zijn zuigercompressoren relatief laagtoerige apparaten, die direct of via een riem worden aangedreven door een elektromotor, al dan niet met een frequentieregelaar.
Vaak is de motor integraal met de compressor verbonden, en zijn de motoras en de compressorkrukas uit één stuk, zodat er geen koppeling nodig is. Snelheidsreductoren van het type tandwielkast worden in diverse installaties gebruikt.
Soms, maar minder vaak, worden ze aangedreven door stoomturbines of andere krachtbronnen zoals aardgas- of dieselmotoren. Het algemene ontwerp van het systeem en het gekozen type aandrijving zullen de smering van deze perifere systemen beïnvloeden.
De thermodynamische cyclus
Een verklaring van enkele thermodynamische basisprincipes is nodig om de wetenschap van zuigercompressoren te begrijpen. De compressie vindt in de cilinder plaats als een cyclus die uit vier delen bestaat en die plaatsvindt bij elke op- en terugtrekking van de zuiger (twee slagen per cyclus).
De vier delen van de cyclus zijn compressie, uitlaat, expansie en inlaat. Ze worden grafisch weergegeven door druk tegen volume uit te zetten in een zogenaamd P-V-diagram (figuur 3).
Figuur 3. Aan het einde van een voorafgaande cyclus is de zuiger volledig teruggetrokken in de cilinder bij V1, waarvan het volume is gevuld met procesgas bij aanzuigcondities (druk, P1 en temperatuur, T1), en de aanzuig- en afvoerventielen zijn alle gesloten.
Dit wordt weergegeven door punt 1 (nul) in het P-V-diagram. Naarmate de zuiger vordert, wordt het volume in de cilinder kleiner. Hierdoor stijgen de druk en de temperatuur van het gas, totdat de druk in de cilinder de druk van de uitstroomopening bereikt. Op dat moment beginnen de afvoerkleppen te openen, op het diagram aangegeven met punt 2.
Wanneer de afvoerkleppen openen, blijft de druk voor de rest van de voortbewegingsslag gefixeerd op P2, omdat het volume blijft afnemen voor het afvoergedeelte van de cyclus. De zuiger komt even tot stilstand bij V2 voordat hij zijn richting omkeert.
Merk op dat er een minimaal volume overblijft, bekend als het volume van de vrije slag. Dit is de ruimte die in de cilinder overblijft wanneer de zuiger zich in de meest gevorderde positie bevindt. Een minimaal volume is nodig om contact tussen zuiger en cilinderkop te voorkomen, en de manipulatie van dit volume is een belangrijke parameter voor de prestaties van de compressor. De cyclus is nu op punt 3.
Expansie vindt nu plaats als het kleine volume gas in de ontluchtingskamer wordt geëxpandeerd tot iets onder de zuigdruk, vergemakkelijkt door het sluiten van de ontluchtingskleppen en het terugtrekken van de zuiger. Dit is punt 4.
Wanneer P1 is bereikt, gaan de inlaatkleppen open waardoor verse lading de cilinder binnenkomt voor de inlaat en laatste fase van de cyclus. Opnieuw wordt de druk constant gehouden terwijl het volume wordt gewijzigd. Dit is de terugkeer naar punt 1.
Het begrijpen van deze cyclus is de sleutel tot het diagnosticeren van compressorproblemen, en tot het begrijpen van de efficiëntie van de compressor, het benodigde vermogen, de werking van de kleppen, enz. Deze kennis kan worden opgedaan door procesinformatie te trending en het effect van deze items op de cyclus in de gaten te houden.
