Sprężarka tłokowa jest maszyną wyporową, która wykorzystuje tłok do sprężania gazu i dostarczania go pod wysokim ciśnieniem.
Często są to jedne z najbardziej krytycznych i kosztownych systemów w zakładzie produkcyjnym i zasługują na szczególną uwagę. Rurociągi przesyłowe gazu, zakłady petrochemiczne, rafinerie i wiele innych branż jest uzależnionych od tego typu urządzeń.
W związku z wieloma czynnikami, w tym, lecz nie wyłącznie, jakością początkowej specyfikacji/projektu, adekwatnością praktyk konserwacyjnych i czynnikami operacyjnymi, zakłady przemysłowe mogą oczekiwać od własnych instalacji bardzo zróżnicowanych kosztów cyklu życia i niezawodności.
Różne sprężarki można znaleźć w prawie każdym zakładzie przemysłowym. Rodzaje sprężanych gazów obejmują następujące rodzaje:
-
powietrze do systemów sprężonego powietrza do narzędzi i przyrządów
-
wodór, tlen itp. do przetwórstwa chemicznego
-
Lekkie frakcje węglowodorowe w rafinacji
-
Różne gazy do przechowywania lub przesyłania
-
Inne zastosowania
Są dwie podstawowe klasyfikacje sprężarek przemysłowych: przepływ przerywany (wyporowy), w tym typy tłokowe i rotacyjne; oraz przepływ ciągły, w tym typy odśrodkowe i osiowe.
Sprężarki tłokowe są zwykle używane tam, gdzie wymagane są wysokie stopnie sprężania (stosunek ciśnienia na wylocie do ciśnienia na ssaniu) na stopień bez dużych przepływów, a płyn procesowy jest stosunkowo suchy.
Sprężarki do gazu mokrego są zwykle typami odśrodkowymi. Do zastosowań o dużym przepływie i niskim stopniu sprężania najlepiej nadają się sprężarki o przepływie osiowym. Typy rotacyjne są przede wszystkim określone w zastosowaniach sprężonego powietrza, chociaż inne typy sprężarek są również spotykane w serwisach sprężonego powietrza.
Podstawowa konstrukcja
Podstawowe elementy typowego układu sprężarki tłokowej można zobaczyć na rysunkach 1 i 2. Należy zauważyć, że autor nigdy nie widział „typowej” instalacji sprężarki i przyznaje, że istnieje wiele wyjątków.
Cylindry sprężające (rys. 1), znane również jako stopnie, których konkretna konstrukcja może mieć od jednego do sześciu lub więcej, zapewniają ograniczenie dla gazu technologicznego podczas sprężania.
Tłok jest napędzany ruchem posuwisto-zwrotnym w celu sprężenia gazu. Układy mogą mieć konstrukcję jedno- lub dwustronnego działania. (W układzie dwustronnego działania, sprężanie występuje po obu stronach tłoka zarówno podczas suwu postępowego, jak i wstecznego.)
Niektóre cylindry dwustronnego działania w zastosowaniach wysokociśnieniowych będą miały tłoczysko po obu stronach tłoka, aby zapewnić równą powierzchnię i zrównoważyć obciążenia. Układy cylindrów tandemowych pomagają zminimalizować obciążenia dynamiczne, umieszczając cylindry parami, połączone wspólnym wałem korbowym, tak że ruchy tłoków przeciwstawiają się sobie.
Ciśnienie gazu jest uszczelnione, a zużycie drogich komponentów jest zminimalizowane dzięki zastosowaniu jednorazowych pierścieni tłokowych i odpowiednio opasek ślizgowych. Są one formowane ze stosunkowo miękkich metali w stosunku do metalurgii tłoka i cylindra/podkładki lub materiałów takich jak politetrafluoroetylen (PTFE).
Rysunek 2 A. Dwurzędowa rama HSE i przekładnia jezdna
Rysunek 2 B. Dwurzędowa rama HSE i przekładnia jezdna
Większość konstrukcji sprzętu zawiera systemy smarowania typu blokowego, z podawaniem siłowym; jednakże, gdy istnieje zerowa tolerancja procesu na przenoszenie oleju, stosuje się konstrukcje bez smarowania.
Cylindry do większych zastosowań (typowe odcięcie to 300 KM) są wyposażone w przejścia chłodziwa dla termosyfonowych lub krążących systemów typu chłodziwa ciekłego, podczas gdy niektóre mniejsze sprężarki domowe i sklepowe są zwykle chłodzone powietrzem. Cylindry do dużych zastosowań są zazwyczaj wyposażone w wymienne wykładziny, które są wciskane w otwór i mogą zawierać trzpień antyrotacyjny.
Gaz procesowy jest zasysany do cylindra, ściskany, ograniczany, a następnie uwalniany przez zawory mechaniczne, które zazwyczaj działają automatycznie na podstawie różnicy ciśnień. W zależności od konstrukcji systemu, cylindry mogą mieć jeden lub wiele zaworów ssących i tłoczących.
Odciążniki i kieszenie luzu to specjalne zawory, które kontrolują procent pełnego obciążenia przenoszonego przez sprężarkę przy danej prędkości obrotowej jej sterownika. Rozładowywacze manipulują działaniem zaworów ssących, aby umożliwić recyrkulację gazu.
Zawory kieszeni prześwitu zmieniają przestrzeń głowicy cylindra (objętość prześwitu). Mogą one mieć stałą lub zmienną objętość. Urządzenia te wykraczają poza zakres niniejszego artykułu.
Dystanser (czasami nazywany domkiem dla psa) jest elementem konstrukcyjnym łączącym ramę sprężarki z cylindrem. Należy unikać mieszania się płynów pomiędzy cylindrem a elementem dystansowym. Pierścienie uszczelniające utrzymują ciśnienie gazu w cylindrze i zapobiegają przedostawaniu się oleju do cylindra, wycierając olej z tłoczyska podczas jego ruchu.
Odcinek dystansowy jest zwykle odpowietrzany zgodnie z najbardziej niebezpiecznym materiałem w układzie, którym często jest gaz sprężony w cylindrze. Pierścienie uszczelniające są zaprojektowane tak, aby zatrzymywały gaz w cylindrze, ale przy wysokim ciśnieniu możliwe jest, że część sprężonego gazu wycieknie poza pierścienie uszczelniające.
Podwozie jezdne, umieszczone w ramie sprężarki (rysunek 2), składa się z trawersy i korbowodu, które łączą tłoczysko z wałem korbowym, przekształcając jego ruch obrotowy w posuwisto-zwrotny ruch liniowy.
Wał korbowy jest wyposażony w przeciwciężary, aby zrównoważyć siły dynamiczne powstałe w wyniku ruchu ciężkich tłoków. Jest on podtrzymywany w ramie sprężarki przez łożyska ślizgowe na kilku czopach. Koło zamachowe jest również przewidziane do przechowywania bezwładności obrotowej i zapewnienia przewagi mechanicznej dla ręcznego obracania zespołu.
Niektóre sprężarki będą smarować swoje podwozia ramowe za pomocą zintegrowanej, napędzanej wałem pompy olejowej, podczas gdy inne są wyposażone w bardziej rozbudowane, montowane na płozach systemy smarowania. Wszystkie właściwie zaprojektowane systemy zapewnią nie tylko cyrkulację oleju do krytycznych powierzchni trójwymiarowych sprzętu, ale także kontrolę temperatury środka smarnego, filtrację i pewien stopień oprzyrządowania i redundancji.
Gaz ssący jest zazwyczaj przepuszczany przez sita ssące i separatory w celu usunięcia porwanych cząstek stałych, wilgoci i płynu procesowego w fazie ciekłej, które mogłyby spowodować poważne uszkodzenie zaworów sprężarki i innych krytycznych elementów, a nawet zagrozić integralności cylindra z katastrofalnymi konsekwencjami.
Gaz może być również wstępnie podgrzany w celu uspokojenia ciekłego gazu procesowego do fazy parowej. Chłodnice międzystopniowe zapewniają możliwość usuwania ciepła z gazu technologicznego pomiędzy etapami sprężania. (Te wymienniki ciepła mogą być częścią systemu chłodzenia oleju i/lub cylindrów sprężarki lub mogą być podłączone do systemu wody chłodzącej zakładu.
Po stronie tłocznej, zbiorniki ciśnieniowe służą jako tłumiki pulsacji, zapewniając pojemność układu w celu wyrównania pulsacji przepływu i ciśnienia odpowiadających suwom sprężania tłoka.
Typowo, sprężarki tłokowe są urządzeniami o stosunkowo niskich prędkościach obrotowych i są napędzane bezpośrednio lub pasowo przez silnik elektryczny, z lub bez sterownika napędu o zmiennej prędkości obrotowej.
Często silnik jest produkowany jako integralny ze sprężarką, a wał silnika i wał korbowy sprężarki są jednoczęściowe, co eliminuje potrzebę stosowania sprzęgła. W różnych instalacjach stosowane są reduktory prędkości typu przekładniowego.
Czasami, choć rzadziej, są one napędzane przez turbiny parowe lub inne źródła energii, takie jak silniki na gaz ziemny lub silniki wysokoprężne. Ogólna konstrukcja układu i wybrany typ napędu wpływają na smarowanie tych układów peryferyjnych.
Cykl termodynamiczny
Wyjaśnienie kilku podstawowych zasad termodynamiki jest niezbędne do zrozumienia nauki o sprężarkach tłokowych. Sprężanie zachodzi w cylindrze jako czteroczęściowy cykl, który występuje przy każdym posunięciu i cofnięciu tłoka (dwa suwy na cykl).
Cztery części cyklu to sprężanie, rozładowanie, rozprężanie i wlot. Są one przedstawione graficznie w postaci wykresu ciśnienia w funkcji objętości, znanego jako wykres P-V (rysunek 3).
Rysunek 3. Wlot
Na zakończenie poprzedniego cyklu tłok jest całkowicie cofnięty w cylindrze przy V1, którego objętość jest wypełniona gazem technologicznym w warunkach ssania (ciśnienie, P1 i temperatura, T1), a wszystkie zawory ssące i tłoczące są zamknięte.
Jest to reprezentowane przez punkt 1 (zero) na wykresie P-V. W miarę posuwania się tłoka objętość w cylindrze ulega zmniejszeniu. Powoduje to wzrost ciśnienia i temperatury gazu do momentu, gdy ciśnienie w cylindrze osiągnie wartość ciśnienia w kolektorze wylotowym. W tym czasie zaczynają się otwierać zawory wylotowe, zaznaczone na wykresie punktem 2.
Po otwarciu zaworów wylotowych ciśnienie pozostaje stałe na poziomie P2 przez pozostałą część suwu postępowego, ponieważ objętość nadal maleje w części cyklu dotyczącej wyładowania. Tłok zatrzymuje się na chwilę przy V2 przed odwróceniem kierunku.
Zauważ, że pozostaje pewna minimalna objętość, znana jako objętość luzu. Jest to przestrzeń pozostała w cylindrze, gdy tłok znajduje się w najbardziej wysuniętym położeniu w swoim ruchu. Pewna minimalna objętość luzu jest konieczna, aby zapobiec kontaktowi tłoka z głowicą, a manipulacja tą objętością jest głównym parametrem wydajności sprężarki. Cykl znajduje się teraz w punkcie 3.
Następnie następuje rozprężanie, ponieważ mała objętość gazu w kieszeni luzu zostaje rozprężona do ciśnienia nieco poniżej ciśnienia ssania, co jest ułatwione przez zamknięcie zaworów tłocznych i cofnięcie się tłoka. Jest to punkt 4.
Gdy P1 zostaje osiągnięte, zawory wlotowe otwierają się, pozwalając świeżemu ładunkowi wejść do cylindra na wlot i ostatni etap cyklu. Po raz kolejny ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie, podczas gdy objętość ulega zmianie. Oznacza to powrót do punktu 1.
Zrozumienie tego cyklu jest kluczem do diagnozowania problemów ze sprężarką oraz do zrozumienia wydajności sprężarki, wymagań mocy, działania zaworów itp. Wiedzę tę można zdobyć poprzez śledzenie trendów informacji o procesie i monitorowanie wpływu tych elementów na cykl.
.