Un compresor cu piston este o mașină cu deplasare pozitivă care folosește un piston pentru a comprima un gaz și a-l livra la presiune ridicată.
Este adesea unul dintre cele mai critice și mai scumpe sisteme dintr-o instalație de producție și merită o atenție specială. Conductele de transport al gazelor, uzinele petrochimice, rafinăriile și multe alte industrii depind toate de acest tip de echipament.
Datorită mai multor factori, inclusiv, dar fără a se limita la calitatea specificației/proiectării inițiale, adecvarea practicilor de întreținere și a factorilor operaționali, instalațiile industriale se pot aștepta la costuri ale ciclului de viață și la o fiabilitate foarte variate din partea propriilor instalații.
Diferite compresoare se găsesc în aproape fiecare instalație industrială. Tipurile de gaze comprimate includ următoarele:
-
Aer pentru sistemele de aer comprimat pentru scule și instrumente
-
Hidrogen, oxigen, etc. pentru prelucrarea chimică
-
Fracțiuni ușoare de hidrocarburi în rafinare
-
Gaze diverse pentru depozitare sau transport
-
Alte aplicații
Există două clasificări principale ale compresoarelor industriale: cele cu debit intermitent (cu deplasare pozitivă), inclusiv cele de tip alternativ și rotativ; și cele cu debit continuu, inclusiv cele de tip centrifugal și axial.
Compresoarele cu piston sunt utilizate de obicei atunci când sunt necesare rapoarte de compresie ridicate (raportul dintre presiunile de refulare și cele de aspirație) pe etaj fără debite mari, iar fluidul de proces este relativ uscat.
Compresoarele de gaze umede tind să fie de tip centrifugal. Aplicațiile cu debit mare și raport de compresie redus sunt cel mai bine deservite de compresoarele cu debit axial. Tipurile rotative sunt specificate în primul rând în aplicațiile de aer comprimat, deși alte tipuri de compresoare sunt, de asemenea, întâlnite în serviciul de aer.
Proiectare de bază
Componentele primare ale unui sistem tipic de compresor alternativ pot fi văzute în figurile 1 și 2. Trebuie remarcat faptul că autorul nu a văzut niciodată o instalație „tipică” de compresor și recunoaște existența multor excepții.
Bilindrii de compresie (figura 1), cunoscuți și sub numele de etaje, dintre care un anumit proiect poate avea de la unul la șase sau mai mulți, asigură izolarea gazului de proces în timpul comprimării.
Un piston este antrenat într-o acțiune alternativă pentru a comprima gazul. Dispozitivele pot fi de concepție cu acțiune simplă sau dublă. (În designul cu acțiune dublă, compresia are loc pe ambele părți ale pistonului atât în timpul cursei de avansare, cât și în timpul cursei de retragere.)
Câțiva cilindri cu acțiune dublă în aplicații de înaltă presiune vor avea o tijă de piston pe ambele părți ale pistonului pentru a asigura o suprafață egală și pentru a echilibra sarcinile. Dispunerea cilindrilor în tandem ajută la minimizarea sarcinilor dinamice prin amplasarea cilindrilor în perechi, conectați la un arbore cotit comun, astfel încât mișcările pistoanelor să se opună una alteia.
Presiunea gazului este etanșată și uzura componentelor costisitoare este minimizată prin utilizarea inelelor de piston de unică folosință și, respectiv, a benzilor călătoare. Aceștia sunt formați din metale relativ moi în raport cu metalurgia pistonului și a pistonului și a căptușelii cilindrului sau din materiale cum ar fi politetrafluoretilena (PTFE).
Figura 2 A. Cadru HSE cu două trepte și mecanism de rulare
Figura 2 B. Cadru HSE cu două trepte și mecanism de rulare
Cele mai multe modele de echipamente încorporează sisteme de lubrifiere de tip bloc, cu alimentare forțată; cu toate acestea, atunci când există o toleranță nulă a procesului față de reținerea de ulei, se folosesc modele nelubrifiate.
Cilindrele pentru aplicații mai mari (limita de tăiere tipică este de 300 CP) sunt echipate cu pasaje pentru lichid de răcire pentru sisteme de tip termosifon sau cu lichid de răcire circulant, în timp ce unele compresoare mai mici de uz casnic și de atelier sunt de obicei răcite cu aer. Cilindrii pentru aplicații mari sunt, în general, prevăzuți cu garnituri înlocuibile care sunt montate prin presare în alezaj și pot include un știft antirotație.
Gazul de proces este aspirat în cilindru, comprimat, reținut și apoi eliberat de supape mecanice care, de obicei, funcționează automat prin presiuni diferențiale. În funcție de proiectarea sistemului, buteliile pot avea una sau mai multe supape de aspirație și de refulare.
Descărcătoarele și buzunarele de degajare sunt supape speciale care controlează procentul de sarcină totală transportat de compresor la o anumită viteză de rotație a motorului său. Descărcătoarele manipulează acțiunea supapelor de aspirație pentru a permite gazului să se recicleze.
Supapelor de buzunar de degajare modifică spațiul din capul cilindrilor (volumul de degajare). Ele pot fi de volum fix sau variabil. Aceste dispozitive depășesc domeniul de aplicare al acestui articol.
Piesa de distanțare (uneori numită doghouse) este un element structural care leagă cadrul compresorului de cilindru. Trebuie evitată amestecarea fluidelor între cilindru și piesa de distanțare. Inelele de etanșare conțin presiunea gazului în interiorul cilindrului și împiedică pătrunderea uleiului în cilindru prin ștergerea uleiului de pe tija pistonului de-a lungul cursei sale.
Piesa de distanțare este de obicei ventilată în funcție de cel mai periculos material din sistem, care este adesea gazul comprimat în cilindru. Inelele de etanșare sunt concepute pentru a conține gazul în interiorul cilindrului, dar, având în vedere presiunea ridicată, este posibil ca o parte din gazul comprimat să se scurgă dincolo de inelele de etanșare.
Mecanismul de rulare, adăpostit în cadrul compresorului (figura 2), constă din traversa și biela care conectează tija pistonului la arborele cotit, transformând mișcarea de rotație a acestuia într-o mișcare liniară alternativă.
Arborele cotit este prevăzut cu contragreutăți pentru a echilibra forțele dinamice create de mișcarea pistoanelor grele. Acesta este susținut în cadrul cadrului compresorului de lagăre de alunecare la mai multe butuci. Este prevăzută, de asemenea, o volantă pentru a stoca inerția de rotație și a oferi un avantaj mecanic pentru rotirea manuală a ansamblului.
Câteva compresoare își vor lubrifia mecanismele de rulare din cadru cu o pompă de ulei integrată, acționată de arbore, în timp ce altele sunt prevăzute cu sisteme de lubrifiere mai extinse, montate pe patine. Toate sistemele proiectate corespunzător vor asigura nu numai circulația uleiului către tribosuprafețele critice ale echipamentului, ci și controlul temperaturii lubrifiantului, filtrarea și o anumită măsură de instrumentație și redundanță.
Gazele de aspirație sunt, în general, trecute prin filtre și separatoare de aspirație pentru a îndepărta particulele antrenate, umiditatea și fluidul de proces în fază lichidă care ar putea cauza deteriorări grave ale supapelor compresorului și ale altor componente critice și chiar amenința integritatea cilindrilor cu consecințe dezastruoase.
Gazul poate fi, de asemenea, preîncălzit pentru a atrage gazul de proces lichid în faza de vapori. Răcitoarele intermediare oferă o oportunitate pentru eliminarea căldurii din gazul de proces între etapele de comprimare. (A se vedea secțiunea următoare: Ciclul termodinamic.) Aceste schimbătoare de căldură pot face parte din sistemul (sistemele) de răcire a uleiului și/sau a cilindrilor compresorului sau pot fi conectate la sistemul de răcire cu apă al instalației.
Pe partea de refulare, vasele sub presiune servesc ca amortizoare de pulsații, oferind capacitatea sistemului de a egaliza pulsațiile de debit și presiune corespunzătoare curselor de compresie ale pistonului.
În mod obișnuit, compresoarele cu piston sunt dispozitive cu turație relativ redusă și sunt acționate direct sau prin curea de un motor electric, cu sau fără un controler de acționare cu viteză variabilă.
De multe ori, motorul este fabricat pentru a face parte integrantă din compresor, iar arborele motorului și arborele cotit al compresorului sunt dintr-o singură bucată, eliminând necesitatea unui cuplaj. Reductorii de viteză de tip cutie de viteze sunt utilizați în diverse instalații.
Câteodată, deși mai rar, sunt acționați de turbine cu abur sau de alte surse de energie, cum ar fi motoarele pe gaz natural sau diesel. Proiectarea generală a sistemului și tipul de antrenor selectat vor influența lubrifierea acestor sisteme periferice.
Ciclul termodinamic
Este necesară o explicație a câtorva principii termodinamice de bază pentru a înțelege știința compresoarelor cu piston. Compresia are loc în interiorul cilindrului sub forma unui ciclu în patru părți care are loc cu fiecare avans și retragere a pistonului (două curse pe ciclu).
Cele patru părți ale ciclului sunt compresia, descărcarea, expansiunea și aspirația. Ele sunt reprezentate grafic cu presiunea în funcție de volum reprezentată în ceea ce se numește diagrama P-V (figura 3).
Figura 3. Admisie
La încheierea unui ciclu anterior, pistonul se retrage complet în interiorul cilindrului la V1, al cărui volum este umplut cu gaz de proces în condiții de aspirație (presiune, P1 și temperatură, T1), iar supapele de aspirație și de refulare sunt toate închise.
Acest lucru este reprezentat de punctul 1 (zero) în diagrama P-V. Pe măsură ce pistonul avansează, volumul din interiorul cilindrului se reduce. Acest lucru face ca presiunea și temperatura gazului să crească până când presiunea din interiorul cilindrului ajunge la presiunea din colectorul de refulare. În acest moment, supapele de descărcare încep să se deschidă, notat pe diagramă prin punctul 2.
Cu deschiderea supapelor de descărcare, presiunea rămâne fixă la P2 pentru restul cursei de avansare, deoarece volumul continuă să scadă pentru partea de descărcare a ciclului. Pistonul se oprește momentan la V2 înainte de a inversa direcția.
Rețineți că rămâne un volum minim, cunoscut sub numele de volum de degajare. Acesta este spațiul rămas în cilindru atunci când pistonul se află în poziția cea mai avansată a cursei sale. Un anumit volum minim de joc este necesar pentru a preveni contactul piston/cap, iar manipularea acestui volum este un parametru major de performanță al compresorului. Ciclul se află acum la punctul 3.
Expansiunea are loc în continuare, pe măsură ce volumul mic de gaz din buzunarul de degajare este expandat până la o presiune ușor inferioară presiunii de aspirație, facilitată de închiderea supapelor de refulare și de retragerea pistonului. Acesta este punctul 4.
Când P1 este atins, supapele de admisie se deschid, permițând încărcăturii proaspete să intre în cilindru pentru etapa de admisie și ultima etapă a ciclului. Încă o dată, presiunea este menținută constantă în timp ce volumul este modificat. Acest lucru marchează revenirea la punctul 1.
Înțelegerea acestui ciclu este esențială pentru diagnosticarea problemelor compresorului și pentru înțelegerea eficienței compresorului, a cerințelor de putere, a funcționării supapelor etc. Aceste cunoștințe pot fi dobândite prin urmărirea tendințelor informațiilor de proces și prin monitorizarea efectului pe care aceste elemente îl au asupra ciclului.
