Pístový kompresor je pístový stroj, který pomocí pístu stlačuje plyn a dodává jej pod vysokým tlakem.
Jedná se často o jedny z nejdůležitějších a nejdražších systémů ve výrobním závodě, a proto si zaslouží zvláštní pozornost. Na tomto typu zařízení jsou závislé přepravní plynovody, petrochemické závody, rafinérie a mnoho dalších průmyslových odvětví.
Vzhledem k mnoha faktorům, mimo jiné včetně kvality původní specifikace/návrhu, přiměřenosti postupů údržby a provozních faktorů, mohou průmyslová zařízení od svých vlastních zařízení očekávat velmi rozdílné náklady na životní cyklus a spolehlivost.
Různé kompresory se nacházejí téměř v každém průmyslovém zařízení. Mezi druhy stlačovaných plynů patří následující:
-
Vzduch pro systémy stlačeného vzduchu pro nástroje a přístroje
-
Vodík, kyslík atd. pro chemické zpracování
-
Lehké uhlovodíkové frakce při rafinaci
-
Různé plyny pro skladování nebo přenos
-
Ostatní použití
Existují dvě základní klasifikace průmyslových kompresorů: kompresory s přerušovaným průtokem (objemové), včetně pístových a rotačních typů, a kompresory s trvalým průtokem, včetně odstředivých a axiálních typů.
Pístové kompresory se obvykle používají tam, kde jsou požadovány vysoké kompresní poměry (poměr výtlačného a sacího tlaku) na stupeň bez vysokých průtoků a kde je procesní kapalina relativně suchá.
Kompresory na mokré plyny bývají odstředivé typy. Pro aplikace s vysokým průtokem a nízkým kompresním poměrem jsou nejvhodnější axiální kompresory. Rotační typy jsou určeny především pro aplikace stlačeného vzduchu, ačkoli ve vzduchovém provozu se vyskytují i jiné typy kompresorů.
Základní konstrukce
Primární součásti typické soustavy pístových kompresorů jsou vidět na obrázcích 1 a 2. Na obrázku 1 je znázorněna konstrukce pístových kompresorů. Je třeba poznamenat, že autor nikdy neviděl „typickou“ instalaci kompresoru a uznává existenci mnoha výjimek.
Stlačovací válce (obrázek 1), známé také jako stupně, kterých může mít konkrétní konstrukce jeden až šest nebo více, zajišťují uzavření procesního plynu při stlačování.
Píst je poháněn vratným pohybem, aby stlačil plyn. Uspořádání může být jednočinné nebo dvojčinné. (U dvojčinného provedení dochází ke stlačování na obou stranách pístu během zdvihu vpřed i vzad.)
Některé dvojčinné válce ve vysokotlakých aplikacích mají pístní tyč na obou stranách pístu, aby byla zajištěna stejná plocha a vyrovnání zatížení. Tandemové uspořádání válců pomáhá minimalizovat dynamické zatížení tím, že válce jsou umístěny v párech, připojených ke společnému klikovému hřídeli, takže pohyby pístů jdou proti sobě.
Tlak plynu je utěsněn a opotřebení drahých součástí je minimalizováno použitím jednorázových pístních kroužků, resp. jezdeckých pásů. Ty jsou vyrobeny z relativně měkkých kovů v porovnání s metalurgií pístu a válce/podložky nebo z materiálů, jako je polytetrafluorethylen (PTFE).
Obrázek 2 A. Dvouřadý rám a pojezdové ústrojí HSE
Obrázek 2 B. Dvouřadý rám a pojezdové ústrojí HSE
Většina konstrukcí zařízení zahrnuje blokové, silové mazací systémy; pokud je však v procesu nulová tolerance pro přenos oleje, používají se nemazané konstrukce.
Válce pro větší aplikace (typická mezní hodnota je 300 k) jsou vybaveny průchody chladicí kapaliny pro systémy typu termosyfon nebo cirkulující kapalná chladicí kapalina, zatímco některé menší domácí a dílenské kompresory jsou obvykle chlazeny vzduchem. Válce pro velké aplikace jsou obvykle vybaveny vyměnitelnými vložkami, které jsou zalisovány do otvoru a mohou obsahovat antirotační kolík.
Procesní plyn je nasáván do válce, stlačován, zadržován a poté uvolňován mechanickými ventily, které obvykle pracují automaticky podle rozdílu tlaků. V závislosti na konstrukci systému mohou mít válce jeden nebo více sacích a vypouštěcích ventilů.
Vypouštěcí a vůlové kapsy jsou speciální ventily, které řídí procento plného zatížení neseného kompresorem při daných otáčkách jeho pohonu. Vypouštěcí ventily manipulují s působením sacích ventilů, aby umožnily recyklaci plynu.
Ventily vůlí kapes mění prostor v hlavě válce (objem vůle). Mohou mít pevný nebo proměnný objem. Tato zařízení jsou nad rámec tohoto článku.
Distanční díl (někdy nazývaný psí bouda) je konstrukční prvek spojující rám kompresoru s válcem. Je třeba zabránit vzájemnému mísení kapalin mezi válcem a distančním dílem. Těsnicí kroužky zadržují tlak plynu ve válci a zabraňují vniknutí oleje do válce tím, že stírají olej z pístní tyče podél její dráhy.
Distanční kus je obvykle odvětráván podle nejnebezpečnějšího materiálu v systému, kterým je často plyn stlačený ve válci. Těsnicí kroužky jsou navrženy tak, aby zadržovaly plyn ve válci, ale při vysokém tlaku je možné, že část stlačeného plynu unikne mimo těsnicí kroužky.
Pojízdné ústrojí, umístěné v rámu kompresoru (obr. 2), se skládá z křížové hlavy a ojnice, které spojují pístní tyč s klikovým hřídelem a převádějí jeho rotační pohyb na vratný lineární pohyb.
Klikací hřídel je opatřena protizávažím, které vyrovnává dynamické síly vznikající pohybem těžkých pístů. Je uložen v rámu kompresoru pomocí kluzných ložisek na několika čepech. K uložení setrvačníku a zajištění mechanické výhody pro ruční otáčení sestavy je k dispozici také setrvačník.
Některé kompresory mažou své rámové pojezdové ústrojí pomocí integrovaného, hřídelí poháněného olejového čerpadla, zatímco jiné jsou vybaveny rozsáhlejšími, na ližinách namontovanými mazacími systémy. Všechny správně navržené systémy zajistí nejen cirkulaci oleje ke kritickým trojplochám zařízení, ale také regulaci teploty maziva, filtraci a určitou míru instrumentace a redundance.
Sací plyny obvykle procházejí sacími sítky a odlučovači, aby se odstranily zachycené částice, vlhkost a kapalná fáze procesní kapaliny, které by mohly způsobit vážné poškození ventilů kompresoru a dalších kritických součástí, a dokonce ohrozit integritu válce s katastrofálními následky.
Plyn může být také předehříván, aby se kapalný procesní plyn dostal do parní fáze. Mezichladiče poskytují možnost odvodu tepla z procesního plynu mezi kompresními stupni. (Viz následující oddíl: Termodynamický cyklus.) Tyto výměníky tepla mohou být součástí systému (systémů) chlazení oleje a/nebo válců kompresoru nebo mohou být připojeny k systému chladicí vody zařízení.
Na výtlačné straně slouží tlakové nádoby jako tlumiče pulzací, které poskytují kapacitu systému k vyrovnání průtoku a tlakových pulzací odpovídajících kompresním zdvihům pístu.
Typicky jsou pístové kompresory zařízení s relativně nízkými otáčkami a jsou poháněny přímo nebo řemenem elektromotorem, buď s regulátorem otáček, nebo bez něj.
Často je motor vyroben jako integrální součást kompresoru a hřídel motoru a klikový hřídel kompresoru jsou jednodílné, čímž odpadá nutnost použití spojky. V různých zařízeních se používají reduktory otáček typu převodovky.
Někdy, i když méně často, jsou poháněny parními turbínami nebo jinými zdroji energie, jako jsou motory na zemní plyn nebo dieselové motory. Celková konstrukce systému a zvolený typ pohonu ovlivní mazání těchto periferních systémů.
Termodynamický cyklus
Pro pochopení nauky o pístových kompresorech je nezbytné vysvětlení několika základních termodynamických principů. Komprese probíhá ve válci jako čtyřdílný cyklus, k němuž dochází při každém posuvu a ústupu pístu (dva zdvihy na cyklus).
Čtyřmi částmi cyklu jsou komprese, výtlak, expanze a sání. Jsou znázorněny graficky pomocí závislosti tlaku na objemu vynesené do tzv. diagramu P-V (obrázek 3).
Obrázek 3. Sání
Na konci předchozího cyklu je píst zcela zasunut ve válci při V1, jehož objem je naplněn procesním plynem při sacích podmínkách (tlak, P1 a teplota, T1) a všechny sací a výtlačné ventily jsou uzavřeny.
Toto je znázorněno bodem 1 (nula) v P-V diagramu. Jak píst postupuje vpřed, objem ve válci se zmenšuje. To způsobuje zvyšování tlaku a teploty plynu, dokud tlak ve válci nedosáhne tlaku ve výtlačném potrubí. V tomto okamžiku se začnou otevírat vypouštěcí ventily, což je v diagramu vyznačeno bodem 2.
Při otevření vypouštěcích ventilů zůstává tlak po zbytek zdvihu vpřed pevně na hodnotě P2, protože objem pro vypouštěcí část cyklu nadále klesá. Před změnou směru se píst na okamžik zastaví na hodnotě V2.
Všimněte si, že zůstává určitý minimální objem, známý jako objem vůle. Je to prostor, který zbývá ve válci, když je píst v nejpokročilejší poloze svého pohybu. Určitý minimální objem vůle je nutný, aby se zabránilo kontaktu pístu s hlavou, a manipulace s tímto objemem je hlavním parametrem výkonu kompresoru. Cyklus je nyní v bodě 3.
Dále dochází k expanzi, kdy se malý objem plynu v kapse vůle rozšiřuje na hodnotu mírně nižší, než je sací tlak, což je umožněno uzavřením vypouštěcích ventilů a ústupem pístu. To je bod 4.
Když je dosaženo P1, sací ventily se otevřou a umožní vstup čerstvé náplně do válce pro sací a poslední fázi cyklu. Při změně objemu se opět udržuje konstantní tlak. To znamená návrat do bodu 1.
Pochopení tohoto cyklu je klíčem k diagnostice problémů s kompresorem a k pochopení účinnosti kompresoru, požadavků na výkon, činnosti ventilů atd. Tyto znalosti lze získat pomocí trendových informací o procesu a sledováním vlivu těchto položek na cyklus.
.