Sprężarki teoria.doc

Sprężarkami nazywa się maszyny służące do sprężania powietrza i innych gazów, od niższego ciśnienia ssania do wyższego ciśnienia tłoczenia. W zależności od zasady działania, sprężarki dzieli się na wyporowe i wirowe (przepływowe).
Sprężarki wyporowe dzieli się na tłokowe - o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka i na rotacyjne - o obrotowym ruchu organu roboczego.
Sprężarki wirowe dzieli się na promieniowe (o promieniowym przepływie gazu) i osiowe (o osiowym przepływie gazu).

Zastosowanie sprężarek tłokowych.

Sprężarki tłokowe znajdują szerokie zastosowanie do różnych celów w przemyśle i innych działach gospodarki, np. jako maszyny przewoźne i stałe do sprężania powietrza przeznaczonego do zasilania narzędzi pneumatycznych (budownictwo, górnictwo), do sprężania powietrza służącego do rozruchu wysokoprężnych silników spalinowych, do sprężania gazów w przemyśle chemicznym, do zasilania, włączania i wyłączania hamulców pneumatycznych, do ładowania butli gazem technicznym itp. Wydajność sprężarek tłokowych waha się w bardzo dużych granicach, tj. od bardzo małej do kilkunastu tysięcy m3/h gazu zassanego. Ciśnienie tłoczenia — od kilku dziesiątych do ponad 200 MPa. Zaletą sprężarek tłokowych jest zdolność wytwarzania bardzo wysokich ciśnień. Wadami są natomiast:
- duże wymiary i duża masa,
- konieczność -stosowania, zbiorników wyrównawczych (tłoczenie gazu dawkami),
- zanieczyszczenie gazu olejem używanym do smarowania cylindra.
Sprawność ogólna sprężarek tłokowych wynosi od 50 do 75%.

Zasada działania sprężarki tłokowej.

Sprężarka tłokowa składa się z korpusu (karteru) cylindra, głowicy wraz z umieszczonymi w niej zaworami i układu korbowego (tłoka połączonego sworzniem z korbowodem i z wału korbowego). Tłok wykonuje .ruch posuwisto-zwrotny. Gdy tłok porusza się na dół w cylindrze powstaje podciśnienie i pod wpływem różnicy ciśnień między ciśnieniem atmosferycznym i ciśnieniem w cylindrze otwiera się zawór ssący i powietrze napływa do cylindra. Jest to suw ssania. Gdy tłok osiągnie skrajne dolne położenie i rozpoczyna ruch w górę, zawór ssący zamyka się i następuje sprężanie powietrza znajdującego się w cylindrze. W miarę przemieszczania się tłoka ciśnienie w cylindrze wzrasta. Gdy uzyska ono wielkość wyższą od ciśnienia tłoczenia zawór tłoczny otwiera się i powietrze zostaje wytłoczone przez tłok z cylindra. Trwa to do momentu, aż tłok nie osiągnie skrajnego górnego położenia. Od tej chwili cykl się powtarza.

Rodzaje sprężarek tłokowych.

Ze względu na przebieg pracy sprężania, sprężarki tłokowe dzieli się na jednostopniowe i wielostopniowe. Pod względem budowy sprężarki tłokowe dzieli się na:
- jednocylindrowe i wielocylindrowe,
- stojące i leżące, o jednostronnym lub dwustronnym działaniu tłoka.

Założenia dla sprężarki wzorcowej

Jest to sprężarka w ktorej:

• nie ma tarcia w parze tłok cylinder,

• zawory nie tworzą tzw. miejscowego oporu hydraulicznego przy przepływie czynnika,

• sprężanie czynnika ma charakter politropowy tzn. odbywa się według rownania :

pV idem m =

Jeżeli dodatkowo Vsz = 0 i sprężanie jest izotermiczne lub adiabatyczne to wzorzec jest tzw.

sprężarką idealną.

W przypadku sprężania politropowego i Vsz > 0 mowi się o sprężarce połidealnej.

Wzorce (modele) służą do oceny termodynamicznej stopnia doskonałości rzeczywistych

sprężarek tłokowych.

2.2 Wykres indykatorowy

Wykres indykatorowy to graficzne przedstawienie przebiegu ciśnienia gazu w cylindrze

sprężarki w zależności od położenia tłoka lub chwilowej wartości całkowitej objętości gazu.

Wykres taki dla sprężarki idealnej przedstawiono na rys. 2,dla połidealnej (nazywanej

rownież wzorcową) – na rys. 3 a dla rzeczywistej – na rys. 4.

Podstawowe parametry techniczne sprężarek tłokowych

1. Wydajność

Rzeczywista wydajność Qr sprężarki tłokowej jednostronnego działania tzn. objętość gazu sprężonego i wytłoczonego z cylindra w jednostce czasu, zredukowaną do ciśnienia i temperatury ssania, oblicza się wg wzoru
[m3/s]

w którym:
• Qt – wydajność teoretyczna w [m3/s]
• - pole poprzecznego przekroju cylindra w [m2]
• S – skok tłoka w [m]
• n – prędkość obrotowa wału korbowego sprężarki w [obr/min]
• λ – współczynnik wydajności
• i – liczba cylindrów

Współczynnik wydajności λ jest to stosunek rzeczywistej wydajności sprężarki Qr do wydajności teoretycznej Qt (na ogół λ = 0,65 0,9).

2. Moc

Moc jednego cylindra P1i sprężarki przy jednostronnym zasysaniu gazu można obliczyć znając średnie ciśnienie indykowane pi oraz wydajność jednego cylindra Qt

[kW]
We wzorze tym: [m3/s]
Średnie ciśnienie indykowane pi wyznacza się z zakresu indykatorowego (rys. 4), podobnie jak w przypadku tłokowego silnika spalinowego.
Moc indykowana całkowita Pi sprężarki jest równa sumie mocy indykowanej wszystkich cylindrów. Należy przy tym uwzględnić fakt, czy sprężarka działa jednostronnie, czy dwustronnie.
Moc potrzebną do napędu sprężarki (moc na wale sprężarki) oblicza się wg wzoru
[kW]

w którym:
• ηm – sprawność mechaniczna (ηm = 0,9 0,96 – dla dużych i średnich sprężarek wolnobieżnych, ηm = 0,8 0,9 – dla małych sprężarek szybkobieżnych).
Gdy sprężarka jest napędzana za pośrednictwem przekładni, moc Ps na wale silnika określa wzór
[kW]

w którym: ηp – sprawność przekładni (0,94 0,98).

3. Sprawność
Straty energetyczne i objętościowe zachodzące w sprężarkach tłokowych sprawiają, że praca potrzebna do sprężania określonej ilości gazu musi być większa od pracy teoretycznej. Straty cieplne określa sprawność indykowana ηi , natomiast miarą strat mechanicznych jest sprawność mechaniczna określona wzorem

w którym:
• Pi – moc indykowana odpowiadająca pracy indykowanej
• PN – moc napędowa, odpowiadająca pracy napędowej wykonywanej na wale napędowym sprężarki

Sprawność mechaniczna sprężarek tłokowych zawiera się w granicach 0,85 0,98. Mniejsze wartości dotyczą małych sprężarek, najwyższe zaś wartości – sprężarek bezkorbowych.
Sprawność ogólna (efektywna) ηe sprężarki jest to stosunek mocy teoretycznej (sprężania izotermicznego) do mocy rzeczywiście pobranej z silnika


Sprawność ogólną można też obliczyć znając sprawności indykowaną i mechaniczną

Sprężarki tłokowe wielostopniowe

Między poszczególnymi stopniami sprężarki wielostopniowej stosuje się chłodnice, w których czynnik jest chłodzony do temperatury początkowej i dopiero wtedy kierowany do kolejnego cylindra. Zmniejsza to pracę oraz ogranicza temperaturę końcową sprężanego czynnika.
Przebieg sprężania dwustopniowego z zastosowaniem międzystopniowego chłodzenia czynnika przedstawia rys. 5 i 6. Gaz o ciśnieniu p1 i temperaturze T1 zostaje sprężony politropowo w cylindrze I stopnia do ciśnienia p2 (przemiana politropowa 1-2 na rys. 6). Jednocześnie jego temperatura wzrasta od T1 do T2. Gaz ten ulega następnie ochłodzeniu w chłodnicy międzystopniowej od temperatury T2 do temperatury początkowej T1 (przemiana izobaryczna 2-3 na rys. 6). Gaz o parametrach p2 i T1 zostaje ponownie sprężony w cylindrze II stopnia (wysokoprężnym) do ciśnienia końcowego p3. Jego temperatura wzrośnie jednocześnie od T1 do T3 (przemiana politropowa 3-4 na rys. 6).


Gdy sprężanie czynnika od ciśnienia p1 do p3 odbywało się w jednym cylindrze, stan końcowy czynnika byłby określony punktem 5, a praca sprężania byłaby równoważna polu wykresu A-1-5-C-A. W przypadku sprężania dwustopniowego całkowita praca sprężania odpowiada mniejszemu polu A-1-2-3-4-C-A. Zaoszczędzonej w ten sposób pracy sprężania odpowiada więc pole 3-2-5-4 (zakreskowane na rys.6). Sprężarki wielostopniowe są jednak bardziej złożone i droższe niż sprężarki jednostopniowe.
Im większa jest liczba stopni sprężania z chłodzeniem gazu między poszczególnymi stopniami, tym proces sprężania w sprężarce wielostopniowej jest bliższy przemianie izotermicznej. Spotyka się sprężarki tłokowe nawet siedmiostopniowe, umożliwiające uzyskanie sprężonego gazu o ciśnieniu nawet do 200 MPa.