Turbocompresoare. Descriere și principii de funcționare Criogenie 5

 

Introducere

Scopul general al unui compresor este să transporte și/sau mărească presiunea unui flux de gaz. Gazele circulă prin conducte de la presiune înaltă la presiune joasă, de aceea deplasarea sau transportul unui gaz necesită ca presiunea inițială a acestuia să fie mai mare decât presiunea finală. Gazele sunt de asemenea comprimate pentru a facilita reacțiile chimice favorizate la presiune înaltă. Există două tipuri principale de compresie: compresia dinamică și compresia volumetrică. Comprimarea dinamică generează presiune prin transformarea energiei cinetice a fluxului de gaz în presiune. Comprimarea volumetrică generează presiunea prin reducerea continuă a volumului la dispoziția fluxului de gaz.

 

Principiile comprimării gazelor

Atunci când se comprimă un gaz, de la presiunea de admisie P1 la presiunea de evacuare P2, volumul se reduce de la V1 la V2 și temperatura crește de la T1 la T2 (Figura 1).

Figura 1 - Comprimarea

Într-un compresor de gaz clasic, volumul este redus (ceea ce trebuie să determine o ușoară scădere de temperatură) și presiunea este mărită (ceea ce trebuie să determine o creștere substanțială a temperaturii). Întrucât creșterea presiunii are un efect mai mare asupra temperaturii decât o scădere a volumului, gazul trebuie să iasă din compresor la o temperatura mai ridicată. Creșterea de temperatură rezultată se numește căldură de compresie.

Funcția unui compresor este să crească presiunea aerului sau a gazului.
Prin urmare, pe măsură ce aerul este comprimat, volumul descrește și presiunea și temperatura rezultate vor crește.

Compresorul cu răcitoare

 

Tipul comprimării

Exista două tipuri principale de compresoare:

Compresoarele volumetrice

Acestea sunt mașini în care presiunea statică se obține prin admisia volumelor succesive ale unui gaz într-o camera închisă și golită prin dezlocuire cu deplasarea unui element mobil.

Compresoarele dinamice

Acestea sunt mașini în care presiunea crescută a gazului se obține prin transformarea energiei cinetice a gazului în energie (sau presiune) potențială, cu un flux continuu de la admisie la evacuare.

 

Clasificarea compresorului

VOLUMETRIC COMPRESOARE DINAMIC
ALTERNATIV PISTON CU MEMBRANĂ   CENTRIFUGAL
AXIAL
EJECTOR
ROTATIV INEL DE LICHID
PALETE
FILET

 

Comprimarea volumetrică

Compresorul alternativ/cu piston este un compresor volumetric. Aspirația, comprimarea și evacuarea unui fluid (gaz) se realizează prin mișcarea pistoanelor și funcționarea supapelor de control. Aceste compresoare se folosesc în general pentru presiune hidrostatica înaltă/debite scăzute. Figura 6 arată compresorul cu un singur etaj și compresorul cu doua etaje.

În timpul fazei de admisie, supapele de control admisie se deschid și pistonul coboară. În timpul fazei de comprimare, toate supapele de control sunt închise și pistonul urcă. În faza de evacuare, supapele de control evacuare se deschid.

Compresorul cu piston
Figura 1 – Traiectoria de funcționare a compresorului cu piston

Compresoarele cu piston sunt compresoare cu dezlocuire pozitivă (positive displacement), în care elementul de comprimare și dezlocuire este un piston cu mișcare alternativă (oscilantă de "du-te-vino") în interiorul unui cilindru. Acest tip de compresor este caracterizat prin pistoanele sale de tip automotor, acționate prin bielele (tije de conducere) din arborele cotit, cu comprimarea având loc în partea superioară a pistonului, la fiecare rotație a arborelui cotit. Compresorul cu piston furnizează un flux de gaz pulsativ. Amortizoarele de pulsație de regulă pot elimina acest neajuns (Figura 2).

###

Dispunerea cilindrilor

Majoritatea proiectelor standard folosesc stilul în W, vertical în V, dispunerea cilindrilor în linie sau semi-radială (Figura 3).

###

Descrierea tehnologiei și a echipamentului

Supapele

Atât supapele de admisie, cât și cele de evacuare pentru compresoarele cu un singur etaj sunt de tipul automat de presiune, care se deschid și se închid la un diferențial de presiune mic. Pentru a asigura acțiunea rapidă, elementele supapei sunt ușoare în greutate și proporționate pentru presiune joasă. Pe măsură ce supapele se deschid, presiunea în creștere a arcului, minimalizează forțele de impact asupra elementelor supapei și de asemenea reduce nivelul zgomotului. Fiecare supapă trebuie să se deschidă și să se închidă o dată pentru fiecare rotație a arborelui cotit. Supapele dintr-un compresor care funcționează la 700 rpm, se vor deschide și închide de 42.000 ori pe oră, peste 1.000.000 ori pe zi și 367.920.000 ori pe an. Supapele au la dispoziție mai puțin de 1/10 de secundă pentru a se deschide și lasă gazul să pătrundă, și apoi să se închidă. Fiecare supapă trebuie să facă acest lucru cu minimum de rezistență, altfel se va pierde putere.
Există patru design-uri de baza ale supapelor, folosite în diferite compresoare. Acestea sunt:

  • supapa cu buton,
  • clapeta de reținere,
  • supapa cu canal,
  • supapa cu inel circular.

Supapa cu buton

Supapa cu buton tipică este pentru mașinile răcite cu aer, și cu sarcina moderată. Un capăt este fix, celălalt se ridică atunci când supapa se deschide canelurile practicate în capuri și cilindri limitează ridicarea ( Figura 4). Responsive image

Supapa moletata (cu canal)

Acest tip de supapă constă dintr-un scaun de supapă, câteva crestături de supapă care corespund și închid un număr corespunzător de fante sau canale din scaun, un arc curbat pentru fiecare crestătură, și o plăcuță opritoare care limitează ridicarea supapei. Funcția normală a arcului este de a readuce supapa în scaunul sau, după trecerea gazului.

Supapa/clapeta de reținere

Clapeta de reținere are o configurație asemănătoare cu supapa moletată. Este o platbandă de oțel care se deschide contra unei plăci opritoare arcuite astfel încât supapa se flexează numai la centru. Supapa este propriul său arc.

Supapa cu inel circular sau supapa cu disc

Supapa cu inel circular sau supapa cu disc include un inel, o plăcuță sau disc (ciuperca) care se așază pe marginile unei deschideri puțin mai mici. Discul este susținut de un arc de supapă. Arcurile folosite pentru acest tip de supapă au diferite configurații, cum ar fi arcul elicoidal sau arcul în forma de disc, exceptând diformitatea sa ondulară (Figura 5). Figura 5 – Supapa de reținere și supapa cu inel circular
###

Sisteme de etanșare la compresoarele cu piston

Principiul labirintului se referă la un spațiu liber extrem de redus între elementul de etanșare și partea opusă, ceea ce creează o frecare mecanică neglijabilă. Cilindrul sau cilindrii compresorului sunt dispuși vertical, deasupra arborelui cotit. Compresia are loc într-un mediu liber de ulei.

Tehnica labirint a etanșării se folosește în aplicații în care nu sunt permiși lubrefianții în cilindru și unde nu sunt acceptate particule abrazive în gazul de proces. Acest lucru este valabil pentru compresia oxigenului, unde siguranța este aspectul primordial.

Figurile 6 și 7 ilustrează modul de funcționare al etanșării labirint. Figura 6 arată sectorul liber de ulei al compresorului.

Etanșarea labirint (Figura 7), are un număr mare de puncte de strangulare (închidere) [3], și camere volumetrice [4], dispuse în serie. Fiecare punct de strangulare [3] acționează ca un orificiu extrem de mic, în care energia presiunii este transformată în energie cinetică. Camerele volumetrice succesive [4], scad viteza gazului și transformă energia cinetică în căldură și energie vortex.

###
###
###
###

Compresoarele rotative cu inel de lichid sunt mașini în care apa sau alt lichid se folosește într-un element rotativ, pentru mișcarea fluidului (Figura 7).
Randamentul termodinamic al acestui tip de compresor este scăzut. Majoritatea necesarului de energie este consumat cu circulația apei. Din acest motiv, aceste mașini sunt folosite numai pentru gaze periculoase sau fluxuri reduse, în aplicații pentru care consumul de energie este secundar.

###

Compresoarele cu palete, sau compresoarele cu lamele sunt mașini în care lamelele longitudinale glisează în direcție radială, într-un rotor a cărei axă este descentrată (excentrică) față de axul cilindrului.
Fiecare compresor are un rotor montat excentric în interiorul mantalei de răcire. Rotorul este prevăzut cu lamele care sunt libere să se miște radial în și din fante (caneluri). Lamelele sunt împinse spre peretele cilindrului de forța centrifugă și fluidul (gazul) este comprimat când se învârte rotorul.

###

Compresoarele rotative Roots sunt mașini în care două rotoare lobate, interadaptate, se rotesc într-un cilindru. Un volum de fluid dat se introduce în punctul 1. Acest volum este transferat în punctul 2, fără comprimare. Când volumul de fluid este transferat în punctul 3, coloana de fluid de la golirea compresorului comprimă fluidul.

Este important de înțeles că nu compresorul este acela care comprimă, ci acțiunea fluidului localizat la evacuarea compresorului.

Compresoarele lobate, de obicei, se limitează la aplicații cu debit scăzut.

###

 

Comprimarea dinamică

Sunt două tipuri majore de compresoare dinamice:

  • compresorul centrifugal și
  • compresorul de flux axial.

###
###

Compresorul centrifugal sau radial este format din unul sau mai mulți rotori instalați pe un arbore sau câțiva arbori.

Rotoarele sunt echipate cu pale cu revenire înapoi, în comparație cu direcția de rotație. În aceste roți, fluidul își mărește viteza de la centru către margini, din cauza măririi rotației /razei roții. Fluidul trece într-un difuzor (unde volumul se dilată). Difuzorul este acela care determina scăderea vitezei fluidului transformând-o într-o creștere a presiunii, cu un bun randament. După difuzor, fluidul curge la următorul rotor sau la un racitor intermediar.

O buna modalitate de a înțelege aceasta este să legi o piatră pe un șnur (coardă). Dacă începi să balansezi piatra cu ajutorul șnurului, deasupra capului, piatra va încerca să scape din punctul în care este legata de șnur (viteza radială). Dacă piatra lovește ceva , energia de mișcare pe care o are, va fi transformată în energie a presiunii. Exact acest lucru se întâmplă în compresorul centrifugal. Paletele de pe rotor măresc viteza particulelor de gaz și se depărtează de arbore, atingând viteza radială. Apoi gazul vine în contact cu câteva structuri staționare ale compresorului, numite difuzoare sau diafragme, care încetinesc particulele de gaz, ceea ce determină o creștere a presiunii. Carcasa compresorului colectează apoi gazul din difuzor și îl direcționează spre ieșire. De asemenea, ajuta la transformarea energiei vitezei în presiune.

Compresoarele centrifuge pot fi formate dintr-un etaj sau mai multe. Un compresor centrifugal cu două etaje înseamnă pur-și-simplu doua roți de compresor dispuse în serie. Prima treaptă de comprimare a unui compresor de aer își realizează aspirația din atmosferă. Evacuarea sa este aspirația pentru a două treaptă. Dacă se doresc mai multe trepte, fiecare treaptă suplimentară va prelua aspirația de la evacuarea anterioară.

Pot fi doua tipuri de compresoare centrifugale:

  • compresorul centrifugal multietajat, unde fiecare etaj dispus pe un arbore diferit, poate avea o turație diferită , sau
  • toate rotoarele pot fi pe același arbore și au aceeași turație pentru fiecare etaj, așa cum se vede în Figura 10.

###
###
###
###

Cuplajul

O cuplă este montata între arborele pinion al compresorului și elementul de acționare al compresorului (motor/turbină). Cupla este destinat să ajusteze micile deviații de la coaxialitate, care ar putea surveni în timpul funcționarii compresorului. Cuplajele pot fi de mai multe tipuri ( cu dinți, rigid, semi-flexibil, sau membrană).

Cerințele majore pentru cuplajele de înaltă performanță sunt cuplul de torsiune înalt și capacitatea de viteza mare, greutate mică și dimensiune redusă, moment în consolă scurt (over-hung moment), și dezechilibru rezidual redus. Cuplajul trebuie să fie capabil să transmită momentul de torsiune de construcție al sistemului, la viteza maximă continuă, pe perioade prelungite. Trebuie să fie apt să manevreze momentele de tranziție ale vitezei și sarcinii în condiții de abatere de la coaxialitate / paralelism, și cu impact minim asupra sistemului de acționare (Figura 7).

###
###
###
###
###
###

Compresorul axial este similar unui ventilator convențional. Diferența este că rotorul poate avea seturi de palete pe el. Când un set de palete prind aerul, ele îl descarcă la o presiune mai mare.

Următorul set de palete prind acest aer cu presiune înaltă și adaugă mai multa energie în acesta, prin mărirea vitezei aerului (presiune). Motivul pentru care putem pune semnul egal între viteza și presiune , este același ca la compresoarele centrifuge. Carcasa fiecărui rotor succesiv al compresorului este din ce în ce mai mic ca volum deoarece aerul devine mai dens pe măsură ce presiunea aerului crește.

Figura 11 ilustrează un compresor axial, cu curgere de-a lungul arborelui (axial). Unele compresoare axiale au palete ajustabile pentru reglarea fluxului pe care îl poate furniza compresorul.

Un compresor multietajat cu răcire intermediară necesită mai puțină putere decât un compresor cu un singur etaj care face aceeași treabă, deoarece răcirea intermediară reduce temperatura și volumul aerului permițând ca aceeași greutate a aerului să fie comprimată la presiunea finală, folosind mai puțină putere. Un compresor centrifugal cu un singur arbore poate de asemenea, să aibă mai multe rotoare. La un singur arbore (ax) , fiecare rotor are aceeași viteză de rotație; de aceea, fiecare rotor nu funcționează cât se poate de eficient. Chiar dacă un compresor centrifugal cu un singur arbore este mai puțin complicat din punct de vedere mecanic, el este și mai puțin eficient. Un compresor centrifugal multietajat cu mai mulți arbori va fi și mai eficient decât cel cu un singur arbore deoarece fiecare rotor poate fi rotit individual la cea mai eficientă viteză a sa.

###
###
###

 

Comprimarea produșilor

Compresorul produsului azot

###

Compresorul de aer detentor (CAD) primește aer uscat, liber de CO2, la o presiune înaltă și apoi îl comprimă înainte ca aerul să intre în schimbătorul principal. Compresorul de aer principal (CAP) furnizează energia necesară separării aerului în componentele sale de bază, respectiv oxigen, azot și argon, iar CAD furnizează energie suplimentară în sistem. Energia suplimentară este folosită pentru producerea oxigenului sau azotului lichid, sau pentru energia necesară evaporării oxigenului lichid sau azotului lichid din cuva rece pentru a trece în faza gazoasă, la o presiune înaltă, sau în fine, orice combinație a celor de mai sus.

Compresorul de alimentare

Compresoarele de alimentare sunt în mod tipic compresoare centrifugale cu două etaje (Figura 4). Ele pot fi compresoare cu angrenaj (mecanism cu roți dințate) integral și sunt, de regulă, acționate de motoare. Presiunea de evacuare normală este de 4 bar.

Compresorul de alimentare poate fi o unitate separată sau poate fi incorporat în compresorul de recirculare, constituind cele două etaje frontale finale ale acestui compresor.

###

Compresorul de aer detentor

Compresorul de aer detentor (CAD) primește aer uscat, liber de CO2, la o presiune înaltă și apoi îl comprimă înainte ca aerul să intre în schimbătorul principal. Compresorul de aer principal (CAP) furnizează energia necesară separării aerului în componentele sale de bază, respectiv oxigen, azot și argon, iar CAD furnizează energie suplimentară în sistem. Energia suplimentară este folosită pentru producerea oxigenului sau azotului lichid, sau pentru energia necesară evaporării oxigenului lichid sau azotului lichid din cuva rece pentru a trece în faza gazoasă, la o presiune înaltă, sau în fine, orice combinație a celor de mai sus.

Compresorul de recirculare

Evacuarea compresorului de alimentare este combinată cu evacuarea turbo-expandorului [și eventual cu azotul scos din coloana de distilare de presiune medie], și alimentează aspirația compresorului de recirculare. Azotul comprimat este furnizat instalației de lichefiere a azotului. Compresorul de recirculare este în mod tipic un compresor centrifugal.

###
###
###

Compresoarele de oxigen

Sunt compresoare pentru oxigen pur și îmbogățit (puritatea O2 peste 90%), și compresoare care pot fi folosite pentru a comprima secvențial atât azot, cât și oxigen.

Compresorul produsului de oxigen livrează oxigen comprimat din proces la client, la o presiune înaltă a tubulaturii. Oxigenul este furnizat clientului direct din conductă. Aceste compresoare sunt centrifugale (vezi Figura 1) sau compresoare cu piston (vezi Figura 2). În unele instalații există două rețele de tubulatură, în mod tipic de 30 bar, și respectiv 60 bar, iar compresorul care comprima gazul de la cea mai joasă la cea mai înaltă presiune, se numește detentor.

###
###
###

Unul din riscurile majore la compresorul de oxigen este acela reprezentat de prezența uleiului în oxigen și invers. Uleiul și oxigenul trebuie separate, separând circuitul de ulei și cel de oxigen, printr-o comunicare cu atmosfera, fără cădere de presiune, evitând migrarea uleiului în oxigen și migrarea oxigenului în ulei.

Separarea se obține cu ajutorul distanțierului la compresoarele cu piston și a gazului de etanșare la compresorul centrifugal, elemente care sunt esențiale pentru siguranță.

Un alt risc principal este acela al frecării anormale a părților și circulației metalului în fluxul de gaz. Riscul este evitat prin instalarea unui filtru la admisia compresorului.

###
###
###
###

MULȚUMESC!

Prof. dr. ing. Alexandru ȘERBAN