Compresor

Simbologie utilizată în P&ID pentru a indica un compresor.

Compresorul este o mașină de acționat pneumofora ^[1], care este o mașină care crește presiunea unui aeriform ( gaz sau vapori ) prin utilizarea energiei mecanice care este transformată de compresor în energie potențială sau energie de presiune . ^[1]

Compresorul se deosebește în general de pompă prin faptul că acționează asupra unui fluid compresibil definit.

Istorie

Un compresor din anii 1930 folosit pentru camere frigorifice

Invenția burdufului este cu siguranță foarte veche și probabil o precedă pe cea a cuptorului de topire - adică datează din epoca cuprului. Burduful este deci cea mai veche formă de compresor (în acest caz, de aer ) folosit de om. În 1650, Otto von Guericke a demonstrat efectul presiunii atmosferice cu emisferele din Magdeburg . Acest lucru a fost posibil prin invenția sa anterioară ( 1647 ) a unei pompe de vid manuale cu piston. Compresiunea a rămas un subiect de laborator pentru o vreme, până când nevoia de ventilație a minelor, care ajunsese deja la adâncimi considerabile în secolul al XVII-lea , a făcut practic obligatorie existența aerului comprimat pentru a circula în conducte.

Compresoarele utilizate erau de tip alternativ, deosebit de potrivite pentru a fi deplasate de motoarele cu aburi ale vremii, întotdeauna de tip alternativ. Compresoarele alternative au rămas probabil în uz ca fiind cele mai frecvente și, în vremuri mai recente, li s-au alăturat și alte tipuri, atât volumetrice, cât și dinamice.

Clasificare

Compresoarele pot fi împărțite în două familii:

compresoare volumetrice , unde compresia este dată de mișcări mecanice bine definite;
compresoare dinamice , unde compresia are loc datorită vitezei care poate fi impresionată pe corp.

Mai mult, ventilatoarele și suflantele sunt dispozitive similare compresoarelor, care spre deosebire de acestea din urmă comprimă puțin sau foarte puțin fluidul (mai puțin de 3 atm ), ^[1] astfel încât scopul lor principal este de a muta fluidul.

Compresoare volumetrice

Compresoarele volumetrice aspiră un volum de gaz indiferent de condițiile de aspirație și de livrare (adică presiunea în amonte și în aval de compresor). Ele au în general caracteristica (care poate fi un avantaj sau un dezavantaj) de a avea un debit direct proporțional cu viteza de rotație și un raport de compresie independent de acesta.

Compresor alternativ

Același subiect în detaliu: Compresor alternativ .

La compresoarele cu piston (sau compresoarele cu piston) compresia este acționată de un piston , în mișcare alternativă în interiorul unui cilindru.

Sunt utilizate pentru a comprima cantități mici de fluid (mai puțin de 0,6 m ³ / s) la presiuni ridicate (mai mari de 15 atm). ^[1]

Compresoare cu palete și inel lichid

Deși sunt foarte diferite ca formă, ei exploatează același principiu constructiv (vezi figurile 3 și 4). Un rotor cu o formă (în general) circulară se rotește în interiorul unei cavități, de asemenea cu o secțiune circulară, având o axă paralelă cu cea a rotorului, dar decalată. În acest fel sunt create camere cu volum variabil, maxim pe partea de aspirație și minim pe partea de livrare, obținându-se astfel compresia gazului. Raportul de compresie teoretic este evident V _a / V _m , unde V _a și V _m sunt respectiv volumele camerei pe partea de aspirație și pe partea de livrare.

Cele două modele diferă prin sistemul de etanșare. În timp ce rotorul unui compresor cu inel lichid (figura 3) este conceput pentru a roti un lichid care - fiind incompresibil - are singura funcție de a garanta etanșeitatea la gaz; rotorul compresorului cu palete (figura 4) este, de fapt, echipat cu aripi, radial către rotor, care sunt împinse de arcuri pentru a le menține în contact constant cu pereții cavității, pe care alunecă.

După cum pare clar, compresorul cu palete are în general un consum mai mic de energie, deoarece nu trebuie să rotească un fluid relativ greu; invers, compresorul cu inel lichid are o eficiență volumetrică semnificativ mai mare, datorită etanșării mai bune asigurate de lichid în raport cu paletele. Pe de altă parte, compresorul cu inel lichid poate avea limitări datorate lichidului în sine, care poate fi volatil.

Aceste compresoare sunt utilizate pe scară largă ca pompe de vid : cele cu inel lichid până la 10-20 mbar absolut, cele cu palete până la 2 - 4 mbar absolut. Ca compresoare, modelele cu inel lichid sunt utilizate în principal pentru gazele care trebuie menținute la temperaturi scăzute, exploatând reciclarea lichidului. O etapă permite un raport de compresie de 2: 1 - 3: 1, și astfel se pot obține rapoarte de compresie combinate de 5: 1 - 8: 1 (mai mult de două etape sunt foarte rare).

Compresor cu inel lichid
Compresor cu palete

Compresor lob

Cunoscute și sub numele de compresoare Eaton-Roots de la numele companiei care le-a dezvoltat cel mai mult. Doi rotori în formă adecvată cu axe paralele se rotesc sincron în direcția opusă creând camere progresive de la gura de aspirație la cea de livrare. Rotoarele sunt aproape întotdeauna cu două lobi, așa cum se arată în figură. Există, de asemenea, modele cu număr diferit de lobi, în mod normal 2 și 3, o configurație care permite reducerea dimensiunilor radiale, utilizarea lor este totuși sporadică.

Aceste compresoare sunt utilizate pe scară largă pentru diverse aplicații. De exemplu, compresoarele volumetrice utilizate în motoarele cu ciclu Otto supraîncărcate, precum și suflantele utilizate în oxigenarea apei, sunt de acest tip; au, de asemenea, utilizări de proces, cum ar fi în compresia vaporilor în evaporatoarele de recompresie mecanică. Uneori sunt folosite ca primă etapă ( rapel ) în sistemele de generare a vidului ridicat (mai puțin de 0,01 mbar absolut).

Permit rapoarte de compresie de 2: 1, rareori mai mari (și din acest motiv se mai numesc și suflante ). De construcție foarte simplă, fără piese de frecare, sunt mașini robuste și de lungă durată.

Compresor lob
Vedere din partea unității

Compresor cu șurub

În compresorul cu șurub , se introduc două șuruburi cu pas invers de diametre diferite, astfel încât să se creeze o cavitate cu corpul compresorului care se deplasează progresiv din zona de admisie în zona de livrare, scăzând volumul, comprimând astfel gazul. Comparativ cu compresoarele cu mișcare alternativă, acestea au avantajul unei mecanici mai simple - mișcarea este continuă - și, prin urmare, mai puțin stres mecanic. Este posibil să se obțină rapoarte de compresie mai mici, dar încă mari (3: 1 - 4: 1) și este totuși posibil să se pună mai multe etape în serie. Eficiența mecanică este mai mare decât alternativele și, prin urmare, pentru aplicații de dimensiuni medii-mari, acestea sunt preferabile celor din urmă.

Compresor defilare

Schema de funcționare a unui compresor scroll

Acest compresor spiralat utilizează două aripioare spirale una în alta, una dintre ele fiind fixă și una cu mișcare planetară fără rotație, pentru a comprima fluidele. Datorită mișcării lor reciproce și datorită jocului redus dintre cele două spirale, ele prind și pompează sau comprimă buzunarele de fluid între role. Aceste compresoare au o eficiență volumetrică ridicată. ^[2]

Acest tip de compresor a fost utilizat la motoarele Volkswagen G60 și G40 la începutul anilor 1990.

Compresoare dinamice

Același subiect în detaliu: Turbocompresor .

În compresoarele dinamice (sau turbocompresoare ) fluidul este comprimat prin exploatarea energiei cinetice transmise gazului prin mecanisme adecvate (se exploatează principiul variației impulsului impulsului ).

Mai precis, compresoarele dinamice sunt mașini (sau mai degrabă turbomachine ) în care schimbul de energie cu fluidul are loc datorită rotației unei roți (numită rotor sau rotor ) cheie pe un arbore , echipată la periferie cu lame și adăpostită în o carcasă (numită stator ) care poate fi echipată și cu lame. Schimbul de energie între fluid și mașină are loc într-o parte rotativă, totuși procesul poate fi considerat staționar .

Sunt folosite pentru a comprima cantități mari de lichid de până la 15 atm. ^[1]

Un rol important îl joacă eficiența cu care se efectuează schimbul de energie în turbocompresoare. Scopul studiului turbocompresoarelor este de a crea sisteme în care schimbul de energie este cât mai eficient posibil și, în special pentru aplicațiile aerospațiale, de a studia configurațiile care permit schimburi de energie ridicate, cu greutate și vrac limitate.

Compresor centrifugal

Același subiect în detaliu: Compresor centrifugal .

Triunghi de viteze într-un compresor centrifugal

Limitate inițial la debitele mediu-mari și la capetele mici, s-au stabilit din ce în ce mai mult pentru performanțele lor bune, zgomotul redus. Similar proiectării pompelor centrifuge , acestea se rotesc evident la viteze mult mai mari - evident, dacă se consideră că gazele au o densitate egală cu aproximativ 1/1000 din cea a lichidelor. Viteza de rotație este deci de ordinul a mii de rad / s .

Aceste compresoare sunt uneori utilizate în sistemele cu turbină cu gaz, înlocuind compresoarele axiale. Având în vedere dimensiunile lor generale esențiale radiale, acestea nu sunt deosebit de potrivite pentru motoarele de uz aeronautic, pentru care au fost utilizate doar ocazional, fiind preferabile compresoarele axiale (vezi mai jos). Un alt domeniu de utilizare foarte larg este cel al supraalimentării motoarelor auto. Ele pot fi utilizate în sistemele de refrigerare și / sau aer condiționat pentru a înlocui compresoarele volumetrice, atunci când sunt necesare debituri mai mari.

Compresor axial

Același subiect în detaliu: compresor axial .

Triunghiul vitezelor într-un compresor axial

Reprezentarea schematică a unei etape de compresie axială.

(roșu) : rotor

(albastru) : stator

Profilul dinamic al unui compresor axial poate fi raportat de la planul perpendicular pe axa de rotație la cel paralel cu acesta. Există apoi o configurație a vitezei așa cum se arată în figură. Se obține astfel o compresie a gazului, cu un raport relativ scăzut și, în orice caz, în funcție de profilul lamelor și de viteza unghiulară. O mașină de acest tip se numește compresor axial, deoarece direcția mișcării gazului nu este radială ca în compresorul centrifugal, ci longitudinală.

Etapa unică a unui compresor axial, adică cuplarea unui rotor și a unui stator, poate produce doar un salt de presiune foarte scăzut (rapoarte cuprinse între 1,15 și 1,30) fără a risca instabilitate sau a reduce eficiența prea mult. fluxul dintre lame, similar cu cel dintr-un difuzor). Prin urmare, compresorul axial se pretează bine etapei multiple: debitul care iese din stator este deja gata pentru intrarea în etapa următoare. Raporturile de compresie pot fi de până la 30.

Prin natura lor, fiecare etapă a unui compresor axial are o amprentă longitudinală mică (în practică, lățimea paletei plus cea similară a difuzorului) și, prin urmare, se pretează bine la configurații cu un număr mare de trepte - ceea ce obține raport scăzut de compresie (așa cum am menționat, în cele mai solicitante aplicații atinge 1,3: 1 pentru o singură etapă). Prin urmare, aceste mașini sunt utilizate în aplicații de proces pentru debituri mari și foarte mari și, datorită ușurinței cu care pot fi create sistemele în mai multe etape, este posibil să se atingă rapoarte de compresie destul de ridicate (până la 5: 1).

Configurația lor le face ideale pentru motoarele cu reacție - chiar și Campini-Caproni CC.2 , oficial al doilea avion cu reacție care a ieșit de la sol (primul a fost Coandă 1 al lui Henri Coandă din 1910 , vezi motorjet ), a folosit un compresor axial, deși simplificat.

Blocare și pompare

La un compresor, funcționarea trebuie considerată întotdeauna ca fiind dependentă de condițiile de aspirație și de livrare; cu alte cuvinte, trebuie luat în considerare faptul că presiunile și debitul afectează funcționarea compresorului și nu invers. Prin urmare, pot exista condiții în care funcționarea corectă a mașinii este imposibilă. Într-un compresor generic, o condiție de blocare este definită ca una în care debitul compresorului este redus la zero din cauza condițiilor anormale de aspirație sau de descărcare. Conceptul de condiții de pompare, pe de altă parte, este mai complex și privește doar compresoarele dinamice, așa cum este descris mai jos.

Stand

Luați în considerare un compresor perfect, capabil să creeze vid absolut pe partea de aspirație. Este evident că în acest moment compresorul nu va putea aspira nimic - tocmai pentru că nu există nimic de aspirat. În realitate, această condiție nu apare la presiune zero, ci la o anumită presiune absolută, mai mare decât zero, în funcție de caracteristicile mașinii și de proprietățile fluidului de comprimat. Având în vedere mediul de livrare, compresorul va urma o curbă în funcționare, astfel încât, pe măsură ce presiunea de livrare crește, debitul este redus până când dispare. Starea în care debitul fluidului scade la zero se numește starea de blocare. Conform descrierii, blocarea are loc la un raport de compresie dat, evident mult mai mare decât condițiile de proiectare (considerăm că, cu aceeași presiune de livrare, o presiune de aspirație scăzută indică un raport de compresie ridicat).

Pompare

Același subiect în detaliu: Limita de pompare .

Conceptul de pompare este mai complex. Într-un compresor dinamic, caracteristicile fizice ale fluidului variază continuu în diferitele secțiuni ale compresorului în sine; în special, presiunea și temperatura variază; viteza fluidului din secțiune variază, de asemenea (a se vedea figura cu triunghiurile de viteză de mai sus). Când viteza fluidului într-o secțiune dată, în aceste condiții, este egală cu viteza sonică (adică Mach 1), debitul care trece prin acea secțiune nu mai depinde, ca în regimul subsonic, de diferența de presiune care acționează asupra laturile secțiunii respective, dar din zona secțiunii în sine, indiferent de diferența de presiune. În consecință, se creează o condiție în care presiunea din aval se poate schimba brusc, până când condițiile subsonice sunt restabilite. Cu toate acestea, dacă nu se iau măsuri, acestea se reproduc și, prin urmare, undele de presiune sunt generate la o anumită frecvență. Aceasta este definită ca o condiție de pompare. Când frecvența undelor de presiune rezonează sau chiar creează bătăi cu frecvența naturală a unei părți mecanice, de obicei arborele cotit, există riscul de deteriorare gravă a piesei mecanice.

Atât starea de blocare, cât și starea de pompare necesită, pentru a fi depășite, o variație a condițiilor de livrare sau de aspirație; acest lucru se realizează în mod normal prin reciclarea fluidului de la livrare până la aspirație; în ambele cazuri, prin aceasta, raportul de compresie este redus.

Aplicații

Printre cele mai frecvente aplicații ale compresoarelor se numără:

transportul aerului comprimat în interiorul minelor ; ^[1]
ca o componentă a mașinilor frigorifice , responsabilă pentru fluxul fluidului frigorific în circuitul frigorific; ^[1]
în turbocompresoare , cuplate cu o turbină ;
pentru generarea de aer comprimat utilizat de mașinile pneumatice (de exemplu ciocanul pneumatic ) sau pentru umflarea anvelopelor .