Πώς οι αεροσυμπιεστές αυξάνουν την πίεση ρευστών


Ο συμπιεστής είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για να αυξήσει την πίεση ενός συμπιεστού ρευστού. Το συμπιεστό ρευστό που καλείται να διαχειριστεί ένας συμπιεστής δεν μπορεί παρά να είναι είτε ένα αέριο, είτε οι ατμοί ενός υγρού.

Το μοριακό βάρος του ρευστού που διαχειρίζεται ένας συμπιεστής καταλαμβάνει ένα μεγάλο φάσμα ξεκινώντας από το μοριακό βάρος του αερίου υδρογόνου που είναι 2 και φτάνοντας στο μοριακό βάρος του εξαφθοριούχου ουρανίου που είναι 352. Οι αεροσυμπιεστές διαχειρίζονται απλά ατμοσφαιρικό αέρα που έχει σαφώς μικρότερο μοριακό βάρος.

Οι εφαρμογές των αεροσυμπιεστών κινούνται μέσα σε μια μεγάλη γκάμα που ξεκινάει από τις οικιακές και εμπορικές συσκευές και καταλήγει στα βιομηχανικά μηχανήματα. Στο σπίτι μας χρησιμοποιούμε τις ηλεκτρικές σκούπες για τα χαλιά και τις τρόμπες των ελαστικών του ποδηλάτου αλλά και του αυτοκινήτου.

Στην ιατρική έχουμε την παροχή αέρα στον οδοντιατρικό εξοπλισμό και τις αναπνευστικές συσκευές στα νοσοκομεία. Στα σπορ έχουμε την παραγωγή τεχνητού χιονιού για σκι και το γέμισμα των φιαλών των δυτών.

Στα ταξίδια έχουμε τις τουρμπίνες των μηχανών των αεροπλάνων και τη δημιουργία ανυψωτικής δύναμης στα ανεμόπτερα. Στις κατασκευές έχουμε τα γνωστά σε όλους κρουστικά κομπρεσέρ που χρησιμεύουν για τη διάτρηση διαφόρων τύπων εδαφών, από οδοστρώματα μέχρι εδάφη ορυχείων.

Αναφορικά με τη βιομηχανία είναι γεγονός ότι ο πεπιεσμένος αέρας αποτελεί πλέον βασική πηγή ενέργειας σε κάθε παραγωγική διαδικασία. Ως εκ τούτου, η πηγή του πεπιεσμένου αέρα, ο αεροσυμπιεστής, απαντάται σχεδόν σε κάθε βιομηχανική εγκατάσταση και όχι μόνο.

Στη βιομηχανία έχουμε την παραγωγή αέρα οργάνων για την επίτευξη ασφαλών και αξιόπιστων ρυθμίσεων, αλλά και τη μεταφορά με «πνευματικές» μεθόδους υλικών όπως είναι αλεύρι, τσιμέντο, τέφρα, άνθρακας. Παράλληλα χρησιμοποιούνται αεροσυμπιεστές για την παροχή ριπών αέρα σε φούρνους, για τη βαφή με σπρέι, στα φρένα σιδηροτροχιών και στη διαχείριση λυμάτων.

Μέθοδοι συμπιέσεως

Οι συμπιεστές έχουν διάφορες μορφές και ο ακριβής σχεδιασμός τους βασίζεται στην εκάστοτε εφαρμογή. Οι διαφορετικοί τύποι συμπιεστών υποδιαιρούνται σε δύο ευρείες κατηγορίες που χαρακτηρίζονται από τον τύπο της συμπίεσης.

Οι δύο βασικοί τύποι συμπίεσης είναι η διακοπτόμενη (ή διαλείπουσα) συμπίεση και η συνεχής. Η διακοπτόμενη συμπίεση είναι από τη φύση της κυκλική, καθώς μια συγκεκριμένη ποσότητα αερίου εισέρχεται στο συμπιεστή, συμπιέζεται και καταθλίβεται πριν επαναληφθεί ο κύκλος.

Η συνεχής συμπίεση είναι εκείνη κατά την οποία το αέριο εισέρχεται στο συμπιεστή, κινείται εντός αυτού καθώς του προσδίδεται κινητική ενέργεια, διαδικασία κατά την οποία επιτυγχάνεται, και η αύξηση της πίεσης του και καταθλίβεται χωρίς καμία διακοπή. Οι συμπιεστές που λειτουργούν με διακοπτόμενη συμπίεση συνήθως αναφέρονται ως συμπιεστές θετικής εκτοπίσεως, και αυτοί διακρίνονται σε δύο τύπους: τους παλινδρομικούς και τους περιστροφικούς. Οι συμπιεστές συνεχούς λειτουργίας επίσης περιλαμβάνουν δύο βασικές κατηγορίες: τους φυγοκεντρικούς και αυτούς που λειτουργούν με μηχανισμό υποπίεσης και είναι τύπου ejector.

Παλινδρομικοί συμπιεστές

Ο αέρας οδηγείται μέσα στον κύλινδρο και συμπιέζεται με το κινούμενο έμβολο. Ο εμβολοφόρος αεροσυμπιεστής έχει την ίδια αρχή λειτουργίας, όπου το έμβολό του μετακινείται εμπρός και πίσω μέσω ενός διωστήρα και ενός περιστρεφόμενου στροφαλοφόρου άξονα.

Εάν μόνο η μια πλευρά του εμβόλου χρησιμοποιείται για τη δημιουργία συμπίεσης, τότε αυτός καλείται «απλής ενέργειας». Εάν και οι δύο πλευρές του εμβόλου (πάνω πλευρά και κάτω πλευρά) χρησιμοποιούνται για δημιουργία συμπίεσης, τότε ο συμπιεστής καλείται «διπλής ενέργειας». Η διαφορά μεταξύ της πίεσης στην πλευρά της αναρρόφησης και της πίεσης στην πλευρά της κατάθλιψης αποτελεί τη μέτρηση του έργου που κάνει ο συμπιεστής.

Η διαφορά μεταξύ του όγκου εμβολισμού και του όγκου αναρρόφησης υπάρχει λόγω της εκτόνωσης του αέρα που παραμένει στον όγκο διακένου πριν τη φάση εκκίνησης της αναρρόφησης. Η διαφορά μεταξύ του θεωρητικού διαγράμματος P/V και του πραγματικού διαγράμματος είναι λόγω του πρακτικού σχεδιασμού του συμπιεστή, π.χ. ενός εμβολοφόρου συμπιεστή.

Οι βαλβίδες δεν είναι ποτέ πλήρως στεγανοποιημένες και υπάρχει πάντοτε ένας βαθμός διαρροής μεταξύ του εμβόλου και του τοιχώματος του κυλίνδρου. Συμπληρωματικά, οι βαλβίδες δεν μπορούν να ανοίξουν και να κλείσουν χωρίς μία καθυστέρηση, η οποία έχει σαν αποτέλεσμα μία πτώση πίεσης όταν το αέριο ρέει μέσω των αυλών. Επίσης, λόγω αιτιών του σχεδιασμού, το αέριο θερμαίνεται όταν ρέει μέσα στον κύλινδρο.

Φυγοκεντρικοί συμπιεστές

Ένας δυναμικός συμπιεστής είναι μία μηχανή ροής, όπου η πίεση αυξάνει την ίδια στιγμή με τη ροή του αερίου. Το αέριο καθώς ρέει επιταχύνεται σε υψηλές ταχύτητες μέσω των περιστρεφόμενων πτερυγίων, όπου μετά η ταχύτητα του αερίου μετατρέπεται σε πίεση όταν το αέριο εξαναγκάζεται σε επιβράδυνση υπό εκτόνωση.

Ανάλογα με την κύρια κατεύθυνση της ροής, αυτοί καλούνται «ακτινικοί» ή «αξονικοί» συμπιεστές.

Σε σύγκριση με τους συμπιεστές «μεταβαλλόμενου όγκου», οι δυναμικοί αεροσυμπιεστές έχουν ένα χαρακτηριστικό, όπου η μικρή αλλαγή της πίεσης λειτουργίας έχει σαν αποτέλεσμα μεγάλες αλλαγές στην ικανότητα παροχής.

Κάθε ταχύτητα έχει ένα ανώτερο και ένα κατώτερο όριο παροχής. Το ανώτερο όριο υποδηλώνει ότι η ταχύτητα ροής του αερίου έχει φθάσει την ταχύτητα του ήχου. Το κατώτερο όριο υποδηλώνει ότι η πίεση κατάθλιψης είναι μεγαλύτερη από αυτή την οποία δύναται να «κτίσει» ο συμπιεστής, κάτι το οποίο σημαίνει επιστροφή ροής στο συμπιεστή. Αυτό με την σειρά του σημαίνει διακυμάνσεις, θόρυβο και κίνδυνο μηχανικής ζημιάς.

Σύγκριση παλινδρομικού - φυγόκεντρου

Η καμπύλη παροχής για ένα φυγοκεντρικό (δυναμικό) συμπιεστή διαφέρει σημαντικά από μία ισοδύναμη καμπύλη ενός συμπιεστή «μεταβαλλόμενου όγκου». Ο φυγοκεντρικός συμπιεστής είναι ένα μηχάνημα με μεταβλητή παροχή και σταθερή πίεση. Στην άλλη περίπτωση, ο συμπιεστής «μεταβαλλόμενου όγκου» είναι ένα μηχάνημα με σταθερή παροχή και μεταβαλλόμενη πίεση.

Παραδείγματα άλλων διαφορών είναι ότι ένας συμπιεστής «μεταβαλλόμενου όγκου» δίνει έναν υψηλότερο λόγο συμπίεσης ακόμα και στις χαμηλές ταχύτητες περιστροφής, σε αντίθεση με τους σημαντικά πολύστροφους φυγοκεντρικούς αεροσυμπιεστές. Οι φυγοκεντρικοί συμπιεστές είναι πιο κατάλληλοι για πολύ μεγάλες παροχές.

Τα βασικά μεγέθη των αεροσυμπιεστών Κάθε τύπος συμπιεστή κινείται σε ένα συγκεκριμένο και διαφορετικό από τους άλλους πλαίσιο λειτουργικών μεγεθών, το οποίο μάλιστα τον χαρακτηρίζει. Οι θεμελιώδεις λειτουργικές παράμετροι είναι προφανώς η πίεση και η παροχή.

Αν δούμε τους συμπιεστές συνολικά, θα παρατηρήσουμε ότι σχεδόν δεν υπάρχουν όρια λειτουργίας αναφορικά με τις βασικές παραμέτρους. Για παράδειγμα, η πίεση εισόδου μπορεί να κυμαίνεται σε ένα αρκετά μεγάλο εύρος, από μια πολύ χαμηλή υποπίεση μέχρι μια πολύ υψηλή θετική πίεση.

Η πίεση κατάθλιψης μπορεί να κυμαίνεται από πιέσεις κάτωθεν της ατμοσφαιρικής μέχρι πιέσεις δεκάδων ατμοσφαιρών. Ωστόσο η πίεση εξόδου όπως και η παροχή είναι συναρτήσεις της πίεσης εισόδου αλλά και συναρτήσεις του τύπου του συμπιεστή και του εντελώς συγκεκριμένου σχεδιασμού του.

Η παροχή ενός συμπιεστή (γνωστή επίσης ως Ελεύθερη Παροχή Αέρα [FAD]) είναι ο όγκος αέρα υπό συνθήκες εισόδου (πίεση και θερμοκρασία περιβάλλοντος) που καταθλίβεται από τον συμπιεστή στο δίκτυο πεπιεσμένου αέρα σε μια δεδομένη χρονική περίοδο. Η ασφαλής μέθοδος μέτρησης αυτού του όγκου περιέχεται στην προδιαγραφή: ISO 1217 Παράρτημα C.

Ο λόγος συμπίεσης είναι η σχέση μεταξύ της απόλυτης πίεσης στην αναρρόφηση και στην κατάθλιψη. Επομένως, όταν ο αεροσυμιεστής αναρροφά ατμοσφαιρικό αέρα και τον συμπιέζει στα 7 bar υπερπίεση, τότε ο αεροσυμπιεστής εργάζεται με ένα λόγο συμπίεσης (7+1) / 1 = 8.

Στους παλινδρομικούς συμπιεστές κυλινδρισμός είναι ο όγκος του κυλίνδρου που διαγράφεται κατά τη διαδρομή του εμβόλου στη φάση της αναρρόφησης. Ο όγκος διάκενου είναι η επιφάνεια η οποία πρέπει να παραμείνει στο σημείο επιστροφής του εμβόλου για μηχανικούς λόγους, μαζί με την απαιτούμενη επιφάνεια για την κίνηση των βαλβίδων κλπ.

Η ισχύς στον άξονα του κινητήρα είναι η ισχύς που μεταφέρει ο κινητήρας μηχανικά στον άξονά του. Η βέλτιστη ισχύς που μπορεί να επιτευχθεί στον άξονα του κινητήρα υπό συνθήκες βέλτιστης αξιοποίησης της απορροφούμενης ηλεκτρικής ενέργειας και του συντελεστή ισχύος συνημίτονο φ, χωρίς υπερφόρτιση του κινητήρα, βρίσκεται μέσα στα όρια διακύμανσης της ισχύος λειτουργίας του κινητήρα.

Η ειδική κατανάλωση ισχύος ενός συμπιεστή είναι ο λόγος της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ισχύος προς την ποσότητα του πεπιεσμένου αέρα που αποδίδεται σε μια δεδομένη πίεση λειτουργίας. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος είναι άθροισμα των καταναλώσεων από όλους τους επιμέρους καταναλωτές του συμπιεστή, όπως από το στροφείο του ηλεκτροκινητήρα, τον ανεμιστήρα, την αντλία του λαδιού, το βοηθητικό σύστημα θέρμανσης κλπ.