Kompresori i upravljanje radom kompresora

Zadaća i podjela kompresora

Kompresor usisava okolni zrak i povisuje mu tlak na razinu potrebnu potrošačima. U njemu se električna (ili, kod pokretnih kompresora, mehanička) energija pogonskog motora pretvara u energiju stlačenog zraka. Kompresor je zato srce pneumatskog sustava, ali i mjesto na kojem nastaje najveći dio troška: u industrijskim pogonima kompresori često troše desetinu ili više ukupno utrošene električne energije.

Prema načelu rada kompresori se dijele u dvije osnovne skupine:

• Volumetrijski kompresori zatvaraju određenu količinu zraka u prostor kojem se zatim smanjuje obujam, pa tlak raste prema zakonima promjena stanja. Mogu biti stapni (s gibanjem naprijed–natrag: klipni i membranski) ili rotacijski (lamelasti, vijčani, Rootsova puhala).
• Strujni kompresori (turbokompresori) zraku rotorom daju veliku brzinu, a brzina se u difuzoru pretvara u tlak. Izvode se kao radijalni i aksijalni i koriste se za vrlo velike isporuke.

U pneumatici, gdje su tlakovi do 10 ili 16 bar, a isporuke od nekoliko stotina litara do nekoliko desetaka kubnih metara u minuti, gotovo se isključivo koriste volumetrijski kompresori: u radionicama i manjim pogonima klipni, a u industriji vijčani.

Klipni i membranski kompresori

Klipni kompresor najstarija je i najraširenija izvedba. Koljenasto vratilo preko ojnice pokreće klip u cilindru. Pri gibanju klipa prema dolje tlak u cilindru padne ispod atmosferskog, otvori se samoradni usisni ventil i zrak ulazi. Pri gibanju prema gore oba su ventila zatvorena i zrak se stlačuje; kad tlak u cilindru prijeđe tlak u tlačnom vodu, otvori se tlačni ventil i zrak se istiskuje. Ventili su najčešće lamelni i otvaraju se sami, razlikom tlakova, bez upravljanja.

Jednostupanjski klipni kompresori grade se za tlakove do oko 10 bar. Za više tlakove, ali i radi manje potrošnje energije, izvode se dvostupanjski: prvi stupanj (veći cilindar) tlači zrak na međutlak, zrak se u međuhladnjaku ohladi, a drugi stupanj (manji cilindar) ga tlači na konačni tlak. Energetski je najpovoljniji međutlak jednak geometrijskoj sredini početnog i konačnog apsolutnog tlaka. Za 8 bar pretlaka to je √(1,013 · 9,013) ≈ 3,02 bar apsolutno, a temperatura na kraju svakog stupnja teorijski ne prelazi oko 127 °C, umjesto 274 °C u jednom stupnju. Uz idealno međuhlađenje potreban rad smanjuje se za oko 15 %.

U cilindru klipnog kompresora uvijek ostaje mali štetni prostor između klipa u gornjoj mrtvoj točki i ventila. Stlačeni zrak koji u njemu zaostane pri povratnom hodu se proširi, pa usisavanje počinje tek kad tlak padne ispod atmosferskog. Zato je stvarna isporuka manja od geometrijskog obujma koji klip opiše; omjer tih dviju veličina naziva se volumetrijski stupanj djelovanja i smanjuje se s porastom konačnog tlaka.

Membranski kompresor umjesto klipa ima elastičnu membranu koju pokreće ojnica ili ekscentar. Prostor u kojem se zrak stlačuje potpuno je odvojen od pogonskog mehanizma, pa zrak ostaje bez ulja. Koristi se za male isporuke i niže tlakove: u laboratorijima, medicinskoj tehnici, prehrambenoj industriji i kao mali prijenosni kompresor.

Lamelasti, vijčani i strujni kompresori

Lamelasti (krilni) kompresor ima rotor smješten ekscentrično u kućištu. U utorima rotora slobodno klize lamele koje centrifugalna sila potiskuje prema stijenci kućišta. Između dviju susjednih lamela zatvara se prostor koji se pri vrtnji smanjuje od usisnog prema tlačnom otvoru. Radi mirno, s malom pulsacijom, a uz ubrizgavanje ulja postiže tlakove do oko 10 bar.

Vijčani kompresor danas je najčešći industrijski kompresor. Dva rotora s vijčanim profilom (muški i ženski) okreću se u kućištu, a zrak zatvoren u utorima među zavojnicama putuje od usisnog prema tlačnom kraju uz stalno smanjivanje obujma. Nema ventila ni klipova, isporuka je gotovo bez pulsacija, a trošenje malo, pa je pogodan za neprekidan rad. Izvodi se kao uljem podmazivan (ulje brtvi zazore, podmazuje rotore i odvodi toplinu kompresije, a zatim se izdvaja iz zraka u separatoru) ili kao suhi, bez ulja u prostoru kompresije, sa zupčanicima za sinkronizaciju rotora, kad se traži zrak bez ulja. Kompresor naprave SL-3 je uljem podmazivan vijčani kompresor snage 5,5 kW s isporukom 0,8 m³/min.

Rootsovo puhalo ima dva rotora s profilom u obliku osmice koji prenose zrak bez unutarnje kompresije; tlak raste tek kad zrak dođe u tlačni vod. Koristi se za male razlike tlakova, npr. za pneumatski transport i prozračivanje.

Strujni kompresori (radijalni i aksijalni) isplate se tek kod vrlo velikih isporuka, od stotinjak kubnih metara u minuti naviše, u velikim tvornicama, čeličanama i kemijskoj industriji. Rade bez ulja i gotovo bez trošenja, ali im je isporuka jako ovisna o protutlaku.

Hlađenje kompresora

Kako je pokazano u prethodnoj jedinici, pri kompresiji se zrak grije, a što se bolje hladi, to je kompresija bliža izotermi i manje energije troši. Gotovo sva električna energija koju kompresor preuzme na kraju se pretvara u toplinu: u zraku, ulju, rashladnoj vodi i kućištu. Hlađenje zato ima tri zadaće: smanjiti utrošak energije, zaštititi ulje, brtve i ventile od pregrijavanja te ohladiti zrak prije ulaska u mrežu kako bi se kondenzat izdvojio već u kompresorskoj stanici.

• Hlađenje zrakom: rebra na cilindru i glavi te ventilator. Uobičajeno za manje klipne kompresore i većinu vijčanih kompresora do srednjih snaga.
• Hlađenje vodom: vodeni plašt ili izmjenjivač topline. Za veće snage i za prostore u kojima se toplina ne smije odvoditi u zrak.
• Hlađenje ubrizgavanjem ulja: kod vijčanih i lamelastih kompresora ulje preuzima toplinu izravno u prostoru kompresije, pa zrak izlazi s oko 80 do 90 °C; ulje se zatim hladi u hladnjaku.
• Naknadni hladnjak: izmjenjivač iza kompresora koji zrak hladi na desetak stupnjeva iznad temperature okoline; u njemu se izdvaja najveći dio kondenzata.

Toplina kompresora ne mora biti gubitak. Sustavi za povrat topline koriste toplo ulje ili topli rashladni zrak za grijanje sanitarne vode ili prostora; na taj se način velik dio utrošene električne energije može ponovno iskoristiti. Kompresorska prostorija mora biti dobro prozračena, s usisom hladnog i čistog zraka, jer svaki stupanj niža temperatura usisanog zraka znači nešto manji utrošak energije.

Upravljanje radom kompresora

Potrošnja zraka u pogonu neprestano se mijenja, a kompresor ima stalnu isporuku. Upravljanje radom kompresora usklađuje proizvodnju s potrošnjom tako da tlak u mreži ostane unutar dopuštenih granica.

Uklop i isklop. Tlačna sklopka na spremniku isključuje motor kad tlak dosegne gornju vrijednost (isklopni tlak) i ponovno ga uključuje kad tlak padne na donju vrijednost (uklopni tlak). Razlika tih dvaju tlakova je sklopna razlika. Za kompresor naprave SL-3 to su 6,5 i 8 bar, dakle Δp = 1,5 bar. Način je jednostavan i ne troši energiju u mirovanju, ali elektromotor smije imati samo ograničen broj uklopa na sat, a tlak u mreži stalno se mijenja. Uobičajen je kod manjih klipnih kompresora.

Rasterećenje (prazni hod). Kad tlak dosegne gornju vrijednost, motor se ne isključuje, nego se zatvori usisni ventil kompresora i ispusti tlak iz prostora kompresije. Kompresor se vrti bez isporuke i troši otprilike četvrtinu do trećinu nazivne snage. Ako tlak ne padne u zadanom vremenu, motor se isključi. Ovaj način štiti motor od prečestih uklopa i uobičajen je kod vijčanih kompresora, ali je pri maloj potrošnji energetski nepovoljan: kompresor dugo radi u praznom hodu, a da ne isporučuje zrak.

Frekvencijska regulacija. Pretvarač frekvencije mijenja brzinu vrtnje motora, a time i isporuku vijčanog kompresora, tako da ona prati potrošnju. Tlak u mreži održava se u uskom rasponu (npr. ±0,1 bar), nema praznog hoda, a uklopa gotovo i nema. Pri promjenjivoj potrošnji ušteda energije može biti znatna, pa se u pogonima s više kompresora često jedan izvodi s frekvencijskom regulacijom za pokrivanje promjenjivog dijela potrošnje, a ostali rade s punim opterećenjem.

Kod više kompresora u istoj mreži nadređeno upravljanje uključuje i isključuje pojedine jedinice prema potrošnji i ravnomjerno raspoređuje radne sate. Uz sve načine vrijedi isto pravilo: tlak u mreži ne treba biti viši nego što potrošači zaista trebaju. Izračun za izentropsku kompresiju pokazuje da podizanje tlaka sa 7 na 8 bar povećava potreban rad za oko 7,7 %, a gubici propuštanjem rastu s tlakom.

Izbor kompresora prema potrošnji

Kompresor se bira prema dvjema veličinama: tlaku koji trebaju potrošači (uz dodatak za pad tlaka u pripremi i mreži, obično 1 do 1,5 bar) i isporuci koja mora pokriti potrošnju. Isporuka se iskazuje kao FAD, obujam slobodnog zraka preračunat na stanje na usisu, prema normiranom postupku mjerenja (npr. ISO 1217). Podatak „usisni obujam" ili „teorijska isporuka" iz nekih prospekata veći je od FAD-a i nije mjerodavan za izbor.

Postupak izbora:

1. Popisati sve potrošače i njihovu potrošnju slobodnog zraka (Nl/min) pri radnom tlaku.
2. Pomnožiti potrošnju svakog potrošača s njegovim faktorom uključenosti (udio vremena u kojem stvarno troši zrak) i zbrojiti.
3. Uzeti u obzir istodobnost: rijetko svi potrošači rade u istom trenutku.
4. Dodati gubitke propuštanjem (10 do 30 %) i rezervu za proširenje (oko 20 do 30 %).
5. Odabrati kompresor čiji FAD pri potrebnom tlaku pokriva taj zbroj, a spremnik i način upravljanja prema promjenjivosti potrošnje.

Za napravu SL-3 potrošnja iznosi samo 17,6 Nl/min, pa kompresor od 0,8 m³/min očito služi cijeloj radionici. Uzmimo da prosječna potrošnja svih strojeva radionice s gubicima iznosi 0,4 m³/min: kompresor tada radi polovicu vremena, što je, kako će pokazati računski prikaz, upravo najnepovoljniji slučaj za broj uklopa.

Računski prikaz: broj uklopa kompresora na sat

Između isklopnog i uklopnog tlaka spremnik obujma V_s preda potrošačima (uz pretpostavku stalne temperature) obujam slobodnog zraka

ΔV = V_s · Δp / p_a = 0,27 m³ · 1,5 bar / 1,013 bar ≈ 0,40 m³

Za vrijeme mirovanja kompresora taj zrak troše potrošači, a za vrijeme rada kompresor ga nadoknađuje viškom isporuke iznad potrošnje:

t_m = ΔV / Q_p    t_r = ΔV / (Q_k − Q_p)    z = 3600 s / (t_m + t_r)

Ovdje je Q_k isporuka kompresora (FAD), a Q_p potrošnja. Broj uklopa najveći je kad je potrošnja jednaka polovici isporuke, i tada iznosi z_max = 15 · Q_k · p_a / (V_s · Δp), uz Q_k u m³/min. Iz toga slijedi najmanji obujam spremnika za dopušteni broj uklopa z_dop: V_s = 15 · Q_k · p_a / (z_dop · Δp).

Za zadane vrijednosti (270 l, 6,5 / 8 bar, 0,8 m³/min, potrošnja 0,4 m³/min) kompresor miruje 60 s i radi 60 s, pa se uključuje 30 puta na sat. Ako proizvođač motora dopušta, uzmimo, 10 uklopa na sat, spremnik bi za najnepovoljniji slučaj morao imati oko 810 l, trostruko više od postojećeg. Kad radi samo naprava SL-3 (0,0176 m³/min), kompresor miruje oko 23 minute i radi oko 31 s, dakle uključuje se svega dva do tri puta na sat. Rješenja za veliki broj uklopa su veći spremnik, veća sklopna razlika (uz viši isklopni tlak i veći utrošak energije), rasterećenje ili frekvencijska regulacija.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.