Compressore - Compressor

Un piccolo compressore per aria respirabile ad alta pressione stazionario per il riempimento di bombole da sub
Compressore alternativo ad alta pressione di Belliss e Morcom, utilizzato nell'industria dell'imbottigliamento.

Un compressore è un dispositivo meccanico che aumenta la pressione di un gas riducendone il volume . Un compressore d'aria è un tipo specifico di compressore a gas.

I compressori sono simili alle pompe : entrambi aumentano la pressione su un fluido ed entrambi possono trasportare il fluido attraverso un tubo . Poiché i gas sono comprimibili, il compressore riduce anche il volume di un gas. I liquidi sono relativamente incomprimibili; mentre alcuni possono essere compressi, l'azione principale di una pompa è quella di pressurizzare e trasportare liquidi.

Molti compressori possono essere stadiati, cioè il fluido viene compresso più volte in fasi o stadi, per aumentare la pressione di mandata. Spesso, il secondo stadio è fisicamente più piccolo dello stadio primario, per accogliere il gas già compresso senza ridurne la pressione. Ogni stadio comprime ulteriormente il gas e ne aumenta la pressione e anche la temperatura (se non viene utilizzato l'intercooling tra gli stadi).

tipi

Di seguito vengono illustrate e discusse le principali e importanti tipologie di compressori di gas:

Gas-compressors-types-yed.png

spostamento positivo

Un compressore volumetrico è il sistema che comprime l'aria mediante lo spostamento di un collegamento meccanico che ne riduce il volume (poiché la riduzione di volume dovuta a un pistone in termodinamica è considerata spostamento positivo del pistone).

In altre parole, un compressore volumetrico è uno che funziona aspirando un volume discreto di gas dal suo ingresso, quindi costringendo quel gas ad uscire attraverso l'uscita del compressore. L'aumento di pressione del gas è dovuto, almeno in parte, al compressore che lo pompa ad una portata massica che non può attraversare l'uscita alla minore pressione e densità dell'ingresso.

Compressori alternativi

Un compressore alternativo a sei cilindri motorizzato che può funzionare con due, quattro o sei cilindri.

I compressori alternativi utilizzano pistoni azionati da un albero a gomiti. Possono essere fissi o portatili, possono essere a uno o più stadi e possono essere azionati da motori elettrici o motori a combustione interna. I piccoli compressori alternativi da 5 a 30  cavalli (hp) sono comunemente visti nelle applicazioni automobilistiche e sono tipicamente per servizio intermittente. Compressori alternativi più grandi e ben oltre 1.000 CV (750 kW) si trovano comunemente nelle grandi applicazioni industriali e petrolifere. Le pressioni di mandata possono variare da pressione bassa a pressione molto alta (>18000 psi o 180 MPa). In alcune applicazioni, come la compressione dell'aria, si dice che i compressori a doppio effetto multistadio siano i compressori più efficienti disponibili e sono in genere più grandi e più costosi delle unità rotative comparabili. Un altro tipo di compressore alternativo, solitamente impiegato nei sistemi di climatizzazione per cabine automobilistiche , è il compressore a piatto oscillante o piatto oscillante, che utilizza pistoni mossi da un piatto oscillante montato su un albero (vedi pompa a pistoni assiali ).

I compressori per uso domestico, per officine domestiche e per cantieri più piccoli sono in genere compressori alternativi da 1½ hp o meno con un serbatoio ricevitore collegato.

Un compressore lineare è un compressore alternativo con il pistone che è il rotore di un motore lineare.

Questo tipo di compressore può comprimere un'ampia gamma di gas, inclusi refrigerante, idrogeno e gas naturale. Per questo motivo, trova impiego in un'ampia gamma di applicazioni in molti settori diversi e può essere progettato per un'ampia gamma di capacità, variando le dimensioni, il numero di cilindri e lo scarico dei cilindri. Tuttavia, soffre di maggiori perdite dovute ai volumi di gioco, alla resistenza dovuta alle valvole di scarico e di aspirazione, pesa di più, è difficile da mantenere a causa dell'elevato numero di parti in movimento e presenta vibrazioni intrinseche.

Compressore a pistone liquido ionico

Un compressore a pistone liquido ionico , un compressore ionico o una pompa a pistone liquido ionico è un compressore a idrogeno basato su un pistone liquido ionico invece di un pistone metallico come in un compressore a membrana pistone-metallo .

Compressori rotativi a vite

Schema di un compressore rotativo a vite

I compressori rotativi a vite utilizzano due viti elicoidali rotanti a spostamento positivo ingranate per forzare il gas in uno spazio più piccolo. Questi sono solitamente utilizzati per il funzionamento continuo in applicazioni commerciali e industriali e possono essere fissi o portatili. La loro applicazione può essere da 3 cavalli (2,2 kW) a oltre 1200 cavalli (890 kW) e da bassa pressione a moderatamente alta pressione (>1200 psi o 8,3 MPa).

Le classificazioni dei compressori rotativi a vite variano in base a stadi, metodi di raffreddamento e tipi di azionamento, tra gli altri. I compressori rotativi a vite sono commercialmente prodotti nelle tipologie Oil Flooded, Water Flooded e Dry. L'efficienza dei compressori rotativi dipende dall'essiccatore e la scelta dell'essiccatore è sempre 1,5 volte la portata volumetrica del compressore.

Esistono modelli con una singola vite o tre viti invece di due.

I compressori a vite hanno meno componenti in movimento, una maggiore capacità, meno vibrazioni e picchi, possono funzionare a velocità variabili e in genere hanno una maggiore efficienza. Piccole dimensioni o basse velocità del rotore non sono pratiche a causa di perdite intrinseche causate dal gioco tra le cavità di compressione o le viti e l'alloggiamento del compressore. Dipendono da tolleranze di lavorazione fini per evitare perdite di perdite elevate e sono soggetti a danni se utilizzati in modo errato o con scarsa manutenzione.

Compressori rotativi a palette

Pompa eccentrica rotativa a palette

I compressori rotativi a palette sono costituiti da un rotore con una serie di pale inserite in scanalature radiali del rotore. Il rotore è montato sfalsato in un alloggiamento più grande che è circolare o di forma più complessa. Mentre il rotore gira, le pale scorrono dentro e fuori dalle fessure mantenendo il contatto con la parete esterna dell'alloggiamento. Pertanto, le lame rotanti creano una serie di volumi crescenti e decrescenti. I compressori rotativi a palette sono, con i compressori a pistoni, una delle più antiche tecnologie di compressione.

Con opportuni collegamenti alle porte, i dispositivi possono essere un compressore o una pompa per vuoto. Possono essere fissi o portatili, possono essere a uno o più stadi e possono essere azionati da motori elettrici o motori a combustione interna. Le macchine a palette a secco sono utilizzate a pressioni relativamente basse (ad esempio, 2 bar o 200 kPa o 29 psi) per il movimento di materiale sfuso, mentre le macchine a iniezione d'olio hanno l'efficienza volumetrica necessaria per raggiungere pressioni fino a circa 13 bar (1.300 kPa; 190 psi) in un unico stadio. Un compressore rotativo a palette è particolarmente adatto all'azionamento del motore elettrico ed è notevolmente più silenzioso rispetto al compressore a pistone equivalente.

I compressori rotativi a palette possono avere rendimenti meccanici di circa il 90%.

pistone rotante

Compressore a pistoni rotanti

Il pistone rotante in un compressore a pistone rotante svolge la parte di una partizione tra la paletta e il rotore. Il pistone rotante spinge il gas contro una paletta fissa.

2 di questi compressori possono essere montati sullo stesso albero per aumentare la capacità e ridurre vibrazioni e rumore. Un modello senza molla è noto come compressore oscillante.

Nella refrigerazione e nel condizionamento, questo tipo di compressore è anche noto come compressore rotativo, mentre i compressori rotativi a vite sono anche noti semplicemente come compressori a vite.

Offre una maggiore efficienza rispetto ai compressori alternativi a causa di minori perdite dal volume di spazio tra il pistone e l'involucro del compressore, è dal 40% al 50% più piccolo e leggero per una data capacità (che può influire sui costi di materiale e spedizione se utilizzato in un prodotto) , provoca meno vibrazioni, ha meno componenti ed è più affidabile di un compressore alternativo. Ma la sua struttura non consente capacità superiori a 5 tonnellate di refrigerazione, è meno affidabile di altri tipi di compressori ed è meno efficiente di altri tipi di compressori a causa delle perdite dal volume di ingombro.

Compressori scroll

Meccanismo di una pompa scroll

Un compressore scroll , noto anche come pompa scroll e pompa per vuoto scroll , utilizza due palette a spirale intercalate per pompare o comprimere fluidi come liquidi e gas . La geometria della paletta può essere evolvente , spirale di Archimede o curve ibride. Funzionano in modo più fluido, silenzioso e affidabile rispetto ad altri tipi di compressori nella gamma di volume inferiore.

Spesso, uno dei rotoli è fisso, mentre l'altro orbita eccentricamente senza ruotare, intrappolando e pompando o comprimendo sacche di fluido tra i rotoli.

Grazie al minimo volume di gioco tra lo scroll fisso e lo scroll orbitante, questi compressori hanno un rendimento volumetrico molto elevato .

Questi compressori sono ampiamente utilizzati nel condizionamento e nella refrigerazione perché sono più leggeri, più piccoli e hanno meno parti mobili rispetto ai compressori alternativi e sono anche più affidabili. Tuttavia, sono più costosi, quindi i refrigeratori Peltier o i compressori rotativi e alternativi possono essere utilizzati in applicazioni in cui il costo è il più importante o uno dei fattori più importanti da considerare quando si progetta un sistema di refrigerazione o condizionamento dell'aria.

Questo tipo di compressore è stato utilizzato come compressore sui motori Volkswagen G60 e G40 nei primi anni '90.

Rispetto ai compressori a pistoni alternativi e rotanti, i compressori scroll sono più affidabili poiché hanno meno componenti e hanno una struttura più semplice, sono più efficienti poiché non hanno volume di gioco né valvole, hanno meno picchi e vibrano meno. Tuttavia, rispetto ai compressori a vite e centrifughi, i compressori scroll hanno efficienze e capacità inferiori.

Compressori a membrana

Un compressore a diaframma (noto anche come compressore a membrana ) è una variante del compressore alternativo convenzionale. La compressione del gas avviene mediante il movimento di una membrana flessibile, anziché di un elemento di aspirazione. Il movimento avanti e indietro della membrana è guidato da un'asta e da un meccanismo dell'albero a gomiti. Solo la membrana e la scatola del compressore entrano in contatto con il gas in compressione.

Il grado di flessione e il materiale costituente il diaframma influiscono sulla vita di manutenzione dell'apparecchiatura. Generalmente i diaframmi metallici rigidi possono spostare solo pochi centimetri cubi di volume perché il metallo non può sopportare grandi gradi di flessione senza rompersi, ma la rigidità di un diaframma metallico gli consente di pompare ad alte pressioni. I diaframmi in gomma o silicone sono in grado di sopportare colpi di pompaggio profondi di flessione molto elevata, ma la loro bassa resistenza ne limita l'uso per applicazioni a bassa pressione e devono essere sostituiti quando si verifica l'infragilimento della plastica.

I compressori a membrana sono utilizzati per l'idrogeno e il gas naturale compresso ( CNG ) nonché in numerose altre applicazioni.

Un compressore a membrana a tre stadi

La foto a destra raffigura un compressore a diaframma tre fasi impiegata al gas idrogeno compressa a 6000 psi (41 MPa) per l'uso in un prototipo idrogeno compresso e gas naturale compresso (CNG) stazione di rifornimento costruita nel centro di Phoenix, Arizona dal Arizona Public Società di servizi (società di servizi elettrici). Per comprimere il gas naturale sono stati utilizzati compressori alternativi . Il compressore alternativo per gas naturale è stato sviluppato da Sertco .

Il prototipo di stazione di rifornimento alternativo è stato costruito nel rispetto di tutte le norme vigenti in materia di sicurezza, ambiente ed edilizia a Phoenix per dimostrare che tali stazioni di rifornimento possono essere costruite nelle aree urbane.

Dinamico

Compressore a bolle d'aria

Conosciuto anche come trompe . Una miscela di aria e acqua generata dalla turbolenza viene lasciata cadere in una camera sotterranea dove l'aria si separa dall'acqua. Il peso dell'acqua che cade comprime l'aria nella parte superiore della camera. Un'uscita sommersa dalla camera consente all'acqua di defluire in superficie ad un'altezza inferiore rispetto alla presa. Un'uscita nel tetto della camera fornisce l'aria compressa alla superficie. Una struttura basata su questo principio fu costruita sul fiume Montreal a Ragged Shutes vicino a Cobalt, in Ontario, nel 1910 e forniva 5.000 cavalli alle miniere vicine.

Compressori centrifughi

Un compressore centrifugo monostadio
Compressore centrifugo monostadio, primi 900, G. Schiele & Co., Francoforte sul Meno

I compressori centrifughi utilizzano un disco rotante o una girante in un alloggiamento sagomato per forzare il gas sul bordo della girante, aumentando la velocità del gas. Una sezione del diffusore (condotto divergente) converte l'energia di velocità in energia di pressione. Sono principalmente utilizzati per il servizio continuo e stazionario in industrie come raffinerie di petrolio , impianti chimici e petrolchimici e impianti di lavorazione del gas naturale . La loro applicazione può variare da 100 cavalli (75 kW) a migliaia di cavalli. Con più stadi, possono raggiungere pressioni di uscita elevate superiori a 1.000 psi (6,9 MPa).

Questo tipo di compressore, insieme ai compressori a vite, è ampiamente utilizzato nei grandi impianti di refrigerazione e condizionamento. Esistono compressori centrifughi a cuscinetti magnetici (a levitazione magnetica) e ad aria.

Molti grandi impianti di innevamento (come le stazioni sciistiche ) utilizzano questo tipo di compressore. Sono utilizzati anche nei motori a combustione interna come compressori e turbocompressori . I compressori centrifughi sono utilizzati nei piccoli motori a turbina a gas o come stadio di compressione finale di turbine a gas di medie dimensioni.

I compressori centrifughi sono i più grandi compressori disponibili, offrono una maggiore efficienza sotto carichi parziali, possono essere oil-free quando si utilizzano aria o cuscinetti magnetici che aumentano il coefficiente di scambio termico in evaporatori e condensatori, pesano fino al 90% in meno e occupano il 50% in meno di spazio rispetto compressori alternativi, sono affidabili e costano meno da mantenere poiché meno componenti sono esposti a usura e generano solo vibrazioni minime. Tuttavia, il loro costo iniziale è più elevato, richiedono una lavorazione CNC altamente precisa , la girante deve ruotare ad alte velocità rendendo impraticabili i piccoli compressori e le oscillazioni diventano più probabili. Lo sbalzo è l'inversione del flusso di gas, nel senso che il gas va dalla mandata al lato di aspirazione, che può causare gravi danni, specialmente nei cuscinetti del compressore e nel suo albero di trasmissione. È causato da una pressione sul lato di mandata superiore alla pressione di uscita del compressore. Ciò può causare il flusso di gas avanti e indietro tra il compressore e tutto ciò che è collegato alla sua linea di scarico, causando oscillazioni.

Compressori diagonali o a flusso misto

I compressori diagonali oa flusso misto sono simili ai compressori centrifughi, ma hanno una componente di velocità radiale e assiale all'uscita dal rotore. Il diffusore viene spesso utilizzato per trasformare il flusso diagonale in una direzione assiale anziché radiale. Rispetto al compressore centrifugo convenzionale (dello stesso rapporto di pressione dello stadio), il valore della velocità del compressore a flusso misto è 1,5 volte maggiore.

Compressori assiali

Un'animazione di un compressore assiale.

I compressori assiali sono compressori rotanti dinamici che utilizzano array di profili aerodinamici a forma di ventola per comprimere progressivamente un fluido. Sono utilizzati dove sono richieste portate elevate o un design compatto.

Le schiere di profili alari sono disposte in file, solitamente a coppie: una rotante e una fissa. I profili rotanti, detti anche pale o rotori , accelerano il fluido. I profili stazionari, noti anche come statori o palette, decelerano e reindirizzano la direzione del flusso del fluido, preparandolo per le pale del rotore dello stadio successivo. I compressori assiali sono quasi sempre multistadio, con la sezione trasversale del passaggio del gas che diminuisce lungo il compressore per mantenere un numero di Mach assiale ottimale . Al di là di circa 5 stadi o di un rapporto di pressione di progetto di 4:1, un compressore non funzionerà se non dotato di caratteristiche quali palette fisse con angoli variabili (note come palette di guida di ingresso variabili e statori variabili), la capacità di consentire all'aria di fuoriuscire parte- lungo il compressore (noto come spurgo interstadio) ed essendo diviso in più di un gruppo rotante (noto come bobine gemelle, per esempio).

I compressori assiali possono avere rendimenti elevati; circa il 90% di politropici alle condizioni di progetto. Tuttavia, sono relativamente costosi, richiedono un gran numero di componenti, tolleranze strette e materiali di alta qualità. I compressori assiali sono utilizzati in motori a turbina a gas di medie e grandi dimensioni , stazioni di pompaggio del gas naturale e alcuni impianti chimici.

Chiusura ermetica, aperta o semiermetica

Un piccolo compressore ermeticamente sigillato in un comune frigorifero o congelatore di consumo ha tipicamente un guscio esterno in acciaio arrotondato saldato in modo permanente, che sigilla i gas operativi all'interno del sistema, in questo caso un refrigerante R600a . Non esiste un percorso per la fuoriuscita di gas, ad esempio intorno alle guarnizioni dell'albero del motore. Su questo modello, la parte superiore in plastica fa parte di un sistema di sbrinamento automatico che utilizza il calore del motore per far evaporare l'acqua.

I compressori utilizzati negli impianti di refrigerazione devono presentare perdite prossime allo zero per evitare la perdita di refrigerante se devono funzionare per anni senza servizio. Ciò richiede l'uso di guarnizioni molto efficaci, o addirittura l'eliminazione di tutte le guarnizioni e le aperture per formare un sistema ermetico . Questi compressori sono spesso descritti come ermetici , aperti o semiermetici , per descrivere come è racchiuso il compressore e come è situato il motore in relazione al gas o al vapore che viene compresso. Alcuni compressori al di fuori del servizio di refrigerazione possono anche essere ermeticamente sigillati in una certa misura, in genere quando si maneggiano gas tossici, inquinanti o costosi, con la maggior parte delle applicazioni non di refrigerazione nell'industria petrolchimica.

Nei compressori ermetici e nella maggior parte dei semiermetici, il compressore e il motore che azionano il compressore sono integrati e operano all'interno dell'involucro di gas pressurizzato del sistema. Il motore è progettato per funzionare e essere raffreddato dal gas refrigerante che viene compresso. I compressori aperti hanno un motore esterno che aziona un albero che passa attraverso il corpo del compressore e si basano su guarnizioni rotanti attorno all'albero per trattenere la pressione interna.

La differenza tra l'ermetico e il semiermetico, è che l'ermetico utilizza un involucro di acciaio saldato in un unico pezzo che non può essere aperto per la riparazione; se l'ermetico si guasta viene semplicemente sostituito con un'intera nuova unità. Un semiermetico utilizza un grande guscio in metallo fuso con coperchi guarniti con viti che possono essere aperti per sostituire i componenti del motore e del compressore. Il vantaggio principale di un ermetico e semiermetico è che non esiste un percorso per la fuoriuscita del gas dal sistema. I principali vantaggi dei compressori aperti è che possono essere azionati da qualsiasi fonte di forza motrice, consentendo di selezionare il motore più appropriato per l'applicazione, o anche fonti di energia non elettriche come un motore a combustione interna o una turbina a vapore , e in secondo luogo il il motore di un compressore aperto può essere sottoposto a manutenzione senza aprire alcuna parte del sistema refrigerante.

Un sistema pressurizzato aperto come un condizionatore d'aria per automobile può essere più suscettibile a perdite dei suoi gas operativi. I sistemi aperti si affidano al lubrificante nel sistema per schizzare sui componenti della pompa e sulle guarnizioni. Se non viene azionato abbastanza frequentemente, il lubrificante sulle guarnizioni evapora lentamente, quindi le guarnizioni iniziano a perdere fino a quando il sistema non è più funzionante e deve essere ricaricato. In confronto, un sistema ermetico o semiermetico può rimanere inutilizzato per anni e di solito può essere riavviato in qualsiasi momento senza richiedere manutenzione o subire perdite di pressione del sistema. Anche le guarnizioni ben lubrificate perderanno una piccola quantità di gas nel tempo, in particolare se i gas di refrigerazione sono solubili nell'olio lubrificante, ma se le guarnizioni sono ben fabbricate e mantenute questa perdita è molto bassa.

Lo svantaggio dei compressori ermetici è che l'azionamento del motore non può essere riparato o sottoposto a manutenzione e l'intero compressore deve essere sostituito se un motore si guasta. Un ulteriore svantaggio è che gli avvolgimenti bruciati possono contaminare l'intero sistema, richiedendo quindi il pompaggio completo dell'impianto e la sostituzione del gas (questo può accadere anche nei compressori semiermetici in cui il motore funziona nel refrigerante). In genere, i compressori ermetici vengono utilizzati in beni di consumo assemblati in fabbrica a basso costo in cui il costo della riparazione e della manodopera è elevato rispetto al valore del dispositivo e sarebbe più economico acquistare semplicemente un nuovo dispositivo o compressore. I compressori semiermetici sono utilizzati in impianti di refrigerazione e condizionamento di medie e grandi dimensioni, dove è più economico riparare e/o rinnovare il compressore rispetto al prezzo di uno nuovo. Un compressore ermetico è più semplice ed economico da costruire rispetto a un compressore semiermetico o aperto.

Termodinamica della compressione del gas

Compressore isoentropico

Un compressore può essere idealizzato come reversibile internamente e adiabatico , quindi un dispositivo isoentropico stazionario, il che significa che la variazione di entropia è 0. Definendo il ciclo di compressione come isoentropico , è possibile ottenere un'efficienza ideale per il processo e le prestazioni ideali del compressore possono essere confrontato con le prestazioni effettive della macchina. La compressione isotropica utilizzata nel codice ASME PTC 10 si riferisce a un processo di compressione adiabatico reversibile

Rendimento isentropico dei compressori:

è l' entalpia allo stato iniziale
è l' entalpia allo stato finale per il processo attuale
è l' entalpia allo stato finale per il processo isoentropico

Riduzione al minimo del lavoro richiesto da un compressore

Confronto tra compressori reversibili e irreversibili

Confronto della forma differenziale del bilancio energetico per ogni dispositivo
Sia calore, sia lavoro, sia energia cinetica ed sia energia potenziale. Compressore effettivo:

Compressore reversibile:


Il lato destro di ogni tipo di compressore è equivalente, quindi:

riordino:



Sostituendo l'equazione nota nell'ultima equazione e dividendo entrambi i termini per T:


Inoltre, e T è [temperatura assoluta] ( ) che produce: o


Pertanto, i dispositivi che consumano lavoro come pompe e compressori (il lavoro è negativo) richiedono meno lavoro quando funzionano in modo reversibile.

Effetto del raffreddamento durante il processo di compressione

Diagramma Pv (volume specifico vs. pressione) che confronta i processi isoentropici, politropici e isotermici tra gli stessi limiti di pressione.

isoentropico processo: comporta alcun raffreddamento,
politropico processo: comporta un certo raffreddamento
isotermico processo: coinvolge massimo raffreddamento

Facendo le seguenti ipotesi, il lavoro richiesto al compressore per comprimere un gas da a è il seguente per ogni processo: Ipotesi:

e
Tutti i processi sono reversibili internamente
Il gas si comporta come un gas ideale con calori specifici costanti

Isentropico ( , dove ):

Politropico ( ):

Isotermico ( o ):

Confrontando i tre processi internamente reversibili che comprimono un gas ideale da a , i risultati mostrano che la compressione isoentropica ( ) richiede il maggior lavoro in e la compressione isotermica ( o ) richiede la minor quantità di lavoro in. Per il processo politropico ( ) lavora in diminuisce al diminuire dell'esponente, n, aumentando la reiezione di calore durante il processo di compressione. Un modo comune per raffreddare il gas durante la compressione consiste nell'utilizzare camicie di raffreddamento attorno all'involucro del compressore.

Compressori in cicli termodinamici ideali

Ideale Rankine Cycle 1-> 2 isoentropico di compressione in una pompa
ideale di Carnot Cycle 4-> 1 isoentropico di compressione
ideale Otto Ciclo 1-> 2 isoentropico di compressione
ideale Diesel Ciclo 1-> 2 isoentropico di compressione
ideale Brayton Cycle 1-> 2 isentropic compressione in un compressore
Ideale Refrigerazione a compressione di vapore Ciclo 1->2 Compressione isoentropica in un compressore
NOTA: le ipotesi isoentropiche sono applicabili solo con i cicli ideali. I cicli del mondo reale hanno perdite intrinseche dovute a compressori e turbine inefficienti. Il sistema del mondo reale non è veramente isoentropico, ma è piuttosto idealizzato come isoentropico per scopi di calcolo.

Temperatura

La compressione di un gas ne aumenta la temperatura .

Per una trasformazione politropica di un gas:

Il lavoro svolto per la compressione (o espansione) politropica di un gas in un cilindro chiuso.

così

in cui p è la pressione, V è il volume, n assume valori diversi per i diversi processi di compressione (vedi sotto), e 1 e 2 si riferiscono agli stati iniziale e finale.

  • Adiabatico - Questo modello presuppone che nessuna energia (calore) venga trasferita al o dal gas durante la compressione e che tutto il lavoro fornito venga aggiunto all'energia interna del gas, con conseguente aumento della temperatura e della pressione. L'aumento teorico della temperatura è:

con T 1 e T 2 in gradi Rankine o kelvin , dove p 2 e p 1 sono pressioni assolute e rapporto dei calori specifici (circa 1,4 per l'aria). L'aumento del rapporto tra aria e temperatura significa che la compressione non segue un semplice rapporto pressione/volume. Questo è meno efficiente, ma veloce. La compressione o l'espansione adiabatica modellano più da vicino la vita reale quando un compressore ha un buon isolamento, un grande volume di gas o una scala temporale breve (cioè un alto livello di potenza). In pratica ci sarà sempre una certa quantità di calore in uscita dal gas compresso. Quindi, realizzare un perfetto compressore adiabatico richiederebbe un perfetto isolamento termico di tutte le parti della macchina. Ad esempio, anche il tubo metallico di una pompa per pneumatici da bicicletta diventa caldo quando si comprime l'aria per riempire un pneumatico. La relazione tra temperatura e rapporto di compressione sopra descritta significa che il valore di per un processo adiabatico è (il rapporto dei calori specifici).

  • Isotermico - Questo modello presuppone che il gas compresso rimanga a una temperatura costante durante tutto il processo di compressione o espansione. In questo ciclo, l'energia interna viene sottratta al sistema sotto forma di calore alla stessa velocità con cui viene aggiunta dal lavoro meccanico di compressione. La compressione o l'espansione isotermica modella più da vicino la vita reale quando il compressore ha una grande superficie di scambio termico, un piccolo volume di gas o una scala temporale lunga (cioè un piccolo livello di potenza). I compressori che utilizzano il raffreddamento interstadio tra gli stadi di compressione si avvicinano di più al raggiungimento di una perfetta compressione isotermica. Tuttavia, con dispositivi pratici non è possibile ottenere una compressione isotermica perfetta. Ad esempio, a meno che tu non abbia un numero infinito di stadi di compressione con corrispondenti intercooler, non otterrai mai una compressione isotermica perfetta.

Per un processo isotermico, è 1, quindi il valore dell'integrale di lavoro per un processo isotermico è:

Quando valutato, il lavoro isotermico risulta essere inferiore al lavoro adiabatico.

  • Politropico - Questo modello tiene conto sia di un aumento della temperatura nel gas sia di una certa perdita di energia (calore) ai componenti del compressore. Ciò presuppone che il calore possa entrare o uscire dal sistema e che il lavoro dell'albero di ingresso può apparire sia come aumento della pressione (di solito lavoro utile) sia come aumento della temperatura al di sopra dell'adiabatico (di solito perdite dovute all'efficienza del ciclo). L'efficienza di compressione è quindi il rapporto tra l'aumento di temperatura al 100% teorico (adiabatico) rispetto a quello effettivo (politropico). La compressione politropica utilizzerà un valore compreso tra 0 (un processo a pressione costante) e infinito (un processo a volume costante). Per il caso tipico in cui si cerca di raffreddare il gas compresso con un processo approssimativamente adiabatico, il valore di sarà compreso tra 1 e .

Compressione graduale

Nel caso dei compressori centrifughi, i modelli commerciali attualmente non superano un rapporto di compressione superiore a 3,5 a 1 in uno stadio (per un gas tipico). Poiché la compressione aumenta la temperatura, il gas compresso deve essere raffreddato tra gli stadi rendendo la compressione meno adiabatica e più isotermica. I refrigeratori interstadio (intercooler) in genere provocano una parziale condensazione che viene rimossa nei separatori vapore-liquido .

Nel caso di piccoli compressori alternativi, il volano del compressore può azionare una ventola di raffreddamento che dirige l'aria ambiente attraverso l' intercooler di un compressore a due o più stadi.

Poiché i compressori rotativi a vite possono utilizzare il lubrorefrigerante per ridurre l'aumento di temperatura dovuto alla compressione, molto spesso superano un rapporto di compressione di 9 a 1. Ad esempio, in un tipico compressore da immersione l'aria viene compressa in tre fasi. Se ogni stadio ha un rapporto di compressione di 7 a 1, il compressore può produrre 343 volte la pressione atmosferica (7 × 7 × 7 = 343 atmosfere ). (343 atm o 34,8  MPa o 5,04  ksi )

Motori di azionamento

Ci sono molte opzioni per il motore che alimenta il compressore:

  • Le turbine a gas alimentano i compressori a flusso assiale e centrifugo che fanno parte dei motori a reazione .
  • Per i grandi compressori sono possibili turbine a vapore o ad acqua .
  • I motori elettrici sono economici e silenziosi per i compressori statici. Piccoli motori adatti per alimentazioni elettriche domestiche utilizzano monofase corrente alternata . I motori più grandi possono essere utilizzati solo dove è disponibile un'alimentazione elettrica industriale trifase in corrente alternata.
  • I motori diesel o benzina sono adatti per compressori portatili e compressori di supporto.
  • Nelle automobili e in altri tipi di veicoli (compresi aeroplani a pistoni, barche, camion, ecc.), la potenza dei motori diesel o benzina può essere aumentata comprimendo l'aria aspirata, in modo da poter bruciare più carburante per ciclo. Questi motori possono alimentare i compressori utilizzando la propria potenza dell'albero motore (questa configurazione è nota come compressore ) oppure utilizzare il gas di scarico per azionare una turbina collegata al compressore (questa configurazione è nota come turbocompressore ).

Lubrificazione

I compressori azionati da un motore elettrico possono essere controllati utilizzando un VFD o un inverter di potenza , tuttavia molti compressori ermetici e semiermetici possono funzionare solo in una gamma di velocità o a velocità fisse, poiché possono includere pompe dell'olio integrate. La pompa dell'olio integrata è collegata allo stesso albero che aziona il compressore e spinge l'olio nel compressore e nei cuscinetti del motore. A basse velocità, quantità insufficienti di olio raggiungono i cuscinetti, portando infine a guasti dei cuscinetti, mentre ad alte velocità, quantità eccessive di olio possono essere perse dai cuscinetti e dal compressore e potenzialmente nella linea di scarico a causa di spruzzi. Alla fine l'olio si esaurisce e i cuscinetti non vengono lubrificati, causando guasti e l'olio può contaminare il refrigerante, l'aria o altri gas di lavoro.

Applicazioni

I compressori di gas sono utilizzati in varie applicazioni in cui sono necessarie pressioni più elevate o volumi di gas inferiori:

Guarda anche

Riferimenti