Lekce 1: Plunžrový kompresor
Tato lekce popisuje konstrukci plunžrového kompresoru.
Kapitola 1: Princip funkce stroje a jeho použití
Kompresor s krouživým pístem používaný zpravidla pro chladící zařízení malých výkonů. Dále bývá používán jako plnící kompresor pro pneumatické brzdné systémy těžkých nákladních automobilů. Stejný princip kompresoru je využíván ve vakuových systémech pro oblast nízkých a středních tlaků.
Princip stroje
Je využíván excentricky uložený rotační píst, který je opatřen pravoúhlým dělícím nástavcem (ten je současně využíván pro přívod nasávaného plynu). Zatím co tyto kompresory nejsou vybaveny sacím ventilem (většinou), výtlačný ventil bývá použit.
Obrázek: Plunžrový kompresor - popis
Na hřídeli 1 je pevně umístěn excentrický člen 2. Na členu 2 je kluzně umístěn píst 3. Jeho dělící nástavec prochází těsnícím kluzným otočným členem 6, který zajišťuje nejen vedení pravoúhlé části pístu, ale také utěsňuje sací a výtlačnou část vlastního tělesa kompresoru. Při rotaci pístu dochází k jeho odvalování po vnitřním povrchu tělesa a tím dochází k čerpacímu efektu. Zatím co v jedné části dochází k sání, v druhé částí dochází ke kompresi. Stlačený plyn vystupuje z výtlačného prostoru přes výtlačný ventil 5 do výtlačného traktu. Těleso 4 je většinou dostatečně dimenzováno nejen na vnitřní tlak, ale je také opatřeno dostatečným počtem chladících žeber pro odvod kompresního tepla.
Princip práce stroje
V následujícím textu je pomocí postupných rozfázovaných zobrazení stroje vysvětlen princip práce. Na obrázku je zobrazen řez strojem s vyznačením jednotlivých prostorů. Pro zjednodušení byl odstraněn horní díl se sacím a výtlačným nátrubkem.
Obrázek: 1. fáze
Při otáčení hřídele dochází k odvalování pístu po vnitřní ploše a začne se do uvolněného prostoru nasávat plyn ze sacího prostoru. Současně se z druhé části pracovního prostoru vytláčí plyn do výtlačného prostoru.
Obrázek: 2. fáze
U zobrazeného stroje je ventilem opatřen jen výtlačný trakt. Mohou být i varianty strojů, které jsou opatřeny i ventilem na sací straně. Toto v podstatě umožní snížení dosažitelného sacího tlaku, neboť k nasávání nedochází okamžitě, ale až po dosažení určitého stupně podtlaku v pracovním prostoru, kdy teprve dojde k otevření sacího ventilu.
Obrázek: 3. fáze
Obrázek: 4. fáze
Obrázek: 5. fáze
Kapitola 2: Popis základních částí stroje
1 - hřídel, 2 - excentr, 3 - píst, 4 - těleso, 5 - výtlačný ventil, 6 - těsnící kluzný otočný člen
Obrázek: Popis základních částí plunžrového kompresoru
Kapitola 3: Návrh základních rozměrů pracovních částí
Pro odvození čerpaného množství vyjdeme tedy z následujícího zobrazení.
Obrázek: Odvození čerpaného množství
Výpočet základních parametrů
Nejprve určíme plochu srpovité oblasti, která je mezi vnitřním povrchem tělesa kompresoru a povrchem pístu. Při výpočtu zanedbáme plochu dělící části pístu. Toto zjednodušení výpočtu můžeme zahrnout do součinitele objemové účinnosti.
Určíme velikost plochy srpovité oblasti:
Dále můžeme s dostatečným stupněm přesnosti určit tzv. geometrický čerpaný objem.
Skutečné odsávané množství se určí ze vzorce:
Při návrhu základních rozměrů je možno vycházet z následujících doporučených hodnot.
Na základě těchto doporučení se navrhnou základní rozměry stroje. Potom je možno provádět další upřesnění jednotlivých rozměrů.
Návrh základních rozměrů s využitím doporučených poměrných hodnot
Při návrhu základních rozměrů je možno vycházet z následujících doporučených hodnot.
Pro zjednodušení úprav označíme poměrné hodnoty následujícím způsobem:
V celkové účinnosti η je zahrnuta izotermická účinnost, koeficient zahrnující pronikání plynu z oblasti vyššího tlaku do oblasti nižšího tlaku a mechanická účinnost vlivem tření.
Dimenze sacího otvoru
Pro nasátí objemového množství QS vyjdeme z optimální sací rychlosti cs. Pro stanovení světlosti potrubí se doporučuje při normálním tlaku v potrubí rychlost do 20 m/s.
Požadované rozměry sacího otvoru vypočteme následujícím způsobem:
Pochopitelně sací otvor nebude mít délku L, ale bude o něco kratší. Pro návrh toto můžeme použít. Po stanovení šířky sacího otvoru můžeme provést kontrolu, zda jsou rozměry navrženého otvoru vhodné.
Výpočet síly působící na hřídel v důsledku rozdílu tlaku na sání a výtlaku
Při tomto výpočtu vyjdeme z následujícího vztahu:
Návrh základních rozměrů s využitím doporučených poměrných hodnot
Při návrhu základních rozměrů je možno vycházet z následujících doporučených hodnot:
Pro zjednodušení úprav označíme poměrné hodnoty následujícím způsobem:
Další hodnoty volíme s ohledem na doporučené koeficienty k1 , k2 a k3.
Kapitola 4: Cvičení
- Zpracujte rozměrový a pevnostní výpočet pro plunžrový kompresor dle zadání. K výpočtu použijte MS Excel. Zadání: dle vyučujícího
- Pomocí programu Inventor zpracujte 3D model sestavy plunžrového kompresoru a výkres sestavení.
Kapitola 5: Kontrolní otázky
- K jakému účelu se využívají plunžrové kompresory?
- Jakou funkci plní ve stroji excentr?
- Jakým způsobem je chlazeno těleso?
Kapitola 6: Autotest
- Jaký ventil mají plunžrové kompresory?
- Jakým způsobem je plunžrový kompresor chlazen?
- Která část stroje zajišťuje plynulé nasávání a vytláčení vzduchu z pracovního prostoru?
- Jakým způsobem je zpětně přitláčen výtlačný ventil u plunžrového kompresoru?
- Jaký způsobem je na excentru umístěn píst (u plunžrového kompresoru)?
Lekce 2: Šestiválcový kompresor
Tato lekce popisuje základní postup při návrhu a konstrukci šestiválcového pístového kompresoru. Vychází z modulu pístové stroje - lekce Pístový kompresor.
Kapitola 1: Princip funkce stroje a jeho použití
Kompresory jsou stroje, které slouží k stlačování plynů a par. Pístové kompresory dosahují středních a vysokých výtlačných tlaků. Přitom se používají i pro velké objemové průtoky.
Rozděleni kompresorů na základě velikosti vstupního a výstupního tlaku
Vývěvy - jsou kompresory, které nasávají při tlaku nižším než je tlak barometrický a výtlačný tlak je blízký tlaku barometrickému.
Dmychadla - jsou kompresory, které nasávají při tlaku nižším než je tlak barometrický a výtlačný tlak je vyšší než je tlak barometrický (cca 0,3 MPa).
Kompresory - jsou stroje, které nasávají při barometrickém tlaku a výtlačný tlak je značně vyšší než 0,3 MPa.
Podle počtu stupňů je dále dělíme na jednostupňové a vícestupňové.
Pracovní oběh pístového kompresoru
Je dán vratným pohybem pístu, který postupně plyn nasává, stlačuje a vytlačuje.
S pojmy jako pracovní diagram kompresoru, atd. se blíže seznámí student v dalších předmětech (Stavba a provoz strojů, Mechanika, Fyzika).
Uspořádání kompresorů
Jednostupňové kompresory se používají pro menší objemové průtoky, konstruují se většinou jako stojaté jednoválcové stroje. Pro střední průtoky se používají stojaté víceválcové stroje. Větší jednostupňové stroje mohou mít koncepci válců řadových nebo řadových do V nebo W. Existuje široká možnost řešení základní koncepce stroje.
S dalšími hlavními komponenty, jako jsou rozvody kompresorů (ventily, případně způsoby ovládání ventilů) se seznámí student v předmětu Stavba a provoz strojů, či ve vhodné studijní literatuře.
Obrázek: Schéma šestiválcového jednostupňového pístového kompresoru
Kapitola 2: Popis základních částí stroje
Obrázek: Šestiválcový kompresor - popis 1
Obrázek: Šestiválcový kompresor - popis 2
Obrázek: Šestiválcový kompresor - řez příčný
Obrázek: Šestiválcový kompresor - řez podélný
Obrázek: Šestiválcový kompresor - uspořádání válců
Obrázek: Šestiválcový kompresor - klikový mechanismus
Obrázek: Šestiválcový kompresor - klikový hřídel, ojnice
Obrázek: Šestiválcový kompresor - klikový hřídel
Obrázek: Šestiválcový kompresor - ojnice
Kapitola 3: Návrh základních rozměrů pracovních částí
Objemová účinnost
Obrázek: Teoretický diagram kompresoru
Výpočet hlavních rozměrů a příkonu stroje
Dosadíme a upravíme základní vzorec:
Z této rovnice vypočteme průměr pístu D a dle vhodné velikosti těsnících kroužků zvolíme vhodnou velikost. Při výpočtu je nutno dodržet dosazení hodnot ve správných jednotkách. Doporučujeme proto z vypočtených rozměrů D a L přepočítat, zda čerpané množství bude odpovídat požadavku zadání.
Z uvedených a zvolených údajů můžeme odvodit průměr pístu a tím upřesnit či potvrdit původní volbu:
Výkon kompresoru
Plocha diagramu Q-p výkonnostního diagramu odpovídá výkonu kompresoru. Určí se ze vzorce:
Obrázek: Hodnoty poměru λ = L/D
Obrázek: Střední pístová rychlost cs (m/s)
Příklad
V dalším textu se seznámíte s konstrukčním řešením víceválcového pístového kompresoru včetně ukázky výpočtu v programu EXCEL.
Program výpočtu:
Výpočet:
Kapitola 4: Cvičení
- Navrhněte pomocí programu Microsoft Excel základní rozměry pracovních částí šestiválcového pístového kompresoru dle zadání. Zadání: QVOL (m3/s) = 0,003, ps (MPa) = 0,1, pv (MPa) = 0,3, i = 6
- Vytvořte pomocí programu Inventor 3D model sestavy šestiválcového pístového kompresoru dle zadání.
Kapitola 5: Kontrolní otázky
- K jakému účelu kompresory slouží?
- Jak lze charakterizovat rozdíl mezi vývěvou a dmychadlem?
- Co je to kompresní poměr?
Kapitola 6: Autotest
- Jaká koncepce řazení válců se používá u větších jednostupňových kompresorů?
- Pro jaké průtoky se používají dvoustupňové kompresory?
- V jakém rozsahu se pohybuje hodnota poměrné velikosti škodného (mrtvého) prostoru u víceválcového kompresoru?
- Jakým písmenem řecké abecedy označujeme kompresní poměr?
- Jaký poměr určuje hodnota lambda - poměr zdvihu?
Lekce 3: Vodokružný kompresor
Tato lekce popisuje základní postup při návrhu a konstrukci kapalinokružného kompresoru.
Kapitola 1: Princip funkce stroje a jeho použití
Kapalinokružné kompresory a vývěvy (zvané také kompresory s kapalinovým pístem) mají některé neobyčejně cenné provozní přednosti, oproti jiným druhům kompresorů. Jsou konstrukčně velmi jednoduché a opotřebení u nich podléhají jen hřídel, a ucpávky. Vyznačují se proto dlouhou životností. Při minimálních nárocích na obsluhu jsou provozně velmi spolehlivé. Hodí se pro nejtěžší provozní podmínky.
Stlačování probíhá v kapalinokružných kompresorech téměř izotermicky. Jsou proto vhodné pro stlačování plynů náchylných za zvýšené teploty k nebezpečnému rozpadu, jako např. acetylen, sirouhlík, sirovodík apod. nebo pro stlačování plynu za vyšších teplot polymerizujících. Osvědčují se také při stlačování vlhkých nebo znečištěných či silně agresivních plynů, neboť uvnitř stroje nedochází ke styku mezi kovem rotoru a válce. Současně může kapalinokružný stroj sloužit jako mokrá pračka stlačovaného media.
Kompresory nepotřebují žádné vnitřní mazání a dodávají plyn neznečištěným olejem, zbavený prachu a chladný. Vzduch jimi stlačený může být použit přímo k míchání, čeření, přečerpávání různých kapalin v potravinářském nebo chemickém průmyslu, bez předchozí filtrace a chlazení v dochlazovači.
Vodokružné stroje vytlačují plyn kontinuálně, v jejich potrubí nevznikají rušivé pulsace. Nevyvolávají žádný nadměrný hluk.
Nedostatkem kapalinokružných kompresorů je nízká izotermická účinnost, dosahující při dopředu zakřivených lopatkách 30 – 40 %, jen u největších strojů 48 – 52 %. Další nevýhodou je, že spotřeba pracovní kapaliny je větší, než u jiných druhů kompresorů, zato spotřeba oleje při použití valivých ložisek vůbec odpadá a jinak je velmi malá.
Kapalinokružné stroje se stavějí pro nasáté objemy 12 – 10 000 m3/h v jednostupňovém provedení do tlaku 0,2 MPa, ve zvláštních případech vyššího počátečního tlaku až do 1,0 MPa. V třístupňovém uspořádání jsou vhodné pro tlaky až 2,0 MPa. Teoretické vakuum dosažitelné kapalinokružnými vývěvami je dáno tlakem syté páry při provozní teplotě pracovní kapaliny vytvářející těsnící prstenec.
Jednostupňovými kapalinokružnými vývěvami lze dosáhnout 95 % teoretického vakua, dvoustupňovými 97 %. Zlepšení vakua lze přivodit nahrazením vody jako těsnící kapalinou s nízkým napětím par při provozní teplotě. Při vysokém vakuu však mají vodokružné vývěvy velkou měrnou spotřebu energie. Nejhospodárněji pracují v oblasti sacího tlaku 10 až 40 kPa. Závěrný tlak při studené pracovní kapalině se blíží 2 kPa.
Nejmenší vodokružné stroje pracují až se 3500 ot/min, největší s 250 ot/min. Spodní hranici otáček u vývěv představují otáčky, při nichž by došlo k poruše vodního sloupce, horní hranice je dána časem potřebným pro urychlení plynu k jeho výstupu výtlačným otvorem. Mohou být poháněny rychloběžnými motory buď přímo nebo převodem klínovými řemeny a vyznačují se malými rozměry a malou hmotou.
Popis stroje
Způsob práce kapalinokružných strojů
Kapalinokružné kompresory mají ve své nejjednodušší podobě válec kruhového průřezu a rotor výstředně uložený ve válci naplněném částečně pracovní kapalinou. Při roztáčení rotoru se uvede kapalina do pohybu a vlivem odstředivé síly vytváří prstenec sledující vnitřní obrys válce. V místě, kde je náboj nejblíže ke stěně válce, přimyká se k němu kapalinový prstenec. Na protilehlém místě je prstenec od náboje nejvíce vzdálen a z celého rotoru zůstanou v tomto místě do prstence ponořeny jen špičky lopatek. Srpovitý prostor mezi rotorem a kapalinovým prstencem je rozdělen lopatkami do několika částí – komůrek, které se při otáčení zpočátku zvětšují a pak opět zmenšují. Při zvětšování objemu komůrek se do nich nasává plyn, při jeho zmenšování se plyn stlačuje a vytlačuje. Plyn do válce vstupuje a z něho vystupuje otvory ve víkách uzavírajících z obou stran válec. V místě největšího vynoření lopatek z kapalinového prstence, tj. na konci saní plynu, se přivede do válce i potřebné množství pracovní kapaliny, která nahrazuje kapalinu strhovanou s vytlačovaným plynem do výstupního otvoru. Voda se ohřívá kompresním teplem stlačovaného plynu, vířením vyvolaným lopatkami a třením v ucpávkách. V odlučovači zařazeném do výtlačného potrubí se kapalina odloučí od plynů a vede se do odpadu nebo po ochlazení se vrací zpět do kompresoru. Uzavřený oběh chladicí kapaliny se volí např. tehdy, když by byl na závadu plyn absorbovaný v odpadní vodě nebo u menších vývěv potřebující jen malé množství vody, která se samovolně ochladí odvodem tepla do okolí.
Vlastní stroj se skládá ze statorové části stroje. V této části je výstředně umístěn rotor, který se skládá z hřídele stroje, na níž je uchyceno oběžné kolo. Oběžné kolo je opatřeno lopatkami, které jsou ve většině případů zahnuté dopředu. Souvisí to s rozdělením složek statického a dynamického tlaku. U lopatky zahnuté dopředu je dynamická složka tlaku větší než statická, což způsobí hladší hladinu kapaliny, která rotuje ve vnitřním prostoru stroje. Rotací oběžného kola dojde k unášení kapaliny, která se nachází ve vnitřním prostoru statorové části. Tato se vlivem odstředivé síly rovnoměrně rozloží na povrchu statorové části a mezi nábojem oběžného kola, jednotlivými lopatkami a vlastním tělem statoru, vzniknou oddělené komůrky s proměnlivým vnitřním objemem.
Při jejich otáčení dochází k oddalování kapalinného prstence k náboji kola, a tím se zvětšuje vnitřní objem komůrky. Tím také klesá tlak plynu, který je v tomto prostoru. Pokud bude komůrka spojena se sacím traktem stroje, bude do tohoto prostoru nasávat plyn.
V opačném případě dochází naopak k přibližování kapalinného prstence k náboji kola, a tím se zmenšuje vnitřní objem komůrky. Tím také vzrůstá tlak plynu, který je v tomto prostoru. Pokud bude komůrka spojena s výtlačným traktem stroje, bude do tohoto prostoru vytláčet plyn.
Na obrázcích je znázorněna poloha hladiny při rotaci oběžného kola v v jeho klidu. Vzhledem k tomu, že při rozběhu oběžného kola při zavodněném stroji může vlivem nárazu lopatky o hladinu dojít k jejímu poškození, probíhá rozběh stroje bez pracovní kapaliny. K vypuštění kapaliny slouží samočinný ventil, který je umístěn na víku stroje. Je spojen se sacím traktem, takže při vytvoření podtlaku je ventil uzavřen. Při zastavení stroje dojde k samočinnému otevření ventilu v důsledku hydrostatického tlaku sloupce kapaliny v tělese stroje.
Obrázek: Poloha hladiny při rotaci oběžného kola a v jeho klidu
Jsou využívány dva základní systémy přívodu a odvodu komprimovaného plynu, a to boční rozvod a středový rozvod.
Obrázek: Boční a středový rozvod
Boční rozvod se používá pro menší stroje, středový rozvod se používá pro velké stroje (od nasávaného množství 1 m3/s), které jsou využívány v papírenském průmyslu.
Na řezu je zobrazeno základní uspořádání vodokružného stroje. Plyn se stlačuje uvnitř kapalinokružného kompresoru, proto je to stroj s vnitřní kompresí. Zároveň je kapalinokružný kompresor kompresorem s vestavěnou kompresí, neboť tlak v komůrce, těsně před jejím otevřením, je závislý na geometrii kompresoru, tj. na poměru objemu komůrky k jejímu objemu na konci sání.
Stálost kompresního poměru, daná vzájemnou polohou sacího a výtlačného otvoru, je na závadu u kompresorů pracujících s proměnlivým skutečným poměrem výtlačného tlaku k tlaku sacímu. Při skutečném kompresním poměru, nižším než poměr vestavěný, to vede k mrhání energie, popř. u vývěv k velkému namáhání celého stroje. Podobně jako u křídlových kompresorů se tento nedostatek odstraňuje vestavěním samočinných ventilů před výtlačný otvor. Přestoupí-li tlak ve stroji tlak výtlačný, otevře se malým vzniklým přetlakem ventil a plyn se vytlačí z válce, aniž dojde k překomprimování, které by u vývěv mohlo znamenat namáhání hřídele a ložisek. Při nízkém kompresním poměru se však výtlačné ventily na kapalinokružném stroji nepoužívají, neboť potřebné kanály ve víkách komplikují konstrukci, a tím zdražují stroj. Nejčastěji se používají ventily kuličkové či membránové.
Popsaný typ vývěv a kompresorů se vstupem a výstupem čely rotoru je zatížen citelnými hydraulickými ztrátami na čelních plochách vík. Určité zlepšení nastane uzavřením rotoru na čelech souvislými kruhovými stěnami a přívodem a odvodem plynu otvory v dutém kuželu se sacími a výtlačnými kanály, na němž se rotor otáčí.
Další zlepšení záleží v tom, že stroj se změní na dvojčinný. Namísto kruhového průřezu u válce se využije průřez přibližně eliptický a rotor se otáčí v ose tohoto válce. Místo jednoho prostoru srpovitého průřezu mezi rotorem a vodním prstencem sledujícím obrys válce se vytvoří takové prostory dva, a proto komůrka mezi dvěma lopatkami rotoru a vodním prstencem se naplní plynem a vyprázdní dvakrát během jedné otáčky. Stoupne tím nejenom stlačované množství plynu, ale zlepší se i energetické účinnosti stroje mezi jiným i tím, že se navzájem ruší síly působící radiálně na hřídel a do značné míry se odlehčí ložiska. Konstrukce hřídele i ložisek vyjde lehčí a menší je i průměr ucpávek. Výhody dvojčinné konstrukce se projeví hlavně u kompresorů pracujících s vyššími tlaky nebo zpracovávajících velká množství plynu.
Kapitola 2: Popis základních částí stroje
Obrázek: Sestava vodokružného kompresoru
Obrázek: Řez vodokružným kompresorem
Obrázek: Rozváděcí deska s membránovým výtlačným ventilem
Obrázek: Rotor hydraulické části
Obrázek: Rotor hydraulické části v řezu
Obrázek: Rotor magnetické spojky
Obrázek: Oběžné kolo
Obrázek: Rozváděcí deska - přední strana
Obrázek: Rozváděcí deska - zadní strana
Obrázek: Vstupní a výstupní těleso
Kapitola 3: Návrh základních rozměrů pracovních částí
Obrázek: Schéma vodokružné vývěvy s popisem
Výpočet hlavních rozměrů.
Pro předběžné stanovení hlavních rozměrů je možno použít zjednodušený výpočet pro stanovení odsávavaného množství.
Existuje řada doporučení, co se týká poměru základních rozměrů vůči sobě. Tato doporučení budou uvedena v příslušném textu, kde budou součástí výpočtu, či vysvětlujícího textu.
Vlastní stroj se skládá ze statorové části stroje. V této části je výstředně umístěn rotor, který se skládá z hřídele stroje, na níž je uchyceno oběžné kolo. Oběžné kolo je opatřeno lopatkami, které jsou ve většině případů zahnuté dopředu. Souvisí to s rozdělením složek statického a dynamického tlaku. U lopatky zahnuté dopředu je dynamická složka tlaku větší než statická, což způsobí hladší hladinu kapaliny, která rotuje ve vnitřním prostoru stroje. Rotací oběžného kola dojde k unášení kapaliny, která se nachází ve vnitřním prostoru statorové části. Tato se vlivem odstředivé síly rovnoměrně rozloží na povrchu statorové části a mezi nábojem oběžného kola, jednotlivými lopatkami a vlastním tělem statoru vzniknou oddělené komůrky s proměnlivým vnitřním objemem.
Při jejich otáčení dochází k oddalování kapalinného prstence k náboji kola, a tím se zvětšuje vnitřní objem komůrky. Tím také klesá tlak plynu, který je v tomto prostoru. Pokud bude komůrka spojena se sacím traktem stroje, bude do tohoto prostoru nasávat plyn.
V opačném případě dochází naopak k přibližování kapalinného prstence k náboji kola, a tím se zmenšuje vnitřní objem komůrky. Tím také vzrůstá tlak plynu, který je v tomto prostoru. Pokud bude komůrka spojena s výtlačným traktem stroje, bude do tohoto prostoru vytláčet plyn.
Kapalinný prstenec tedy působí ve funkci tzv. kapalinného pístu. Vzhledem k tomu, že dochází k přímému kontaktu mezi plynem a kapalinou, dochází také k intenzivnímu přenosu tepla mezi teplejším plynem a chladnější kapalinou. Dá se tedy předpokládat, že děj se velmi blíží izotermickému ději (T1 = T2 = konst.) což přímo předurčuje tyto stroje k použití v případě odsávání plynných složek chemikálií, u kterých nesmí dojít k podstatnému ohřevu kompresním teplem.
Uvedené stroje mohou pracovat nejen jako klasické vývěvy (ps < pbar), ale také jako kompresory. Je však nutno podotknout, že kompresní poměr není velký, π < 2,5 pro dvoustupňové uspořádání stroje.
Výhodou těchto strojů je jejich spolehlivost. Vzhledem k jejich konstrukci nedochází k přímému kontaktu mezi vůči sobě se pohybujícími součástmi. Toho je využíváno při odsávání výbušných směsí, kde by vlivem třeni mezi rychle se pohybujícími součásmi došlo k lokálnímu ohřevu, a tím by mohlo dojít k inicializaci výbuchu. Dále se součásti vyrábějí z materiálů, při kterých by i v případě kontaktu nedošlo ke vzniku jiskření.
Doporučené poměrné koeficienty
Na základě dlouholetých výzkumů byly zjištěny následující doporučené poměrné koeficienty, které umožňují dosáhnutí optimálního návrhu konstrukce.
Po dosazení doporučených koeficientů lze odvodit výraz pro předběžné stanovení rozměrů stroje.
Program výpočtu:
Výpočet:
Je nutno zdůraznit, že výpočet nebývá příliš přesný a v praxi se vychází z dat, která byla získaná pomocí experimentů.
Pro výpočet kompresního výkonu použijeme vzorec pro izotermický výkon.
Kapitola 4: Cvičení
- Navrhněte pomocí programu Microsoft Excel základní rozměry pracovních částí vodokružného kompresoru dle zadání. Zadání: dle vyučujícího
- Vytvořte pomocí programu Inventor 3D model sestavy vodokružného kompresoru dle zadání a zpracujte výkres setavení.
Kapitola 5: Kontrolní otázky
- Jaký je rozdíl mezi kompresorem a vývěvou?
- Jaké jsou výhody kapalinokružných kompresorů?
- Co znamená, že stlačování probíhá v kapalinokružných kompresorech téměř izotermicky?
Kapitola 6: Autotest
- Jak se jinak říká kapalinokružným vývěvám a kompresorům?
- Která z uvedených spojek se používá pro spojení vstupní hřídele a rotoru hydralické části u vodokružného kompresoru?
- Jaký tvar má sací otvor na rozváděcí desce vodokružného kompresoru?
- Jaký výtlačný ventil je použit na rozváděcí desce u vodokružného kompresoru?
- Jaký je vztah mezi poloměrem náboje oběžného kola r a poloměrem kapalinného prstence R?
Lekce 4: Vodokružná vývěva
Tato lekce popisuje základní postup při návrhu a konstrukci vodokružné vývěvy.
Kapitola 1: Princip funkce stroje a jeho použití
Kapalinokružné kompresory a vývěvy (zvané také kompresory s kapalinovým pístem) mají některé neobyčejně cenné provozní přednosti oproti jiným druhům kompresorů. Jsou konstrukčně velmi jednoduché a opotřebení u nich podléhají jen hřídel, ložiska a ucpávky. Vyznačují se proto dlouhou životností. Při minimálních nárocích na obsluhu jsou provozně velmi spolehlivé. Hodí se pro nejtěžší provozní podmínky.
Stlačování probíhá v kapalinokružných kompresorech téměř izotermicky. Jsou proto vhodné pro stlačování plynů náchylných za zvýšené teploty k nebezpečnému rozpadu (např. acetylen, sirouhlík, sirovodík) nebo pro stlačování plynu za vyšších teplot polymerizujících. Osvědčují se také při stlačování vlhkých nebo znečištěných, či silně agresivních plynů, neboť uvnitř stroje nedochází ke styku mezi kovem rotoru a válce a současně může kapalinokružný stroj sloužit jako mokrá pračka stlačovaného media.
Nepotřebují žádné vnitřní mazání a dodávají plyn neznečištěný olejem, zbavený prachu a chladný. Vzduch jimi stlačený může být použit přímo k míchání, čeření, přečerpávání různých kapalin v potravinářském nebo chemickém průmyslu bez předchozí filtrace a chlazení v dochlazovači.
Vodokružné stroje vytlačují plyn kontinuálně, v jejich potrubí nevznikají rušivé pulsace. Nevyvolávají žádný nadměrný hluk.
Nedostatkem kapalinokružných kompresorů je nízká izotermická účinnost dosahující při dopředu zakřivených lopatkách 30 – 40 %, jen u největších strojů 48 – 52 %. Další nevýhodou je, že spotřeba pracovní kapaliny je větší, než u jiných druhů kompresorů, zato spotřeba oleje při použití valivých ložisek vůbec odpadá a jinak je velmi malá.
Kapalinokružné stroje se stavějí pro nasáté objemy 12 – 10 000 m3/h, v jednostupňovém provedení do tlaku 0,2 MPa, ve zvláštních případech vyššího počátečního tlaku až do 1,0 MPa. V třístupňovém uspořádání jsou vhodné pro tlaky až 2,0 MPa. Teoretické vakuum, dosažitelné kapalinokružnými vývěvami, je dáno tlakem syté páry při provozní teplotě pracovní kapaliny vytvářející těsnící prstenec.
Jednostupňovými kapalinokružnými vývěvami lze dosáhnout 95 % teoretického vakua, dvoustupňovými 97 %. Zlepšení vakua lze přivodit nahrazením vody jako těsnící kapalinou s nízkým napětím par při provozní teplotě. Při vysokém vakuu však mají vodokružné vývěvy velkou měrnou spotřebu energie. Nejhospodárněji pracují v oblasti sacího tlaku 10 až 40 kPa. Závěrný tlak při studené pracovní kapalině se blíží 2 kPa.
Nejmenší vodokružné stroje pracují až se 3500 ot/min, největší s 250 ot/min. Spodní hranici otáček u vývěv představují otáčky, při nichž by došlo k poruše vodního sloupce. Horní hranice je dána časem, potřebným pro urychlení plynu k jeho výstupu výtlačným otvorem. Mohou být poháněny rychloběžnými motory buď přímo nebo převodem klínovými řemeny. Vyznačují se malými rozměry a malou hmotou.
Popis stroje
Způsob práce kapalinokružných strojů
Kapalinokružné kompresory mají ve své nejjednodušší podobě válec kruhového průřezu a rotor výstředně uložený ve válci naplněném částečně pracovní kapalinou. Při roztáčení rotoru se uvede kapalina do pohybu vlivem odstředivé síly a vytváří prstenec sledující vnitřní obrys válce. V místě, kde je náboj nejblíže ke stěně válce, přimyká se k němu kapalinový prstenec. Na protilehlém místě je prstenec od náboje nejvíce vzdálen a z celého rotoru zůstanou v tomto místě do prstence ponořeny jen špičky lopatek. Srpovitý prostor mezi rotorem a kapalinovým prstencem je rozdělen lopatkami do několika částí – komůrek, které se při otáčení zpočátku zvětšují a pak opět zmenšují. Při zvětšování objemu komůrek se do nich nasává plyn, při jeho zmenšování se plyn stlačuje a vytlačuje. Plyn do válce vstupuje a z něho vystupuje otvory ve víkách uzavírajících z obou stran válec. V místě největšího vynoření lopatek z kapalinového prstence, tj. na konci saní plynu, se přivede do válce i potřebné množství pracovní kapaliny, která nahrazuje kapalinu strhovanou s vytlačovaným plynem do výstupního otvoru. Voda se ohřívá kompresním teplem stlačovaného plynu, vířením vyvolaným lopatkami a třením v ucpávkách. V odlučovači zařazeném do výtlačného potrubí se kapalina odloučí od plynů a vede se do odpadu nebo po ochlazení se vrací zpět do kompresoru. Uzavřený oběh chladicí kapaliny se volí např. tehdy, když by byl na závadu plyn absorbovaný v odpadní vodě nebo u menších vývěv potřebující jen malé množství vody, která se samovolně ochladí odvodem tepla do okolí.
Vlastní stroj se skládá ze statorové části stroje. V této části je výstředně umístěn rotor, který se skládá z hřídele stroje, na němž je uchyceno oběžné kolo. Oběžné kolo je opatřeno lopatkami, které jsou ve většině případů zahnuté dopředu. Souvisí to s rozdělením složek statického a dynamického tlaku. U lopatky zahnuté dopředu je dynamická složka tlaku větší, než statická, což způsobí hladší hladinu kapaliny, která rotuje ve vnitřním prostoru stroje. Rotací oběžného kola dojde k unášení kapaliny, která se nachází ve vnitřním prostoru statorové části. Tato se vlivem odstředivé síly rovnoměrně rozloží na povrchu statorové části a mezi nábojem oběžného kola, jednotlivými lopatkami a vlastním tělem statoru, vzniknou oddělené komůrky s proměnlivým vnitřním objemem.
Při jejich otáčení dochází k oddalování kapalinného prstence k náboji kola, a tím se zvětšuje vnitřní objem komůrky. Tím také klesá tlak plynu, který je v tomto prostoru. Pokud bude komůrka spojena se sacím traktem stroje, bude se do tohoto prostoru nasávat plyn.
V opačném případě dochází k přibližování kapalinného prstence k náboji kola, a tím se zmenšuje vnitřní objem komůrky. Tím také vzrůstá tlak plynu, který je v tomto prostoru. Pokud bude komůrka spojena s výtlačným traktem stroje, bude do tohoto prostoru vytláčet plyn.
Na obrázcích je znázorněna poloha hladiny při rotaci oběžného kola v jeho klidu. Vzhledem k tomu, že při rozběhu oběžného kola při zavodněném stroji může vlivem nárazu lopatky o hladinu dojít k jejímu poškození, probíhá rozběh stroje bez pracovní kapaliny. K vypuštění kapaliny slouží samočinný ventil, který je umístěn na víku stroje. Je spojen se sacím traktem, takže při vytvoření podtlaku je ventil uzavřen. Při zastavení stroje dojde k samočinnému otevření ventilu v důsledku hydrostatického tlaku sloupce kapaliny v tělese stroje.
Obrázek: Poloha hladiny při rotaci oběžného kola a v jeho klidu
Jsou využívány dva základní systémy přívodu a odvodu komprimovaného plynu, a to boční rozvod a středový rozvod.
Obrázek: Boční a středový rozvod
Boční rozvod se používá pro menší stroje, středový rozvod se používá pro velké stroje (od nasávaného množství 1 m3/s), které jsou využívány v papírenském průmyslu.
Na řezu je zobrazeno základní uspořádání vodokružného stroje. Plyn se stlačuje uvnitř kapalinokružného kompresoru, proto je to stroj s vnitřní kompresí. Zároveň je kapalinokružný kompresor kompresorem s vestavěnou kompresí, neboť tlak v komůrce, těsně před jejím otevřením, je závislý na geometrii kompresoru, tj. na poměru objemu komůrky k jejímu objemu na konci sání.
Stálost kompresního poměru daná vzájemnou polohou sacího a výtlačného otvoru je na závadu u kompresorů pracujících s proměnlivým skutečným poměrem výtlačného tlaku k tlaku sacímu. Při skutečném kompresním poměru nižším, než poměr vestavěný, to vede k mrhání energie, popř. u vývěv k velkému namáhání celého stroje. Podobně jako u křídlových kompresorů se tento nedostatek odstraňuje vestavěním samočinných ventilů před výtlačný otvor. Přestoupí-li tlak ve stroji tlak výtlačný, otevře se malým vzniklým přetlakem ventil a plyn se vytlačí z válce, aniž dojde k překomprimování, které by u vývěv mohlo znamenat namáhání hřídele a ložisek. Při nízkém kompresním poměru se však výtlačné ventily na kapalinokružném stroji nepoužívají, neboť potřebné kanály ve víkách komplikují konstrukci, a tím zdražují stroj. Nejčastěji se používají ventily kuličkové, či membránové.
Popsaný typ vývěv a kompresorů se vstupem a výstupem čely rotoru je zatížen citelnými hydraulickými ztrátami na čelních plochách vík. Určité zlepšení nastane uzavřením rotoru na čelech souvislými kruhovými stěnami a přívodem a odvodem plynu otvory v dutém kuželu, se sacími a výtlačnými kanály, na němž se rotor otáčí.
Další zlepšení záleží v tom, že stroj se změní na dvojčinný. Namísto kruhového průřezu u válce se využije průřez přibližně eliptický a rotor se otáčí v ose tohoto válce. Místo jednoho prostoru srpovitého průřezu mezi rotorem a vodním prstencem sledujícím obrys válce se vytvoří takové prostory dva, a proto komůrka mezi dvěma lopatkami rotoru a vodním prstencem se naplní plynem a vyprázdní dvakrát během jedné otáčky. Stoupne tím nejenom stlačované množství plynu, ale zlepší se i energetické účinnosti stroje mezi jiným i tím, že se navzájem ruší síly působící radiálně na hřídel a do značné míry se odlehčí ložiska. Konstrukce hřídele i ložisek vyjde lehčí a menší je i průměr ucpávek. Výhody dvojčinné konstrukce se projeví hlavně u kompresorů pracujících s vyššími tlaky nebo zpracovávajících velká množství plynu.
Kapitola 2: Popis základních částí stroje
Na následujících obrázcích jsou hlavní části kapalinokružné vývěvy.
Obrázek: Kompletní řez vodokružnou vývěvou
Obrázek: Řez vodokružnou vývěvou - uložení
Obrázek: Rotor a jeho uložení
Obrázek: Řez rozváděcí deskou se sacím otvorem
Obrázek: Rozváděcí deska s kuličkovým výtlačným ventilem
Obrázek: Detail rozváděcí desky
Obrázek: Vstupní a výstupní těleso stroje
Obrázek: Oběžné kolo
Kapitola 3: Návrh základních rozměrů pracovních částí
Obrázek: Schéma vodokružné vývěvy s popisem
Výpočet hlavních rozměrů.
Pro předběžné stanovení hlavních rozměrů je možno použít zjednodušený výpočet pro stanovení odsávavaného množství:
Existuje řada doporučení, co se týká poměru základních rozměrů vůči sobě. Tato doporučení budou uvedena v příslušném textu, kde budou součástí výpočtu, či vysvětlujícího textu.
Vlastní stroj se skládá ze statorové části stroje. V této části je výstředně umístěn rotor, který se skládá z hřídele stroje, na níž je uchyceno oběžné kolo. Oběžné kolo je opatřeno lopatkami, které jsou ve většině případů zahnuté dopředu. Souvisí to s rozdělením složek statického a dynamického tlaku. U lopatky zahnuté dopředu je dynamická složka tlaku větší, než statická, což způsobí hladší hladinu kapaliny, která rotuje ve vnitřním prostoru stroje. Rotací oběžného kola dojde k unášení kapaliny, která se nachází ve vnitřním prostoru statorové části. Tato se vlivem odstředivé síly rovnoměrně rozloží na povrchu statorové části a mezi nábojem oběžného kola, jednotlivými lopatkami a vlastním tělem statoru, vzniknou oddělené komůrky s proměnlivým vnitřním objemem.
Při jejich otáčení dochází k oddalování kapalinného prstence k náboji kola, a tím se zvětšuje vnitřní objem komůrky. Tím také klesá tlak plynu, který je v tomto prostoru. Pokud bude komůrka spojena se sacím traktem stroje, bude do tohoto prostoru nasávat plyn.
V opačném případě dochází k přibližování kapalinného prstence k náboji kola, a tím se zmenšuje vnitřní objem komůrky. Tím také vzrůstá tlak plynu, který je v tomto prostoru. Pokud bude komůrka spojena s výtlačným traktem stroje, bude do tohoto prostoru vytláčet plyn.
Kapalinný prstenec tedy působí ve funkci tzv. kapalinného pístu. Vzhledem k tomu, že dochází k přímému kontaktu mezi plynem a kapalinou, dochází také k intenzivnímu přenosu tepla mezi teplejším plynem a chladnější kapalinou. Dá se tedy předpokládat, že děj se velmi blíží izotermickému ději (T1 = T2 = konst.), což přímo předurčuje tyto stroje k použití v případě odsávání plynných složek chemikálií, u kterých nesmí dojít k podstatnému ohřevu kompresním teplem.
Uvedené stroje mohou pracovat nejen jako klasické vývěvy (ps < pbar), ale také jako kompresory. Je však nutno podotknout, že kompresní poměr není veliký π < 2,5 pro dvoustupňové uspořádání stroje.
Výhodou těchto strojů je jejich spolehlivost. Vzhledem k jejich konstrukci nedochází totiž k přímému kontaktu mezi vůči sobě se pohybujících součástí. Toto je zvlášť využíváno při odsávání výbušných směsí, kde by vlivem tření mezi rychle se pohybujícími součástmi došlo k lokálnímu ohřevu, a tím by mohlo dojít k inicializaci výbuchu. Dále se součásti vyrábějí z materiálů, při kterých by i v případě kontaktu nedošlo ke vzniku jiskření.
Doporučené poměrné koeficienty
Na základě dlouholetých výzkumu, byly zjištěny následující doporučené poměrné koeficienty, které umožňují dosáhnutí optimálního návrhu konstrukce.
Po dosazení doporučených koeficientů lze odvodit výraz pro předběžné stanovení rozměrů stroje.
Program výpočtu:
Výpočet:
Je nutno zdůraznit, že výpočet nebývá příliš přesný a v praxi se vychází z dat, která byla získána pomocí experimentů.
Pro výpočet kompresního výkonu použijeme vzorec pro izotermický výkon.
Kapitola 4: Cvičení
- Navrhněte pomocí programu Microsoft Excel základní rozměry pracovních částí vodokružné vývěvy dle zadání. Zadání: dle vyučujícího
- Vytvořte pomocí programu Inventor 3D model sestavy vodokružné vývěvy dle zadání a zpracujte výkres setavení.
Kapitola 5: Kontrolní otázky
- Jaký je rozdíl mezi kompresorem a vývěvou?
- Jaké jsou výhody kapalinokružných vývěv?
- Jaké existují další konstrukční řešení vývěv?
Kapitola 6: Autotest
- Jak se jinak říká kapalinokružným vývěvám a kompresorům?
- Které z uvedených tvrzení není platné?
- Jaké nejvyšší hodnoty teoretického vakua jsme schopni dosáhnout jednostupňovou kapalinokružnou vývěvou?
- Jaký výtlačný ventil je použit na rozváděcí desce u vodokružné vývěvy?
- Jaký je vztah mezi poloměrem náboje oběžného kola r a poloměrem kapalinného prstence R?
Lekce 5: Literatura
- FOŘT, P., KLETEČKA, J. Autodesk Inventor: funkční navrhování v průmyslové praxi. 2. vyd. Brno: Computer Press, 2007. 318 s. ISBN 978-80-251-1773-6.
- KŘÍŽ, R. Stavba a provoz strojů I : části strojů - pro 2. roč. SPŠ. Část 1. 1. vyd. Praha: Scientia, 1995. 92 s. ISBN 80-7183-023-2.
- KŘÍŽ, R. Stavba a provoz strojů I : části strojů - pro 2. roč. SPŠ. Část 2. 1. vyd. Praha: Scientia, 1996. 81 s. ISBN 80-7183-038-0.
- KŘÍŽ, R. Stavba a provoz strojů I : části strojů - pro 2. roč. SPŠ. Část 3. 1. vyd. Praha: Scientia, 1997. 77 s. ISBN 80-7183-039-9.
- KŘÍŽ, R. Stavba a provoz strojů I : části strojů - pro 2. roč. SPŠ. Část 4. 1. vyd. Praha: Scientia, 1997. 65 s. ISBN 80-7183-108-5.
- SKOPAL, V., ADÁMEK, J., HOFÍREK, M. Stavba a provoz strojů 4: Učeb. text pro 4. roč. stř. prům. šk. stroj. Konstrukční uspořádání, provoz a údržba strojů. 2. upr. vyd. Praha: SNTL, 1987.
- Zubové čerpadlo. [online]. cit. [2010-10-23]. Dostupné z: