Kompresor

Mali kompresor u hladnjaku.

Vijčani kompresor zraka.

Klipni dvoradni kompresor sa 6 cilindara.

Dijelovi krilnog kompresora:
1. kućište kompresora
2. rotor
3. krila
4. opruga.

Mehanička lamelna pumpa koja se često koristi kao vakuumska pumpa.

Presjek kroz vijčani kompresor zraka.

Način rada aksijalnog turbokompresora.

Prikaz tipičnog modernog injektora.

Kompresor (njem. Kompressor, prema lat. compressus: stisnut) je stroj ili uređaj za stlačivanje (kompresija) plina ili pare. Omjer početnog i konačnoga tlaka u kompresoru naziva se omjerom ili stupnjem kompresije. Katkad se kompresorima nazivaju samo strojevi i uređaji koji ostvaruju omjer kompresije veći od 1 : 3, dok se oni s omjerom kompresije manjim od toga nazivaju puhalima, a oni s manjim od 1 : 1,1 ventilatorima. Za pogon različitih pneumatskih alata (zubarske bušilice, prskalice za bojenje, pneumatski čekići, industrijske preše) najčešće se stlačuje zrak, dok se u rashladnim procesima (u kućanskim hladnjacima, klimatizacijskim uređajima, industrijskim hladnjačama i drugo) stlačuju pare različitih organskih i anorganskih tvari. Kompresor se koristi i pri prijenosu (transportu) prirodnoga plina cjevovodima, sintezi na primjer vinil-klorida ili amonijaka u kemijskoj industriji, ukapljivanju plinova (na primjer zraka pri dobivanju ukapljenoga dušika i plinovitoga kisika) i drugo. Posebna vrsta kompresora, takozvana vakuumska pumpa, primjenjuje se u vakuumskoj tehnici za proizvodnju žarulja, mikroelektronskih sklopova i drugo.

Kompresor zraka je pneumatski stroj koji služi za pretvorbu mehaničke energije u energiju stlačenog zraka, dok se u pneumatskim motorima obavlja pretvorba energije u suprotnom smjeru. Kompresori zraka i pneumatski motori se bitno ne razlikuju, a konstrukcijski se razlikuju samo u detaljima. Ako se na primjer punjenje i pražnjenje cilindra klipnog motora ili kompresora vrši preko usisnih i ispušnih ventila, motor mora imati mehanizam za prisilno otvaranje/zatvaranje ventila (koljenasto ili bregasto vratilo), dok je kod kompresora moguće samoradno pokretanje ventila (pomoću samog tlaka zraka u cilindru). Često isti stroj može raditi kao kompresor ili motor, zavisno od ugradnje, odnosno povezivanja u sustav.

Vrste kompresora zraka

Prema načinu rada kompresori mogu biti volumetrički, strujni i mlazni. U pneumatici se gotovo isključivo koriste volumetrički kompresori. Njihov način rada zasniva se na radnoj komori promjenljivog obujma (npr. cilindar s klipom). Smanjenjem obujma radne komore smanjuje se i volumen zraka u njoj, što uzrokuje odgovarajući prirast tlaka zraka.

Podjela volumetričkih kompresora:

• Klipni kompresori:
  • mehanizam: koljeničasti, radijalni, aksijalni ili kulisni,
  • jednostupanjski ili višestupanjski,
  • jednoradni ili dvoradni,
  • vertikalni ili vodoravni,
  • mobilni ili stacionarni (za veće kapacitete).
• Rotacijski kompresori:
  • krilni,
  • vijčani,
  • zupčasti,
• Membranski kompresori.

Strujni ili turbokompresori se dijele na radijalne i aksijalne turbokompresore. Općenito radijalni turbokompresori postižu veći tlak i manji protok nego aksijalni.

Volumetrički ili stapni kompresori

Volumetrički ili stapni kompresori svoj učinak ostvaruju periodičkim povećavanjem i smanjivanjem radnoga prostora, a osnovne su faze rada usisavanje plina ili pare, njihova kompresija i istiskivanje. Izvode se s oscilirajućim ili s rotirajućim potisnim elementima (stapom ili rotorom). U kompresoru s oscilirajućim stapom valjkasti se stap pravocrtno (linearno) giba u cilindru naizmjence u jednom pa u drugom smjeru, smanjujući tako i povećavajući radni volumen, dok rotorni kompresor taj učinak ostvaruje rotacijom jednog ili dvaju rotora unutar statora. Prema obliku rotora i načinu njegova gibanja, rotorni kompresori mogu biti lamelni, vijčani ili ekscentrični. Većina se volumetričkih kompresora oprema usisnim i tlačnim samoradnim ventilima, kojima se radni medij u određenim vremenskim razmacima pušta u radnu komoru i ispušta iz nje. Ventili se, zbog promjena tlaka, otvaraju i zatvaraju automatski. Namještanjem tlaka pri kojem će se pojedini ventil otvoriti, odnosno zatvoriti, određuje se i omjer kompresije, koji kod tih kompresora obično iznosi između 1 : 5 i 1 : 10. Za veće omjere primjenjuje se stupnjevana kompresija serijskim povezivanjem dvaju ili više kompresora. Tako se mogu postići tlakovi i od nekoliko tisuća bara. Neki rotorni kompresori grade se bez samoradnih ventila (na primjer vijčani), pa im je omjer kompresije nepromjenljiv, zadan izmjerama i oblikom rotora i statora. Volumetrički se kompresori primjenjuju onda kada je potrebno ostvariti velike omjere kompresije uz male dobave (stlačeni volumen u jedinici vremena). Obično su pogonjeni električnim ili dieselovim motorom.

Klipni kompresor

Cilindar jednoradnog klipnog kompresora puni se i prazni samo s jedne strane klipa. Pri hodu klipa prema dolje, cilindar se puni kroz usisni ventil (takt usisa), dok se pri kretanju u suprotnom smjeru zrak tlači kroz tlačni ventil (takt tlačenja). Klipni kompresor obično pretvara pravocrtnog gibanje klipa u kružno gibanje pomoću mehanizma s koljenčastim vratilom. Dvoradni cilindri usisavaju i tlače zrak s obje strane klipa.

U višestupanjskim kompresorima zrak se uzastopno tlači u većem broju cilindara kroz koje prolazi (serijski spoj). Jednostupanjski kompresori koriste se za povećanje tlaka do 4 bar, dvostupanjski do 15 bar, a višestupanjski za veće tlakove. Zbog mogućnosti zapaljenja kompresorskog ulja, izlazna temperatura zraka ne smije prelaziti 200 ºC.

Krilni kompresor

Kod krilnih kompresora zrak zarobljen u volumenu između krila, statora i rotora tlači se smanjenjem tog volumena prilikom rotacije rotora postavljenog ekscentrično u odnosu na os statora. Promjenom ekscentriciteta moguće je regulirati protok.

Vijčani kompresor zraka

Vijčani kompresori zraka nešto su skuplji i imaju lošiji stupanj korisnog djelovanja, a prednost im je dugi vijek trajanja i mali troškovi održavanja. Tlačni mehanizam je spregnuti vijčani par koji se okreće u međusobno suprotnim smjerovima. Radne komore stvaraju se između vijaka i statora. Zrak se kontinuirano usisava na jednoj strani vijka (komore se otvaraju) i tlači na suprotnoj strani (komore nestaju).

Zupčasti kompresor zraka

Zupčasti kompresori zraka imaju sličan način rada kao i vijčani. Radni mehanizam je jedan par zupčanika koji su u zahvatu, pa se okreću u međusobno suprotnim smjerovima. I ovdje se radne komore stvaraju između rotora i statora, na strani na kojoj zubi izlaze iz zahvata otvara se i puni uvijek nova radna komora (usis), a na suprotnoj strani, ulaskom zuba u zahvat, komora nestaje.

Strujni kompresori ili turbokompresori

Strujni kompresori ili turbokompresori imaju brzorotirajuće rotore s radijalnim ili aksijalnim kanalima (radijalni ili aksijalni turbokompresori). Plin ili para neprekidno se dovode u kanale rotora, gdje se zbog rotacije znatno ubrzavaju i odvode u difuzorske kanale statora, u kojima se njihova kinetička energija pretvara u potencijalnu energiju tlaka. Prirast tlaka po pojedinom paru rotora i statora relativno je malen (posebice u aksijalnom turbokompresoru) pa se kompresija redovito obavlja u nekoliko stupnjeva. Takvi se kompresori primjenjuju onda kada su potrebni manji omjeri kompresije uz veliku dobavu, na primjer u prijenosu (transportu) prirodnoga plina (radijalni turbokompresor), u mlaznim motorima zrakoplova (aksijalni turbokompresor). Osim električnim ili Dieselovim motorima, mogu biti pogonjeni i plinskim ili parnim turbinama.

Mlazni kompresori

Mlazni kompresori nemaju pokretnih dijelova, pa se, za razliku od drugih, odlikuju niskim troškovima nabave i održavanja, ali imaju manju energetsku učinkovitost, to jest malen stupanj djelovanja. Za pogon koriste visokotlačnu paru ili plin koji, strujeći Lavalovom sapnicom, ekspandiraju i postižu nadzvučnu brzinu strujanja (Gustaf de Laval). Taj mlaz svoju kinetičku energiju predaje plinu ili pari koje usisava u komoru za miješanje. Smjesa se odvodi u difuzor, gdje se njezina kinetička energija, zbog proširenja na kojem joj opada brzina strujanja, pretvara u potencijalnu energiju tlaka. Mlazni kompresor koji služi kao vakuumska pumpa, to jest koji usisava medij i stlačuje ga na tlak okoline, naziva se ejektorom, a onaj koji usisani medij komprimira na tlak veći od tlaka okoline injektorom.

Fizikalne osnove pneumatskog sustava

Objašnjenje predtlaka, podtlaka i vakuuma.

Termodinamičke osnove

Normalno stanje plina je stanje pri standardnoj temperaturi t = 0 ºC i apsolutnom tlaku p = 1,01325 bar (standardni atmosferski tlak). Pri normalnom stanju, suhi zrak ima sljedeća svojstva:

• R = 287,1 J/kgK plinska konstanta,
• к = 1,4 eksponent izentrope,
• c_v = 722 J/kgK specifična toplinski kapacitet zraka (pri konstantno volumenu),
• c_p = 1011 J/kgK specifična toplinski kapacitet zraka (pri konstantnom tlaku),
• ρ = 1,293 kg/m³ gustoća,
• μ = 17,5٠10-6 kg/ms dinamička viskoznost.

Apsolutni i manometarski tlak

Apsolutni tlak p je normalno naprezanje kojem su podvrgnuta plinovita i kapljevita tijela (fluidi) uslijed mehaničkog djelovanja čestica tih tijela (sudaranje molekula). Ovom naprezanju podvrgnute su i sve čvrste površine uronjene u fluid.

Atmosferski tlak ili barometarski tlak p_a je apsolutni tlak okolnog atmosferskog zraka koji zavisi od geodetske visine i meteoroloških uvjeta.

Manometarski tlak p_M dobije se tako da se od vrijednosti apsolutnog tlaka p u nekom fluidu računski oduzme vrijednost atmosferskog tlaka p_a, pa vrijedi:

$p_{M}=p-p_{a}$

ili očitavanjem odgovarajućeg manometra. Manometar je instrument za mjerenje tlaka koji u suštini mjeri razliku tlaka između dva fluida: u ovom slučaju između mjerenog fluida i okolnog atmosferskog zraka).

U slučaju p > p_a dobiva se pozitivna vrijednost manometarskog tlaka (p_M > 0) koji se tada naziva pretlak. Ako je p < p_a, manometarski tlak poprima negativnu vrijednost (p_M < 0) i tada se naziva podtlak. Apsolutna vrijednost podtlaka naziva se vakuum p_V (p_V = -p_M > 0) i često se izražava u postocima atmosferskog tlaka (p_V% = -p_M / p_a •100%).

Treba naročito naglasiti da je u pneumatici i hidraulici uobičajeno koristiti naziv tlak i oznaku p za pretlak. Zato je pri računanju s tlakom uvijek potreban izvjestan oprez. U termodinamičkim relacijama pojavljuje se gotovo isključivo apsolutni tlak. Kod određivanja sile tlaka na površinu mjerodavna je razlika tlaka na obje strane te površine. Zato se može koristiti pretlak, a to je i pogodnije ako na jednoj strani površine djeluje atmosferski tlak. U Bernoullijevoj jednadžbi tlak se pojavljuje na obje strane jednadžbe, pa jednadžba u istom obliku vrijedi kako za apsolutni tlak, tako i za pretlak.