Compresor cu piston

Compresor cu piston cu 6 cilindri, putând funcționa cu 2, 4 sau 6 cilindri

Un compresor cu piston este un compresor volumic care folosește pistoane în mișcare liniară alternativă, acționate de un arbore cotit pentru a furniza gaze la presiune ridicată. Se pot produce compresoare cu piston cu mai multe trepte, care pot realiza presiuni până la 1000 bar.

Cumpresoarele cu piston pot realiza rapoarte de comprimare mari, însă debite de gaz comprimat mai mici decât compresoarele centrifugale. Debitul de gaz furnizat de un compresor trebuie să corespundă celui cerut de consumator, lucru care se obține prin reglarea compresorului.

O variantă a compresorului cu piston este compresorul cu diafragmă.

Compresoarele cu piston sunt folosite de exemplu în sistemele de frânare cu aer comprimat ale vehiculelor feroviare și rutiere, în transportul gazelor prin conducte, în instalații de refrigerare, în industrie și la acționarea uneltelor pneumatice.

Descriere

Schema unui compresor cu piston. 1 - piston, 2 - apațiu de lucru, 3 - segment de etanșare, 4 - supapă de aspirație, 5 - supapă de refulare.

Un compresor cu piston este un compresor mecanic volumic, adică unul în care comprimarea gazului se realizează prin reducerea mecanică a volumului unui spațiu de lucru. El este utilizat pentru furnizarea de gaze de joasă, medie sau înaltă presiune. Realizează acest lucru folosind pistoane acționate de un arbore cotit.

Construcția unui compresor cu piston se aseamănă cu cea a unui motor cu ardere internă, însă din punct de vedere energetic funcționarea este inversată: motorul produce lucru mecanic sub forma rotației arborelui cotit, prin arderea unui combustibil, în timp ce compresorul consumă lucrul mecanic al mișcării de rotație al arborelui pentru a produce gaz comprimat cu energia internă definită prin presiunea și temperatura sa.

Gazul intră în galeria de aspirație, apoi în cilindrul de comprimare, unde este comprimat de un piston aflat într-o mișcare rectilinie alternativă realizată de un mecanism bielă-manivelă antrenat de un arbore cotit și apoi este refulat.

Clasificare

După modul în care pistonul comprimă gazul, un compresor cu piston poate fi:

• cu simplu efect, la care comprimarea gazului se face pe o singură față a pistonului, într-un singur spațiu de lucru;
• cu dublu efect, la care comprimarea gazului se face alternativ pe ambele fețe ale pistonului, în două spații de lucru în care, simultan într-o cursă a pistonului, într-unul se face aspirația gazului iar în celălalt se face comprimarea și refularea;
• diferențial, la care pistonul are două părți de diametre diferite, la fel și cilindrul în care se mișcă, delimitând două spații de lucru, care formează două trepte, cu presiuni diferite;
• compound, care au două sau mai multe trepte, comprimarea realizându-se de către mai multe pistoane, fiecare în alt cilindru.

După raportul de comprimare compresoarele cu piston pot fi:

• de joasă presiune, unde raportul de comprimare este de 3–4; de obicei sunt compresoare cu o singură treaptă (monoetajate);
• de presiune medie, unde raportul de comprimare este de 4–50; de obicei sunt compresoare cu două-trei trepte;
• de presiune înaltă, unde raportul de comprimare este de 50–350; sunt compresoare cu mai multe trepte (multietajate);
• de presiune foarte înaltă, unde raportul de comprimare este 350–1000; sunt compresoare multietajate speciale.

Istoric

Brevet al unui compresor cu cilindri în linie și acțiune simplă, al A & Z Daw, din 1902

Primele compresoare cu piston au fost compresoare cu dublă acțiune, în care pistonul unic nu comprima direct aerul, ci deplasa o masă de apă din cilindru. Această apă, pusă în mișcare de piston, acționa ea însăși ca un piston, mișcându-se alternativ în interiorul spațiului de lucru, comprimând astfel aerul din aceștia; de exemplu compresorul Sommeiller. Apa realiza etanșarea, nepermițând scăpările de aer. Supapele de aspirație și de refulare, la fel ca etanșările (segmenții) pistonului, erau cel mai adesea fabricate din piele, similar cu pompele de bicicletă.

Ciclul teoretic al compresorului cu piston cu spațiu mort

Ciclul teoretic al unui compresor cu piston cu spațiu mort

Ciclul unui compresor cu piston are patru faze, parcurse în sens invers acelor de ceasornic (deci este un ciclul „generator”). În continuare, în articol se vorbește, intuitiv, de aer ca agent de lucru, dar descrierile sunt valabile pentru orice alt gaz sau vapori:

• Faza de aspirație: Pe măsură ce pistonul se deplasează dinspre punctul mort interior (PMI) spre punctul mort exterior (PME) volumul spațiului de lucru crește. Faza începe când depresiunea rezultată în camera de lucru aspiră aerul din galeria de aspirație prin supapa de aspirație, care se deschide automat datorită acestei depresiuni, deoarece este de fapt o supapă de reținere (de sens unic). Supapa de refulare este închisă, fiind și ea o supapă de reținere. Faza se încheie la sfârșitul cursei, când pistonul este în PME. Din punct de vedere termodinamic aspirația ideală este un proces izobar, la presiunea din galeria de aspirație.

• Faza de comprimare: Când pistonul începe deplasarea spre PMI, aerul din interior este comprimat din cauza reducerii volumului spațiului de lucru, iar presiunea sa crește. Supapa de aspirație se închide, conform funcției sale de reținere. Faza se încheie la atingerea presiunii din conducta de refulare. Din punct de vedere termodinamic comprimarea ideală este un proces izentropic.

• Faza de refulare: Când presiunea din spațiul de lucru depășește presiunea din galeria de refulare, supapa de refulare se deschide automat. Pistonul se deplasează în continuare spre PMI, refulând aerul comprimat. Faza se încheie când pistonul ajunge în PMI. Din punct de vedere termodinamic refularea ideală este un proces izobar, la presiunea din galeria de refulare.

• Faza de destindere: Faza începe în PMI, unde între piston și chiulasă există un mic spațiu, care nu poate fi eliminat, numit spațiu mort, care conține aer comprimat. În relațiile matematice se folosește spațiul mort relativ, care este raportul dintre volumul spațului mort, V_M și volumul cilindreei, V_c:

$\epsilon ={\frac {V_{M}}{V_{c}}}$

La deplasarea pistonului spre PME volumul spațiului de lucru crește, iar aerul din spațiul mort se destinde. Datorită scăderii presiunii, supapa de refulare se închide. Faza se încheie când presiunea din spațiul de lucru scade până la presiunea din galeria de aspirație, iar ciclul se reia. Din punct de vedere termodinamic destinderea ideală este un proces izentropic.

Cele patru faze se petrec în timpul a două curse ale pistonului (un du-te-vino, o rotație a arborelui cotit).

Ciclul real al compresorului cu piston

Diagramă indicată a unui compresor cu piston ridicată experimental. Cifrele sunt dimensiuni (în mm) măsurate pe diagramă, urmând să fie convertite în volume și presiuni. Aria ciclului este măsurată cu planimetrul, gradat în cm². Dreapta orizontală corespunde presiunii atmosferice (de 1 bar). Scara presiunilor este 20 mm/bar. Diagrama este aliniată pe o foaie de matematică cu pătrățele de 5 mm.

Comprimarea și destinderea adiabatică nu pot fi realizate practic. Datorită comprimării, aerul se încălzește și încălzește și compresorul. Ca urmare, în faza de aspirație și la începutul fazei de comprimare aerul se încălzește de la compresor, în timp ce spre sfârșitul comprimării și în timpul refulării compresorul este cel încălzit de către aer. Fenomene similare apar și în faza de destindere. Ca urmare, procesele de comprimare și destindere se desfășoară politropic, cu un coeficient de transformare politropică care poate fi stabilit experimental pentru fiecare compresor.

De asemenea, pentru ca supapele de aspirație și refulare să se deschidă, pe fețele lor trebuie să existe o oarecare diferență de presiune, care să contrabalanseze acțiunea arcurilor care le țin închise în perioadele necesare. Aceste diferențe de presiune modifică presiunile ideale din fazele de aspirație, respectiv refulare, deformând ciclul teoretic.

Aceste transformări din cele patru faze au loc cu creștere de entropie, ca urmare randamentul ciclului real este mai mic decât randamentul ciclului teoretic.

Debitul compresorului cu piston

Debitul volumic al unui compresor ideal (fără spațiu mort) este volumul aerului aspirat și refulat de compresor în unitatea de timp, la parametrii de la aspirație:

${\dot {V}}=V_{c}\,n={\frac {\pi D^{2}}{4}}c\,n\quad [m^{3}/s]$

unde V_c este cilindreea, în [m³],

n este turația, în [rot/s],

D este diametrul pistonului, în [m],

c este cursa pistonului, în [m].

În practică se utilizează frecvent debitul pe minut: ${\dot {V}}_{n}=60\,{\dot {V}}.$

Debitul masic este:

${\dot {m}}={\dot {V}}\,\rho$

unde $\rho$ este densitatea aerului la aspirație.

În cazul compresorului real, debitul este mai mic decât cel al compresorului ideal. Raportul dintre debitul masic real, ${\dot {m}}_{r}$ și cel ideal se numește grad de umplere indicat:

$\lambda _{ui}={\frac {{\dot {m}}_{r}}{\dot {m}}}=1-\epsilon \left(\Pi ^{\frac {1}{n_{2}}}\right)<1$

unde:

$\epsilon$ este

$\Pi =p_{2}/p_{1}$ este raportul dintre presiunea de refulare, p₂, și cea de aspirație, p₁ (v. diagrama ciclului teoretic),

n₂ este coeficientul de transformare adiabatică al destinderii.

Dacă se cunosc coeficienții de transformare politropică ai comprimării și destinderii și diferențele de presiune la aspirație și refulare se poate trasa diagrama p-V a compresorului, din care se poate deduce gradul de umplere. Dacă nu, el se poate deduce din diagrama indicată ridicată experimental. De exemplu, în diagrama experimentală din imaginea de mai sus gradul de umplere indicat este raportul segmentelor de 71 și 85 mm:

$\lambda _{ui}={\frac {71}{85}}=0,835$

Raportul dintre debitul volumic real, ${\dot {V}}_{r},$ și cel ideal (cilindreea) se numește coeficient de debit:

$\lambda ={\frac {{\dot {V}}_{r}}{\dot {V}}}<1$

Coeficientul de debit este ceva mai mic decât gradul de umplere indicat deoarece ține cont și de pierderile datorită regimului termic al compresorului, pierderile prin neetanșeități și cele datorită umidității aerului.

Puterea necesară antrenării compresorului cu piston

Lucrul mecanic indicat, L_i se determină prin planimetrarea ariei ciclului din diagrama indicată. Puterea indicată necesară antrenării compresorului este:

$P_{i}=L_{i}\,n\quad [W]$

Puterea efectivă necesară antrenării compresorului este:

$P_{e}={\frac {P_{i}}{\eta _{m}}}\quad [W]$

unde $\eta _{m}$ este randamentul mecanic al compresorului, care în regim nominal (maxim) este de 0,8–0,98 în funcție de tipul compresorului. La regimuri parțiale acest randament poate scădea mult.

La calculul compresorului real trebuie avut în vedere factorul de compresibilitate.

Compresorul cu piston multietajat

Compresoare orizontale multietajate de foarte înaltă presiune, pe două axe

Compresoarele cu piston care comprimă aerul într-o singură treaptă au o serie de limitări.

Limitarea datorită raportului de comprimare

Cu cât raportul de comprimare (raportul dintre presiunea de refulare, p₂, și cea de aspirație, p₁ (v. diagrama ciclului teoretic) $\Pi =p_{2}/p_{1}$ este mai mare, cu atât refularea începe mai târziu. La raportul critic, presiunea de refulare se atinge abia când pistonul ajunge în PMI, astfel că debitul refulat este nul. Pentru aer, acest raport critic este de c. 50, care este o limită superioară a posibilităților compresoarelor cu piston într-o treaptă.

Limitarea datorită raportului de temperaturi

În timpul comprimării temperatura aerului crește conform procesului politropic:

${\frac {T_{2}}{T_{1}}}=\Pi ^{\frac {n-1}{n}}$

unde n este coeficientul de transformare politropică.

Cilindrul compresorului trebuie uns, la fel ca la motoarele cu piston. Uleiul de ungere se degradează la temperaturi peste 200 °C. Dacă se limitează $T_{2}$ la 470 K (c. 200 °C), temperatura mediului ambiant este de c. 300 K, iar exponentul politropic este 1,4 , atunci din relația precedentă rezultă raportul de presiuni admisibil:

$\Pi =\left({\frac {T_{2}}{T_{1}}}\right)^{\frac {n}{n-1}}=\left({\frac {470}{300}}\right)^{\frac {1,4}{1,4-1}}=4,813$

ceea ce limitează raportul de presiuni pe treaptă la c. $\Pi <5.$

Din punct de vedere energetic există un optim în funcție de raportul de presiuni. Acest optim este atins pentru $\Pi =2,8\,\dots \,3,0$.

Rezolvarea acestor probleme se poate face prin comprimarea în trepte, adică succesiv în compresoare care aspiră aerul comprimat refulat de compresorul precedent într-un rezervor tampon și refulează într-un alt rezervor tampon, aflat înainte de treapta următoare, fiecare treaptă având un raport de presiuni convenabil. Între trepte aerul comprimat poate fi răcit în schimbătoare de căldură intermediare, astfel rezolvându-se și problema temperaturii excesive a aerului refulat. Construcția este de fapt monobloc, nu compresoare separate. În funcție de raportul total de presiuni necesar se alege numărul de trepte:

Rapoartele de presiuni $\Pi$ realizabile în funcție de numărul de trepte z

$\Pi$	2 – 7	5 – 30	13 – 150	55 – 400	150 – 900	200 – 1000	450 – 1100
z	1	2	3	4	5	6	7

Din punct de vedere energetic este optim ca toate treptele să aibă aproximativ același raport de presiuni. Ca urmare, între trepte presiunile se află aproximativ într-o progresie geometrică.

Aspecte constructive

Dispunerea cilindrilor

Aranjamente ale cilindrilor compresoarelor cu piston cu acțiune simplă (sus) și dublă (jos)

Un compresor cu piston poate avea unul sau mai multe pistoane. Imaginea alăturată prezintă o serie (neexhaustivă) de soluții de amplasare a cilindrilor compresorului. În partea de sus sunt compresoare cu pistoane cu simplu efect. Caracteristic acestora este că pentru fiecare piston există un singur spațiu de lucru, iar pistonul este articulat direct la mecanismul bielă-manivelă care-l acționează. Figura prezintă în ordine, un compresor monocilindric vertical, unul cu doi cilindri în „V”, unul cu trei cilindri în „W” și unul vertical cu piston diferențial, cu două spații de lucru, care pot funcționa ca două trepte diferite.

În partea de jos sunt compresoare cu pistoane cu dublu efect. Caracteristic acestora este că pentru fiecare piston există câte două spații de lucru, câte unul pentru fiecare față a pistonului. Deoarece spațiul de lucru dinspre mecanismul bielă-manivelă trebuie etanșat, pistonul nu poate fi articulat direct la bielă, ci este solidarizat cu o tijă de acționare, articulată la mecanismul bielă-manivelă printr-un cap de cruce. Figura prezintă în ordine, compresoare cu doi cilindri, unul „în linie”, unul în „L” și unul în „V”, un compresor cu trei cilindri în „W”, un compresor orizontal cu patru cilindri „boxer” și unul orizontal cu două pistoane pe aceeași tijă, unul diferențial și cel mic simplu, putând funcționa ca trei trepte diferite.

Compresor monocilindric vertical, antrenat de un motor electric printr-o curea. Jos este rezervorul de aer comprimat.

Compresor cu doi cilindri în V

Compresor cu două trepte, cu cilindrii în L, antrenat direct de un motor electric. În spațiul dintre cilindri se vede răcitorul intermediar.

Compresor orizontal cu trei trepte, cu raport de comprimare de 40, folosit la producerea recipientelor din PET

Dispunerea cilindrilor se poate face în diverse moduri. Dispunerea verticală are avantajul că etanșările lucrează mai bine, ungerea este mai uniformă, greutatea pistonului nu este preluată de cilindru, particulele solide din gazul comprimat cad pe piston, nu pe cilindru, ceea ce duce la uzuri mai mici și uniforme. Forțele de inerție acționează vertical, ca urmare momentul de răsturnare al compresorului este mai mic și fundația poate fi mai mică. Aceste efecte permit turații mai mari, educând gabaritul și masa instalației. Deformațiile termice sunt libere, ca urmare compresorul nu necesită suporturi speciale. Suprafața ocupată de instalație este mai mică. Demontarea și montarea este mai ușoară, dar se face la înălțime. Însă, din cauza rigidității reduse a dispunerii, numărul de trepte pe o tijă verticală poate fi de cel mult 3.

Dispunerea orizontală, în afara aspectelor de mai sus, are avantajul că întreținerea este mult mai simplă, conductele și anexele (rezervoare, schimbătoare de căldură) pot fi dispuse la subsol. Pe o tijă orizontală se pot dispune până la 5 trepte.

Dispunerile în unghi (în V, W sau L) au cea mai bună echilibrare dinamică, ceea ce permite fundații mici. Separarea cilindrilor le asigură o răcire bună. bielele sunt articulate la un singur maneton, construcția fiind simplă. Dispunerea în L îmbină caracteristicile compresoarelor verticale și orizontale, iar în spațiul dintre ele de obicei se dispune răcitorul intermediar.

Compresoarele într-o singură treaptă (monoetajate) pot realiza rapoarte de presiuni până la 5. Pentru debite mici, până la 5 m³/min se realizează cu simplă acțiune, fără cap de cruce și pot avea un singur cilindru, fiind mai simple, sau 2–4 cilindri identici, care permit o echilibrare mai bună a instalației. Pentru debite de peste 10 m³/min se construiesc cu dublă acțiune și cap de cruce. O axă poate produce debite până la 100 m³/min.

Compresoarele cu două trepte (bietajate) pot realiza rapoarte de presiuni până la 15. Pentru debite până la 30 m³/min se realizează fără cap de cruce. Dezavantajul este consumul mare de ulei. Pentru debite mai mari se construiesc cu dublă acțiune și cap de cruce. Dispunerea cilindrilor se face în unghi sau boxer.

În funcție de presiunile necesare, numărul de trepte al compresoarelor cu piston poate ajunge la 7. Compresoarele cu 3 trepte sunt compresoare de presiune medie. Se pot realiza în aranjament vertical sau orizontal, pe una sau două axe de tije. Compresoarele cu 4–5 trepte sunt compresoare de presiune înaltă. Se pot realiza pe două axe verticale sau orizontale, sau pe o singură axă orizontală. Compresoarele cu 6–7 trepte sunt compresoare de presiune foarte înaltă. Cele cu 6 trepte se pot realiza pe două axe verticale sau orizontale. Cele cu 7 trepte sunt realizate exclusiv pe două axe orizontale. Aranjarea se face astfel încât pe cât posibil forțele din tije să se compenseze, ceea ce reduce vibrațiile și mărimea fundației.

Supapele compresorului

Spre deosebire de motoare, supapele unui compresor nu se deschid comandat, ci datorită diferenței de presiune de pe fețele lor. Ca urmare, construcția lor este complet diferită de cea a supapelor motoarelor. Cele mai folosite sunt supapele cu disc de etanșare. O asemenea supapă este formată dintr-un scaun în formă de disc, în care sunt practicate mai multe orificii în formă de arce de cerc, concentrice. Aceste orificii sunt acoperite de discul de etanșare, format dintr-o lamelă elastică de oțel, tot în formă de disc, care are și ea orificii în formă de arc de cerc, decalate față de cele din scaun. Discul de etanșare nu este fixat și nu se îndoaie în timpul funcționării, doar se ridică. Când supapa este închisă, lamela este menținut în poziția închisă de mai multe arcuri mici. Lamela și arcurile au o masă cât mai mică, pentru ca diferența de presiune care le deschide să fie cât mai mică. Arcurile trebuie să fie suficient de puternice pentru a readuce rapid lamela în poziție închisă, dar suficient de slabe să nu opună mare rezistență la deschiderea supapei.

Ungerea compresorului

Ca și la motoarele cu piston, rolul ungerii este de a micșora frecarea dintre suprafețele pieselor în mișcare relativă: suprafețele de lucru ale cilindrilor, pistoanele și segmenții lor de etanșare, lagărele (respectiv cuzineții lor) arborelui cotit, ale bielelor, ale capetelor de cruce și ghidajele capetelor de cruce. De asemenea, ungerea ajută la evacuarea căldurii degajate prin comprimarea aerului.

Cu rare excepții, ungerea se face cu ulei^⁠(d) cu viscozitate mare. O parte din acesta (de exemplu cel care unge lagărele) se reîntoarce în baia de ulei, dar o parte din uleiul de pe cămașa cilindrului este antrenat în aerul comprimat, consumându-se. Uleiul din aerul comprimat fierbinte se oxidează, se descompune și se aglomerează pe particulele de aer, producând depuneri și ancrasări care blochează segmenții, supapele și dispozitivele acționate cu aerul comprimat. Ca urmare, problema ungerii nu este una simplă.

Ungerea cămășilor cilindrilor se face cu ceață de picături de ulei sau sub presiune. Ceața de picături se obține prin barbotare, unde partea de jos a bielelor antrenează ulei din baia de ulei, la fel ca la motoare. Mecanismul de antrenare se poate unge cu ceață de ulei sau sub presiune. Ungerea sub presiune se face de către sistemul de ungere, și el similar cu cel de la motoare. Componentele sale sunt pompa de ulei, de obicei cu roți dințate, sorbul, filtrul de ulei și canalizațiile prin care circulă uleiul.

Uneori la ungerea suprafeței cilindrilor nu se admite uleiul, de exemplu la compresoarele de oxigen, unde prezența uleiului poate provoca explozii. În această situație uleiul poate fi înlocuit cu un amestec de glicerină și apă, iar în cazul gazelor uscate cu bisulfură de molibden. Altă soluție este compresorul fără ungere, cu contact sau fără între piston și cămașa cilindrului. Etanșarea cu contact se face cu segmenți de exemplu din teflon armat cu fibre de sticlă. La etanșările fără contact între piston și cilindru etanșarea nu se face cu segmenți ci cu labirinți. Pentru ca etanșarea cu labirinții să fie eficace, jocul dintre labirinți și cămașă trebuie să fie foarte mic, de ordinul a 0,1–0,2 mm, ceea ce este destul de dificil de realizat tehnologic.

Răcirea compresorului

Compresorul se încălzește datorită încălzirii aerului în timpul comprimării și a căldurii generate prin frecare. Încălzirea produce uzuri excesive, depuneri pe pereți, gripări, micșorarea coeficientului de umplere (deci a debitului refulat) și micșorarea randamentului, motive pentru care compresorul trebuie răcit. Răcirea se poate face cu aer sau cu apă.

Răcirea cu aer este simplă. Cilindrii se prevăd cu aripioare de răcire, la fel cu cele folosite la motoarele răcite cu aer, iar un ventilator asigură circulația aerului de răcire. Metoda poate fi folosită la compresoarele mici.

Compresoarele mari, stabile, sunt răcite exclusiv cu apă, care asigură o răcire bună. Răcirea cu aer ar necesita vehicularea unei cantități prea mari de aer prin sala compresorului. Sistemul de răcire este similar cu cel pentru răcirea motoarelor: circulația apei de răcire este asigurată de o pompă, iar căldura preluată de apă este evacuată în mediu printr-un radiator (schimbător de căldură) prevăzut cu un ventilator.

Recipienți pentru aer comprimat

Datorită deplasării alternative a pistoanelor, debitul de aer refulat variază pulsator, fapt care produce vibrații și zgomot. pentru netezirea pulsațiilor și atenuarea vibrațiilor și a zgomotului toate compresoarele sunt prevăzute cu recipienți între ele și consumatorii de aer comprimat. La instalațiile fixe volumul acestor recipienți se ia egal cu debitul nominal pe minut. La compresoarele mobile acest lucru ar duce la rezervoare prea mari, astfel că dacă debitul refulat și consumat este relativ constant, volumul recipientului se ia 2 % din debitul nominal pe minut. Dacă însă regimul de lucru al compresorului este defavorabil, de exemplu compresorul funcționează în regim „totul sau nimic”, poate fi necesar ca volumul recipientului să fie mai mare. Recipienții trebuie să respecte normele pentru recipienți sub presiune și trebuie să fie echipați cu manometru, supapă de siguranță, armături de alimentare și golire și să aibă placă de timbru (placă cu parametrii de funcționare și termenele inspecțiilor periodice).

Compresoare cu utilizări speciale

Compresor de frigider

Dacă nu se admit pierderi ale agentului de lucru, de exemplu a freonului din mașinile frigorifice, circuitul agentului, inclusiv compresorul, trebuie să fie ermetic (complet etanș). Pentru asta, compresorul, inclusiv motorul care-l antrenează, este plasat în interiorul unei incinte etanșe umplute cu agentul de lucru. Ca urmare, pierderile prin neetanșeități în compresor nu constituie o problemă.

Compresor cu membrană

Altă problemă apare când nu se admite ca agentul de lucru, de exemplu hidrogen sau fluide sterile, să intre în contact cu fluidul de ungere al compresorului. În acest caz, una dintre soluțiile posibile este compresorul cu membrană. Aceste comprimă agentul de lucru prin oscilația unei membrane. Pistonul doar deplasează un fluid (uzual uleiul de ungere), iar fluidul acționează hidraulic membrana. Datorită cursei mici a membranei, debitul și raportul de presiuni al unui astfel de compresor sunt mici.

Antrenarea compresoarelor cu piston

Antrenarea compresoarelor cu piston staționare se face de obicei cu motoare electrice, iar a celor mobile cu motoare electrice sau motoare cu ardere internă.

La acționarea cu motoare electrice se pot folosi atât motoare de curent continuu, cât și motoare de curent alternativ, mono sau trifazate, sincrone sau asincrone. Motoarele de curent continuu cu excitație în serie au un cuplu mare la pornire, avantajos la pornirea compresorului sub sarcină, însă cuplajul cu compresorul trebuie să fie sigur, pentru că o decuplare accidentală ar duce la ambalarea motorul electric. Motoarele de curent continuu cu excitație în derivație permit varierea simplă a turației, dar cuplul lor este practic constant cu turația, ceea ce îngreunează pornirea compresorului. Aceste motoare se folosesc unde există surse de curent continuu, de exemplu la antrenarea compresoarelor vehiculelor.

Motoarele de curent alternativ sincrone se folosesc la antrenarea compresoarelor mari. Pot funcționa doar la turații impuse de frecvența rețelei de alimentare. Avantajele lor sunt randamentul foarte bun, de 93–96 %, factorul de putere 1 și posibilitatea de a regla defazajul între curent și tensiune, îmbunătățind factorul de putere general al întregii instalații în care sunt montate. Dezavantajele lor sunt construcția complicată, deci scumpă, și necesitatea demarorului la pornire, care să le aducă la turația de sincronism.

Motoarele de curent alternativ asincrone au avantajul cuplului mare la pornire, necesar la pornirea simultană cu compresorul, însă pot funcționa doar la turații apropiate de frecvența rețelei de alimentare sau, în funcție de construcția motorului, la submultipli ai frecvenței rețelei. În plină sarcină factorul de putere al motorului este mediocru, iar la sarcini mici foarte mic. Avantajul lor este simplitatea, deci prețul mic, și pornirea simplă.

Deoarece turația la care funcționează compresoarele este de obicei mult mai mică decât cea a motoarelor electrice care le antrenează, antrenarea compresoarelor mici se face uzual cu o curea trapezoidală, care cuplează roți cu rapoartele de demultiplicare necesare. Compresoarele mari pot fi antrenate prin reductoare de turație cu roți dințate.

Antrenarea cu motoare cu ardere internă se poate face atât cu motoare cu aprindere prin scânteie, cât și cu motoare diesel. Aceste motoare nu pot porni în sarcină, așa că este necesară existența unui ambreiaj.

Reglarea debitului compresoarelor cu piston

Prin reglarea debitului unui compresor se înțelege ajustarea regimului de funcționare al compresorului pentru a livra exact debitul cerut de consumatori, la presiunea specificată.

Reglarea intermitentă („totul sau nimic”)

Reglarea intermitentă a debitului se face prin întreruperea completă a debitului, periodic. Întreruperea se poate face:

Prin deschiderea supapei de aspirație

Supapa de aspirație este menținută deschisă permanent de mecanismul de reglare. În această situație, în fazele de comprimare și refulare aerul este refulat înapoi în galeria de aspirație. Ca urmare, presiunea din spațiul de lucru rămâne aproape constantă, în jurul presiunii de la aspirație. Ciclul se aplatizează complet, lucrul mecanic ciclic devine practic nul iar compresorul trece într-un regim de mers în gol. Totuși, din cauza frecărilor, puterea de antrenare nu devine nulă, ci este de 7–20 % din puterea consumată în regimul nominal. Această metodă are avantajul că se poate aplica la pornire fără a încărca motorul de acționare. Dezavantajul metodei încălzirea aerului din galeria de aspirație, ceea ce duce la uzura sporită a supapei de aspirație datorită lipsei răcirii de către aerul aspirat. La compresoarele multietajate este nevoie ca toate supapele de aspirație să fie menținute deschise.

Prin obturarea aspirației

Conducta de aspirație este închisă complet de mecanismul de reglare. În această situație compresorul nu mai poate aspira aer, coeficientul de umplere devenind nul, iar în spațiul de lucru se stabilește o depresiune mare, spre vid. Ciclul devine foarte subțire, lucrul mecanic ciclic fiind de 2–3 % din cel nominal, iar compresorul trece într-un regim de mers în gol. Puterea de antrenare este de 5–25 % din puterea consumată în regimul nominal. Dezavantajul metodei este consumul mare de ulei absorbit pe lângă piston datorită depresiunii din spațiul de lucru. Un alt dezavantaj este că în regimul tranzitoriu până la întreruperea debitului, datorită depresiunii din spațiul de lucru raportul de comprimare crește mult și, odată cu el, temperatura aerului refulat, ceea ce afectează supapa de refulare.

Prin refularea în atmosferă

Între spațiul de lucru și supapa de refulare se prevede un ventil de evacuare care este menținut deschis de mecanismul de reglare. În această situație compresorul nu mai comprimă aerul, ci îl refulează în atmosferă. În spațiul de lucru se stabilește o presiune apropiată de presiunea de la aspirație. Ciclul se aplatizează complet, lucrul mecanic ciclic devine practic nul iar compresorul trece într-un regim de mers în gol. Este o metodă simplă din punct de vedere energetic, dar este necesar ventilul de evacuare. Și această metodă are avantajul că se poate aplica la pornire fără a încărca motorul de acționare. La compresoarele multietajate ventilele evacuează debitul de aer în galeriile de aspirație ale treptelor respective.

Prin oprirea și pornirea compresorului

Compresorul este oprit/pornit după necesități. Practic, compresorul este pornit când presiunea din recipientul de aer comprimat scade sub o valoare minimă prescrisă și oprit când această presiune atinge o valoare maximă prescrisă. Pornirea/oprirea compresorului se poate face prin pornirea/oprirea motoarelor de antrenare care permit asta, cum ar fi motoarele electrice de curent continuu sau cele electrice asincrone. Dacă motoarele de antrenare au dificultăți la pornire/oprire, cum este cazul la motoarele electrice sincrone sau la motoarele cu ardere internă, pornirea/oprirea compresorului se face prin cuplarea/decuplarea sa la motorul de antrenare. Cuplarea/decuplarea la motoarele electrice se face prin ambreiaje electromagnetice, iar la motoarele cu ardere internă prin ambreiaje centrifugale comandate de turația motorului. În perioadele de decuplare motoarele de antrenare merg în gol. Din punct de vedere energetic această metodă este cea mai bună.

Reglarea în trepte

Reglarea în trepte a debitului se face prin modificarea în trepte a configurației compresorului sau a regimului motorului care-l antrenează. Ea se poate face:

Prin scoaterea din funcțiune a unor cilindri

Metodele sunt similare celor de pornit/oprit ale compresorului prin acțiuni asupra supapelor și ventilelor de evacuare. Se realizează prin blocarea selectivă a unor supape sau/și ventile ale compresoarelor policilindrice. De exemplu în imaginea de la începutul articolului se pot bloca perechi de cilindri.

Prin variația în trepte a turației motorului de antrenare

Această metodă nu modifică ciclul compresorului, doar cadența sa. Debitul variază în trepte proporțional cu turația motorului de antrenare. La fel și pierderile compresorului. Însă este posibil ca motorul de antrenare să nu mai aibă același randament ca în sarcină nominală. Nu este nevoie de un sistem de reglare al compresorului, reglarea făcându-se exclusiv asupra motorului de antrenare. Metoda este aplicabilă la motoarele electrice asincrone cu un număr comutabil de poli, astfel variind turația lor în trepte. Metoda are avantajul că la compresoarele multietajate se păstrează presiunile intermediare între trepte.

Prin variația în trepte a mărimii spațiului mort

Spațiul mort are o influență mare asupra coeficientului de umplere indicat, $\lambda _{ui}$. Prin adăugarea de spațiu mort, coeficientul de debit scade. Se pot adăuga succesiv spații moarte suplimentare prin deschiderea unor supape, sau un singur spațiu mort prin variația în trepte a presiunii din ciclu la care supapa spațiului mort se închide/deschide, presiuni prestabilite de tensionarea în trepte a unui arc al supapei. La compresoarele multietajate spațiile moarte pot fi adăugate atât doar la prima treaptă, cât și la toate treptele. Prima soluție este mai simplă, dar modifică presiunile intermediare între trepte. A doua nu modifică aceste presiuni, caz favorabil din punct de vedere energetic, dar este complicată, deci costisitoare.

Prin ventile de descărcare de-a lungul cursei pistoanelor

Metoda este similară cu evacuarea în atmosferă, dar în loc de un ventil de descărcare plasat la PMI se pun și alte câteva ventile de-a lungul cursei pistonului. Prin deschiderea acestora aerul din partea spațiului de lucru dintre PME și poziția ventilului este evacuat în galeria de aspirație, debitul scăzând. Metoda este foarte simplă și protejează supapele de acțiunea directă asupra lor.

Reglarea continuă

Reglarea continuă (adică la orice valoare) a debitului se face prin modificarea continuă a configurației compresorului sau a regimului motorului care-l antrenează. Ea se poate face:

Prin variația continuă a turației motorului de antrenare

Metoda este similară reglării în trepte a turației motorului de antrenare, dar se poate aplica doar motoarelor care permit reglarea continuă a turației, cum ar fi motoarele electrice de curent continuu cu excitație în derivație, sau, în anumite limite (la motoarele diesel între 40–100 % din turația nominală) motoarelor cu ardere internă. Actual, pentru varierea turației motoarelor de curent alternativ se folosesc convertizoare de frecvență (variatoare de turație electronice).

Prin variația continuă a mărimii spațiului mort

Metoda este identică cu cea a reglării în trepte a spațiului mort, doar că arcul de tensionare al supapei spațiului mort poate fi tensionat continuu la orice valoare.

Prin deschiderea parțială a supapei de aspirație

Se face prin menținerea deschisă a supapei de aspirație pe o fracțiune din faza de comprimare. Astfel, prin refularea în galeria de aspirație a unei părți a aerului, se modifică gradul de umplere al spațiului de lucru, ca urmare debitul compresorului scade. Este necesar un sistem de închidere a supapei de aspirație în momentul dorit al ciclului. La compresoarele multietajate trebuie acționată supapa de aspirație sincron la toate treptele.

Aplicații

Compresoarele cu piston sunt folosite la sistemele de frânare cu aer comprimat ale vehiculelor feroviare și rutiere, în rafinării, în transportul gazelor prin conducte, în foraje pentru producția de țiței și gaze, injecții de aer și azot, platforme offshore, uzine chimice, uzine de prelucrare a gazelor naturale, instalații de aer condiționat și instalații de refrigerare. O aplicație particulară este realizarea (suflarea) recipientelor de plastic fabricate din tereftalat de polietilenă^⁠(d) (PET).

De asemenea, pot fi folosite pentru producerea aerului comprimat pentru acționarea uneltelor pneumatice.

Bibliografie

• Valentin Cosoroabă, "Compresoare de aer cu piston", București: Editura Tehnică, 1964
• Liviu Dan Negru, Compresoare cu piston, Timișoara: Litografia IPTVT, 1984
• Bazil Popa (coord.) ș.a., Manualul inginerului termotehnician, vol. II, București: Editura Tehnică, 1986, Cap. 3.4.3.2. Compresoare cu piston, pp. 271–281 (Liviu Dan Negru)

Vezi și

• Compresor centrifugal
• Gaz real
• Legile gazelor
• Legea gazelor ideale

Legături externe

• Materiale media legate de compresor cu piston la Wikimedia Commons
• en Calculation of required cylinder compression for a multistage reciprocating compressor Arhivat în 6 mai 2010, la Wayback Machine.
• en Bobby, Calculation of required cylinder compression for a multistage reciprocating compressor (calculul cilindreei unui compresor cu piston multietajat)