Gaskompressor – vad det är, funktion, typer och användningsområden

Typer av kompressorer

Det finns många olika typer av gaskompressorer. De två huvudkategorierna är:

• Kompressorer med positiv förskjutning med två underkategorier:
• Reciprocering
• Roterande
• Dynamiska kompressorer har också två underkategorier:
• Centrifugal
• Axial

De viktigaste typerna i var och en av de fyra underkategorierna diskuteras nedan.

Centrifugalkompressorer

Centrifugalkompressorer använder en roterande skiva eller ett pumphjul i ett format hölje för att tvinga gasen mot pumphjulets kant, vilket ökar gasens hastighet. En diffusorsektion (divergerande kanal) omvandlar hastighetsenergin till tryckenergi. De används främst för kontinuerlig, stationär drift i industrier som oljeraffinaderier, kemiska och petrokemiska anläggningar och anläggningar för bearbetning av naturgas. De kan användas för allt från 100 hk (75 kW) till tusentals hästkrafter. Med flera steg kan de uppnå extremt höga utgångstryck på över 10 000 psi (69 MPa).

Många stora snötillverkningsanläggningar (t.ex. skidanläggningar) använder denna typ av kompressor. De används också i förbränningsmotorer som kompressorer och turboladdare. Centrifugalkompressorer används i små gasturbinmotorer eller som sista kompressionssteg i medelstora gasturbiner.

Kompressorer med diagonalt eller blandat flöde

Diagonalkompressorer eller blandflödeskompressorer liknar centrifugalkompressorer, men har en radiell och en axiell hastighetskomponent vid utloppet från rotorn. Diffusorn används ofta för att vända det diagonala flödet till den axiella riktningen. Diagonalkompressorn har en diffusor med lägre diameter än motsvarande centrifugalkompressor.

Kompressorer med axiellt flöde

Axialflödeskompressorer använder en serie fläktliknande roterande rotorblad för att gradvis komprimera gasflödet. Stationära statorblad, som är placerade nedströms från varje rotor, omdirigerar flödet till nästa uppsättning rotorblad. Gasflödets area minskar genom kompressorn för att bibehålla ett i stort sett konstant axiellt Machtal. Axialflödeskompressorer används normalt i tillämpningar med höga flöden, t.ex. i medelstora och stora gasturbinmotorer. De är nästan alltid flerstegade. Vid ett tryckförhållande på mer än 4:1 används ofta variabel geometri för att förbättra driften.

Kolvkompressorer

Kolvkompressorer använder kolvar som drivs av en vevaxel. De kan vara antingen stationära eller portabla, kan vara en- eller flerstegs kompressorer och kan drivas av elmotorer eller förbränningsmotorer. Små kolvkompressorer på 5-30 hästkrafter (hk) är vanliga i fordonstillämpningar och är vanligtvis avsedda för intermittent drift. Större kolvkompressorer på upp till 1 000 hk är fortfarande vanliga i stora industriella tillämpningar, men deras antal minskar i takt med att de ersätts av andra typer av kompressorer. Utloppstrycket kan variera från lågt tryck till mycket högt tryck (>5000 psi eller 35 MPa). I vissa tillämpningar, t.ex. luftkompression, sägs flerstegs dubbelverkande kompressorer vara de mest effektiva kompressorerna som finns tillgängliga, men de är vanligtvis större, bullrigare och dyrare än jämförbara roterande enheter.

Kompressorer med roterande skruv

Skruvkompressorer använder två roterande skruvar med positiv förskjutning för att tvinga in gasen i ett mindre utrymme. De används vanligtvis för kontinuerlig drift i kommersiella och industriella tillämpningar och kan vara antingen stationära eller portabla. De kan användas för allt från 3 hp (2,24 kW) till över 500 hp (375 kW) och från lågt tryck till mycket högt tryck (>1200 psi eller 8,3 MPa). De används ofta av reparationsgrupper vid vägkanten för att driva tryckluftsverktyg. Denna typ används också för många överladdare för bilmotorer eftersom den lätt kan anpassas till kolvmotorns insugningskapacitet.

Scrollkompressorer

En scrollkompressor, även kallad scrollpump eller scrollvakuumpump, använder två spiralformade lameller för att pumpa eller komprimera vätskor, t.ex. vätskor och gaser. Skovlarnas geometri kan vara en involuta, en archimedisk spiral eller en hybridkurva. De fungerar jämnare, tystare och tillförlitligare än andra typer av kompressorer.

Ofta är en av rullarna fast, medan den andra kretsar excentriskt utan att rotera, vilket gör att vätskefickor fångas upp och pumpas eller komprimeras mellan rullarna.

Membrankompressorer

En membrankompressor (även kallad membrankompressor) är en variant av den konventionella kolvkompressorn. Kompressionen av gasen sker genom rörelsen av ett flexibelt membran i stället för ett insugningselement. Membranets fram- och återgående rörelse drivs av en stång och en vevaxelmekanism. Endast membranet och kompressorlådan kommer i kontakt med den gas som komprimeras.

Membrankompressorer används för vätgas och komprimerad naturgas (CNG) samt i ett antal andra tillämpningar.

Diverse

Luftkompressorer som säljs till och används av allmänheten är ofta monterade ovanpå en tank för tryckluft. Det finns oljesmorda och oljefria kompressorer. Oljefria kompressorer är önskvärda eftersom olja kan komma in i luftströmmen utan en korrekt utformad avskiljare. För vissa ändamål, t.ex. som kompressor för dykningsluft, kan även lite olja i luftströmmen vara oacceptabelt.

 
Figur 1: En centrifugalkompressor med ett enda steg.  


En animation av en axialkompressor.  


Mekanismen hos en scrollpump  

Temperatur

Charles lag säger att när en gas komprimeras höjs temperaturen. Det finns tre möjliga förhållanden mellan temperatur och tryck i en gasvolym som komprimeras:

• Isotermisk - gasen håller en konstant temperatur under hela processen. I denna cykel avlägsnas intern energi från systemet i form av värme i samma takt som den tillförs genom det mekaniska arbetet vid kompressionen. Isotermisk kompression eller expansion gynnas av en stor värmeväxlingsyta, en liten gasvolym eller en lång tidsskala (dvs. en liten effektnivå). Med praktiska anordningar är isotermisk kompression vanligtvis inte möjlig att uppnå. Till exempel blir till och med en cykeldäckspump varm vid användning.
• Adiabatisk - I denna process sker ingen värmeöverföring till eller från systemet, och allt tillfört arbete läggs till gasens inre energi, vilket resulterar i temperatur- och tryckökningar. Den teoretiska temperaturökningen är T₂ = T₁ -R_c^((k-1)/k)) , där T₁ och T₂ anges i grader Rankine eller kelvin och k = förhållandet mellan specifika värmer (ungefär 1,4 för luft). Luftökningen och temperaturförhållandet innebär att kompressionen inte följer ett enkelt tryck-volymförhållande. Detta är mindre effektivt, men går snabbt. Adiabatisk kompression eller expansion gynnas av god isolering, en stor gasvolym eller en kort tidsskala (dvs. en hög effektnivå). I praktiken kommer det alltid att finnas ett visst värmeflöde, eftersom ett perfekt adiabatiskt system skulle kräva perfekt värmeisolering av alla delar av en maskin.
• Polytropiskt - Här antas att värme kan komma in i eller ut ur systemet och att arbete i den ingående axeln kan uppträda både som ökat tryck (vanligen nyttigt arbete) och ökad temperatur över adiabatisk nivå (vanligen förluster på grund av cykelns effektivitet). Cykelns effektivitet är då förhållandet mellan temperaturökningen vid teoretiska 100 procent (adiabatisk) och den faktiska (polytropisk).

 

Stegvis komprimering

Eftersom komprimering genererar värme ska den komprimerade gasen kylas mellan stegen, vilket gör att kompressionen blir mindre adiabatisk och mer isotermisk. Kylarna mellan stegen orsakar kondensering, vilket innebär att det finns vattenavskiljare med avloppsventiler. Kompressorns svänghjul kan driva en kylfläkt.

I en typisk dykkompressor komprimeras luften i tre steg. Om varje steg har ett kompressionsförhållande på 7 till 1 kan kompressorn ge 343 gånger det atmosfäriska trycket (7 x 7 x 7 = 343 atmosfärer).

 

Applikationer

Gaskompressorer används i olika tillämpningar där antingen högre tryck eller lägre volymer av gas behövs:

• i rörledningstransport av renad naturgas för att transportera gasen från produktionsanläggningen till konsumenten.
• I oljeraffinaderier, anläggningar för bearbetning av naturgas, petrokemiska och kemiska anläggningar och liknande stora industrianläggningar för komprimering av mellan- och slutproduktgaser.
• I kyl- och luftkonditioneringsutrustning för att flytta värme från ett ställe till ett annat i köldmediecykler: se Kylning med ångkompression.
• I gasturbinsystem för att komprimera den inkommande förbränningsluften.
• för lagring av renade eller tillverkade gaser i små volymer, högtrycksflaskor för medicinska ändamål, svetsning och andra ändamål.
• i många olika industri-, tillverknings- och byggprocesser för att driva alla typer av pneumatiska verktyg.
• som ett medium för energiöverföring, t.ex. för att driva pneumatisk utrustning.
• i flygplan med tryckluft för att skapa en andningsbar atmosfär med högre tryck än det omgivande trycket.
• i vissa typer av jetmotorer (t.ex. turbojetmotorer och turbofans) för att tillhandahålla den luft som krävs för förbränning av motorbränslet. Kraften för att driva kompressorn för förbränningsluft kommer från jetplanets egna turbiner.
• i SCUBA-dykning, hyperbarisk syrgasbehandling och andra livsuppehållande anordningar för att lagra andningsgas i en liten volym, t.ex. i dykflaskor .
• i ubåtar för att lagra luft för att senare använda den som flytkraft.
• I turboladdare och kompressorer för att öka förbränningsmotorernas prestanda genom att koncentrera syre.
• inom järnvägstransporter och tunga vägtransporter för att tillhandahålla tryckluft för att driva bromsar och olika andra system (dörrar, vindrutetorkare, styrning av motor/växellåda osv.).
• för diverse användningsområden, t.ex. för att tillhandahålla tryckluft för fyllning av luftfyllda däck.

 

Relaterade sidor

• Pneumatik
• Pump
• Luftpump