9. PROIZVODNJA I DISTRIBUCIJA KOMPRIMIRANOG ZRAKA

9.1. Uvod

Oko 10% sve električne energije upotrjebljene u industriji koristi se za komprimiranje zraka.

Zbog toga se mogu očekivati velike potencijalne uštede primjenom raznih metoda za efikasniju proizvodnju komprimiranog zraka.

Primjena komprimiranog zraka u suvremenoj proizvodnji i životu je vrlo velika. Najviše se koristi kao prijenosnik energije potrebne za provedbu mehaničkih radnih zadataka, npr. za pogon pneumatskih čekića, bušilica i ostalih alata, pneumatski transport, rashladne uređaje, kemijske procese i dr.

9.2. Kompresori

Kompresor je stroj koji neki plin ili paru stlačivanjem prevodi iz jednog energetskog stanja u drugo, energetski vrednije stanje. Veličine koje određuju energetsko stanje plina jesu tlak p i temperatura T.

Pri komprimiranju plina troši se mehanički rad koji se najčešće osigurava elektromotorom ili motorom s unutrašnjim sagorijevanjem. Pri tome se neminovno povećava temperatura komprimiranog plina iako to samo po sebi nije cilj. Hlađenjem komprimiranog plina omogućuje se bolji rad kompresora i njegovo podmazivanje i ujedno smanjuje potreban rad za komprimiranje plina.

9.2.1. Vrste kompresora Kompresori se mogu podijeliti po principu rada (volumetrički i strujni princip) u dvije glavne skupine: štapni kompresori i turbokompresori.

Volumetrički princip rada sastoji se u tome da se pomoću konstrukcijskih elemenata ostvari u kompresoru takav prostor koji se relativnim pokretanjem tih elemenata može periodički povećavati i smanjivati. Dakle, plin se komprimira zbog promjene radnog prostora.

9. PROIZVODNJA I DISTRIBUCIJA KOMPRIMIRANOG ZRAKA

9.1. Uvod

Oko 10% sve električne energije upotrjebljene u industriji koristi se za komprimiranje zraka.

Zbog toga se mogu očekivati velike potencijalne uštede primjenom raznih metoda za efikasniju proizvodnju komprimiranog zraka.

Primjena komprimiranog zraka u suvremenoj proizvodnji i životu je vrlo velika. Najviše se koristi kao prijenosnik energije potrebne za provedbu mehaničkih radnih zadataka, npr. za pogon pneumatskih čekića, bušilica i ostalih alata, pneumatski transport, rashladne uređaje, kemijske procese i dr.

9.2. Kompresori

Kompresor je stroj koji neki plin ili paru stlačivanjem prevodi iz jednog energetskog stanja u drugo, energetski vrednije stanje. Veličine koje određuju energetsko stanje plina jesu tlak p i temperatura T.

Pri komprimiranju plina troši se mehanički rad koji se najčešće osigurava elektromotorom ili motorom s unutrašnjim sagorijevanjem. Pri tome se neminovno povećava temperatura komprimiranog plina iako to samo po sebi nije cilj. Hlađenjem komprimiranog plina omogućuje se bolji rad kompresora i njegovo podmazivanje i ujedno smanjuje potreban rad za komprimiranje plina.

9.2.1. Vrste kompresora Kompresori se mogu podijeliti po principu rada (volumetrički i strujni princip) u dvije glavne skupine: štapni kompresori i turbokompresori.

Volumetrički princip rada sastoji se u tome da se pomoću konstrukcijskih elemenata ostvari u kompresoru takav prostor koji se relativnim pokretanjem tih elemenata može periodički povećavati i smanjivati. Dakle, plin se komprimira zbog promjene radnog prostora.

2

Strujni princip rada kompresora sastoji se u tome da se neprekinuta struja nekog plina niskog pritiska utroškom mehaničke energije ubrza, pri čemu znatno poraste kinetička energija. Provođenjem tako ubrzane struje plina kroz proširene kanale pretvara se, uz smanjenje brzine, kinetička energija struje u potencijalnu energiju uz porast tlaka plina.

Na volumetičkom principu grade se stapni kompresori koji s obzirom na izvedbu svojih potisnih elemenata su stapni kompresori sa linearno oscilirajućim stapom i rotorni kompresori s rotirajućim potisnim elementima.

Kompresori sa linearno oscilirajućim stapom dobavljaju periodički pulsirajući komprimirani zrak. Uobičajeno se koriste sa tlačnim spremnikom za apsorbiranje rezultata pulsirajućeg efekta i osiguravanje stabilnog pritiska dobavljenog komprimirani zrak. Rotorni kompresor proizvode stalni izlani tok i obično su direktno spojeni na cijevnu instalaciju.

Način rada stapnih kompresora može se objasniti razmatranjem rada klipnog kompresora (slika 9.1). U trenutku kada klip ide dolje (slika 9.1a) usisni ventil se otvara i povlači zrak u prostor između vrha cilindra i klipa. Kada klip putuje prema vrhu cilindra ulazni ventil je zatvoren (slika 9.1b) i zrak je komprimiran, stisnut u mali prostor. Tlak zraka se povećava smanjenjem volumena. Kada pritisak u prostoru iznad klipa prelazi pritisak u izlaznoj liniji, izlani ventil se otvara i komprimirani zrak odlazi u cjevovod.

Način rada turbokompresora može s objasniti razmatranjem radijalnog kompresora slika 9.2.

Ulazni zrak dolazi kroz statorske lopatice do prvog stupnja radijalnih lopatica rotora. Rotacija

rotora uzrokuje da zrak bude odbačen na obod centrifugalnom silom Prije nego je odveden na ulaz slijedećeg stupnja rotora zrak prolazi kroz difuzor gdje je kinetička energija gibanja pretvorena u tlak. Proces se ponavlja kroz uzastopne lopatice rotora do izlaza iz kompresora. Tlak raste u svakom stupnju rotora i određen je s iznosom promjene brzine i gustoće zraka.

Kompresori se razlikuju i prema izlaznom pritisku p2 i to bez obzira na osnovni princip rada. Razlikujemo tako: vakumske pumpe koje sišu plin iz prostora znatno nižeg tlaka od okolišnog, te ga komprimiraju i dobavljaju u okolnu atmosferu; puhaljke obično sišu plin okolnog tlaka, a komprimiraju ga najviše do 2 bara i kompresore koji mogu biti niskog pritiska do 10 bara, srednjeg pritiska do 100 bara i visokog pritiska do 500 bara i super kompresori za ekstremno visoke pritiske do 1000 bara.

9.2.2. Područja rada kompresora

3

Stapni kompresori primjenjuju se kada je potrebni kompresijski omjer s obzirom na dobavljenu količinu plina velik, a turbo kompresori kada je potrebno dobavljati vrlo velike količine plina uz relativno mali kompresijski omjer.

9.3. Teoretske vrijednosti za rad kompresije

Komprimiranje plina sa jednog tlaka na drugi moguće je vršiti na mnogo načina. Neko od njih su prikazani na slici 9.3.

Pretpostavimo da se plin komprimira u cilindru od volumena V1 na volumen V2 i zatim istiskuje bez ostatka (V3=0). Usisavanje plina odvija se pri tlaku p1 (p-V dijagram na slici 9.3). To je pojednostavljeni indikatorski dijagram rada kompresora. Ukupan rad ovog ciklusa utrošen na komprimiranje može se izračunati iz:

dpvdVpvpvpdVpWv

v

2

1

2

12211

12341

(9.1)

Veličinu ovog rada predstavlja površina krivulje 12 do p-osi. Razmotrimo neke slučajeve svedene na kg radne tvari i uzimajući u obzir drugi glavni stavak

termodinamike (dq=di-v dp). Iz jednadžbe (9.1) dobijemo:

)( / 1212

2

1

qiidpvmWw

(9.2)

Za slučaj izotermne kompresije T1 = T2) potrebni rad za kompresiju idealnog plina (pv=RT,

i=cpT i i1=i2)je

)/(1 T 1212 ppnRqwt (9.3)

Za slučaj adijabatske kompresije (q=0 i pvk=konst.) (postiže se približno kod brzohodnih

kompresora bez hlađenja) potrebni rad je (za n>k):

))/(1()1/()()( /112112112

nnapa ppvpnnTTciiw (9.4)

Konačna temperatura je:

nnpa ppTciTT /1

12112 )/(/ (9.5)

Kod izentropske kompresije pri s=konst. Tj. bez izmjene topline s okolinom i bez unutrašnjeg trenja potrebni rad je:

))/(1()1/()()( /112112112

kkmpm ppvpkkTTciiw (9.6)

Konačna temperatura je :

kkpm ppTciTT /1

12112 )/(/ (9.7)

4

Realni procesi nisu ni adijabatski ni izotermni. Kod „neohlađenih“ kompresora proces bi trebao biti adijabatski, ali zbog povećanja temperature komorimoranog zraka dolazi do neizbježnog odvođenja topline u okolinu. Kod „hlađenih“ zbog konačnosti brzine odvijanja procesa nije moguće osigurati potpunu izotermnost. Zbog toga se realni procesi odvijaju između ova dva granična slučaja i

predstavaljaju se politropskom kompresijom (1<n<k) s ekponentom n tj. vrijedi 1/1212 )/(/ nnTTpp .

Kod politpropske kompresije (postiže se približno kod hlađenih stapnih kompresora) potrebni rad i oslobođena toplina su:

)( 1/)1)/(( )1/( 12/1

121 TTRnnppRTnnw nnn (9.8)

)1))((1/( /112112 nn

v ppnnkTcq (9.9)

Konačna temperatura je

nnn ppTT /1

1212 )( (9.10)

Iz izraza (9.8) izlazi da minimalni rad komprimiranja koda je n=1 tj. kod izotermne kompresije. Uspoređivanjem različitih promjena stanja dobivamo:

tnma wwww i tnma TTTT 2222 .

Proces komprimiranja plina u kompresoru treba odvijati što bliže izotermnom. U slučaju

velikog omjera tlakova p2/p1 to se najbolje ostvaruje u više stupnjeva. Nakon svakog stupnja kompresije hladimo ugrijani komprimirani plin na temperaturu što bližu početnoj temperaturi T1. Time pored svih pogodnosti smanjuje i utrošeni rad.

Pri kompresiji na manje tlakove do 30 bara računamo s realnim plinovima kao da su idealni. Pri višim tlakovima moramo jednadžbu stanja korigirati faktorom k : p v = k R T.

9.3.1. Potrebna snaga kompresora

Snaga potrebna za komprimiranje plina bez mehaničkih gubitaka zove se snaga idealnog kompresora. Ona je određena s izrazom:

wfawmPi , (9.11)

Tu je: ,m protok mase plina (kg/s) w teoretski rad za komprimiranje 1 kg plina gustoća plina na ulazu (kg/m3)

fa volumetrički protok fluida (m3/s).

Kod stapnih kompresora računamo s politropskim radom wn a kod turbo kompresora s

izentropsim radom wm. Snaga potrebna za pogon kompresora je veća od idealne zbog volumetričkih gubitaka plina

kroz brtve kompresora i mehaničkih gubitaka zbog trenja i snage potrebne za pomoćnu opremu (uljne pumpe, ventilatori, pumpe rashladnog sistema ako se pokreću preko osovine kompresora).

Potrebna snaga na ulazu u kompresor je;

mvici PP / (9.12)

Tu je: v volumetrička efikasnost kompresora

m mehanička efikasnost kompresora.

9.4. Mjerenje karakteristika kompresora

Karakteristike kompresora se određuju proračunom na osnovi mjerenja uvjeta na ulazu i izlazu i protoka na izlazu.

5

Protok komprimiranog zraka u cijevima može se odrediti postavljanjem kalibriranih mjernih uređaja za protok kao što su ploča sa otvorom, protočna sapnica i dr.

Radi mogućnosti uspoređivanja rezultata potrebno je sve svesti na standardne uvjete, a to su temperatura 273.15 K i tlak 101.325 kPa.

Izmjereni protok moramo svesti na standardne uvjete koristeći jednadžbu:

325.101

15.273

m

mms T

fapfa (9.13)

Tu su: sfa ekvivalentni protok kod standardnih uvjeta,

mfa izmjereni protok

mp izmjereni tlak,

mT izmjerena temperatura.

9.4.1. Uvjeti na ulazu

Temperatura i tlak na ulazu kompresora imaju direktni utjecaj na karakteristika kompresora. Ako je temperatura manja,gustoća zraka je veća. Zbog toga ulazni zrak u kompresor mora biti što je moguće hladniji. Ako sa većom gustoćom zrak ulazi u kompresor, veća količina plina je komprimirana za dani ulazni volumen. Upotrebom jednadžbe općeg plinskog zakona sa konstantnim ulaznim tlakom (p1-p2) efekt se može prikazati u slijedećem obliku:

1/ ,11

,

1 TTfafa (9.14)

Tako za svakih 4C porasta ulazne temperature porasti će potrošnja energije za oko 1% uz odgovarajući protok.

Isto tako protok ovisi i o tlaku na ulazu odnosno o padu tlaka kroz ulaznu rešetku, radni kanal i filtar. Ovaj pad tlaka treba biti što manji. Ako je ulazna temperatura konstantna efekt pada tlaka na ulazu na protok može se prikazati jednadžbom:

,111

,

1 / pfapfa (9.15)

Za svakih 25 mbar tlaka izgubljenog na ulazu karakteristika kompresora se smanjuje za 2%, što znači za dobivanje istog izlaza potrebno je ubaciti 2% više zraka na ulazu.

9.4.2. Radne karakteristike kompresora

Za uspoređivanje kompresora potrebno je imati određene radne karakteristike. Sam proizvođač obično daje izlazni tlak, protok zraka kod standardnih uvjeta, instaliranu snagu motora, ukupnu potrošnju kod nazivnih veličina. Za ostale karakteristike kompresora potrebno je izvršiti mjerenja i proračune koristeći plinske zakone.

9.5. Efikasnost kompresora

Snaga predana kompresoru mora pokrivati rad kompresije i gubitak stroja. Gubici stroja su uzrokovani unutarnjim trenjem, unutarnjim prijenosom, cjevovodima i ventilima. Kada se kompresor pokreće direktno sa ili bez spojke ulazna snaga na osovini kompresora Pci, može se uzeti kao snaga na izlazu osovine motora Pmo. Kod kompresora se prijenosom kao što je remenica, ulazna snaga osovine kompresora je izlaz pogonskog stroja umanjena za gubitke pogona. Gubici pogona, Gd, izraženi u %, mogu se pretvoriti u efikasnost pogona, Efd, izrazom:

100/1 GdEfd (9.16)

Slika 9.4 pokazuje krivulje za određivanje gubitaka pogona za većinu prijenosa sa fiksnim iznosom prijenosa snage, ako gubici pogona nisu poznati. Uređaji za prijenos snage koji imaju veću brzinu na kompresoru, nego na motoru imat će gubitke iznad srednje krivulje i obrnuto.

6

Većina kompresora se pokreće elektromotorima na izmjeničnu struju. Manji kompresori pokreću se jednofaznim motorima, dok veći koriste trofazne motore.

Ulazna snaga elektromotora može se izraziti slijedećom jednadžbom:

cos YIUPmi (9.17)

Tu je: miP ulazna snaga elektromotora,

U izmjereni napon na stezaljkama motora, I izmjerena struja na stezaljkama motora, Y fazni faktor: 1.73 za trofaznu, 2.0 za dvofaznu i 1.0 za jednofaznu

struju, cos izmjereni faktor snage.

Mehanička snaga na izlazu elektromotora je dana izrazom:

mo EfYIUP cos (9.18)

Tu je: oP izlazna snaga motora na osovini,

mEf efikasnost motora

Za sve motore odnos ulazne i izlazne snage je isti:

mic EfPP (9.19)

Podaci potrebni za proračun mogu se dobiti mjerenjem i sa natpisne pločice elektromotora. Mjeriti se mogu napon, struja i faktor snage.

Faktor opterećenja motora je odnos izmjerene snage na ulazu prema nominalnoj snazi na ulazu elektromotora kod punog opterećenja:

nnn UIUIfo cos /cos (9.20)

Tu je: nI nazivna struja kod punog opterećenja,

nU nazivni napon,

ncos nazivni faktor snage.

Ulazna snaga na osovini kompresora pokretanog motorom može se izračunati iz jednadžbe:

EfdPP moci (9.21)

Ova jednadžba vrijedi za sve načine pokretanja kompresora. Snaga potrebna za komprimiranje zraka bez mehaničkih gubitaka zove se snaga idealnog

kompresora. Efikasnost kompresora je iznos odnosa snage idealnog kompresora i ulazne snage na osovini kompresora:

7

vmcii PPEfc / (9.22)

Tu je Efc efikasnost kompresora

9.6. Stapni kompresori

Stapni kompresori komprimiraju zrak ili plin smanjivanjem volumena koji on zauzima u cilindru ili rotoru. Njihov kapacitet ne ovisi značajno o radnom tlaku.

9.6.1. Stapni kompresor sa pravocrtnim gibanjem štapa

Kompresor sa pravocrtnim gibanjem štapa je najčešći tip stapnih kompresora. Tablica 9.1 prikazuje uobičajene karakteristike ovih tipova. Tablica 9.1 Karakteristike kompresora s pravocrtnim gibanjem stapa

Kompresor Max. kapacitet (1/s)

Max. tlak (kPa(rel.))

Max. snaga (kW)

Jednoradni Jednostepeni 20 1040 11 višestepeni 320 1724 93 Dvoradni V - tip 755 860 120 L i horizontalni 4700 3500 3700 Kompresor s dijagramom 2 420 1

Ovi kompresori se najčešće koriste jer su jednostavni za rad i rukovanje, malih troškova i kompaktni. Oni rade na malim brzinama i lako se reguliraju i imaju dobru efikasnost kod nazivnog kapaciteta. Nedostatak je stvaranje unutarnje topline uzrokovane trenjem. Gibanje stapa uzrokuje vibracije zbog kojih je potrebno izraditi robusnije temelje nego kod drugih tipova.

9.6.2. Rotorni kompresori Rotorni kompresori spadaju u grupu kompresora koji svojim aktivnim potisnim elementima prisiljavaju plin da zauzme manji prostor tj. da se komprimira. Oni se počinju upotrebljavati tamo gdje su nekada dominirali stapni kompresori. Rotorni kompresori mogu se direktno priključiti na pogonski motor i raditi na visokim brzinama. Njihove dimenzije, veličina i troškovi za investicije su obično manji nego kod kompatibilnih stapnih kompresora. Ovo je moguće jer rotorni kompresori nemaju ulazne i izlazne ventile i imaju uravnoteženu mehaničku snagu. Oni imaju dobru efikasnost kod punog opterećenja i lošu kod malog opterećenja. Slaba efikasnost kod malog opterećenja je uzrokovana propuštanjem između priležućih površina. U tablici 9.2 su date uobičajene vrijednosti kapaciteta, tlaka i snage pogonskih motora. Tablica 9.2 Zajedničke karakteristike rotornih kompresora

Tip kompresora Max.kapacitet 1/s

Max.tlak kPa(mjer)

Max.snaga kW

Vijčani mali 78 860 30 veliki 9400 1030 600 Dvorotorni 10856 100 697 Lamelni jednostepeni 850 310 190 dvostepeni 2800 1030 300 Kom.sa tekućim prstenom 4720 103 746

8

9.7. Turbokompresori

U turbokompresorima plin se komprimira na čisto dinamičkom , strujnom principu. Osnovni sklop čini kolo rotora koji se okreče razmjerno velikom brzinom i pripadni stator koji miruje. Jedno kolo rotora i pripadni stator čine jedan stupanj. Skrene li kolo rotora struju plina tako da na njegovom izlazu struja ima okomit radijalni smjer s obzirom na osovinu rotora to je radijalni turbokompresor . Ako i nakon napuštanja kola rotora struja plina nastavi kretanje kroz stator paralelno s osovinom onda se govori o aksijalnom turbokompresoru.

Turbokompresori se najviše koriste u velikim industrijskim pogonima i za posebne primjene. Karakteristike turbokompresora su prikazane u tablici 9.3. Tablica 9.3 Zajedničke karakteristike turbokompresora Kompresor Max. kapacitet

(1/s) Max. tlak (kPa(rel.))

Max. snaga(kW)

Centrifuglani 71000 1034 10000 Aksijalni 80000 1034 11000

9.7.1. Radijalni turbokompresori

Radijalni turbokompresori uzrokuju da zrak putuje radijalno od rotora i prolazi kroz difuzore između stupnjeva prije nego izađe van. Zrak može biti efikasno hlađen između stupnjeva hlađenjem kućišta, što rezultira kompresijom blizu idealne u pojedinom stupnju. Izlazni tlak im je stabilan s velikim varijacijama u protoku zraka. Oni rade s velikom brzinom vrtnje, a većina komercijalnih kompresora radi s približno 20000 okr/min.

Prednosti radijalnih kompresora postaju znatne kod protoka preko 12000 1/s. glavne prednosti su veliki kapacitet, male vibracije, kompaktna konstrukcija, bezuljni izlazni zrak. Glavni nedostaci su nužnost ubrzivača (povečivač brzine), osim kod pogona turbinom, velik troškovi eksploatacije i održavvanja.

9.7.2. Aksijalni turbokompresori

Gibanje zraka kroz aksijalni turbokompresor je paralelno s osovinom i odvija se kroz redove rotirajućih i stacioniranih lopatica. Porast tlaka kroz pojedine stupnjeve ili rotirajuće lopatice je ograničen jer je otežano hlađenje zraka kroz kućište.

Glavne prednosti su im mali troškovi investicije i eksploatacije za kapacitete iznad 65000 1/s i izlazni zrak je bez ulja. Glavni nedostatak im je što stabilno rade samo kad im je protoka zraka relativno konstantan i unutar nazivnog iznosa.

9.8. Usporedba kod punog kapaciteta

Svaka usporedba utroška energije različitih tipova kompresora mora se voditi za isti tlak komprimiranja.

Na slici 9.5 dane su vrijednosti utrošene snage po jedinici protoka za razne kompresore kod izlaznog tlaka od 7 bara. Na apcisu su uneseni logaritmi protoka u m3/min, a na ordinatu utrošak energije u kW/m3/min.

9

1. Dvostepeni stapni kompresor hlađen zrakom jednostrukog učinka 2. Dvostepeni stapni kompresor hlađen vodom dvostrukog učinka 3. Dvostepeni kompresor s lopaticama s vodenim hlađenjem 4. Vijčani dvostepeni kompresor s međuhladnjakom 5. Centrifugalni kompresor s ugrađenim multiplikatorom 6. Jednostepeni kompresor s lopaticama hlađen vodom 7. Jednostepeni kompresor s lopaticama hlađen zrakom 8. Jednostepeni kompresor s lopaticama s injekcijom ulja na kraju 9. Jednostepeni vijlani kompresor s injekcijom ulja 10. Dvostepeni vijčani kompresor bez međuhladnjaka

9.9. Tlačni spremnik komprimiranog zraka

Tlačni spremnik je uobičajen u postrojenjima gdje potrošnja komprimiranog zraka nije

jednolična i gdje kompresor ne radi cijelo vrijeme sa maksimalnim kapacitetom. Tlačni spremnik dozvoljava da kompresor bude dimenzioniran za srednje opterećenje postrojenja (obično je volumen tlačnog spremnika 30 do 40 dm3 za svakih 5 1/s kapaciteta kompresora). Vršna potrošnja se pokriva iz spremljenog zraka. Ako su vršna opterećenja veća tada je potrebno imati što veći tlačni spremnik. On sprečava kratke intervale opterećenja i praznog hoda kompresora omogućujući da kompresor radi s najvećom efikasnošću za dugi vremenski period. Vrhovi tlaka uzrokovani promjenom opterećenja i pulsiranje u zračnom vodu zbog rada stapnih kompresora prigušuje se s tlačnim spremnikom. Ponekad se koristi više od jednog tlačnog spremnika i to tamo gdje su duge instalacije ili gdje je velika ili nepravilna potrošnja komprimiranog zraka.

Toplinski gubici zbog tlačnog spremnika uzrokuju djelomično hlađenje komprimiranog zraka i skupljanje kondenzata vode i kapljica ulja.

Instaliranje pravilno dimenzioniranog tlačnog spremnika u instalaciji s više kompresora može smanjiti potreban broj kompresora koji rade u nekom trenutku i time smanjujući troškove kod vršnog opterećenja, dodatno se smanjuju i sami troškovi rada.

9.10. Međuhladnjak i krajnji hladnjak Međuhladnjak se koristi između stupnjeva kod višestepenog komprimiranja za smanjenje temperature zraka. Zbog toga se poboljšavaju karakteristike slijedećeg stupnja. Krajnji hladnjaci smanjuju temperaturu komprimiranog zraka na izlazu iz kompresora radi smanjenja količine vlage u zraku. Oni također povećavaju gustoću zraka, koja smanjuje volumetrički protok i zbog toga se smanjuju padovi tlaka u cijevnim instalacijama. Međuhladnjak i krajnji hladnjak mogu biti hlađeni zrakom ili vodom. Krajnji hladnjak primjenjuju u sistemima gdje se traži vrlo suhi zrak.

9.10.1. Završni hladnjaci

Kod izlaza komprimiranog zraka iz kompresora mora biti predviđeno sredstvo za hlađenje, koje slijedi separator kondenzata, a zadatak mu je da što više rashlade komprimirani zrak i da mu temperaturu približe temperaturi okoline onih prostorija u kojima će se upotrebljavati komprimirani zrak

10

kako bi bilo što manje kasnijih kondenzacija vodene pare koja je sadržana u zraku koji cirkulira. Rashladni fluid može biti ventilirani zrak, voda ili ulje pod prinudnom cirkulacijom.

Rashlađivanje ventiliranim zrakom najčešće se koristi za male kompresore, ali se primjenjuje i kod jedinica velike snage. Treba predvidjeti oko 10o C između izlazne temperature komprimiranog zraka i zraka ventiliranja. Zato je vrlo važno da zrak bude što je moguće hladniji i zbog toga da se uzima iz okoliša izvan radnih prostorija. Potrošnja elektroventilatorskih agregata treba također uključiti u energetsku bilancu. Hlađenje vodom je efikasnije zbog visoke specifične topline vode i dobrog koeficijenta konvekcije. Slabost ovakvog hlađenja je da su potrebne mjere protiv smrzavanja, taloženja kamenca ili prekida snabdijevanja. Hlađenje vodom zahtijeva razliku temperatura od svega 5 do 8% između izlaza zraka i ulaza vode. Može se koristiti već korištena (odbačena) voda, voda iz vodovoda, voda iz bunara i voda iz rijeke. Za vodu iz bunara ili rijeke treba predvidjeti pumpu, a potrošnju njenog motora treba uključiti u energetsku bilancu. Voda iz vodovoda ne zahtijeva nikakvu direktnu potrošnju energije, ali je njena cijena uvijek vrlo visoka i predstavlja važan element troškova komprimiranog zraka. Voda za hlađenje najčešće cirkulira u poluzatvorenom krugu, a atmosferskim hlađenjem, ili u zatvorenom krugu hlađena ventiliranim zrakom, ili u otvorenom sistemu s izvorom vode i ispuštanjem vode. Hlađenje vodom se općenito koristi za kompresore velike snage. Toplina oslobođena putem rashladnog fluida je proporcionalna snazi kompresore i može se bar dijelom rekuperirati.

9.11. Upravljanje radom kompresora

Najidelaniji konstruirani kompresor sa najboljim stupnjem djelovanja mogu biti najekonomičniji samo ako su dobro regulirani. Dobro upravljanje pomaže da se energija koristi racionalnije.

Potrošnja komprimiranog zraka je promjenjiva u najvećem broju slučajeva. Ona može u nekim trenucima biti na nuli, ali isto tako dostići maksimalni kapacitet kompresora. Zbog ovog razloga mora se regulirati rad kompresora kako bi se u mreži komprimirani zrak mogao održati konstantni tlak. Kao veličina za regulaciju koristi se tlak u mreži.

Regulacija rada kompresora je postupak kojim se prilagođuje njegov učinak fa (1/s) promjenjivoj potrošnji komprimiranog zraka tlaka p2.Pri tome je dozvoljeno kolebanje izlaznog tlaka

unutra vrlo uskih granica minmax2 22 ppp unutar kojih se smije mijenjati dobavni tlak tokom

regulacije učinka. Postoje tri osnovne metode za upravljanje kompresorom kada nije potreban rad s punim

kapacitetom:

1. Upravljanje konstantnom brzinom je takvo da kompresor radi kontinuirano, dok mijenjamo kapacitet jednog ili više kompresorskih sistema za neopterećeni rad. Većina velikih kompresora koristi ovu metodu upravljanja jer veliki pogonski elektromotori ne mogu izdržati veliki broj pokretanja. Regulacija promjenom vremena rada provodi se tako da se kompresor uključi u rad i sačeka dok u tlačnom spremniku ne poraste tlak na najviši dozvoljeni. Tada se obustavlja isporuka komprimiranog zraka iz kompresora i sačeka da zbog potrošnje komprimiranog zraka iz tlačnog spremnika tlak u njemu padne na dozvoljeni minimumu. Sada se ponovo uključuje kompresor u instalaciju itd. Ovakva regulacija rada kompresora može se provesti periodičkim radom pogonskog stroja ili periodičkim rasterećenjem kompresora zadržavanjem otvorenog usisnog ventila što se provodi kada nije moguće često isključivanje pogonskog motora. Ovaj sistem je naročito pogodan kod niskotlačnih kompresora. Nedostatak ovog sistema je u tome što stroj troši energiju i u praznom hodu.

2. Start-stop metoda je takva da se pogonski elektromotor kompresora zaustavlja kod dostizanja gornje granice tlaka i kompresor se u cilju lakšeg pokretanja rasterećuje. Pri dostizanju donje granice tlaka ponovo se starta elektromotor i kompresor počinje davati komprimirani zrak. Start-stop metoda obično koristi sklopku osjetljivu na tlak za pokretanje i zaustavljanje kompresora. Ova metoda se univerzalno koristi na malim kompresorima. Veliki kompresori se upravljaju ovom metodom kada njihov kapacitet prelazi dvostruku potrebu za komprimiranim zrakom. Glavni nedostatak je što se može prekoračiti dozvoljeni broj zaleta elektromotora.

3. Dvostruka kontrola kombinira obje ove metode birajući metodu koja je najbolja ovisno o uvjetima rada. Izbor može biti ručni ili automatski.

Osim ovih regulacija isporuke komprimiranog zraka, kada kompresor radi ili s punim kapacitetom

ili s nula kapacitetom postoje i sistemi regulacije isporuke komprimiranog zraka manjeg od nazivnog.

11

Kod stapnih kompresora postoje slijedeće mogućnosti:

1. Kod kompresora s pravocrtnim gibanjem postoje slijedeće mogućnosti: a) etapna regulacija ugradnjom mrtvih prostora i tada kompresor može davati 100%,

75%, 50%, 25% i 10% nazivne količine, b) kontinuirana regulacija variranjem mrtvog prostora za dio vremena kojim upravlja

stapaj (regulacija 0-100%) ili putem dinamičke akcije izazivanjem kontinuranog kašnjenja usisnog ventila (regulacija 100-40%).

2. Rotacioni stapni kompresori mogu regulirati količinu prigušivanjem usisa.

Kod centrifugalnih kompresora kontinuirana regulacija količine komprimiranog zraka može se postići s:

a) regulacijom putem primjene brzina (smanjenje brzine pogonskog motora za 5% uz isti tlak komprimiranja smanjuje volumen za 15-20%),

b) regulacijom uz konstantnu brzinu upotrebom difuzora, pokretnim krilcima, usmjeravajućih pokretnih ulaznih lopatica.

9.12. Regulacija kompleksa kompresorske stanice

Opskrba komprimiranim zrakom neke tvornice zahtijeva obično spajanje dvaju ili više kompresora, da bi se, s jedne strane raspolagalo nekom rezervom, koja će jamčiti sigurnost u opskrbi komprimiranim zrakom, a s druge strane da bi različiti kompresori mogli raditi što je moguće bliže svojim maksimalnim količinama, jer se baš u takvim uvjetima postiže najbolji energetski učinak, bez obzira o kojem se tipu kompresora radi.

U tvornici, racionalno osmišljena kompresorska stanica sadrži 3, 4 ili 5 identičnih kompresora, s time, da je jedan od njih rezerva. Regulacija kompleksa mora omogućiti da se na zahtijevanu potrošnju odgovori minimumom jedinica u radu, na taj način, da svaka od ovih jedinica radi blizu svog punog opterećenja i prema tome uz svoj najbolji učin. Ovaj izbor grupa u radu može se automatski regulirati putem upravljačke jedinice koja omogućuje:

da se odredi broj grupa u radu prema unaprijed isplaniranom dnevnom ili tjednom programu, da se osigura uključivanje grupa u skokovima prilikom njihovog ulaska u pogon, da grupa određena za uključivanje za slučaj potrebe, odmah uđe u rad, čim s pritisak spusti

ispod neke određene vrijednosti, da se jednoliko rasporedi trošenje kompresora izmjenjivanjem osnovnih i dodatnih funkcija

pojedinih kompresora. Na području regulacije kompresora, a pogotovo kompresorskih postrojenja, naročito korisno s

obzirom na energetsku efikasnost bi će uvođenje mikroprocesora u uređaje za regulaciju. 9.13. Analiza rada kompresora Ako je kompresor pokretan elektromotorom, kada se odredi ulazna snaga motora iz izraza (9.17) godišnji troškovi energije izračunaju se iz izraza:

ce hPGtr mi (9.23)

Tu je: miP ulazna snaga motora,

ce cijena električne energije,

h vrijeme rada u godini,

Gtr godišnji troškovi za energiju.

Ako kompresor radi dio vremena punom snagom Pmi, a dio vremena u praznom hodu tada su godišnji troškovi:

hp)) ce (P hi) ((PGtr miumi (9.24)

Tu je miuP ulazna snaga motora u praznom hodu,

hi hp vrijeme rada pod opterećenjem i u praznom hodu.

12

Ova jednadžba se primjenjuje za sistem sa jednostepenom regulacijom puno opterećenje –

prazan hod. Kompresori koji imaju regulaciju brzine vrtnje mogu se svesti na prethodni slučaj s dovoljno točnosti korištenjem srednje potrebne snage za cijeli period rada. 9.14. Energija pogodna za povrat Uglavnom svi kompresori koriste neki oblik hlađenja za snižavanje temperature izlaznog zraka. Mali kompresori mogu koristiti toplinski dispator s krilcima na kućištu kompresora. U višestepenim kompresorima zrak je obično hlađen između stupnjeva u međuhladnjaku. I u mnogim instalacijama zrak je također hlađen poslije krajnjeg stupnja u krajnjem hladnjaku.

Hlađenje komprimiranog zraka smanjuje specifični volumen što omogućuje upotrebu manjih cijevi i smanjuju se gubici trenja. Veliki dio energije utrošen na komprimiranje zraka je povratljiv, koristeći međuhladnjak i krajnji hladnjak kao izvor topline za druge korisne svrhe.

Realni proces u kompresoru odvija se po politropi (1<n<k). Utrošeni rad je izražen jednadžbom (9.8), a oslobođena toplina iznosi:

)1)/(( )1/( /112112 nn

v ppnnkTcq (9.25)

Iz izraza (9.8) i (9.25) izlazi:

konst s k, n za 0

konst T 1,n za 1

1nk za )1;0(1

112

k

nk

nw

q (9.26)

Iz (9.26) vide se dva granična slučaja:

1. Izotermni proces n=1 pri čemu qn = 1,tj. vraćena toplina je jednaka utrošenom radu. Ovdje naizgled kao da smo dobili više nego što smo uložili: povećali tlak plina i vratili količinu topline jednaku uloženom radu. Međutim, moramo znati da kod ovog nije došlo do povećanja temperature plina kod komprimiranja i da je vraćena toplina na toj temperaturi. Usisni plin je temperature okoline i radna sposobnost vraćene topline je nula.

2. Adijabatska kompresija pri čemu se od plina (kompresora) ne odvodi toplina. Temperatura plina na kraju komprimiranja je viša od temperature okolnog zraka i znosi:

kkppTT /11212 )/( (9.27)