Rotační šroubový kompresor - Rotary-screw compressor

Kompresní účinek dvoušnekového kompresoru se šestihranným vnitřním šroubem a pětiblokovým vnitřním šroubem. Zvýrazní se stlačení jednoho páru dutin: vzduch je nasáván sacím otvorem, stlačen (znázorněno změnou barvy z azurové na červenou) a uvolněn výstupním otvorem.
Vnitřní pohled na vzduchový kompresor s rotačním šroubem

A rotační šroubový kompresor je typ plynový kompresor, jako je vzduchový kompresor, který používá objemový mechanismus rotačního typu. Obvykle se používají k nahrazení pístové kompresory tam, kde jsou zapotřebí velké objemy vysokotlakého vzduchu, a to buď pro velké průmyslové aplikace, jako je chladiče, nebo k obsluze vysoce výkonného vzduchového nářadí, jako je sbíječky a rázové utahováky. U menších velikostí rotorů se inherentní úniky v rotorech stávají mnohem významnějšími, což vede k tomu, že tento typ mechanismu je nevhodný pro malé vzduchové kompresory.

Proces komprese plynu rotačního šneku je kontinuálním zametacím pohybem, takže dochází k velmi malému pulzování nebo prudkému nárůstu průtoku, jak je tomu u pístových kompresorů. To také umožňuje, aby šroubové kompresory byly výrazně tišší a produkovaly mnohem menší vibrace než pístové kompresory, a to i při velkých velikostech, a přináší určité výhody v efektivitě.

Pracovní

Průřez rotory typického šroubového kompresoru s vnitřním rotorem majícím 5 laloků a vnitřním rotorem majícím 6. Při pěti otáčkách vnitřního rotoru vnitřní rotor provádí šest otáček. Kliknutím sem zobrazíte animovaný diagram

Rotační šroubové kompresory používají dva velmi těsné záběry šroubovité šrouby, známé jako rotory, ke stlačování plynu. U rotačního šroubového kompresoru se suchým chodem zajišťují rozvodová kola, aby si vnější a vnitřní rotor udržovaly přesné vyrovnání bez dotyku, což by vedlo k rychlému opotřebení. V olejem zaplaveném rotačním šroubovém kompresoru přemosťuje mazací olej prostor mezi rotory, přičemž zajišťuje hydraulické těsnění a přenáší mechanickou energii mezi rotory, což umožňuje, aby byl jeden rotor zcela poháněn druhým. Plyn vstupuje na sací straně a pohybuje se skrz závity při otáčení šroubů. Záběrové rotory tlačí plyn přes kompresor a plyn vystupuje na konci šroubů. Pracovní oblast je objem mezi laloky mezi vnějšími a vnitřními rotory. Je větší na konci sání a zmenšuje se po délce rotorů až k výfukovému otvoru. Tato změna hlasitosti je komprese. Sací dávka je nasávána na konci rotorů ve velké vůli mezi mužským a ženským lalokem. Na sacím konci je samčí lalok mnohem menší než jeho samičí protějšek, ale relativní velikosti obrácují proporce po délce obou rotorů (samčí se zvětšuje a samičí menší), dokud (tangenciálně k vypouštěcímu otvoru) volný prostor mezi každým pár laloků je mnohem menší. Toto snížení objemu způsobí stlačení náboje před jeho předložením výstupnímu potrubí.[1]

Účinnost tohoto mechanismu závisí na přesně zapadajících vzdálenostech mezi spirálovými rotory a mezi rotory a komorou pro utěsnění kompresních dutin. Některé úniky jsou však nevyhnutelné a je třeba použít vysoké rychlosti otáčení, aby se minimalizoval poměr únikového průtoku k efektivnímu průtoku.

Na rozdíl od Roots dmychadla, moderní šroubové kompresory jsou vyráběny s různými profily na obou rotorech: vnitřní rotor má konvexní laloky, které zapadají do konkávních dutin vnitřního rotoru. Vnější rotor má obvykle méně laloků než vnitřní rotor, takže se otáčí rychleji. Původně byly šroubové kompresory vyráběny se symetrickými profily dutin rotorů, ale moderní verze používají asymetrické rotory, přičemž přesné konstrukce rotorů jsou předmětem patentů.[2]

Technické ilustrace kompresního systému s rotačním šroubem

Velikost

Výkony šroubových kompresorů jsou obvykle dimenzovány na koňská síla (HP), Standardní kubické stopy za minutu (SCFM )* a liber na čtvereční palec (PSI.) U jednotek v rozsahu 5 až 30 HP je fyzická velikost těchto jednotek srovnatelná s typickým dvoustupňovým kompresorem. Tak jako koňská síla zvyšuje, existuje značná úspora z rozsahu ve prospěch rotačních šroubových kompresorů. Například směsný kompresor s výkonem 250 HP je velké zařízení, které obecně vyžaduje speciální základy, budování ubytovacích zařízení a vysoce vyškolené riggers umístit zařízení. Na druhou stranu lze rotační šroubový kompresor s výkonem 250 HP umístit na běžnou dílnu pomocí standardu vysokozdvižný vozík. V průmyslu je rotační šroubový kompresor s výkonem 250 HP obecně považován za kompaktní zařízení.

Rotační šroubové kompresory jsou běžně dostupné v rozsahu 5 až 500 HP a mohou produkovat proudění vzduchu přesahující 2500 SCFM. I když existují vysokotlaké rotační šroubové kompresory, v komunitě stlačeného vzduchu je horní mez tlaku obvykle kolem 125 PSI.

Rotační šroubové kompresory mají obvykle hladký chod s omezenými vibracemi, takže nevyžadují speciální základ nebo montážní systém. Normálně jsou šroubové kompresory namontovány pomocí standardní gumy izolační držáky navržen tak, aby absorboval vysokofrekvenční vibrace. To platí zejména u šroubových kompresorů, které pracují při vysokých rychlostech otáčení.

* V menší míře jsou hodnoceny některé kompresory Skutečné kubické stopy za minutu (ACFM ). Ještě další jsou hodnoceny v Krychlové stopy za minutu (CFM). Použitím CFM[3] hodnocení kompresoru je nesprávné, protože představuje průtok nezávislý na referenční hodnotě tlaku. tj. 20 CFM při 60 PSI.

Aplikace

Rotační šroubové kompresory se obecně používají k přívodu stlačeného vzduchu pro větší průmyslové aplikace. Nejlépe se používají v aplikacích, které mají nepřetržitou spotřebu vzduchu, jako jsou balírny potravin a automatizované výrobní systémy, i když dostatečně velký počet občasných požadavků spolu s určitým skladováním bude také představovat vhodně kontinuální zatížení. Kromě pevných jednotek jsou rotační šroubové kompresory běžně namontovány na přívěsy za přívěsy a jsou poháněny malými naftovými motory. Tyto přenosné kompresní systémy se obvykle označují jako konstrukční kompresory. Stavební kompresory se používají k zajištění stlačeného vzduchu pro kladiva, nýtovací nástroje, pneumatická čerpadla, tryskání pískem a průmyslové lakovací systémy. Jsou běžně k vidění na stavbách a ve službě u posádek oprav silnic po celém světě.

Bez oleje

V bezolejovém kompresoru je vzduch zcela stlačen působením šroubů bez pomoci olejového těsnění. Výsledkem je obvykle nižší maximální vypouštěcí tlak. Vícestupňové bezolejové kompresory, kde je vzduch stlačován několika sadami šroubů, však mohou dosáhnout tlaku přes 150 psi (10 atm) a výstupního objemu přes 2 000 kubických stop za minutu (57 m3/ min).

Bezolejové kompresory se používají v aplikacích, kde je nepřijatelný přenos oleje nepřijatelný, jako je lékařský výzkum a výroba polovodičů. To však nevylučuje potřebu filtrace, protože uhlovodíky a jiné nečistoty přijaté z okolního vzduchu musí být rovněž odstraněny před místem použití. Proto je pro zajištění kvalitního stlačeného vzduchu často zapotřebí úprava vzduchu stejná jako u šroubového kompresoru zaplaveného olejem.

Vstřikovaný olej

Schéma rotačního šroubového kompresoru

V rotačním šroubovém kompresoru se vstřikováním oleje se olej vstřikuje do kompresních dutin, aby se usnadnilo utěsnění a zajistilo chlazení plynové náplně. Olej je oddělen od výtlačného proudu, ochlazen, filtrován a recyklován. Olej zachycuje nepolární částice ze vstupujícího vzduchu, čímž účinně snižuje zatížení částic filtrací částic stlačeného vzduchu. Je obvyklé, že nějaký unášený kompresorový olej nese do proudu stlačeného plynu za kompresorem. V mnoha aplikacích je to napraveno coalescer / filtrační nádoby.[4] Chlazený sušičky stlačeného vzduchu s vnitřními studenými koalescenčními filtry jsou dimenzovány tak, aby odstranily více oleje a vody než koalescenční filtry, které jsou za sušiči vzduchu, protože po ochlazení vzduchu a odstranění vlhkosti se studený vzduch používá k předchlazení horkého vstupujícího vzduchu, který ohřívá vystupující vzduch. V jiných aplikacích je to napraveno použitím sběrných nádrží, které snižují lokální rychlost stlačeného vzduchu, což umožňuje kondenzaci oleje, jeho vypadávání z proudu vzduchu a jeho odstraňování ze systému stlačeného vzduchu pomocí zařízení na odvádění kondenzátu.

Rotační šroubové kompresory se vstřikováním oleje se používají v aplikacích, které tolerují nízkou úroveň znečištění oleje, jako je provoz pneumatického nástroje, utěsňování trhlin a mobilní pneuservis.[Citace je zapotřebí ] Nové šroubové vzduchové kompresory zaplavené olejem uvolňují <5mg / m3 přenosu oleje.[5] PAG olej je polyalkylenglykol, který se také nazývá polyglykol. Olej PAG hoří čistě, nezanechává žádné zbytky a byl použit jako nosič olej pro tuhá maziva pro vysokoteplotní mazání řetězů.[6] Některé verze jsou potravinářské a biologicky odbouratelné. Maziva PAG používají dva největší výrobci vzduchových kompresorů v USA v rotačních šroubových vzduchových kompresorech.[7] Kompresory se vstřikováním oleje PAG se nepoužívají ke stříkání barev, protože olej PAG rozpouští barvy. Dvousložkové barvy na bázi epoxidové pryskyřice vytvrzující reakci jsou odolné vůči PAG oleji. Kompresory PAG nejsou ideální pro aplikace, které mají těsnění potažené tuky z minerálních olejů, jako jsou 4cestné ventily a vzduchové válce, které pracují bez maznic minerálních olejů, protože PAG odplavuje minerální mazivo a degraduje gumu Buna-N.[8]

Kónický šroubový kompresor

Hlavní článek: Kónický šroubový kompresor

Relativně nedávno vyvinutý kuželový šroubový kompresor je ve skutečnosti kuželovité spirálové prodloužení a gerotor. Nemá vlastní únikovou cestu „foukacího otvoru“, která je u dobře navržených šroubových kompresorů odpovědná za významné úniky skrz sestavu. To umožňuje, aby mnohem menší rotory měly praktickou účinnost, protože u menších velikostí se netěsná oblast nestává tak velkou částí čerpací oblasti jako u přímých šroubových kompresorů. Ve spojení s klesajícím průměrem kuželovitého rotoru to také umožňuje mnohem vyšší kompresní poměry v jednom stupni s nižší výstupní pulzací.[9]

Kontrolní schémata

Mezi rotačními šroubovými kompresory existuje několik regulačních schémat, každé s odlišnými výhodami a nevýhodami.

Začátek Konec

V řídicím schématu start / stop ovládací prvky kompresoru ovládají relé, aby podle potřeby stlačeného vzduchu přivedly a odpojily napájení motoru. Pokud je zátěž přerušovaná nebo je špatně přizpůsobena kompresoru, je ve většině případů vyžadováno významné úložiště, požadovaná paměť bude často větší než samotný kompresor.

Načíst / vyložit

Ve schématu řízení zátěže / vykládky zůstává kompresor nepřetržitě napájen. Když je však uspokojena nebo snížena potřeba stlačeného vzduchu, místo odpojení energie od kompresoru se aktivuje zařízení známé jako šoupátko. Toto zařízení odkrývá část rotoru a proporcionálně snižuje kapacitu stroje až na typicky 25% kapacity kompresoru, čímž vykládka kompresor. To snižuje počet cyklů start / stop pro elektromotory v průběhu schématu řízení start / stop v elektricky poháněných kompresorech, čímž se zvyšuje životnost zařízení s minimální změnou provozních nákladů. Toto schéma využívají téměř všichni výrobci průmyslových vzduchových kompresorů. Když je schéma řízení zátěže / vykládky kombinováno s časovačem pro zastavení kompresoru po předem stanovené době nepřetržitého provozu bez zátěže, je to známé jako schéma dvojitého řízení nebo automatického dvojitého provedení. Toto kontrolní schéma stále vyžaduje úložiště, protože k dispozici jsou pouze dvě výrobní rychlosti, které odpovídají spotřebě, i když výrazně nižší než schéma spuštění / zastavení.

Modulace

Rotační šroubový vzduchový kompresor v krytu pro tlumení zvuku

Namísto spouštění a zastavování kompresoru výše popsaný šoupátkový ventil nepřetržitě moduluje kapacitu podle potřeby, místo aby byl řízen v krocích. I když to poskytuje konzistentní výtlačný tlak v širokém rozsahu poptávky, celková spotřeba energie může být vyšší než u schématu zatížení / odlehčení, což vede k přibližně 70% spotřeby energie při plném zatížení, když je kompresor ve stavu nulového zatížení.

Vzhledem k omezenému přizpůsobení spotřeby energie kompresoru vzhledem k výstupní kapacitě stlačeného vzduchu je modulace obecně neúčinnou metodou řízení ve srovnání s pohony s proměnnými otáčkami. Pro aplikace, kde není snadno možné často zastavit a obnovit provoz kompresoru (například když je kompresor poháněn spalovacím motorem a provozován bez přítomnosti přijímače stlačeného vzduchu), je vhodná modulace. Kontinuálně proměnlivá rychlost výroby také eliminuje potřebu značného skladování, pokud zátěž nikdy nepřekročí kapacitu kompresoru.

Variabilní posunutí

Využíváno kompresorovými společnostmi Quincy Compressor, Kobelco, Gardner Denver, a Sullair, variabilní výtlak mění procento šroubových kompresorových rotorů pracujících na stlačování vzduchu tím, že umožňuje proudění vzduchu obcházet části šroubů. I když to ve srovnání se schématem řízení modulace snižuje spotřebu energie, systém načítání / vykládání může být efektivnější při velkém množství úložiště (10 galonů na CFM). Pokud velké množství úložiště není praktické, může být systém s proměnným posunem velmi účinný, zejména při více než 70% plného zatížení.[10]

Jedním ze způsobů, jak lze dosáhnout proměnlivého posuvu, je použití více zdvihacích ventilů na sací straně kompresoru, z nichž každý je připevněn k odpovídajícímu místu na výtlaku. U automobilových kompresorů je to analogické s funkcí obtokového ventilu.

Variabilní rychlost

Zatímco vzduchový kompresor poháněný pohonem s proměnnými otáčkami může nabídnout nejnižší náklady na provozní energii bez znatelného snížení životnosti při správně udržovaném kompresoru zátěže / vyložení, výkonový měnič s proměnnou frekvencí pohonu s proměnnými otáčkami obvykle přidává významné náklady na konstrukci takového kompresoru, čímž se sníží jeho ekonomické výhody oproti správně dimenzovanému kompresoru plnění / vykládání, pokud je potřeba vzduchu stálá. Pohon s proměnnými otáčkami však poskytuje téměř lineární vztah mezi spotřebou energie kompresoru a volným přívodem vzduchu, což umožňuje nejúčinnější provoz ve velmi širokém rozsahu poptávky po vzduchu. Kompresor bude i nadále muset vstoupit do režimu start / stop pro velmi nízkou spotřebu, protože účinnost stále rychle klesá při nízkých rychlostech výroby kvůli úniku rotoru. V drsném prostředí (horkém, vlhkém nebo prašném) může být nutné elektroniku pohonů s proměnnými otáčkami chránit, aby byla zachována očekávaná životnost.[11]

Kompresory

Lysholm šrouby. Všimněte si složitého tvaru každého šroubu. Šrouby běží vysokou rychlostí as úzce vytvořené tolerance.

Dvoušnekový kompresor je a pozitivní posunutí zařízení typu, které pracuje tlakem vzduchu přes dvojici záběrových šroubů s nízkou tolerancí, podobných sadám šnekových převodů. Dvoušnekové kompresory jsou také známé jako kompresory Lysholm (nebo kompresory ) po jejich vynálezci, Alf Lysholm.[12]Každý rotor je radiálně symetrický, ale příčně asymetrický. Pro srovnání, konvenční Dmychadla typu „Roots“ mít buď identické rotory (s přímými rotory) nebo zrcadlové rotory (se šroubovicovými rotory). Vnější rotor vyrobený Whipple má tři laloky, vnitřní pět laloků. Mužský rotor Kenne-Bell má čtyři laloky, samice šest laloků. Ženy v některých dřívějších designech měly čtyři. Pro srovnání, Rootsova dmychadla mají vždy stejný počet laloků na obou rotorech, obvykle 2, 3 nebo 4.


Srovnávací výhody

Rotační šroubový kompresor má nízké úrovně úniků a nízké parazitní ztráty oproti typu Roots. Kompresor je typicky poháněn přímo z klikového hřídele motoru pomocí řemenu nebo převodovky. Na rozdíl od Rootsový kompresor, dvojitý šroub vykazuje vnitřní kompresi, což je schopnost zařízení stlačovat vzduch uvnitř pouzdra, když se pohybuje zařízením, místo toho, aby se spoléhal na odpor proudění po proudu od výboje, aby vytvořil zvýšení tlaku.[13]

Požadavek vysoké přesnosti počítačem řízené výrobní technologie činí šroubový kompresor dražší alternativou k jiným formám dostupné nucené indukce. S pozdější technologií se výrobní náklady snížily a výkon se zvýšil.

Všechny typy kompresorů těží z použití mezichladič ke snížení tepla produkovaného při čerpání a stlačení.

Jasný příklad technologie používané společností twin-screw ve společnostech jako Brod, Mazda, Mercedes a Mercury Marine může také prokázat účinnost dvojitého šroubu. I když jsou některé odstředivé kompresory konzistentní a spolehlivé, obvykle nedosahují plného výkonu až do téměř špičkových otáček motoru, zatímco kompresory s pozitivním posunem objemu, jako je Rootsovy kompresory a typy se dvěma šrouby nabízejí okamžitější podporu. Kromě toho mohou dvoušnekové kompresory udržovat přiměřené zvýšení na vyšší otáčky lépe než jiné přeplňované motory s pozitivním posunem.

Související pojmy

Termín „dmychadlo“ se běžně používá k definování zařízení umístěného na motorech s funkční potřebou dalšího proudění vzduchu, jako je a Dvoutaktní vznětový motor, kde je potřebný pozitivní sací tlak k „úklidu“, nebo k vyprázdnění vyčerpaného výfukového plynu z válce a před kompresním zdvihem vtlačte do válce novou sací nálož. Termín „dmychadlo“ se používá u rotačních šroubových, kořenových a odstředivých kompresorů, pokud se používá jako součást automobilu nucená indukce Systém.

Viz také

Reference

  1. ^ Základy zpracování zemního plynu.
  2. ^ Stosic, Nikola; Smith, Ian K; Kovačevič, Ahmed; Mujic, Elvedin. "Geometrie šroubových kompresorových rotorů a jejich nástrojů" (PDF). Centrum pro objemové kompresory, City University London. Citováno 9. července 2016.
  3. ^ "0421004SX - kompresor SX". 0421004SX.
  4. ^ Technické centrum Popisuje šroubové kompresory zaplavené olejem, včetně kompletního vývojového diagramu systému.
  5. ^ BCAS | Filtrace a sušení stlačeného vzduchu, osvědčené postupy | Strana 3 (10 z 67)
  6. ^ „Vysvětlení syntetického polyalkylenglykolového PAG oleje“.
  7. ^ Vysvětlený polyalkylenglykolový syntetický PAG olej | Daryl Beatty, Dow Chemical Company a Martin Greaves, Dow Chemical Company
  8. ^ Klüber Lubrication | Přechod z minerálního oleje / polyalfaolefinu na polyalkylenglykol
  9. ^ Dmitriev, Olly; Tabota, Eugene; Euring, Ian Arbon; Fimeche, Ceng (2. února 2020). „Miniaturní rotační kompresor s kompresním poměrem 1:10“. Série IOP Conference: Materials Science and Engineering. 90: 012055. doi:10.1088 / 1757-899X / 90/1/012055.
  10. ^ http://www.compressedairchallenge.org/library/sourcebook/compressed_air_sourcebook.pdf
  11. ^ http://www.plantservices.com/articles/2006/288.html
  12. ^ http://www.airends.com/LysholmArticle.htm
  13. ^ Přeplňování Twin Screw vs. Roots, Kenne Bell