Compressor (gas)

Soorten compressoren

Er zijn veel verschillende soorten gascompressoren. De twee voornaamste categorieën zijn:

• Verdringingscompressoren met twee sub-categorieën:
• Reciprocerende
• Rotary
• Dynamische compressoren ook met twee sub-categorieën:
• Centrifugaal
• Axiaal

De belangrijkste typen in elk van de vier sub-categorieën worden hieronder besproken.

Centrifugaalcompressoren

Centrifugaalcompressoren maken gebruik van een schoepvormige roterende schijf of waaier in een gevormde behuizing om het gas naar de rand van de waaier te dwingen, waardoor de snelheid van het gas toeneemt. Een diffusorgedeelte (divergerende leiding) zet de snelheidsenergie om in drukenergie. Zij worden hoofdzakelijk gebruikt voor continu, stationair gebruik in industrieën zoals olieraffinaderijen, chemische en petrochemische fabrieken en aardgasverwerkingsfabrieken. Zij kunnen worden toegepast van 100 pk (75 kW) tot duizenden paardenkrachten. Met meervoudige trappen kunnen zij een extreem hoge uitgangsdruk bereiken van meer dan 10.000 psi (69 MPa).

Veel grote besneeuwingsinstallaties (zoals een skioord) gebruiken dit type compressor. Ze worden ook gebruikt in verbrandingsmotoren als superchargers en turbocompressoren. Centrifugaalcompressoren worden gebruikt in kleine gasturbinemotoren of als laatste compressietrap van middelgrote gasturbines.

Diagonale of gemengde-stroomcompressoren

Diagonale of gemengde stromingscompressoren zijn vergelijkbaar met centrifugaalcompressoren, maar hebben een radiale en axiale snelheidscomponent bij de uitgang van de rotor. De diffuser wordt vaak gebruikt om de diagonale stroming naar de axiale richting te draaien. De diagonale compressor heeft een diffusor met een kleinere diameter dan de equivalente centrifugale compressor.

Axiale stromingscompressoren

Axiale stromingscompressoren gebruiken een reeks waaiervormig roterende rotorbladen om de gasstroom geleidelijk samen te persen. Stationaire statorschoepen, die stroomafwaarts van elke rotor worden geplaatst, leiden de stroming naar de volgende set rotorbladen. De oppervlakte van de gasdoorgang neemt af doorheen de compressor om een ruwweg constant axiaal Machgetal te behouden. Axiale-stroomcompressoren worden gewoonlijk gebruikt in toepassingen met een hoog debiet, zoals middelgrote tot grote gasturbinemotoren. Zij zijn bijna altijd meertraps. Boven ongeveer 4:1 ontwerpdrukverhouding wordt vaak variabele geometrie gebruikt om de werking te verbeteren.

Zuigercompressoren

Zuigercompressoren maken gebruik van zuigers die door een krukas worden aangedreven. Zij kunnen stationair of draagbaar zijn, één- of meertraps, en kunnen worden aangedreven door elektromotoren of interne verbrandingsmotoren. Kleine zuigercompressoren met een vermogen van 5 tot 30 pk worden vaak gebruikt in de automobielindustrie en zijn meestal bestemd voor intermitterende toepassingen. Grotere zuigercompressoren tot 1000 pk worden nog vaak aangetroffen in grote industriële toepassingen, maar hun aantal neemt af naarmate ze worden vervangen door diverse andere soorten compressoren. De ontladingsdruk kan variëren van lage druk tot zeer hoge druk (>5000 psi of 35 MPa). In bepaalde toepassingen, zoals luchtcompressie, zijn meertraps dubbelwerkende compressoren naar verluidt de meest efficiënte compressoren die beschikbaar zijn, maar zij zijn doorgaans groter, lawaaieriger en duurder dan vergelijkbare roterende eenheden.

Schroefcompressoren

Schroefcompressoren maken gebruik van twee ineengestrengelde roterende schroefvijzels met positieve verplaatsing om het gas in een kleinere ruimte te persen. Deze worden gewoonlijk gebruikt voor continu bedrijf in commerciële en industriële toepassingen en kunnen stationair of draagbaar zijn. Zij kunnen worden gebruikt van 3 pk (2,24 kW) tot meer dan 500 pk (375 kW) en van lage druk tot zeer hoge druk (>1200 psi of 8,3 MPa). Zij worden vaak gebruikt bij wegenreparatieploegen om luchtgereedschap aan te drijven. Dit type wordt ook gebruikt voor veel drukvullers voor automotoren omdat het gemakkelijk kan worden afgestemd op de inlaatcapaciteit van een zuigermotor.

Scrollcompressoren

Een scrollcompressor, ook scrollpomp of scrollvacuümpomp genoemd, maakt gebruik van twee in elkaar geschoven spiraalvormige schoepen om vloeistoffen, zoals vloeistoffen en gassen, te pompen of samen te persen. De geometrie van de schoepen kan omgekruld, archimedespiraal of hybride curven zijn. Zij werken soepeler, stiller en betrouwbaarder dan andere types compressoren.

Vaak is één van de rollen vast, terwijl de andere excentrisch draait zonder te roteren, waardoor zakken vloeistof tussen de rollen worden opgesloten en gepompt of samengeperst.

Membraancompressoren

Een membraancompressor (ook wel membraancompressor genoemd) is een variant van de conventionele zuigercompressor. De compressie van het gas gebeurt door de beweging van een flexibel membraan, in plaats van een inlaatelement. De heen- en weergaande beweging van het membraan wordt aangedreven door een stang en een krukasmechanisme. Alleen het membraan en de compressorkast komen in contact met het gas dat wordt gecomprimeerd.

Membraancompressoren worden gebruikt voor waterstof en gecomprimeerd aardgas (CNG), alsook in een aantal andere toepassingen.

Diversen

Luchtcompressoren die aan het grote publiek worden verkocht en door hen worden gebruikt, zijn vaak bevestigd boven op een tank waarin de perslucht wordt opgeslagen. Er zijn oliegesmeerde en olievrije compressoren verkrijgbaar. Olievrije compressoren zijn wenselijk omdat zonder een goed ontworpen afscheider olie in de luchtstroom terecht kan komen. Voor sommige doeleinden, bijvoorbeeld als duikcompressor, kan zelfs een beetje olie in de luchtstroom onaanvaardbaar zijn.

Figuur 1: Een eentraps centrifugale compressor


Een animatie van een axiale compressor.


Mechanisme van een scrollpomp

Temperatuur

De wet van Charles zegt "wanneer een gas wordt samengeperst, stijgt de temperatuur". Er zijn drie mogelijke verbanden tussen temperatuur en druk in een volume gas dat wordt samengeperst:

• Isotherm - het gas blijft gedurende het proces op constante temperatuur. In deze cyclus wordt interne energie aan het systeem onttrokken in de vorm van warmte met dezelfde snelheid als waarmee deze wordt toegevoegd door de mechanische arbeid van de compressie. Isotherme compressie of expansie wordt begunstigd door een groot warmte-uitwisselend oppervlak, een klein gasvolume, of een lange tijdschaal (d.w.z. een klein vermogensniveau). Bij praktische apparaten is isotherme compressie meestal niet haalbaar. Bijvoorbeeld, zelfs een fietspomp wordt warm tijdens het gebruik.
• Adiabatisch - In dit proces is er geen warmteoverdracht naar of uit het systeem, en alle toegevoerde arbeid wordt toegevoegd aan de interne energie van het gas, wat resulteert in temperatuur- en drukstijgingen. De theoretische temperatuurstijging is T2 = T1-Rc^((k-1)/k)), met T1 en T2 in graden Rankine of kelvin, en k = verhouding van de soortelijke warmte (ongeveer 1,4 voor lucht). De stijging van de lucht- en temperatuurverhouding betekent dat de compressie geen eenvoudige druk/volume-verhouding volgt. Dit is minder efficiënt, maar wel snel. Adiabatische compressie of expansie wordt bevorderd door goede isolatie, een groot gasvolume, of een korte tijdschaal (d.w.z. een hoog vermogensniveau). In de praktijk zal er altijd een zekere warmtestroom zijn, want om een perfect adiabatisch systeem te maken zou een perfecte warmte-isolatie van alle onderdelen van een machine nodig zijn.
• Polytropisch - Hierbij wordt ervan uitgegaan dat warmte het systeem kan binnenkomen of verlaten, en dat het werk van de ingaande as kan verschijnen als zowel verhoogde druk (gewoonlijk nuttig werk) als verhoogde temperatuur boven adiabatisch (gewoonlijk verliezen als gevolg van het rendement van de cyclus). Het rendement van de cyclus is dan de verhouding tussen de temperatuurstijging bij theoretische 100% (adiabatisch) en de werkelijke (polytropisch).

Gefaseerde compressie

Aangezien bij compressie warmte vrijkomt, moet het gecomprimeerde gas tussen de fasen worden gekoeld, waardoor de compressie minder adiabatisch en meer isothermisch verloopt. De intertrapskoelers veroorzaken condensatie, wat betekent dat er waterafscheiders met aftapkleppen aanwezig zijn. Het vliegwiel van de compressor kan een koelventilator aandrijven.

In een typische duikcompressor bijvoorbeeld, wordt de lucht in drie trappen samengeperst. Als elke trap een compressieverhouding van 7 op 1 heeft, kan de compressor 343 keer de atmosferische druk leveren (7 x 7 x 7 = 343 atmosfeer).

Toepassingen

Gascompressoren worden gebruikt in diverse toepassingen waar ofwel hogere drukken ofwel lagere gasvolumes nodig zijn:

• in het pijpleidingstransport van gezuiverd aardgas om het gas van de plaats van productie naar de verbruiker te brengen.
• in aardolieraffinaderijen, aardgasverwerkingsfabrieken, petrochemische en chemische fabrieken, en soortgelijke grote industriële installaties voor het comprimeren van tussen- en eindgassen.
• in koel- en klimaatregelingsapparatuur om warmte van de ene plaats naar de andere te verplaatsen in koelmiddelcycli: zie Dampcompressiekoeling.
• in gasturbinesystemen om de aangezogen verbrandingslucht samen te persen
• voor de opslag van gezuiverde of fabrieksgassen in een klein volume, hogedrukcilinders voor medische, las- en andere toepassingen.
• in vele verschillende industriële, fabricage- en bouwprocessen om alle soorten pneumatisch gereedschap aan te drijven.
• als een medium om energie over te brengen, zoals om pneumatische apparatuur aan te drijven.
• in vliegtuigen met drukcabine om een inadembare atmosfeer te creëren die hoger is dan de omgevingsdruk.
• in sommige types straalmotoren (zoals turbojets en turbofans) om de lucht te leveren die nodig is voor de verbranding van de motorbrandstof. Het vermogen om de verbrandingsluchtcompressor aan te drijven is afkomstig van de eigen turbines van de straalmotor.
• in SCUBA-duiken, hyperbare zuurstoftherapie en andere levensondersteunende apparaten om ademgas in een klein volume op te slaan, zoals in duikcilinders .
• in onderzeeërs om lucht op te slaan voor later gebruik als drijfvermogen.
• in turboladers en superchargers om de prestaties van interne verbrandingsmotoren te verhogen door de concentratie van zuurstof.
• in het spoorwegvervoer en het zware wegvervoer om perslucht te leveren voor de bediening van remmen en diverse andere systemen (deuren, ruitenwissers, bediening van motor/versnellingsbak, enz.)
• voor diverse doeleinden, zoals het leveren van perslucht voor het vullen van luchtbanden.

Verwante pagina's

• Pneumatiek
• Pomp
• Luchtpomp