Gaskompressor: hvordan den virker, typer og anvendelser

Typer af kompressorer

Der findes mange forskellige typer af gaskompressorer. De to primære kategorier er:

• Kompressorer med positiv forskydning med to underkategorier:
• Stempelkobling
• Roterende
• Dynamiske kompressorer har også to underkategorier:
• Centrifugal
• Aksial

De vigtigste typer i hver af de fire underkategorier gennemgås nedenfor.

Centrifugalkompressorer

Centrifugalkompressorer anvender en roterende skive eller et pumpehjul i et formet hus til at tvinge gassen hen til kanten af pumpehjulet, hvilket øger gassens hastighed. En diffusersektion (divergerende kanal) omdanner hastighedsenergien til trykenergi. De anvendes primært til kontinuerlig, stationær drift i industrier som f.eks. olieraffinaderier, kemiske og petrokemiske anlæg og anlæg til behandling af naturgas. De kan anvendes fra 100 hk (75 kW) til tusindvis af hestekræfter. Med flere trin kan de opnå ekstremt høje udgangstryk på over 10 000 psi (69 MPa).

Mange store sneproduktionsanlæg (f.eks. skisportssteder) bruger denne type kompressor. De anvendes også i forbrændingsmotorer som kompressorer og turboladere. Centrifugalkompressorer anvendes i små gasturbinemotorer eller som det sidste kompressionstrin i mellemstore gasturbiner.

Diagonale kompressorer eller kompressorer med blandet flow

Diagonalkompressorer eller blandede strømningskompressorer ligner centrifugalkompressorer, men har en radial og en aksial hastighedskomponent ved rotorens udgang. Diffusoren bruges ofte til at vende diagonalstrømningen til den aksiale retning. Diagonalkompressoren har en diffusor med en mindre diameter end den tilsvarende centrifugalkompressor.

Kompressorer med aksialflow

Axialstrømskompressorer anvender en række vifteformede roterende rotorblade til gradvis at komprimere gasstrømmen. Stationære statorvinger, der er placeret nedstrøms for hver rotor, omdirigerer strømmen til det næste sæt rotorblade. Gaspassagearealet mindskes gennem kompressoren for at opretholde et nogenlunde konstant aksialt Mach-tal. Axialkompressorer anvendes normalt i applikationer med stor strømning, f.eks. i mellemstore og store gasturbinemotorer. De er næsten altid flertrins kompressorer. Ved et konstruktionsmæssigt trykforhold på over ca. 4:1 anvendes ofte variabel geometri for at forbedre driften.

Kompressorer med frem- og tilbagegående kompressorer

Stempelkompressorer anvender stempler, der drives af en krumtapaksel. De kan enten være stationære eller bærbare, kan være enkelt- eller flertrins kompressorer og kan drives af elmotorer eller forbrændingsmotorer. Små stempelkompressorer på mellem 5 og 30 hestekræfter (hk) ses almindeligvis i bilindustrien og er typisk beregnet til intermitterende drift. Større stempelkompressorer på op til 1 000 hk findes stadig ofte i store industrielle applikationer, men antallet af dem er faldende i takt med, at de erstattes af forskellige andre typer kompressorer. Udstødningstrykket kan variere fra lavt tryk til meget højt tryk (>5000 psi eller 35 MPa). I visse anvendelser, f.eks. luftkompression, siges flertrins dobbeltvirkende kompressorer at være de mest effektive kompressorer, men de er typisk større, mere støjende og dyrere end sammenlignelige roterende kompressorer.

Skruekompressorer med roterende skrue

Skruekompressorer anvender to roterende skrueskruer med positiv forskydning til at tvinge gassen ind i et mindre rum. De anvendes normalt til kontinuerlig drift i kommercielle og industrielle applikationer og kan enten være stationære eller bærbare. De kan anvendes fra 3 hk (2,24 kW) til over 500 hk (375 kW) og fra lavt tryk til meget højt tryk (>1200 psi eller 8,3 MPa). De ses almindeligvis hos reparationshold ved vejsiden, som driver luftværktøj. Denne type anvendes også til mange overtrykkere til bilmotorer, fordi den let kan tilpasses til sugekapaciteten i en stempelmotor.

Scroll-kompressorer

En scrollkompressor, også kendt som scrollpumpe og scrollvakuumpumpe, bruger to spiralformede vinger til at pumpe eller komprimere væsker som f.eks. væsker og gasser. Skovlens geometri kan være en involute spiral, en archimedisk spiral eller hybridkurver. De fungerer mere jævnt, støjsvagt og pålideligt end andre typer kompressorer.

Ofte er den ene rulle fastmonteret, mens den anden rulle kredser excentrisk uden at rotere, hvorved væskelommer mellem rullerne indfanges og pumpes eller komprimeres.

Membrankompressorer

En membrankompressor (også kendt som membrankompressor) er en variant af den konventionelle stempelkompressor. Kompressionen af gassen sker ved hjælp af en fleksibel membran i stedet for et indsugningselement. Membranens frem- og tilbagebevægelse drives af en stang og en krumtapakselsmekanisme. Kun membranen og kompressorboksen kommer i berøring med den gas, der komprimeres.

Membrankompressorer anvendes til brint og komprimeret naturgas (CNG) samt i en række andre applikationer.

Diverse

Luftkompressorer, der sælges til og bruges af den brede offentlighed, er ofte monteret oven på en tank til opbevaring af trykluft. Der findes både oliesmurte og oliefrie kompressorer. Oliefrie kompressorer er ønskelige, fordi der uden en korrekt konstrueret separator kan komme olie ind i luftstrømmen. Til visse formål, f.eks. som dykkerluftkompressor, kan selv en lille smule olie i luftstrømmen være uacceptabel.

Temperatur

Charles' lov siger, at "når en gas komprimeres, stiger temperaturen". Der er tre mulige sammenhænge mellem temperatur og tryk i et gasvolumen, der komprimeres:

• Isotermisk - gassen forbliver ved konstant temperatur under hele processen. I denne cyklus fjernes intern energi fra systemet som varme med samme hastighed, som den tilføres ved det mekaniske arbejde ved kompressionen. Isotermisk kompression eller ekspansion begunstiges af en stor varmeudvekslingsflade, et lille gasvolumen eller en lang tidsskala (dvs. et lille effektniveau). Med praktiske anordninger kan isotermisk kompression normalt ikke opnås. F.eks. bliver selv en dækpumpe til cykeldæk varm under brug.
• Adiabatisk - I denne proces er der ingen varmeoverførsel til eller fra systemet, og alt tilført arbejde tilføjes til gassens indre energi, hvilket resulterer i temperatur- og trykforøgelser. Den teoretiske temperaturstigning er T₂ = T₁ -R_c^((k-1)/k)) , med T₁ og T₂ i Rankine-grader eller kelvin og k = forholdet mellem de specifikke varmeforhold (ca. 1,4 for luft). Stigningen i luft og temperaturforholdet betyder, at kompressionen ikke følger et simpelt tryk/volumenforhold. Dette er mindre effektivt, men hurtigt. Adiabatisk kompression eller ekspansion er begunstiget af god isolering, et stort gasvolumen eller en kort tidsskala (dvs. et højt effektniveau). I praksis vil der altid være en vis mængde varmestrøm, da et perfekt adiabatisk system kun kan laves ved perfekt varmeisolering af alle maskindele.
• Polytropisk - Det antages, at varme kan komme ind i eller ud af systemet, og at arbejde på den indgående aksel kan forekomme som både øget tryk (normalt nyttigt arbejde) og øget temperatur over adiabatisk niveau (normalt tab på grund af cyklens effektivitet). Cyklusens effektivitet er så forholdet mellem temperaturstigningen ved teoretisk 100 % (adiabatisk) og den faktiske (polytropisk).

Trinvis komprimering

Da kompression genererer varme, skal den komprimerede gas afkøles mellem trinene, hvilket gør kompressionen mindre adiabatisk og mere isotermisk. Kølerne mellem trinene forårsager kondensering, hvilket betyder, at der er vandseparatorer med afløbsventiler. Kompressorens svinghjul kan drive en køleblæser.

I en typisk dykkerkompressor komprimeres luften f.eks. i tre trin. Hvis hvert trin har et kompressionsforhold på 7 til 1, kan kompressoren yde 343 gange det atmosfæriske tryk (7 x 7 x 7 x 7 = 343 atmosfærer).

Applikationer

Gaskompressorer anvendes i forskellige applikationer, hvor der er behov for enten højere tryk eller lavere gasmængder:

• i rørledningstransport af renset naturgas for at transportere gassen fra produktionsstedet til forbrugeren.
• i olieraffinaderier, naturgasbehandlingsanlæg, petrokemiske og kemiske anlæg og lignende store industrianlæg til komprimering af mellem- og slutproduktgasser.
• i køle- og klimaanlæg til at flytte varme fra et sted til et andet i kølemiddelkredsløb: se dampkompressionskøling.
• i gasturbinesystemer til at komprimere den indgående forbrændingsluft
• til opbevaring af rensede eller fremstillede gasser i små mængder, højtryksflasker til medicinsk brug, svejsning og andre formål.
• i mange forskellige industri-, fremstillings- og byggeprocesser til at drive alle typer pneumatisk værktøj.
• som et medium til overførsel af energi, f.eks. til at drive pneumatisk udstyr.
• i trykbehæftede fly for at skabe en indåndbar atmosfære med et højere tryk end det omgivende.
• i visse typer jetmotorer (f.eks. turbojetmotorer og turbofans) for at tilvejebringe den luft, der er nødvendig for forbrændingen af motorbrændstoffet. Kraften til at drive forbrændingsluftkompressoren kommer fra jetflyets egne turbiner.
• i SCUBA-dykning, hyperbar oxygenbehandling og andre livsunderstøttende anordninger til opbevaring af åndedrætsgas i et lille volumen, f.eks. i dykkerflasker .
• i ubåde til at lagre luft til senere brug som opdrift.
• i turboladere og kompressorer for at øge forbrændingsmotorers ydeevne ved at koncentrere ilten.
• i jernbane- og tung vejtransport til at levere trykluft til betjening af bremser og forskellige andre systemer (døre, vinduesviskere, styring af motor/gear osv.).
• til forskellige anvendelser, f.eks. til at levere trykluft til påfyldning af luftdæk.

Relaterede sider

• Pneumatik
• Pumpe
• Luftpumpe