2 Stapni kompresori

KOMPRESORI
3. STAPNI KOMPRESORI (KOMPRESORI S OSCILIRAJUĆIM STAPOVIMA)
1 – cilindar
2 – klip (stap)
3 – ojnica
4 – koljenasto vratilo
5 – kućište kompresora
6 – osno koljeno
7 – mazivo ulje
8 – ventilna ploča
9 – poklopac cilindra
10 – samoradni usisni ventil
11 – samoradni tlačni ventil
12 – usisni vod
13 – tlačni vod
Sl. 3.1. Shematski prikaz konstrukcije stapnog kompresora
Kompresor s oscilirajućim stapovima spada u širu grupu stapnih kompresora koji rade na
volumetrijskom principu rada. Pored ovog kompresora, u stapne kompresore spadaju i
kompresori s rotirajućim stapovima. Naziv stapni kompresor koristi se najčešće za kompresor
s oscilirajućim stapovima, dok se za kompresore s rotirajućim stapovima uobičajeno koristi
naziv rotorni kompresori.
U cilindru kružnog poprečnog presjeka 1 oscilatorno se kreće stap (klip) 2, kao dio
koljenastog mehanizma koji pored stapa i cilindra čine koljenasto vratilo 4, ojnica 3 s velikom
i malom pesnicom, te temeljni i leteći ležajevi, uključujući i ležaj osovinice klipa.
Stap prevaljuje stapaj čija je duljina s = 2r
dva puta s tijekom jednog okretaja osnog koljena i
pritom se zaustavla u gornjoj mrtvoj točki GMT i donjoj mrtvoj točki DMT. Kutna brzina
vrtnje osnog koljena ω je konstantna, dok je broj okretaja, odnosno frekvencija vrtnje
izražena kao
f
ω
= n =
2π
Brzina kretanja stapa mijenja se ovisno o kutu osnog koljena. U GMT (kut osnog koljena 0 o ) i
DMT (kut osnog koljena 180 o ) njena je vrijednost u = 0 , a najviša je za kut osnog koljena 90 o
i 270 o .
23

KOMPRESORI
Između cilindra 1 i poklopca cilindra 9 smještena je ventilska ploča 8 sa samoradnim usisnim
ventilom 10 i tlačnim ventilom 11. Ovi ventili omogućuju da na jednom dijelu puta stapa od
GMT do DMT plin ulazi u cilindar iz usisnog voda 12, odmnosno da se na jednom dijelu puta
stapa od DMT prema GMT komprimirani plin istiskuje u tlačni vod 13.
Djelovanje stapnog kompresora prilagođuje se samo po sebi nametnutim vanjskim uvjetima
rada. To znači da je kompresijski omjer x = p / p 2 1
u istom kompresoru promjenjiv i ovisan
isključivo o tome kakav je tlak p 1
u usisnom vodu ispred usisnog ventila, a kakav p
2
iza
tlačnog ventila. Kompresijski omjer je dakle veličina koja nije uvjetovana konstrukcijom ili
veličinom stapnog kompresora, odnosno brzinom njegove vrtnje n .
Konstrukcija stapnih kompresora je složena. Radi uvida u broj dijelova koji ulaze u sklop
jednog stapnog kompresora, na slici 3.2 prikazano je kućište jednog otvorenog kompresora s
ležajevima, brtvenicama, košuljicama cilindra, poklopcem cilindra, ventilima i drugim
dijelovima, a na slici 3.3 prikazan je koljenasti mehanizam s koljenastom osovinom, ojnicom,
klipovima i klipnim prstenima.
Sl. 3.2. Kućište i dijelovi otvorenog stapnog šesterocilindričnog kompresora
24

KOMPRESORI
Sl. 3.3. Koljenasti mehanizam šesterocilindričnog stapnog kompresora u W izvedbi
3.1. STUPANJ DOBAVE KOMPRESORA
Dobava kompresora je ona količina plina ili pare koju dobavlja kompresor, i ukoliko nije
drukčije spomenuto, ta se količina odnosi na stanje koje vlada na usisnom priključku
kompresora.
d 2
Teoretska je dobava V&
π
t
= Vs
zn = s z n [m 3 /s]
4
d 2
π
gdje je V s
= s stapajni volumen, d promjer cilindra, s stapaj, z broj cilindara i n [s -1 ]
4
brzina vrtnje.
Stvarna je dobava manja i jednaka je V & = λ V&
.
e
t
25

KOMPRESORI
V&
e
Stupanj dobave λ = računa se kao λ = λ
V&
1
λ2
λ3
λ4
i manji je od 1.
t
Utjecaj štetnog prostora – uzima se u obzir kroz λ
1
Iz konstrukcijskih razloga i razloga pogonske sigurnosti ne može se izbjeći mali prostor
između stapa u GMT i glave cilindra. To je tzv. štetni prostor. On prvenstveno utječe na
smanjenje dobave kompresora, dok na rad praktički ne utječe.
S c
0
označavamo omjer volumena štetnog prostora i stapajnog volumena.
c
V0
As0
s0
= = (često se označava s ε
0
, što smo izbjegli radi oznake faktora hlađenja)
V As s
0
=
S
Za kompresore uobičajene izvedbe c
0
= 0,03−
0, 08 . Kod viših tlakova i malog promjera
cilindra ne mogu se ventili pogodno smjestiti, pa je c
0
= 0,05 − 0,15 (0,2)
.
Indikatorski dijagram kompresora dan je na slici 3.4.
p
M 2
p 2
O
p 2
p 1
d
M 1
p 1
p' 1
1'
Δp 1
V a V s1 V b
V
V 0
V s
GMT
DMT
Sl. 3.4. Indikatorski dijagram jednostepenog procesa stvarnog kompresora
26

KOMPRESORI
Usisni i tlačni ventil rade automatski i otvaraju se uslijed razlike tlakova. Usisni se ventil
otvara kod d, tj nešto malo ispod tlaka p
1. Uslijed toga što još nije do kraja otvoren, tlak i
dalje pada do M 1 . U M 1 ventil je potpuno otvoren. U 1' usisni se ventil zatvara. Kompresija
teče od 1'. Kad stap prijeđe put koji odgovara volumenu V b
postiže se tlak p 1
u cilindru.
Tlačni se ventil počinje otvarati u O, a maksimalno je otvoren u M 2 . Kad stap dođe u GMT,
ostaje u cilindru V0
plina i tlačni se ventil zatvara. Kad se tlačni ventil zatvori, na putu stapa
od GMT do d nema usisavanja, jer tu ekspandira plin iz štetnog prostora. Usisavanje se ne
vrši na cijelom putu stapa s, već na putu s-a. Tlakovi pri usisu i istiskivanju nisu konstantni
jer su i brzine strujanja različite zbog promjenjive brzine stapa, a na tlakove utječe i položaj
pločice ventila (površina presjeka otvora ventila).
Za λ 1
vrijedi izraz
Vs
−V
λ
1
=
Vs
Kako je
V
a
⎛ p2
V0 V0
p ⎟ ⎞
+ =
⎜
⎝ 1 ⎠
a
iz čega slijedi
1
n
1
⎡ ⎤
⎢⎛
p ⎞ n
2
V − ⎥
⎢
⎜
⎟
A
= V0
1 .
⎥
⎢
⎝ p1
⎠
⎣ ⎥⎦
VA
Uz λ
1
=1− dobiva se izraz za λ
1
:
V
S
1
⎡ ⎤
⎢⎛
p ⎞ n
2
λ
− ⎥
⎢
⎜
⎟
1
= 1−
c0
1 , gdje je
⎥
⎢
⎝ p1
⎠
⎣ ⎥⎦
V0
c0 =
V S
Iz gornjeg se izraza vidi da λ
1
ovisi o volumenu V
a
, koji je ovisan o štetnom prostoru V 0
i
toku linije ekspanzije iz štetnog prostora. Što je veći V
a
, dobava je manja. Negativni, štetni
utjecaj štetnog prostora biti će to veći što je veći volumen štetnog prostora V 0
, što je
p2
kompresijski omjer veći, odnosno eksponent politropske ekspanzije plina iz štetnog
p1
prostora n bliže jedinici (politropa bliže izotermi).
27

KOMPRESORI
p p p
p 2 p 2 p 2
p' 2
n=1
n=κ
p 1
p 1
p 1
V 0
V V V
V a V 0 V 0 V a
V a
p 2 mali,
slijedi
V 0 velik, slijedi
velik V a
n=1, slijedi
velik V a
n=κ, slijedi
manji V a
Sl. 3.5. Utjecaj konačnog tlaka kompresije, veličine štetnog prostora i eksponenta politrope n
na stupanj dobave λ
Utjecaj pada tlaka Δ p1
kod usisavanja - λ
2
λ
2
VS1
=
V −V
S
a
Pad tlaka na usisnom ventilu je Δ p
1
= p1
− p′
1
.
Može se sa zadovoljavajućom točnošću izračunati λ
2
kao
Nešto detaljnija razrada prikazuje se u nastavku:
Ako se pretpostavi izotermna promjena stanja, pri čemu vrijedi
( p Δp
)( V + V ) = p ( V + V −V
)
1
−
1 s o 1
onda se uvrštenjem u izraz za λ
2
s
o
b
λ
p′
p
− Δp
1 1 1
2
= = = 1
p1
p1
Δp
−
p
1
1
28

KOMPRESORI
λ
2
VS1
=
V − V
S
a
1+ c0
Δp
dobiva λ
2
= 1−
λ p
1
1
1
Ako se pak pretpostavi politropska promjena stanja,
1
( 1
1
0
)
n
s
+ c −V
⎛
b
p1
− Δp
⎞
1
V
V (1 + c
s
0
)
=
⎜
⎝
p
1
⎟
⎠
slijedi
V 1 ⎛ Δp
=
⎜
Vs
( 1+ c0
) n1
⎝ p1
⎟ ⎞
⎠
b 1
,
pa se dobiva
1+ c Δp
0 1
λ
2
= 1−
.
n1λ1
p1
Kod c = 0,05 0, 10 , n = 1, 1
5 i 0,8 0, 9
1
= −
0
−
λ λ = 1−
( 0,9 − 0, )
greška od 10-20% u maloj vrijednosti Δp1
¸ dobiva se
2
8
λ
2
= 1
Δp
−
p
1
1
Δp1
, pa kad se dozvoli
p
Uzimajući u obzir utjecaj štetnog prostora i utjecaj pada tlaka kod usisa dobiva se indicirani
stupanj dobave λ
i
1
V λ S
i = 1
VS
VS1
= VS
−Va
−V
b
V
λi
= ≅ λ
V
S1 1
λ2
S
Utjecaj zagrijavanja kod usisa - λ
3
Usisani se plin zagrijava od toplog usisnog ventila i stijenki cilindra, što uzrokuje povišenje
temperature od T 1
na usisnom priključku na T 1′
. T
1′ je temperatura na kraju usisa, odnosno na
početku kompresije. Ovo povišenje temperature uzrokuje smanjenje dobave.
29

KOMPRESORI
T
λ = T
3
1
1′
Temperaturu T
1′ je teško odrediti računskim putem. Ova temperatura ovisi o načinu hlađenja
kompresora, omjeru tlakova (kompresijskom omjeru p / p 2 1), broju okretaja, veličini i izvedbi
kompresora i ventila.
Ovisnost λ
3
o kompresijskom omjeru p / p 2 1
i eksponentu politrope n prikazana je na
n−1
n
T ⎛ p ⎞
2 2
sliedećoj slici. Kako je =
T
⎜
1
p
⎟ , slijedi da veći kompresijski omjer rezultira manjim λ
3
,
⎝ 1 ⎠
te da veći eksponent politrope n također rezultira manjim λ
3
.
λ
3
n=1,3
n=1,4
p
2
/ p 1
Sl. 3.6. Utjecaj eksponenta politrope n na stupanj dobave λ 3
Za procjenu vrijednosti λ3
kod stapnih kompresora srednje veličine vrijedi empirijski izraz
⎛ p ⎞
2
λ = 1−
0,025
⎜ −1
⎟
3
⎝ p1
⎠
Utjecaj propusnosti - λ
4
U stvarnom kompresoru postoji mogućnost propuštanja dijela mase plina za vrijeme
komprimiranja mimo nedovoljno brtvljenog stapa i stijenke cilindra, kroz eventualno
propusne usisne ventile, a također i uslijed protjecanja već komprimirane pare kroz tlačni
ventil za vrijeme usisavanja (Vujić). Ovaj se gubitak uzima u obzir stupnjem propusnosti λ
4
,
koji se prema podacima u literaturi za kompresore u dobrom stanju kreće u granicama
p
λ
4
= 0,95 − 0,98 . (Vujić) Povećanjem opada vrijednost λ 4
, a povećanjem broja okretaja
kompresora λ4
raste.
p 0
30

KOMPRESORI
Ukupni stupanj dobave λ
Stupanj dobave λ = λ1 λ2
λ3
λ4
kreće se prema podacima u literaturi od 0,7 do 0,85, a ponekad
je samo λ = 0, 6 . To ovisi o tipu kompresora. Podaci se mogu naći i za λ
2
= 0,93 − 0, 97 pri
temperaturi isparivanja –30 o C, za λ = 0,95 0, 85za kompresijske omjere u granicama
x = 3 − 5 i za λ = 0,95 0, 98 .
4
−
Utjecaj broja okretaja kompresora na λ
3
−
Kompresor može raditi s promjenjivim brojem okretaja (npr. zbog regulacije njegove
dobave). Ako isti kompresor radi s većim brojem okretaja od nominalnog, kraće vrijeme koje
stoji na raspolaganju za dotok plina u cilindar, te veći otpori strujanja kroz ventile imaju za
posljedicu smanjenje usisane količine plina, a time i stupnja dobave. Također se pri porastu
broja okretaja iznad nominalnog za koji je kompresor projektiran, ventili zbog tromosti
kasnije otvaraju i kasnije zatvaraju. Kasnije zatvaranje tlačnog ventila (iza GMT, na putu
prema DMT) može uzrokovati povrat plina iz tlačnog kolektora u kome vlada tlak p 2
u
cilindar u kome je tlak već niži od p
2
, a time i dodatno smanjenje stupnja dobave. Za svaki
kompresor postoji optimalna brzina vrtnje n , za koju se dobiva najveća vrijednost stupnja
dobave λ . Na slici su prikazani indikatorski dijagrami dobiveni računalnom simulacijom za
kompresor projektiran za nominalnu brzinu vrtnje n = 24, 1
17 s-1 pri nominalnoj brzini vrtnje
(debela crta) i pri dvostruko većoj brzini vrtnje n = 48, 2
33 s-1 .
p
n 2
n 2 > n 1
p 2
n 1
p 1
Sl. 3.7. Indikatorski dijagram za različite brzine vrtnje kompresora (n 2 > n 1 )
V
Utjecaj višekratne kompresije na stupanj dobave λ
Jedan od razloga za primjenu višekratne kompresije kod većih kompresijskih omjera je i
utjecaj štetnog prostora. Ako se izraz za λ
1
izjednači s nulom,
31

KOMPRESORI
1
⎡ ⎤
V
2
1
0 ⎢⎛
p ⎞ n
− −1⎥
= 0
⎢
⎜
⎟
V ⎥
s 1
⎢
⎝ p ⎠
⎣ ⎥⎦
vidi se da za neki zadani štetni prostor V 0
, odnosno kompresijski omjer postoji određeni
kompresijski omjer
⎛ p ⎞ ⎛ V ⎞
2 s
⎜
p
⎟ = ⎜1
+
V
⎟
⎝ 1 ⎠ ⎝ 0 ⎠
n
iznad kojeg kompresor više ne može dobavljati plin. Što je veći V
0
, to je taj kompreesijski
omjer manji.
Višekratna kompresija utječe na povećanje stupnja dobave λ .
p2
1. Uslijed manjih kompresijskih omjera manji je V a
u odnosu na slučaj jednostepene
p1
Vs
−Va
kompresije, a time je veći λ
1
=
Vs
2. Kod višekratne kompresije, uslijed manjih kompresijskih omjera cilindri su hladniji, pa je
i zagrijavanje plina od toplog cilindra manje. Time je λ
3
veći.
3.2. IZMJENA TOPLINE IZMEĐU PLINA I STIJENKE CILINDRA
Usisani plin miješa se u cilindru s plinom koji je zaostao u štetnom prostoru i grije se uslijed
izmjene topline sa stijenkom cilindra koja je ugrijana za vrijeme kompresije.
p
n < κ
I
II
n > κ
V
Sl. 3.8. Indikatorski dijagram s prikazom smjera toka topline pri promjenama stanja
32

KOMPRESORI
Pri gibanju stapa od GMT ka DMT dolazi do ekspanzije plina iz štetnog prostora, a nakon
otvaranja usisnog ventila do usisa. Na putu od DMT ka GMT dolazi do kompresije, odnosno
nakon otvaranja tlačnog ventila do istiskivanja plina.
Kompresijom raste temperatura plina. Gibanjem stapa od DMT ka GMT, do točke II je
temperatura plina u cilindru niža od temperature stijenke i toplina prelazi od stijenke cilindra
na plin. Temperatura stijenke pada uslijed gubitka topline, a temperatura plina raste uslijed
dovođenja topline i kao posljedica kompresije. Nakon točke II temperatura plina je viša od
temperature cilindra, pa toplina počne prelaziti s plina na stijenku cilindra. Odvođenje topline
od plina na stijenku cilindra traje tijekom istiskivanja, te na jednom dijelu puta stapa tijekom
ekspanzije plina iz štetnog prostora. U točki I temperature stijenke i plina su jednake. Vidimo
da je uslijed ove izmjene topline kod stvarnog kompresora kompresija politropska, s
promjenjivim eksponentom politrope n . Od 1 do II kompresija je s n > κ (dovođenje topline),
dok je od II nadalje kompresija s n < κ (odvođenje topline).
Promjene stanja plina u T,s- dijagramu
T
p 2
3
2
I
II
f e
1
4'
4
p 1
b c a d
s
Sl. 3.9. Promjene stanja plina u T,s- dijagramu za kompresiju i ekspanziju prema sl. 84
Od 1-2 je kompresija usisanog plina od p
1
do p
2
. Na početku kompresije, od 1 do II toplina
se plinu dovodi. To ima za posljedicu porast entropije. Pri ovoj je promjeni n > κ . Od II do 2
toplina se plinu odvodi. Entropija se smanjuje, n < κ . Zbog kompresije, temperatura plina i
dalje raste.
Rad potreban za kompresiju 1 kg plina od stanja 1 do stanja 2 predočen je površinom a-1-2-fb-a
u T,s- dijagramu.
Od 3 do 4 je ekspanzija plina koji je zaostao u štetnom prostoru od p
2
do p 1
. Na početku
ekspanzije temperatura ovog plina je T 3
i vrijedi T
3
< T2
, jer je tijekom istiskivanja plinu
33

KOMPRESORI
odveden dio topline. Na početku ekspanzije, od 3 do I, toplina se plinu odvodi i entropija se
smanjuje. Od I do 4 toplina se plinu dovodi, entropija mu raste, ali temperatura i dalje pada
zbog ekspanzije.
Rad potreban za ekspanziju 1 kg plina od stanja 3 do stanja 4 predočen je površinom d-4-3-ec-d
u T,s- dijagramu.
Ekspanzija se može odvijati i od stanja 3 do stanja 4'. To je slučaj za velike štetne prostore i
male kompresijske omjere.
Ekspanzija od stanja 3 do stanja 4. odnosi se na slučaj malih štetnih prostora i većih
kompresijskih omjera.
Rad kompresije odnosi se na 1 kg usisanog plina, a rad ekspanzije na 1 kg plina zaostalog u
štetnom prostoru. (to znači da se rad kompresora ne može izračunati kao razlika ova dva
rada).
3. 3. STUPNJEVI DJELOVANJA
Za vrijeme jednog stvarnog ciklusa izvrši se rad W koji se računa kao
−∫
W = p d V .
Rad ili snaga koju troši neki stapni kompresor određuje se pomoću indikatorskog dijagrama.
Indikatorski dijagam je u suštini p,V- dijagram pa će površina koja na njemu obuhvati lik
ciklusa biti u nekom mjerilu stvarni rad stvarnog kompresora kod kojeg su obuhvaćeni svi
dosad spomenuti utjecaji, odnosno odgovarati će vrijednosti integrala iz gornjeg izraza.
Indikatorski se dijagram može dobiti mjerenjem tlaka i pomaka stapa na kompresoru.
Omjer indiciranog rada i stapajnog volumena naziva se specifični indicirani (unutrašnji) rad
[J/m 3 ] ili srednji indicirani (unutrašnji) tlak [Pa].
p
i
=
L
V
s
1
= −
Vs
p
⎛ V
∫ p dV
= −∫ p d
⎜ ⎟ ⎝Vs
⎠
⎞
p i
V S
V
Sl. 3.10. Indikatorski dijagram i srednji indicirani tlak
34

KOMPRESORI
Srednji indicirani tlak je onaj zamišljeni nepromjenjivi tlak koji bi, kad bi djelovao uzduž
cijelog stapaja, trošio jednaki rad koji troši i stvarni kompresor promjera cilindra D i stapaja
s .
Na slici 3.10 je prikazan indikatorski dijagram površine A i odgovarajuća jednaka površina
čija širina u nekom mjerilu odgovara stapajnom volumenu, a visina srednjem indiciranom
tlaku p . Iscrtkane površine na slici su jednake.
i
Indicirana se snaga (od stapa predana plinu) može računati po izrazu
jedan cilindar kompresora.
d
P& i
= pi
s n za
4
2
π
Indicirani izentropski stupanj djelovanja
η
is−i
=
P&
is
P&
i
P & is
je snaga potrebna za izentropsku kompresiju.
η
is−i
pokazuje koliko je stvarni proces lošiji od idealnog (zbog viška rada za politropsku
kompresiju, zbog otpora u usisnim i tlačnim ventilima, zbog zagrijavanja, propusnosti,
nedovoljnog hlađenja kod višestupanjskih kompresora).
Mehanički stupanj djelovanja
η
m
=
P&
i
P&
e
gdje je P & e
snaga na pogonskom vratilu kompresora.
η
m
obuhvaća gubitke trenja i ovisi o izvedbi, podmazivanju i održavanju.Kod višestupanjskih
kompresora ηm
je to veći što je niži omjer tlakova u pojedinom stupnju.
Dobre izvedbe η
m
= 0,9
− 0, 96
Višestupanjski kompresori η
m
= 0,88
− 0, 93
Mali jednoradni kompresori η = 0, 85
Izentropski stupanj djelovanja
m
η
is
=
P&
P&
is
e
Slijedi
P&
is
P& e = , tj. stvarna (efektivna) je snaga veća od teoretske.
η
is
35

KOMPRESORI
Izentropski stupanj djelovanja ηis
sadrži u sebi i mehanički stupanj djelovanja
η
is
= η
−
η
is i
m
=
P&
is
P&
i
P&
i
P&
e
=
P&
P&
is
e
Izotermni stupanj djelovanja
Na isti način kao i za izentropski, može se provesti usporedba izotermnog idealnog procesa sa
stvarnim.
P&
iz
Indicirani izotermni stupanj djelovanja η
iz−i
=
P&
i
P&
iz
Izotermni stupanj djelovanja η
iz
=
P&
P&
P&
P&
iz i iz
η
iz
= ηiz−iηm
= = .
P&
i
P&
e
P&
e
e
3.4. RAZVODNI SUSTAVI KOMPRESORA
3.4.1. SAMORADNI VENTILI
Samoradni ventili su razvodni organi specifični za većinu stapnih kompresora. Gotovo svi
stapni kompresori imaju samoradne ventile na usisnoj i na tlačnoj strani. Iznimku čine jedino
rotorni kompresori kod kojih se ili ugrađuje samo tlačni ventil ili nema niti jednog ugrađenog
samoradnog ventila. Djeluju kao protupovratni ventili tj. propuštaju plin samo u jednom
smjeru. Usisni ventil tako propušta plin iz usisnog voda u cilindar, a tlačni ventil iz cilindra u
tlačni vod. Usisni i tlačni ventil čine razvodne organe koji omogućavaju da tijekom puta
stapa od GMT do DMT plin kroz usisni vod ulazi u cilindar tj. da se vrši usisavanje, a nakon
kompresije, na dijelu puta od DMT do GMT, ventili omogućavaju izlaz plina iz cilindra kroz
tlačni vod tj. istiskivanje plina.
Tijekom usisavanja plina tlak u cilindru je niži od od tlaka usisnog voda zbog pada tlaka na
usisnom ventilu. Tijekom istiskivanja tlak u cilindru je viši od tlaka tlačnog voda, također
zbog pada tlaka u tlačnom ventilu.
Djelovanje stapnog kompresora prilagođuje se zbog navedenog samo po sebi nametnutim
vanjskim uvjetima rada. To znači da je kompresijski omjer x = p / p 2 1
u istom kompresoru
promjenjiv i ovisan isključivo o tome kakav je tlak p
1
u usisnom vodu ispred usisnog ventila,
a kakav p 2
iza tlačnog ventila. Kompresijski omjer je dakle veličina koja nije uvjetovana
konstrukcijom ili veličinom stapnog kompresora, odnosno brzinom njegove vrtnje n .
Samoradni ventili otvaraju se automatski, već kod malih razlika tlakova. Postoje različite
izvedbe ovakvih ventila.
36

KOMPRESORI
Izvedba s koncentričnim rasporima
Ova se izvedba sastoji iz:
• sjedišta ventila
• pločice
• opruge
• odbojnika (graničnika)
7
6
5
Pločica
3
4
2
Sklop ventila
1 – sjedište ventila
2 – pločica ventila
3 – opruga
4 – prigušna pločica
5 – odbojnik
6 – vijak
7 – krunasta matica
8 – prsten
8
1
Sl. 3.11. Izvedba ventila stapnog kompresora s koncentričnim rasporima
• Sjedište ventila mora biti izrađeno iz kvalitetnog lijevanog željeza. Opterećeno je
udarcima pločice, a kroz otvore na sjedištu ventila struje plinovi velikom brzinom.
Kod viših tlakova sjedište se izrađuje i iz čelika.
• Ventilska pločica je najosjetljiviji dio ne samo ventila već i cijelog kompresora. Može
biti izvedena iz jednog komada s odgovarajućim rasporima, ili iz više prstena, čija je
prednost da imaju maju masu i lakše se obrađuju. Često su izvedene kao opruge.
Pločice moraju imati veliku otpornost na udar i čim je moguće manju masu. Debljina
pločice ovisi o veličini ventila i tlaku, a kreće se od 0,8 do 4 mm. Pločice se izrađuju
iz legiranih čelika. Na slici je prikazana osnovna izvedba. Kod nekih se izvedbi
između pločice i opruge postavlja još pločica namijenjenih prigušenju udara pri
nalijeganju na odbojnik.
• Opruge su potrebne za brzo i sigurno zatvaranje ventila. Ne smiju prouzročiti veliki
otpor kod otvaranja. One također kod otvaranja sprečavaju udarac pločice na odbojnik.
Rade se iz kvalitetnog čelika za opruge.
• Odbojnik služi za ograničenje podizaja pločice i za pridržavanje opruga. Često se
koristi i za vođenje pločica. Izrađuje se iz lijevanog željeza ili čelika.
37

KOMPRESORI
Izvedba s ravnim rasporima
Samoradni ventili sa ravnim rasporima vrlo su raširena vrsta ventila. Smještaju se u cilindar
na isti način kao i ventil s koncentričnim rasporom. Konstrukcijski su nešto jednostavniji i
imaju manje dijelova. U sjedištu ventila urezani su ravni raspori koji se zatvaraju pomoću
slične ventilne pločice. Pločicu pritišću lisnata ventilna pera koja se oslanjaju na ventilni
odbojnik. Podizanje ventilnih pločica određeno je debljinom uloška koji ujedno služi i za
vođenje pločice. Svaka pločica vodi se zasebno što iziskuje vrlo preciznu i kvalitetnu obradu
dijelova kako ne bi došlo do zaglavljivanja ili loma pločice. Kod nekih vrsta ovog tipa ventila,
ventilna pločica i ventilno pero složeni su u jedan element što pojednostavljuje konstrukciju.
Presjek A-A
Presjek C-C
Prostorni pogled
Presjek B-B
Lamelni ventili
Sl. 3.12. Izvedba ventila stapnog kompresora s ravnim rasporima
Lamelni ventili namijenjeni su uglavnom manjim stapnim kompresorima koji se u
hermetičkoj ili poluhermetičkoj izvedbi ugrađuju u manje rashladne uređaje. U ventilnoj ploči
nalaze se provrti usisnog i tlačnog ventila koje zatvaraju lamelne pločice tlačnog i usisnog
ventila. Pločice su vrlo tanke i elastične te svojim progibom oslobađaju usisne odnosno tlačne
otvore pa posebne opruge nisu potrebne. Podizaj tlačne pločice ograničen je stremenom koji
je pomoću svornjaka, opruga i osigurača upet za ventilnu ploču. Zatici služe za pozicioniranje
pločice usisnog ventila, ali i cijelog ventilskog sklopa s obzirom na cilindar. Ventil se
učvršćuje stezanjem između poklopca cilindra i samog cilindra.
1
2
1 – ventilna ploča
2 – lamelna pločica tlačnog ventila
3 – lamelna pločica usisnog ventila
3
Sl. 3.13. Lamelni ventili stapnog kompresora - shematski prikaz
38

KOMPRESORI
brtva glave
cilindra
vijak i osigurač
tlačnog ventila
graničnik
tlačnog ventila
brtva ventilne
ploče
tlačni ventil
ventilna ploča
sklop ventilne ploče
Sl. 3.14. Izvedba ventilske ploče i tlačnog lamelnog ventila stapnog kompresora
Ravnostrujni ventili
Lamelni ventili, kao i oni sa ravnim i koncentričnim rasporima imaju zajedničku značajku da
je struja plina prilikom prolaska kroz njih prisiljena naglo skretati. Nakon što je prošla raspore
u ventilnoj ploči, struja plina treba zaobići ventilnu pločicu te potom proći i kroz raspore u
odbojniku. To predstavlja dva uzastopna skretanja struje za 90°, što utječe na pad tlaka u
ventilu i volumetrijske gubitke.
tlačni
usisni
Sl. 3.15. Izvedba ravnostrujnog ventila okruglog presjeka
Ravnostrujni ventili smanjuju gubitke nastale uzastopnim skretanjem struje plina za 90°.
Kanali za prolaz plina usmjereni su gotovo okomito na ventilski sklop, a sama ventilna
pločica također prati taj smjer. Ventilne pločice ukliještene su između segmenata ventila i
djeluju na sličan način kao u lamelnom ventilu. Odlikuju se nešto manjim gubicima
39

KOMPRESORI
prigušivanja. Kao posljedica veće debljine ventilne ploče pojavljuje se veći štetni prostor, a
time i slabiji volumetrijski stupanj djelovanja uzrokovan štetnim prostorom.
Etažni ventili
Etažni ventili koriste se kod višestupanjskih kompresora kod kojih u završnim stupnjevima
kompresije često dolazi do nedostatka prostora za smještaj ventila. Sadrže po dva ili više
usisnih odnosno tlačnih ventila smještenih jedan iznad drugog. Time se na maloj tlocrtnoj
površini ostvaruju velike površine presjeka otvora ventila ali se bitno povećava i štetni
prostor.
Sl. 3.16. Izvedba etažnog ventila
Zahtjevi koji se postavljaju pred ventile su brojni:
• Masa pločice treba biti što manja, tako da sile uslijed ubrzanja kod otvaranja i
zatvaranja ventila budu što manje i da udarac pločice na sjedište i odbojnik bude što
manji.
• Presjeci za strujanje trebaju biti što veći, kako bi pad tlaka bio čim manji.
• Mala ugradbena mjera.
• Velika pogonska sigurnost i trajnost.
Treba paziti i na izbor maziva, da ne bi došlo do zauljivanja ventila (sljepljivanje).
Ventili se mogu smjestiti u glavi cilindra ili u samom cilindru. Ukoliko presjek jednog ventila
nije dovoljan, može se uzeti više njih. Usisni i tlačni ventili obično su jednaki, kako bi broj
rezervnih dijelova bio manji. Kod tlačnih je ventila vrijeme otvorenosti kraće, jer je i manji
volumen plina koji kroz njih mora proteći. Ima izvedbi kod kojih su usisni i tlačni ventili
ujedinjeni u jedno kućište radi boljeg iskorištenja prostora.
Kod kompresora niskog tlaka je često se usporedno smještaju usisni i tlačni ventil u poklopac
cilindra. Kod takvih su kompresora, zbog male gustoće plina, dopuštene veće brzine plina i i
veći podizaj pločice. Zbog toga ventili ne smiju premašiti radijus cilindra i ne smiju biti
veliki. Time ovakav smještaj ventila omogućava najmanji udio štetnog prostora.
Kod visokotlačnih kompresora, u višim stupnjevima komprimiranja, ventile je zbog malog
promjera cilindra potrebno smjestiti jedan nasuprot drugome. Takva konstrukcija omogućava
mnogo veće udjele štetnog prostora, a samim time i veće volumetrijske gubitke.
Usporedni i nasuprotni smještaj ventila olakšavaju nadzor i održavanje ventila jer je vađenje i
umetanje ventila moguće bez odvajanja usisnog od tlačnog voda.
40

KOMPRESORI
Korištenjem koncentričnih konstrukcija omogućeno je bolje iskorištenje raspoloživog
prostora. Kod ovoga konstrukcijskog tipa prstenasti tlačni ventil obuhvaća usisni ventil dok je
cijeli sklop pritisnut vijcima i čahurom na dosjednu plohu u cilindru kompresora.
Kod rashladnih kompresora česta je izvedba koncentričnog ventilskog sklopa. Ventilna ploča
tlačnog ventila zatvara cilindar pritisnuta samo oprugom i na taj je način osigurano odizanje
cijelog ventilskog sklopa u slučaju hidrauličkog udara. Usisni je ventil pomaknut na veći
promjer oboda cilindra, čime su dobiveni veći presjeci za prestrujavanje plina u cilindar.
Kod dvoradnih strojeva ugradnja ventila u poklopac cilindra na strani križne glave nije
moguće i tada se ventili, radi simetrije, ugrađuju bočno u stijenku cilindra. Moguće su izvedbe
sa ventilima okomitim na os cilindra i usporednim sa osi cilindra. Obje izvedbe daju nešto
veće udjele štetnog prostora od izvedbi sa ventilima u poklopcu cilindra.
Sl. 3.17. Smještaj samoradnih ventila u poklopcu cilindra
41

KOMPRESORI
Sl. 3.18. Smještaj samoradnih ventila u stijenku cilindra
42

KOMPRESORI
Proračun ventila
d m1
d m2
h
u sp
h max
b 1
b 2
Sl. 3.19. Uz proračun samoradnih ventila s koncentričnim rasporima
Tijekom usisa ili istiskivanja treba biti zadovoljena jednadžba kontinuiteta, tj. protok kroz
cilindar jednak je protoku kroz sjedište ventila.
Au = A u
m
si
si
d 2 π
A = - površina stapa
4
u - srednja stapna brzina, koja se izračunava kao
m
u m = 2sn
gdje je s [m] stapaj, a n [s -1 ] broj okretaja koljenastog vratila.
A
si
- površina otvora u sjedištu ventila - stvarni prolazni presjek za strujanje
u - srednja brzina plina kroz sjedište ventila
si
Iz jednadžbe kontinuiteta slijedi
A =
si
Au
u
si
m
43

KOMPRESORI
Stvarni prolazni presjek za strujanje plina manji je za površina mostića koji povezuju pojedine
'
segmente raspora jednog prstena od površine A , koja se za primjer prikazan na slici 3.23.
izračunava kao:
∑
A′ = d b + d π b = π d b
si
m1
π
1 m2
2
m
si
Obično je
b 1
= b 2
= b , pa vrijedi
∑
A′ si
= π b d
m
Dakle, zbog udjela mostića koji povezuju segmente raspora stvarna površina za strujanje
računa se kao:
A
si
A′
si
= - (faktor ϕ > 1)
ϕ
U ovisnosti o tlaku i izvedbi ventila ϕ se kreće u granicama od 1,2 do 1,35, što znači da je za
20 do 35% umanjena površina zbog veza prstenastih otvora.
Za kružne prstenaste otvore bez učvršćenja
′
si
Asi
, a inače je A
si
> Asi
A =
′ .
Površina raspora
Ar
za podignutu pločicu je:
A
r
[( d
m1
− b) π + ( d
m1
+ b) π + ( d
m2
− b) π + ( d
m2
+ b)
π ] h = 2π
h∑
= d
m
pri čemu je
b b = b
1
= 2
Odnos površina
x
v
=
Ar
A
si
∑
∑
2π h d
m 2hϕ
= ϕ =
π b d b
m
Odatle slijedi podizaj pločice
bx
h = v
2ϕ
xv
ovisi o tome da li je kompresor brzohodni ili sporohodni. Orijentacijske vrijednosti su
sljedeće:
x = 0,3 za brzohodne kompresore
v
x = 0,7 za sporohodne kompresore
v
44

KOMPRESORI
x < x , pa je podizaj kod brzohodnih kompresora manji.
vbrzohodnog
vsporohodnog
6
5
4
3
2
h [mm]
1
0.8
p = 1bar
2
5
10
50
100
200
500
0,6
100 200 300 400 500 1000 2000
n min -1
Sl. 3.20. Podizaj pločice h u ovisnosti o broju okretaja i tlaku.
usp
- brzina strujanja kroz raspore. Brzine u sp
ne smiju biti prevelike, kako bi se prigušenje
prilikom usisavanja odnosno istiskivanja zadržalo u zadovoljavajućim granicama. Na
sljedećem su dijagramu prikazane maksimalne brzine u sp
, u ovisnosti o vrsti plina i tlaku.
(pad tlaka je razmjeran kvadratu brzine i gustoći plina, a gustoća je ovisna o tlaku).
120
110
100
90
u sp
80
ms -1 0
70
60
50
30
20
10
40
zrak
amonijak
freon (tlačni v.)
freon (usisni v.)
vodik
1 2 4 6 10 20 40 60 100 200 400 600 1000
p bar
Sl 3.21. Maksimalne brzine u
sp
, u ovisnosti o vrsti plina i tlaku
45

KOMPRESORI
3.4.2. RAZVOD S RASPORIMA
Na tlačnoj je strani ventil, a umjesto usisnih ventila su ugrađeni raspori u cilindru. Ovakav se
razvod primjenjuje uglavnom kod kompresora malih rashladnih uređaja, jer su gubici u
odnosu na slobodan razvod veći. Ostvaren je uzdužni protok komprimiranog plina kroz
cilindar.
p
1
2'
p 1
3
GMT
2
DMT
V
TV
raspor
Sl. 3.22. Razvod s rasporima
Kod kretanja stapa iz GMT prema DMTplin zaostao u štetnom prostoru ekspandira (promjena
1 –2). Tlak u cilindru padne dosta niže od tlaka na usisnom priključku. Dok se raspori ne
oslobode, nema usisavanja.
Nakon otvaranja raspora napuni se cilindar na tlak p
1
(promjena 2 – 2’). Od 2 do 3 stap se
kreće ka DMT, a od 3 do 2 stap se kreće od DMT ka GMT, ali usis još uvijek traje.
U 2’ raspori se zatvore i kompresija može početi.
Potreban je rad veći nego kod razvoda s automatskim ventilima.
46

KOMPRESORI
3.5. REGULACIJA DOBAVE STAPNIH KOMPRESORA
Potrebna dobava kompresora nije uvijek jednaka dobavi za koju je kompresor odabran. Kod
rashladnih kompresora je rashladno opterećenje promjenjivo i nije jednako rashladnom
učinku za koji je instalacija projektirana. Slično je i kod proizvodnje stlačenog zraka za
prijenos energije ili rad uređaja automatske regulacije, ali i u svim ostalim primjenama gdje je
potrebno komprimiranje. Zbog toga je potrebna regulacija dobave kompresora.
Količina plina koju kompresor dobavlja u nekom vremenu t jednaka je
V = Vt & = λV
nzt
s
Iz gornje jednadžbe vidi se da dobavu možemo mijenjati promjenom vremena rada
kompresora t , promjenom brzine vrtnje n , promjenom broja radni cilindara z ako se radi o
kompresoru s više cilindara i promjenom stupnja dobave λ .
Razlikujemo:
1. Povremeni prekid pune dobave
2. Grubu regulaciju dobave
3. Kontinuiranu regulaciju dobave
Ukupna dobava u vremenu rada kompresora uvijek treba biti jednaka potrošnji, samo se
razlikuje vrijeme rada i trenutna dobava kod pojedinih slučajeva regulacije.
V & p t = V&
1 t 1 = V&
2 t = 2 V&
3 t
V &
V &
1
V & p
V & 3
V & 2
t
Sl. 3.23. Regulacija dobave kompresora
47

KOMPRESORI
3.5.1. POVREMENI PREKID PUNE DOBAVE
3.5.1.1. Povremeno uključivanje i isključivanje
Djeluje se na pogonski motor kompresora. Tlak u spremniku plina ili temperatura u hlađenoj
prostoriji mijenjati će se tijekom vremena unutar zadanih granica. Učestalost promjena
između gornje i donje dozvoljene vrijednosti tlaka ili temperature ovisi o potrošnji plina ili
rashladnom učinku i o razlici gornje i donje granice temperature ili tlaka.
3.5.1.2. Povremeno potpuno zatvaranje usisnog voda
Djeluje se na ventil koji zatvara usisni vod, dok kompresor nastavlja raditi u praznom hodu.
Kod višestupanjskih je kompresora ovo potrebno napraviti samo na niskotlačnom stupnju.
Zbog većeg podtlaka u cilindru može doći do usisavanja ulja. Indikatorski je dijagram
prikazan na sljedećoj slici.
p
puna dobava
prazni hod
Sl. 3.24. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave zatvaranjem usisnog voda
3.5.1.3. Povremeno držanje usisnih ventila sa stalno podignutim pločicama
Djeluje se na usisni ventil, tako da se pločica drži podignutom pomoću hvatača ili podizača.
Držanje usisnih ventila sa dignutim pločicama potrebno je provesti u svim stupnjevima i na
svim cilindrima kompresora ako se želi ostvariti prekid pune dobave. Usisani se plin vraća u
usisni vod, a p,V- dijagram izgleda kao na slici.
V
p
puna dobava
podignuta pločica
Sl. 3.25. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave podizanjem pločice usisnog ventila
V
48

KOMPRESORI
Kod prijelaza od praznog hoda na puno opterećenje, hvatač oslobodi pločicu i ventil se počne
automatski zatvarati i otvarati. Ovo nije podesno kod velikih kompresora koji imaju puno
usisnih ventila.
Hvatač ili podizač mogu biti s pneumatskim ili hidrauličkim pogonom. Na slijedećoj slici
prikazan je mehanizam jednog uređaja za držanje otvorenog usisnog ventila s hidrauličkim
pogonom.
Tlak ulja djeluje na stap 10 u hidrauličkom cilindru 8. Stap preko poluge 5 pomiče prsten 4 i s
njime spojen prsten 1. Prsten 1 preko podizača 7 podiže pločicu usisnog ventila 6.
Ovo se isključivanje može provesti i na pojedinim cilindrima radi ostvarenja grube regulacije
dobave.
6
7
1
2
3
4
5
ulje pod
tlakom
8
9
10
11
Sl. 3.26. Mehanizam za podizanje pločice usisnog ventila
3.5.2. GRUBA PROMJENA DOBAVE
3.5.2.1. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom broja polova
elektromotora
Ova je regulacija moguća jer je dobava kompresora prema naprijed spomenutom izrazu
proporcionalna broju okretaja n . Ta proporcionalnost nije direktna, jer se sa smanjenjem
broja okretaja povećava stupanj dobave λ , odnosno stupanj dobave se smanjuje s
povećanjem n . Danas se za pogon kompresora koriste najčešće asinhroni motori. Njihova je
f
brzina vrtnje određena izrazom n = [s -1 ], gdje je f frekvencija izmjenične struje, a p broj
p
pari magnetskih polova. Kad se govori o gruboj promjeni dobave, misli se na mogućnost
promjene broja magnetnih polova asinhronog motora prekopčavanjem broja pari polova
motora s više pari polova. Time je moguća samo gruba regulacija dobave u skokovima
mogućih brzina vrtnje. U novije vrijeme učestalo se koriste regulatori frekvencije napajanja,
koji mogu osigurati kontinuiranu promjenu broja okretaja kompresora.
49

KOMPRESORI
3.5.2.2. Regulacija promjenom veličine štetnog prostora
Ovom se regulacijom utječe na stupanj dobave λ . Kod višestupanjskih se kompresora mora
sprovesti u svim stupnjevima, kako bi kompresijski omjer u svim stupnjevima ostao isti. Kod
grube regulacije dobave otvaranjem ventila štetnom se prostoru dodaje jedan ili više
nepromjenjivih prostora Δ V0
. Dodavanjem štetnog prostora pomiče se ordinata u
indikatorskom dijagramu lijevo, mijenjajući tako tok linija ekspanzije i kompresije. Na p,Vdijagramu
prikazan je slučaj kad su kompresoru dodana dva štetna prostora, Δ V 0 b
i Δ V 0 c
.
Potrebna veličina ukupnog štetnog prostora koja bi osigurala da kompresor bude potpuno
rasterećen dobiva se izjednačavanjem izraza za λ1
s nulom, tj.
V
1−
V
⎡
⎢⎜
⎟
1
⎢
⎝ p ⎠
⎣
⎤
−1⎥
⎥
⎥⎦
1
0 ⎢⎛
p ⎞ n
2
⎜ ⎟ =
s
iz čega slijedi V
0
0
V
=
⎛ p
⎜
⎟
⎝ p1
⎠
s
1
⎞ n
2
−1
Danas se zbog složene i skupe izvedbe ova regulacija rijetko koristi, osobito za višecilindrične
kompresore.
p
V 0
c
b
a
V1
ΔV 0b
a
b
c
V2
ΔV 0c
c
b a
V
V s
a – štetni prostor V
0
b– štetni prostor V
0
+ dodatni štetni prostor Δ V 0 b
c– štetni prostor V 0
+ dodatni štetni prostor Δ
ΔV
V 0 b
+ dodatni štetni prostor
Sl. 3.27. Regulacija dobave promjenom veličine štetnog prostora
50

KOMPRESORI
3.5.2.3. Regulacija isključivanjem pojedinih cilindara
Ako kompresor ima više paralelno povezanih cilindara, može se dobava smanjiti djelomičnim
isključivanjem. Kod višestupanjskih kompresora potrebno je ovu regulaciju provesti u svim
stupnjevima. Ako je npr. dvostupanjski kompresor s 3 cilindra u prvom i 1 cilindrom u
drugom stupnju, tada regulaciju drugog stupnja treba provesti na drugi način, npr. 2.2. Ako je
npr. 8 cilindrični, 6 cilindara u prvom i dva u drugom stupnju, pri smanjenju dobave na pola
isključili bi tri cilindra u prvom i jedan u drugom stupnju.
3.5.3. KONTINUIRANA REGULACIJA DOBAVE
Ova je regulacija najbolja, ali je obično najskuplja
3.5.3.1. Regulacija dobave promjenom broja okretaja promjenom frekvencije napajanja
Mijenja se frekvencija napajanja pomoću posebnih regulatora. Treba paziti na osiguranje
potrebnog zakretnog momenta elektromotora za pogon kompresora kod različitih brojeva
okretaja i na pomazivanje kod nižih brojeva okretaja.
3.5.3.2. Regulacija s usisnim ventilom upravljanim izvana
Usisni se ventil drži otvoren na jednom dijelu puta stapa prilikom kompresije, tako da se
jedan dio usisanog plina odmah istiskuje natrag u usisni vod. Ova se regulacija mora kod
višestupanjskih kompresora provesti u svim stupnjevima. Ostvaruje se pomoću mehaničkog
polužja, upravljanog hidraulički, pneumatski ili elektromagnetski.
p
Puno opterećenje - a
Smanjena dobava b
a do b – istiskivanje plina u usisni vod (ventil otvoren),
u b – počinje kompresija
Smanjena dobava c - još manja nego za slučaj b
a do c istiskivanje plina i tek u c počne kompresija
c
b
a
Sl. 3.28. p,V- dijagram za slučaj regulacije dobave izvana upravljanim usisnim ventilom
V
51

KOMPRESORI
3.5.3.3. Vremenski promjenjiv dodatni štetni prostor
Ako se predvidi dodatni štetni prostor koji ima podesivi stap, može se omogućiti kontinuirana
promjena veličine dodatnog štetnog prostora. Stap može biti pokretan servomotorom.
V 0 =f(s)
s
Sl. 3.29. Regulacija dobave vremenski promjenjivom kontinuiranom promjenom veličine
štetnog prostora
Još jedna izvedba regulacije s vremenski promjenjivim dodatnim štetnim prostorom prikazuje
se u nastavku.
Kod pune dobave ventil b je zatvoren (dodatni je prostor isključen). Sila u opruzi je F = 0 .
Proces u dijagramu predočen je površinom 1-2-3-4. Promjene su slijedeće: 1-2 ekspanzija
plina iz štetnog prostora; 2-3 usis; 3-4 kompresija; 4-1 istiskivanje.
Što je podešena sila u opruzi veća, to će dobava biti manja. Sila u opruzi je u ravnoteži sa
silom kojom mali stap d djeluje na oprugu. F = A s
pz
gdje je Ap
površina stapa d, a pz
tlak u
cilindru. Ventil b se zatvara kad je tlak u cilindru veći od p
z
i otvara kad je tlak u cilindru
manji od p
z
.
U točki 6 se otvara ventil b, pa se ekspanzija nastavlja po liniji 6-2'. Kompresija teče od 3 do
5, a u točki 5 se ventil b zatvara, štetni prostor je manji i kompresija teče po strmijoj liniji od
5 do 4'. Novi je proces 1-6-2'-3-5-4'-1. Promjene su slijedeće: 1-6 ventil b je zatvoren; 6-2'
ventil b je otvoren; Za vrijeme usisa od 2' do 3 ventil b je otvoren, kao i za vrijeme kompresije
od 3 do 5; od 5 do 4' ventil b je zatvoren. Vidi se da je od 3 do 5 linija kompresije položitija
nego što bi bila da je ventil b zatvoren. Od 5 do 4' linija kompresije je strmija jer je štetni
prostor isključen.
Ako je dodatni štetni prostor a dovoljno velik, može se provesti kontinuirana regulacija od 0
do 100% opterećenja. Promjena sile opruge e može se izvršiti ručnim kolom ili pomoću
servomotora.
52

KOMPRESORI
a
e
d
b
c
p 2
1
4'
4
p z1
y
x
p z
6
5
p z2
d
c
p 1
2
2' 3
V z
V s – V a
V min
V 0d
V 0
V s
Sl. 3.30. Regulacija dobave s vremenski promjenjivim dodatnim štetnim prostorom
53

KOMPRESORI
3.6. OSNIVANJE STAPNOG KOMPRESORA
Ovdje spadaju određivanje tipa gradnje kompresora, broja stupnjeva, brzine vrtnje, broja i
dimenzija cilindara.
Tip kompresora određuje se iskustveno i tu postoji niz različitih rješenja, ovisno o namjeni,
posebnim zahtjevima i konstrukcijskim rješenjima koje su razvili različiti proizvođači.
Brzina vrtnje kreće se u širokim granicama (1,5 do 25 s -1 ), obično je niža za veće kompresore.
Ograničenje brzine vrtnje je zbog potrebe ograničenja inercijalnih sila, ali i zbog ograničenja
padova tlaka u ventilima.
Na odabir broja stupnjeva kompresora kod zadanog kompresijskog omjera utječe veličina
stupnja dobave, potrebna snaga i ograničenje temperature na kraju kompresije, vezano na
održanje svojstava ulja za podmazivanje.
Dimenzije cilindara jednostupanjskih kompresora
Dobava kompresora izražena je kao:
D
V&
= λ Vsnz
= λ
4
2
π
snz
gdje je n brzina vrtnje, z broj cilindara, s stapaj, D promjer cilindra i λ stupanj dobave.
ξ je omjer stapaja i promjera cilindra, i to je važna karakteristika koja odlikuje različite
kompresore. Kod brzohodnih kompresora ξ je manji ( ξ = 0,7
− 0, 9 ) nego je to slučaj kod
sporohodnih kompresora ( ξ > 1). Veći ξ znači i veću brzinu stapa, a time i veću brzinu
strujanja kroz ventile. Zato se za plinove i pare veće gustoće (npr. u rashladnoj tehnici)
kompresori grade s manjim ξ .
ξ =
s
D
Kombinacijom izraza za dobavu V & [m 3 /s] i ξ dobiva se
D =
3
4V&
πξλnz
čime je moguće odrediti promjer cilindra temeljem iskustveno odabranog omjera ξ , broja
cilindara z i odabrane brzine n za zadanu dobavu kompresora V & i stupanj dobave λ koji se
određuje za zadani omjer tlakova p2 p1
temeljem ranije prikazanih izraza za izračunavanje
λ .
54

KOMPRESORI
3.7. IZVEDBE STAPNIH KOMPRESORA
Prema načinu izvedbe, smještaju i primjeni osnovnih elemenata kompresora (cilindar, stap,
ventili, stapni mehanizam i kućište) razlikuju se međusobno tipovi kompresora. Neke od
osnovnih izvedbi prikazane su na slici 3.31.
a
b
c
d
e f g h
i j k
l m n
Sl. 3.31. Izvedbe stapnih kompresora
S obzirom na izvedbu, cilindri mogu biti jednoradni i dvoradni. Kod jednoradnih se plin
komprimira samo s jedne strane (Sl. 3.31. a), a kod dvoradnih s obje strane stapa (Sl. 3.31. b).
Mehanizam kompresora s dvoradnim cilindrima mora se graditi s križnom glavom, obzirom
na mogućnost brtvenja stapnog prostora Na Sl. 3.32 prikazan je shematski prikaz (a) i presjek
55

KOMPRESORI
(b) jednog dvoradnog kompresora s križnom glavom. S 1 je označena gornja vodilica
stapajice, 2 je prsten za ulje stapajice, 3 je brtvenica cilindra i 4 stap.
Sl. 3.32. Dvoradni kompresor s križnom glavom
Cilindri mogu biti izvedeni kao ležeći (Sl. 3.31. a, b) ili stojeći (Sl. 3.31. c, d).
Obično se brzohodni kompresori manje i srednje dobave grade s jednoradnim stojećim
cilindrima, dok se sporohodni kompresori za velike dobave grade s ležećim dvoradnim
cilindrima.
Cilindri mogu biti smješteni u obliku slova V i W (Sl. 3.31. e, f). Kod stojećih cilindara ili
onih smještenih u obliku V ili W može biti poredano dva ili više jednakih cilindara u redu, pa
se tada govori o linijskim izvedbama (Sl. 3.31. g, h i Sl. 3.33).
56

KOMPRESORI
Sl. 3.33. Rashladni jednostupanjski kompresor u linijskoj W izvedbi - poprečni i uzdužni
presjek
Izvedba kompresora može biti i u obliku slova L, bilo sa jednoradnim ili dvoradnim
cilindrima (Sl. 3.33. o, p). To je specijalni slučaj V izvedbe.
57

KOMPRESORI
o
p
Izvedbe višestupanjskih kompresora
Sl. 3.34. L izvedbe stapnih kompresora
Izvedbe s više cilindara su pogodne za serijsku gradnju, posebno ako se koriste cilindri istih
ddimenzija. Na prikazanom primjeru tri cilindra su paralelno spojena u I stupanj, dok četvrti
cilindar služi za drugi stupanj kompresije.
I II
Sl. 3.35. Izvedba višestepenog kompresora s više istih cilindara
Moguće je za svaki stupanj upotrijebiti cilindar odgovarajućeg promjera. Time se smanjuje
broj cilindara. Ovakva se konstrukcija koristi uglavnom za male kompresore.
I II
Sl. 3.36. Izvedba višestepenog kompresora s cilindrima različitih promjera
Cilindri mogu ili moraju biti različitih dimenzija, ako se u njima provodi dvostepena ili
višestepena kompresija. Tada također mogu biti smješteni u redu (Sl. 3.31. g, h), ali se češće
takvi kompresori izvode kao opozitna (bokser) izvedba (Sl. 3.31. i, j, k) ili kao udvojena
izvedba (Sl. 3.31. l, m), odnosno tandem izvedba (Sl. 3.31. n).
58

KOMPRESORI
Sl. 3.37. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora za zrak u V izvedbi
Sl. 3.38. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora u L izvedbi
59

KOMPRESORI
Sl. 3.39. Primjer izvedbe dvostupanjskog kompresora u L izvedbi
Izvedbe višestupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima
Prednosti izvedbi sa stepenastim stapovima su jednostavan pogon i jednostavno izjednačenje
sila koje djeluju na stapni mehanizam. Nedostaci su velike mase u gibanju, teško brtvljenje
prstenastih prostora. Kod ovakvih kompresora treba voditi računa:
• da sile koje djeluju na stap pri kretanju od GMT ka DMT i natrag budu što je moguće
više jednake
• da brtvljenje bude što bolje,
• da prvi stupanj u kojem se javlja podtlak ne graniči s pogonskim prostorom (sisanje
ulja),
• da demontaža stapa i ostalih dijelova bude što jednostavnija,
• da kompresijski omjer među stupnjevima bude po mogućnosti jednak, ali pritom treba
paziti na izjednačenje stapnih sila,
• da niskotlačni stupanj bude po mogućnosti izveden kao puni cilindar sa stapnim
prstenovima na jednom promjeru,
60

KOMPRESORI
• da se pri kretanju stapa u jednom smjeru u nižem stupnju provodi kompresija, a u
višem usis, kako ne bi došlo do pada tlaka u hladnjaku.
Svi ovi zahtjevi ne mogu biti stovremeno zadovoljeni, pa se za određene svrhe nađe
kompromis.
Izvedbe dvostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima
II
I
I
I
II
x
II
a
b
c
Sl. 3.40. Izvedbe dvostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima
Nedostaci izvedbe a su u tome što su sile na stapu udvostručene, jer se istovremeno odvija
usis ili kompresija u oba stupnja. Prvi stupanj graniči s karterom, pa je moguća povećana
potrošnja mazivog ulja i onečišćenje plina tim uljem. Izvedba b povoljnija je što se tiče sila,
prvi stupanj je povoljnije smješten, ali je nepovoljnija za brtvljenje od izvedbe a. Izvedba c je
skuplja, jer je potreban mehanizam s križnom glavom. Izvedba c ima prednosti izvedbi a i b, a
nema njihove mane. Prostor označen s x nije predviđen za kompresiju.
Izvedbe trostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima
III
III
I
I a
II
I b
II
Sl. 3.41. Izvedbe trostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima
61

KOMPRESORI
Izvedbe četverostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima
III
II
I
IV
III
II
IV
d 2
d 4
A
I
III
I a
I b
d 3 d 1
IV
II
d 3
d 1
d 2
d 4
Sl. 3.42. Izvedbe četverostupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima
62

KOMPRESORI
Peterostupanjski kompresor sa stepenastim stapovima
III
Ia
I b
IV
V
II
Sl. 3.43. Izvedba peterostupanjskog kompresora sa stepenastim stapovima
Izvedbe višestupanjskih kompresora sa stepenastim stapovima i više cilindara
Trostupanjski
A
I a
I b
III
II
Sl. 3.44. Izvedba trostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa
Četverostupanjski
I
III
II
IV
Sl. 3.45. Izvedba četverostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa
63

KOMPRESORI
Šesterostupanjski
III
I
I
V
IV
II
II
VI
Sl. 3.46. Izvedba šesterostupanjskog kompresora sa dva stepenasta stapa
64

KOMPRESORI
3.8. PODMAZIVANJE STAPNIH KOMPRESORA
Pravilno podmazivanje je od najveće važnosti za rad kompresora. Uloga podmazivanja
uključuje smanjenje trenja između dijelova u međusobnom kretanju, brtvljenje zazora između
stapa i cilindra i odvođenje topline.
Od ulja se očekuje da stvara uljni film između dodirnih površina, smanjuje toplinu trenja
hlađenjem i odvođenjem topline, smanjuje trošenje dijelova, smanjuje gubitke trenja i
potrebnu snagu, smanjuje propuštanje plinova i ostvari brtvljenje zazora između stapa i
cilindra, štiti dijelove od korozije, te smanjuje naslage i taloge.
Pravilno podmazivanje uključuje odabir kvalitetnog ulja za točno određene uvjete rada,
pravilno skladištenje i obradu ulja, te dobavu optimalnih količina ulja u svrhu boljeg stupnja
iskoristivosti kompresora.
Vezano za ove čimbenike, javljaju se još i zahtjevi za odgovarajućom čistoćom plinova na
ulazu i na putu kroz kompresor, te redovnim kontrolama, čišćenjem i održavanjem
mehaničkih dijelova kompresora i svih ostalih usko povezanih sustava.
Razlikujemo dva temeljna načina podmazivanja kompresora: prirodno i prisilno
3.8.1. PRIRODNO PODMAZIVANJE KOMPRESORA
Podmazivanje kompresora prskanjem, odnosno uljnom maglom
Podmazivanje može biti u potpunosti izvedeno metodom prskanja. Ovakav tip podmazivanja
kompresora je izveden na način da izdanak - raspršivač na ojnici pri svakom okretaju
koljenastog vratila prođe kroz ulje u karteru te ga na taj način rasprši u uljnu maglu koja
prodire na sva mjesta u kompresoru gdje je potrebno podmazivanje i brtvljenje.
Slika 3.47. Sustav podmazivanja uljnom maglom dvoradnog kompresora
65

KOMPRESORI
Podmazivanje kompresora s uljnom prstenovima
Kod ovog, također prirodnog načina podmazivanja kompresora mazivo ulje dobavlja pomoću
dva uljna prstena ovješena o koljenasto vratilo. Oni su svojim donjim djelom uronjeni u ulje u
karteru. Rotacija vratila povlači ih sa sobom te se ulje adhezijskim i viskoznim silama dovodi
u žljeb koljenastog vratila, gdje se tada centrifugalnom silom transportira kroz provrt vratila
kojim se razvodi do ležajeva. Ulje koje na kraju izlazi iz letećih ležajeva koljenastog vratila
raspršuje se uslijed rotacije te na taj način proizvodi uljnu maglu za podmazivanje glavnih
ležajeva i cilindara.
3.8.2. PRISILNO PODMAZIVANJE KOMPRESORA
Prisilno podmazivanje kod brzohodnih kompresora najčešće se provodi pomoću zupčaste
uljne pumpe gonjene koljenastim vratilom. Ulje koje dolazi iz uljne pumpe preko regulatora
tlaka razvodi se provrtima koljenastog vratila do glavnih i letećih ležajeva, a često i kroz
ojnicu do ležajeva osovinice stapa. Na slici 3.46. prikazan je shematski kompresor sa
prisilnim podmazivanjem.Zupčasta pumpa crpi ulje iz kartera tanka kroz filter. Prolaskom
kroz filter ulje se dalje tlači do koljeničaste osovine odakle se izbušenim kanalima dovodi do
temeljnih ležajeva a po potrebi kanalima u konjeničastoj osovini i stapajici do letećih ležajeva
i ležajeva križne glave. Tlačni sustavi su opremljeni sa usisnim prečistačima, kontrolnim
ventilima, te u slučaju većih kompresora i rashladnikom ulja te sigurnosnim ventilima za
zaustavljanje kompresora u slučaju pada tlaka. Kućišta su izvedena da odvajaju nečistoće i
prašinu od ulja te da sprečavaju propuštanje.
1. Uljna pumpa 4. Razdjelnik regulatora dobave
1'. Uljna pumpa (shematski prikaz)
5. Uljna komora
2. Ventil za regulaciju visokog tlaka 6. Ventil za regulaciju niskog tlaka
3. Cjevovod prema regulatoru dobave 7. Uljna komora brtvenice
Sl. 3.48. Shema sustava tlačnog podmazivanja kompresora
66

KOMPRESORI
3.8.3. PODMAZIVANJE CILINDARA I BRTVENIH PRSTENOVA
Za razliku od podmazivanja ležajeva i kućišta, sustav podmazivanja cilindara i brtvenih
prstenova mora što pouzdanije tlačiti ulje na više tlakove u svrhu podmazivanja radnih
površina cilindara i ojnica. Količina ulja u svakoj točki mora biti točno onolika koliko je
potrebno za pravilno podmazivanje. Količina podmazivanja u svakoj točki je kritična, svaka
prekomjerna količina ulja je štetna, i može dovest do razbijanja ventila, stvaranja naslaga na
prstenima a može se i akumulirati u cjevovodima.
Ovi sistemi moraju opskrbljivati točno određenom količinom ulja svaku točku, sa
mogućnošću nadzora i blokadom protoka ulja.
3.8.4. ULJA ZA KOMPRESORE
Tipovi ulja za podmazivanje ležajeva
Tipovi ulja koja se koriste za podmazivanje ležajeva i pokretnih dijelova moraju udovoljavati
zahtjevima proizvođača opreme, ali općenito se moraju koristiti kvalitetna, nedeterdžentna
mineralna ulja. Ta ulja moraju sadržavati inhibitore za hrđu i oksidaciju i aditive protiv
pjenjenja. Aditivi protiv pjenjenja ulja su jako bitni kod kompresora koji se podmazuju
prskanjem.
Ulje se može onečistiti stranom tvari kao i zbog prisutnosti vlage zbog kondenzacije i zbog
toga interval zamjene ulja ovisi o radnim uvjetima okoline. Ulje se treba redovito kontrolirati
kako bi se utvrdilo optimalno vrijeme zamjene ulja. Redovitom kontrolom ulja se određuje i
istrošenost pojedinih komponenti.
Sintetska kompresorska ulja
Sintetska ulja su sve više prihvaćena kao kompresorska ulja zbog svoje više temperature
samozapaljenja te sposobnosti da onemogući stvaranje karbonskih naslaga na ventilima i
klipnim prstenima. Upotreba sintetskih ulja smanjuje količinu dobave ulja za 1/3 u odnosu na
mineralna ulja. To znači da će se manje ulja cijediti niz cjevovod, smanjena mogućnost od
požara, iako treba voditi računa o tome da nijedno ulje nije u potpunosti otporno na vatru i na
eksploziju. Nekoliko vrsta sintetskih ulja koristi se za podmazivanje kompresora:
Fosfatni esteri –imaju vatrootporna svojstva i pokazala su se kao dobra ulja za podmazivanje
kompresora.
Polialkalni glikoli – dostupna su kao topivi u vodi i kao netopivi u vodi. Kad su se koristila
pravilnog viskoziteta, pokazala su se jako dobrima ali nisu vatrootporna.
Fluorougljici – potpuno vatrootporni, pogodni za podmazivanje zračnih kompresora, ali su
skupi.
Diesteri i polialfa-olefini – koriste se najčešće kao ulja za kompresore.
Ako se mineralno ulje u sustavu zamjenjuje sa sintetskim uljem, potrebno je detaljno čišćenje
cjevovoda, kao i cilindara kompresora i svih komponenti. Sintetsko ulje će uzrokovati
67

KOMPRESORI
otapanje i ispiranje svih naslaga pa može doći do kvara. Zato je potrebno kompresor zaustaviti
nakon kraćeg rada sa sintetskim uljem, i ponovo očistiti sustav.
3.8.5. KONTROLA I ODRŽAVANJE
Kompresor i sve njegove komponente moraju se redovito pregladavati u intervalima koji
ovise o nekoliko radnih uvjeta. Zamjena istrošenih ili polomljenih dijelova, zamjena brtvi,
zamjena ulja u kućištu, čišćenje kućišta, tlačnih lubrikatora i filtera zraka, skidanje naslaga sa
ventila, tlačnih cjevovoda, hladnjaka, košuljica – to su sve radovi koje treba redovito
obavljati.
U slučaju detaljnijeg pregleda, cijeli sustav se mora temeljito testirati a to uključuje sljedeće:
Sustav ulja: Čišćenje filtera i punjenje kartera do propisanog nivoa, tlačenje sustava, provjera
propuštanja, kontrola tlak a ulja, te rad alarma i sklopki za zaustavljanje u nuždi.
Cilindri kompresora: Odspojiti svaki tlačni cjevovod ulja od cilindra, napuniti tank
lubrikatora odgovarajućim uljem, pustiti lubrikator u rad, provjeriti protok ulja. Za
kompresore koji nemaju lubrikatore pogonjene motorom, može se ručnom pumpom tlačiti
svaki tlačni vod.
Uklanjanje naslaga: ako se velike količine naslaga nalaze na ventilima i u tlačnim
vodovima, ukazuju da se koristi neadekvatno ulje, i zbog toga se više ulja troši, onečišćuju
usisani zrak.
Zamjena ulja u karteru: period zamjene ulja u kućištu uvelike ovisi o čistoći atmosfere oko
kompresora. Ulje se mora ispustiti dok je još toplo, a kućište se mora obrisati krpom prije
ulijevanja novog ulja. Kemijska sredstva za čišćenje se obično ne koriste, a nikako se ne smiju
koristiti zapaljiva sredstva za čišćenje.
Tlačni sustav podmazivanja: održavanje sustava uključuje redovito čišćenje
kontrolnihstakala, pumpi i tankova. Kad se koriste kontrolna stakla sa tekućinom, tekućina
može postati maglovita ili može biti pomiješana s uljem. U oba slučaja, stakla se moraju
očistiti i napuniti čistom tekućinom. Nečistoće kao što su prašina i talog se nakupljaju u
tankovima, te se moraju redovito čistiti ali unutar perioda od jedne godine u ovisnosti o
čistoći vanjske atmosfere.
Posude za čuvanje ulja: samo se čiste bačve smiju koristiti za čuvanje kompresorskih ulja i
moraju biti dobro zatvorene kad nisu u upotrebi. Prljave bačve mogu biti izvor onečišćenja
ulja. Galvanizirane (sloj cinka) metalne bačve se ne bi smjela koristiti za kompresorska ulja.
Cink može reagirati s nekim komponentama ulja, ili sa produktima kisika te stvoriti viskoznu
metalnu sapunicu koja dovodi do zgušnjavanja ulja i ubrzava oksidaciju ulja.
Čišćenje filtera zraka: intervali čišćenja filtera zraka ovise o lokalnim uvjetima, te o
kapacitetu i tipu filtera, količini zraka i količini prašine u zraku.
68