Compresoare cu piston

1.1. Consideratii generale. Clasificare

Principalele tipuri de compresoare utilizate in tehnica frigului si domeniile de utilizare ale acestora sunt prezentate in tabelul 1.

Tab. 1.1. Tipuri de compresoare frigorifice si domeniile de utilizare

1.2. Compresoare cu piston

Compresoarele cu piston fac parte din familia compresoarelor volumice alternative si pot fi de trei tipuri constructive:

- deschis, reprezentat in figura 1.1;
- semiermetic, reprezentat in figura 1.2;
- ermetic, reprezentat in figura 1.3.

Compresoarele deschise se pot cupla cu motoare separate, de tip electric sau termic si pot vehicula orice tip de agent frigorific. In general sunt utilizate pentru puteri frigorifice medii si mari.

Compresoarele semiermentice sunt cuplate direct la un motor electric inchis intr-un carter demontabil comun. Nu pot vehicula decat freoni si se utilizeaza pentru puteri medii.

Compresoarele ermetice se aseamana cu cele semiermetice, dar sunt inchise impreuna cu motorul intr-o carcasa etansa nedemontabila (sudata). Nu pot vehicula decat freoni si se utilizeaza pentru puteri mici si medii.

1.2.1. Realizarea comprimarii

In figura 1.4 este reprezentat interiorul unui compresor deschis cu piston.

Din punct de vedere constructiv, compresoarele frigorifice nu se diferentiaza fundamental de cele utilizate pentru alte gaze.

- in general compresoarele sunt cu simplu efect;
- comprimarea se realizeaza politropic;
- in compresoarele industriale sunt foarte utilizate supapele cu discuri inelare, care se intalnesc uneori si in cele semiermetice, in locul supapelor lamelare;
- racirea cilindrilor este cel mai adesea realizata de vaporii aspirati, care in consecinta se incalzesc in procesul de aspiratie;
- racirea vaporilor in timpul comprimarii se poate realiza prin injectie de agent frigorific lichid (ceea ce prezinta insa pericolul producerii de lovituri hidraulice, deci nu este o metoda utilizata in mod curent);
- comprimarea in doua trepte este avantajoasa daca raporul de comprimare depaseste valoarea 7, sau daca temperatura finala de refulare depaseste valoarea de 125 . 135 C;
- intre treptele de comprimare se realizeaza raciri intermediare, de regula cu apa sau cu aer.

Cilindrii - pot fi prelucrati prin procedee de precizie ridicata, direct in corpul carterului, pana la suprafata oglinda, sau pot fi realizati din camasi amovibile prelucrate din fonta extrafina centrifugata, avand tot suprafata oglinda. Partea inferioara a camasii se monteaza pe carter, iar in partea superioara a acesteia se monteaza supapele de aspiratie. Diametrul interior defineste alezajul D, exprimat in milimetri. Chiulasa care inchide cilindrii poate sa fie comuna pentru mai multi cilindri.

Pistonul este realizat din aliaj de aluminiu, cu o prelucrare particulara a capului, conforma cu forma supapelor, in scopul reducerii la minim a spatiului mort. Pistonul este prevazut cu doi sau trei segmenti din fonta cromata si un segment raclor pentru uleiul de ungere.

In fusta pistonului sunt prevazute orificiile pentru montarea boltului, realizat sub forma tubulara din otel de inalta rezistenta (90 kgf/mm²). Pe bolt este asamblat piciorul bielei.

Deplasarea pistonului intre punctul mort interior si punctul mort exterior, constituie cursa S, exprimata in milimetri si indicata de firmele constructoare in cataloage.

Pentru a mentine viteza vaporilor la trecerea acestora prin supape, intr-un domeniu de valori convenabile, se realizeaza rapoarte D/S de ordinul 1,3 . 1,4. In plus, in general nu se depaseste o viteza medie liniara a pistoanelor u, de 4 m/s. In consecinta se pot scrie doua relatii care permit definirea limitelor acceptabile ale S si D, pentru turatiile de sincronism ale motoarelor electrice de antrenare a compresoarelor:

Eseu: Reguli privind depozitarea materialelor si substantelor combustibile Referat: Caiet de sarcini pentru demolare

     (1.1)

Tab. 1.2. Valorile parametrilor constructivi S si D
pentru diferite turatii de sincronism

Supapele - ca si la majoritatea compresoarelor pentru diverse gaze, sunt realizate din discuri inelare concentrice, cele de aspiratie la periferie, iar cele de refulare in zona axiala, ca in figura 1.5. Cursa supapelor este redusa, iar sectiunile de trecere se calculeaza pe baza urmatoarelor viteze:

- 30 . 40 m/s pentru freoni;
- 50 . 60 m/s pentru amoniac.

Legislatiile unor tari europene impun ca pentru compresoarele deschise avand cilindreea peste 25 m³/h pe cilindru, sa fie prevazut un dispozitiv anti lovituri hidraulice, care poate sa fie reprezentat de un resort elicoidal. Acesta mentine in pozitie normala de functionare ansamblul supapelor de refulare, dar in cazul unui aflux de lichid, resortul trebuie sa se poata comprima si sa lase supapa sa se ridice de pe scaunul sau, pentru a permite curgerea lichidului.

Canale sau colectoare - vaporii de agent frigorific sunt admisi in cilindrii si sunt evacuati din acestia prin intermediul canalelor sau colectoarelor, care sunt realizate in carter sau in afara acestuia. Ultima solutie constructiva evita supraincalzirea vaporilor aspiratilor datorita contactului cu masa metalica a carterului, care in timpul functionarii compresorului este calda.

Cateva elemente constructive ale compresoarelor cu piston sunt prezentate in figura 1.6.

Coeficientul de debit - Spatiul mort al compresoarelor frigorifice este situat intre 1 . 4%, iar coeficientul de debit depinde de natura agentului frigorific, in particular de valoarea exponentului politropic.

1.2.2. Particularitati mecanice

Compresoarele frigorifice actuale difera putin de la un constructor la altul si in afara unor detalii tehnologice, au in comun cinci elemente specifice, care prezinta unele particularitati fata de compresoarele pentru gaze.

Carterul se realizeaza in general din fonta cu granulatie fina (Ft25), etansa pentru agentii frigorifici si turnat dintr-o singura bucata, cu toate orificiile pentru montarea camasilor de cilindri, cuzinetilor pentru lagarele palier si pentru vizitare.

Grosimile fontei sunt determinate pentru a rezista la presiunile care se manifesta in diferite zone ale compresorului. Dupa realizarea prelucrarilor mecanie (uzinaj), carterul este supus unor probe hidraulice la o presiune de doua ori mai mare decat cea nominala de lucru.

Cilindrii sunt dispusi in linie, in V in W sau in VV, adica in stea. Astfel se pot realiza masini cu 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12 sau 16 cilindri. In acest mod constructorii pot sa realizeze serii de compresoare bazate pe una sau doua perechi de alezaj / cursa (D/S), in conditiile unei foarte bune compactitati, unui echilibraj foarte bun si cu un numar redus de ambielaje si elemente constructive (dintre care multe sunt comune unei intregi serii de compresoare).

Pentru un compresor cu i cilindri, volumul descris de piston, sau volumul baleiat denumit si cilindree, se calculeaza cu relatia:

     (1.2)

Carterul prezinta doua spatii despartite de un perete obtinut prin turnare:

- partea superioara cuprinde camasile de cilindru si constituie camera de aspiratie;

- partea inferioara cuprinde arborele cotit (vibrochenul) si baia de ulei.

Cele doua spatii comunica intre ele prin orificii de echilibrare a presiunii, astfel incat si partea inferioara a carterului sa se gaseasca tot la presinea de aspiratie.

Aceasta dispunere prezinta urmatoarele avantaje:

- partea inferioara se gaseste la presiuni apropiate de cea atmosferica, deci sunt posibile deschiderea si accesul in interior pentru operatii de intretinere;

- permite returul spre baia de ulei a uleiului care se separa de vaporii de agent in camera de aspiratie;

- permite degazarea uleiului de vaporii de agent frigorific.

Accesul pentru operatii de intretinere este facilitat de existenta unor deschideri pentru vizitare, prevazute cu capace demontabile si a unor diferite bosaje care permit racordarea de manometre de control sau a unor organe de siguranta.

Arborele cotit si bielele - se diferentiaza de cele utilizate in celelalte compresoare. Cateva elemente specifice sunt urmatoarele:

- arborele cotit este realizat din otel matritat sau adesea din fonta nodulara; este dimensionat cu atentie, iar masele de echilibrare, solidare cu arborele, preiau fortele rezultante - orizontale si verticale - ca si neuniformitatiile miscarii.

- arborele se roteste in paliere lise, prevazute cu cuzineti antifrictiune realizate dintr-un aliaj pe baza de plumb sau alte materiale, pe un suport metalic subtire, caz in care cuzinetii se pot inlocui, respectiv in paliere cu bile sau rulmenti, iar uneori se utilizeaza o combinatie a celor doua variante;

- suprafetele pe care se monteaza palierele lise se trateaza termic pentru a atinge o duritate de ordinul a 50 kg_f/mm²;

- daca numarul de cilindri este mai mare de 8, in general este prevazut un palier intermediar;

- arborele este penetrat de canale destinate circulatiei uleiului de ungere;

- bielele matritate dintr-un aliaj de aluminiu, sunt prevazute in capul acestora cu cuzineti antifrictiune amovibili, iar in picior cu o garnitura din bronz;

- in anumite cazuri, bielele nu prezinta nici cuzineti nici garnitura, iar cand se ating cotele de uzura definite de constructor, bielele sunt inlocuite cu totul;

- uneori bielele sunt prevazute cu canale pentru asigurarea curgerii uleiului dinspre cap spre picior;

Pentru compresoarele deschise, arborele iese in exterior, astfel incat trebuie prevazute doua dispozitive particulare:

- o garnitura rotativa (presgarnitura) - care creaza o bariera intre carterul aflat sub presiunea agentului frigorific si atmosfera. Pentru aceasta majoritatea constructorilor au adoptat un sistem de tip garnitura mecanica. Daca in timpul functionarii carterul trebuie sa lucreze sub depresiune, garnitura prezinta doua sisteme de etanseitate opuse.

- o piesa interna - intre arborele cotit si carter, avind rolul de a absorbi presiunea reziduala creata de diferenta dintre presiunea din carter si cea atmosferica. Aceasta piesa este realizata fie dintr-un inel prevazut pe unul din lagarele palier, fie dintr-un rulment cu bile, ace sau role numit de presiune.

Ungerea are ca scop asigurarea gresajului partilor aflate in miscare relativa: palierele principale, capurile bielelor, picioarele bielelor, cilindrii, si garnitura mecanica.

Circuitul de ungere prezinta in general urmatoarele elemente:

- un filtru de aspiratie cu cadere de presiune redusa, imersat in baia de ulei;

- o pompa de ulei antrenata de arborele cotit: in prezent sunt utilizate doua tipuri de pompe: cu angrenaj exterior, echilibrate dar cu un singur sens de rotatie si cu angrenaj interior, reversibile, pentru compresoare ermetice si semiermetice, la care nu poate fi predefinit sensul de rotatie;

- un racitor de ulei pentru racirea uleiului refulat de pompa intr-un schimbator aflat fie in afara compresorului, fie in interiorul carterului, racirea realizandu-se fie cu apa, fie cu vapori de agenti frigorific aspirati;

- un filtru suplimentar la iesirea din schimbator pentru eliminarea impuritatilor metalice sau de grafit (carbune), care utilizeaza site foarte fine ( in general 20  m) si pot fi prevazute uneori cu un magnet introdus pe circuitul de ulei;

- un regulator de presiune (presostat diferential de ulei) care mentine presiunea din circuitul de ungere la o valoare cu 2-3 bar peste presiunea de aspiratie, cu ajutorul unei supape reglabile din exteriorul compresorului, amplasata de constructori inainte de distributia uleiului sau la sfarsitul circuitului. In ambele cazuri excesul de ulei este reintrodus in carter.

- un distribuitor: In general uleiul curat si racit circula prin canalul prevazut in vibrochen de unde este distribuit spre diferitele puncte de ungere mentionate anterior: paliere, cuzineti, garnitura mecanica, etc. Acesta poate servi si ca fluid hidraulic motor pentru comanda variatoarelor de putere frigorifica.

Uleiul se poate reintoarce in carter prin urmatoarele puncte: neetanseitati interne ale palierelor si manetoanelor, neetanseitati permanente ale presgarniturii, raclajul peretilor interni ai cilindrilor, camerele de aspiratie, descarcarea supapei regulatorului, returul separatorului de ulei.

La utilizarea freonilor, este adesea necesara mentinerea temperaturii uleiului in carter, pe durata perioadelor de oprire in intervalul 50-60 C, pentru a evita diluarea prea puternica a uleiului cu agent frigorific. Aceasta incalzire se realizeaza cu ajutorul unei rezistente electrice montate intr-o teaca de protectie, in baia de ulei, a carei temperatura este reglata de un termostat. In timpul functionarii compresorului, rezistenta nu mai este alimentata.

Reglarea puterii frigorifice - Sistemul cel mai utilizat in compresoarele industriale consta in blocarea supapei de aspiratie in pozitie deschisa, pentru cilindrul sau cilindrii care practic vor fi suprimati din punct de vedere functional. In acest scop, discul inelar al supalei este ridicat prin diferite mijloace: tija ridicatoare, piston inelar, etc. Fiecare din acestea se deplaseaza in interiorul camasii cilindrului, cursa fiind foarte mica, astfel incat sa corespunda cursei supapei. Un asemenea sistem este prezentat in figura 1.7.

In general, aceste sisteme echipate cu resorturi pentru revenire sunt actionate prin una din urmatoarele modalitati:

- presiunea uleiului admis printr-un ventil solenoidal cu trei cai;

- presiunea vaporilor comprimati admisi printr-un ventil solenoidal;

- un dispozitiv mecanic actionat tot de presiunea uleiului.

Exista si un procedeu care utilizeaza un servomotor autonom, care mentine constanta presiunea in carter (de aspiratie) la o valoare prestabilita. Acest dispozitiv este utilizat in special pe grupuri de racire a apei.

In general, sistemul de reglare a puterii frigorifice prin eliminarea cilindrilor, poate sa fie utilizat pe compresoare avand minim trei cilindri, astfel incat sa ramana suficienti cilindri activi.

Mai pot fi mentionate si alte doua modalitati de reducere a puterii frigorifice:

- deschiderea unui orificiu de scurtcircuitare intre doi cilindri;

- deschiderea proportionala a supapelor de aspiratie prin intarzierea inchiderii, ceea ce conduce la reducerea debitului aspirat.

Pornirea cu sarcina redusa - daca se aplica la toti cilindrii, permite utilizarea de motoare electrice cu cuplu si curent absorbit mai reduse. Cilindrii sunt reintrodusi in sarcina normala atunci cand presiunea in circuit se stabilizeaza, fie pe rand, fie doi cate doi.

Sistemul de antrenare - Compresoarele deschise sunt in general antrenate direct de motoare electrice cu 6 sau 8 poli, ceea ce face ca turatia sa fie apropiata de cea de sincronism, adica pentru retele cu frecventa de 50 Hz: 1000 sau 1500 rot/min, respectiv pentru retele cu frecventa de 60 Hz: 1200 sau 1800 rot/min.

Se utilizeaza un cuplaj elastic rigid cu disc flector din otel sau elemente din cauciuc intre doua mansoane. Aceste compresoare sunt bine echilibrate dinamic si nu necesita volante inertiale.

In cazul in care compresorul este antrenat de un motor cu ardere interna, trebuie studiata in mod serios problema cuplajului, tinand seama de neregularitatile ciclice ale rotatiei celor doua masini. Uneori s-ar putea sa fie necesara utilizarea volantilor.

Compresoarele ermetice, sau cele semiermetice, sunt cuplate direct pe arborele motorului electric incorporat in carter.

1.2.3. Compresoare ermetice si semiermetice

Aceste tipuri de masini sunt specifice tehnicii frigului, deoarece freonii protejeaza infasurarile electrice, ceea ce permite introducerea motorului in fluxul de agent frigorific vehiculat de compresor.

Principlul avantaj al acestor masini este ca pe acelasi arbore se gasesc motorul electric si ambielajul compresorului. In plus ansamblul se introduce intr-o singura carcasa etansa pentru agentul frigorific, dispar problemele de aliniere a motorului cu compresorul si problema traversarii carterului de catre vibrochen, ca si problema garniturii mecanice.

Compresoarele ermetice sunt complet incluse intr-o carcasa metalica sudata si etansa care face inaccesibile partile mobile si nu permite interventiile in interior. In figura 1.8 este prezentat un compresor ermetic sectionat, iar in figura 1.9 este prezentat un compresor ermetic nefunctional, montat intr-o carcasa din sticla, pentru a se observa cum se prezinta acest aparat in interior.

In figura 1.10 sunt prezentate cateva parti componente ale unui compresor ermetic.

Compresoarele semiermetice permit demontarea atat a motorului cat si a compresorului, facand posibile interventii mecanice de intretinere si depanare. O sectiune printr-un compresor semiermetic este prezentata in figura 1.11.

Fata de compresoarele deschise, cele ermetice si semiermetice se disting prin urmatoarele particularitati:

Agentii frigorifici - nu pot fi decat fluide neutre din punct de vedere al sistemului electric: de exempu R134a, sau R22. Vaporii de agent frigorific, aspirati sunt utilizati pentru racirea infasurarilor electrice ale statorului si rotorului inainte de a ajunge in camera de aspiratie. Pentru temperaturi de vaporizare coborate (de exemplu -30 C), daca debitul masic de vapori aspirati de compresor nu este suficient pentru racirea motorului electric, trebuie prevazute ventilatoare exterioare pentru racirea carterului.

Puterea maxima - cu rare exceptii nu poate sa depaseasca 45 kW pentru compresoarele semiermetice, respectiv 30 kW pentru compresoarele ermetice.

Supapele - sunt in general cu lamele. Trebuie retinut insa ca masinile moderne utilizeaza din ce in ce mai mult supape asemanatoare cu cele ale compresoarelor industriale. Un asemenea exemplu il reprezinta sistemul DISCUS, reprezentat in figura 1.12.

Aspiratia vaporilor se realizeaza traversandu-se placa supapelor. Supapa de aspiratie este inelara, iar cea de refulare, supapa DISCUS, este o piesa cilidro-conica realizata dintr-un material plastic avand urmatoarele proprietati: este usor, elastic, rezistent la actiunea uleiurilor si a agentilor frigorifici, la temperaturi ridicate (pana la 480 C). In plus, zgomotele produse de supapele metalice sunt practic eliminate. Utilizarea supapei de aspiratie inelara, necesita o prelucrare mecanica particulara a capului pistonului, in vederea reducerii la minim a spatiului mort, in limitele tolerantelor de fabricatie. Prin utilizarea acestui sistem se obtin randamente superioare si uzuri mecanice mai reduse.

Carterul - este turnat dintr-o singura bucata si constituie atat corpul compresorului cat si al motorului, prezentand uneori si aripioare de racire. Este inchis pe partea compresorului de suportul lagarului palier si al pompei de ulei, iar pe partea motorului, de un capac pe care este prevazut un robinet de aspiratie, iar in interior un filtru pentru vaporii aspirati.

Cilindrii - sunt in general in numar de 2-3 in linie, 4 in V si 6 in W. Sunt prelucrati direct in corpul carterului. Capacele cilindrilor sunt tot din fonta ca si carterul, iar gura de vizitare este realizata pe partea compresorului. Se pot monta si doua compresoare in tandem, caz in care mai exista o piesa intermediara care leaga cele doua motoare montate spate in spate.

Variatia puterii frigorifice - este in general mai simplu de realizat decat la compresoarele industriale. Cele doua sisteme mai des intalnite sunt urmatoarele:

- obturarea intrarii vaporilor in doi cilindri simultan;

- deschiderea unui orificiu de scurtcircuit intre doi cilindri, ca in figura 1.13.

Pornirea in sarcina redusa - se realizeaza prin utilizarea de obturatori sau a unui circuit exterior de by-pass cu un robint solenoidal de comanda.

Ungerea - in general se realizeaza sub presiune, cu o pompa de ulei care trebuie sa fie obligatoriu reversibila, sensul de rotatie al compresorului putand sa fie indiferent.

1.2.4. Elemente auxiliare ale compresoarelor

Separator de ulei - Este amplasat la refularea compresorului si are ca scop separarea unei parti cat mai mari din uleiul antrenat de agentul frigorific din sistemul de ungere, pentru a-l intoarce in carterul compresorului. Separarea se bazeaza pe diferenta de densitate dintre cele doua fluide si pe modificarea energiei cinetice a acestora, care se poate produce in mai multe moduri: centrifugare, modificarea brucsa a directiei de curgere si cresterea brusca a sectiunii de curgere.

In figura 1.14 este reprezentat un separator de ulei compus dintr-un corp cilindric (poate sa fie orizontal sau vertical) in interiorul caruia exista sicane, material de umplutura (de exemplu inele metalice), sau plase metalice, tricotate sau din panza. Uleiul separat se acumuleaza in partea inferioara, de unde prin intermediul unui robinet cu flotor se reintoarce in carter.

Nu exista separatoare de ulei capabile sa separe complet uleiul antrenat de agentul frigorific din urmatoarele motive:

- chiar daca sunt foarte eficiente la debitul maxim de agent frigorific, eficienta acestora se reduce la scaderea debitului;

- vaporii de ulei foarte calzi (100-130 C) sub forma de aerosoli nu pot sa fie separati decat daca li se reduce tempertura pana in jurul valorii de 50 C si sunt readusi in starea de picaturi prin coalescenta.

Utilizarea separatorului de ulei este indispensabila la utilizarea amoniacului si poate sa fie evitata la utilizarea freonilor, situatie in care nu exista in instalatie zone in care sa fie posibila decantarea (rezervor de lichid sau butelie de joasa presiune).

Aparate de masura - Sunt indispensabile pentru verificarea conditiilor de functionare ale compresoarelor si sunt reprezentate in principal de:

- manometre sau traductori electronici de presiune, care se monteaza pe conductele de aspiratie si de refulare ca si pe circuitul de ulei;

- termometre sau traductori electronici de temperatura, care se monteaza in aceleasi puncte ca si manometrele.

Dispozitive de siguranta - Sunt dispozitive necesare pentru protectia masinii impotriva situatiilor anormale de functionare, care ar putea produce pagube materiale sau accidente. Exista doua categorii de asemenea dispozitive: cu utilizare obligatorie si cu utilizare facultativa.

- Dispozitive cu utilizare obligatorie:

- resort impotriva lovitura hidraulice;

- supapa de siguranta intre aspiratie si refulare, pentru evitarea distrugerii compresorului daca robinetul de refulare este inchis accidental in timpul functionarii compresorului;

- presostat de inalta presiune, care protejeaza compresorul impotriva cresterii presiunii de refulare si care actioneaza inainte de deschiderea supapei de siguranta de inalta presiune, montata in circuit;

- presostat de joasa presiune, care previne scaderea prea accentuata a presiunii din vaporizator sau vaporizatoare;

- presostat diferential de ulei, care are un traductor cuplat la presiunea din carter, iar celalalt traductor cuplat la refularea pompei de ungere si are ca scop supravegherea valorii diferentei dintre cele doua presiuni, care trebuie sa asigure ungerea corecta a compresorului. Acest aparat este temporar scos din functie in perioadele de pornire, pana cand se atinge turatia nominala, perioada in care presiunea diferentiala de ungere este mai redusa decat valoarea minima acceptabila.

- termostat de supraincalzire (esential la utilizarea amoniacului), care protejeaza compresorul impotriva unei temperaturi de refulare excesiv de ridicate (de exemplu 130 C).

- Dispozitive cu utilizare facultativa:

- termostat pentru supapa de siguranta, care se monteaza aproape de supapa de siguranta interna si opreste compresorul daca supapa de siguranta s-a deschis, caz in care s-ar produce supraincalziri periculoase;

- termostat de carter, care mentine temperatura carterului in timpul opririi compresorului, la valori care sa nu permita dizolvarea in ulei a agentilor frigorifici;

- termostat de 'ulei prea rece', care impiedica pornirea compresorului daca temperatura uleiului de ungere nu are o valoare convenabila (50-60 C);

Gestionarea electronica centralizata:

- anumiti constructori prevad o achizitie electronica de date privind functionarea, cu incadrarea permanenta in domeniile de siguranta a parametrilor si vizualizarea valorilor acestora pe monitor.