ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΤΛΙΕΣ ROOTS

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΤΛΙΕΣ ROOTS Ονοματεπώνυμο :ΚΟΠΑΝΑΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΕΜ:12145 Επιβλέπων Καθηγητής : ΣΤΕΡΓΙΟΥΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Θεσσαλονίκη

2 Ημερομηνία

3 1

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΠΕΡΙΛΗΨΗ-ABSTRACT Περιληπτική αναφορά στο αντικείμενο της εργασίας, τις εφαρμογές και τα επαγόμενα συμπεράσματα. Η περίληψη της εργασίας παρατίθεται επίσης μεταφρασμένη στην αγγλική. 2. ΠΡΟΛΟΓΟΣ Εκτενέστερη επισκόπηση του αντικειμένου της εργασίας. Αναφορά στο σκοπό συγγραφής και στη δομή της εργασίας. 3. ΑΝΤΛΙΕΣ ROOTS 3.1 Θεωρητική Εισαγωγή Επιγραμματική αναφορά στις βασικές αρχές στις οποίες στηρίζεται η λειτουργία των αντλιών ROOTS. Παρατίθενται τα μεγέθη, οι μονάδες μέτρησης και τα λοιπά θεωρητικά στοιχεία που βρίσκουν εφαρμογή στην επιστήμη του κενού. 2

5 3.1.1 Κενό Μονάδες Μέτρησης του Κενού Διαβαθμίσεις του Κενού 3.2 Αρχή Λειτουργίας Πλήρης ανάλυση της αρχής λειτουργίας των αντλιών ROOTS, της συνδεσμολογίας τους και των τεχνικών τους χαρακτηριστικών Γενικά περί των Διατάξεων Επίτευξης του Κενού Αρχή Λειτουργίας των Αντλιών ROOTS Υπερσυμπιεστές TVS 4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Εφαρμογές των αντλιών ROOTS στους τομείς της τεχνολογίας όπου απαιτείται η επίτευξη κενού. 4.1 Γενικά 3

6 4.2 Εφαρμογές στη Βιομηχανία Αυτοκινήτων Οχημάτων 4.3 Εφαρμογές στη Βιομηχανία Αεροσκαφών 4.4 Εφαρμογές στη Χημική Βιομηχανία 4.5 Εφαρμογές στην Τεχνολογία των Υλικών 4.6 Εφαρμογές σε άλλους Τομείς 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συμπεράσματα και επισημάνσεις που προκύπτουν από τη μελέτη του κυρίως θέματος. Σύγκριση των αντλιών ROOTS με άλλα είδη αντλιών, αναφορά στην καταλληλότητά τους για τις εκάστοτε εφαρμογές και σε τυχόν προοπτικές βελτίωσης. 5.1 Συγκρίσεις 5.2 Κίνδυνοι και Προβλήματα Λειτουργίας 4

7 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Αναφορά στις πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για την εκπόνηση της εργασίας. Γίνεται διαχωρισμός τους σε έντυπες και σε ηλεκτρονικές πηγές από το διαδίκτυο, καθώς και σε ελληνικές και ξενόγλωσσες πηγές. 6.1 Ηλεκτρονικές Πηγές 6.2 Ελληνικές Έντυπες Πηγές 6.3 Ξενόγλωσσες Έντυπες Πηγές 5

8 Κεφάλαιο 1 Περίληψη-Abstract 1.1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι αντλίες ROOTS, αν και είναι ο αρχαιότερος τύπος αντλιών που κατασκευάστηκαν, χρησιμοποιούνται ευρέως σε μια μεγάλη κλίμακα εφαρμογών ακόμα και σήμερα. Αυτό οφείλεται στις βελτιώσεις που αυτές υπέστησαν χάρη στις εξελίξεις στον τομέα της μηχανολογίας και ως ξεχωριστά συστήματα και ως τμήματα πολυπλοκότερων διατάξεων. Τα συστήματα που διαθέτουμε σήμερα και τα οποία χρησιμοποιούν τη βασική αρχή λειτουργίας των αντλιών ROOTS έχουν συμβάλλει σημαντικά στην ανάπτυξη σε πολλούς τομείς της μηχανολογίας και της βιομηχανίας. Κοπανάς Αντώνιος 6

9 Κεφάλαιο 1 Περίληψη-Abstract 1.2 ABSTRACT Despite the fact of being the oldest type ever, ROOTS pumps are still widely used in a big scale of applications. This is due to their improvements thanks to the developments of engineering technology as separate systems as well as parts of more complicated systems. The modern systems currently available which use the basic principle of operation that ROOTS pumps use, have contributed considerably to the development of engineering and industry. Κοπανάς Αντώνιος 7

10 Κεφάλαιο 2 Πρόλογος 2. ΠΡΟΛΟΓΟΣ Με τον όρο «αντλία κενού» αναφερόμαστε σε μια διάταξη, η λειτουργία της οποίας έγγυται στην απομάκρυνση των σωματιδίων ενός αερίου που εμπεριέχεται σε έναν κλειστό χώρο δεδομένου όγκου. Η δυνατότητα επίτευξης αυτού του σκοπού δεν μπορεί ασφαλώς να φτάσει σε ένα ποσοστό ίσο με 100%. Με άλλα λόγια, οι διατάξεις κενού που έχουμε στη διάθεσή μας και χρησιμοποιούμε δεν μπορούν να επιτύχουν τέλειο κενό. Παρ όλα αυτά οι αντλίες κενού είναι απαραίτητες και βρίσκουν χρήση σε ένα πλήθος εφαρμογών, όχι μόνο στον τομέα της εφαρμοσμένης φυσικής και της βιομηχανίας, αλλά και σε ένα ευρύτερο φάσμα της επιστήμης και της τεχνολογίας. Η εφεύρεση της πρώτης αντλίας κενού χρονολογείται κατά το έτος 1650 και αποδίδεται στο Γερμανό Otto von Guericke. Σήμερα διαθέτουμε ένα πλήθος διατάξεων επίτευξης κενού, κάθε μια από τις οποίες διαφέρει ως προς την αρχή λειτουργίας της, τη συνδεσμολογία, τα τεχνικά της χαρακτηριστικά και το κενό που μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση της. Αν θέλουμε να κάνουμε μια κατηγοριοποίηση αυτών των διατάξεων, μπορούμε να βασιστούμε στην αρχή λειτουργίας τους. Έτσι μπορούμε να κάνουμε μια γενική κατάταξή τους σε αντλίες θετικής μετατόπισης, αντλίες μεταφοράς ορμής και αντλίες προσρόφησης. Οι αντλίες θετικής μετατόπισης λειτουργούν μηχανικά, χρησιμοποιώντας ένα μηχανισμό αποτελούμενο από κινητά μέρη, τα οποία κινούνται με τέτοιον τρόπο, ώστε να εκδιώκουν τα μόρια του αέρια από τον προς εκκένωση χώρο προς τα έξω και ταυτόχρονα να σφραγίζουν την κοιλότητα, εμποδίζοντας την εισχώρηση μορίων στο εσωτερικό της κοιλότητας. Οι αντλίες Κοπανάς Αντώνιος 8

11 Κεφάλαιο 2 Πρόλογος μεταφοράς ορμής (ή μοριακές αντλίες όπως αυτές συχνά αναφέρονται) χρησιμοποιούν υψηλής ταχύτητας δεσμίδες υγρού υψηλής πυκνότητας ή υψηλής ταχύτητας περιστρεφόμενες λεπίδες για την εκδίωξη των μορίων του αέρα από το θάλαμο εκκένωσης. Τέλος, οι αντλίες προσρόφησης λειτουργούν παγιδεύοντας μόρια του αερίου σε έναν καθορισμένο χώρο. Οι αντλίες ROOTS με τις οποίες ασχολείται αυτή η εργασία ανήκουν στη γενική κατηγορία των αντλιών θετικής μετατόπισης. Οφείλουν το όνομά τους στους Αμερικανούς αδερφούς Philander και Francis Marion Roots από το Connersville της Indiana. Η γενική αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην εκδίωξη των μορίων του αέρα από τον προς εκκένωση χώρο με τη χρήση περιστρεφόμενων λοβών. Είναι απλές και χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η συγγραφή ενός εγχειριδίου, στο οποίο αφ ενός μεν θα γίνεται μια λεπτομερής και αναλυτική περιγραφή των αντλιών ROOTS, παρέχοντας στον αναγνώστη δεδομένα και στοιχεία σχετικά με τα τεχνικά χαρακτηριστικά των διαφόρων παραλλαγών της και αφ ετέρου θα περιέχει συμπεράσματα και συγκρίσεις με άλλες αντλίες κενού, σε συνάρτηση πάντα και με την καταλληλότητά τους για τις εκάστοτε εφαρμογές, πιθανές προοπτικές βελτίωσης και αναφορά στο στάδιο στο οποίο βρίσκεται η σύγχρονη έρευνα πάνω στις εν λόγω διατάξεις. Κοπανάς Αντώνιος 9

12 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS 3. ΑΝΤΛΙΕΣ ROOTS 3.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΝΟ Το κενό ορίζεται στην επιστήμη της φυσικής ως η απόλυτη απουσία ύλης μέσα σε ένα δεδομένο χώρο. Όταν μιλάμε για κενό, θα πρέπει να πούμε συγκεκριμένα το αν μιλάμε για απόλυτο κενό ή για μερικό κενό. Το απόλυτο κενό (ή τέλειο κενό όπως συχνά αναφέρεται) είναι μια κατάσταση η οποία δεν μπορεί να επιτευχθεί στην πραγματικότητα. Η ιδανική κατάσταση του τέλειου κενού μπορεί μόνο να προσεγγιστεί (μάλιστα το τέλειο κενό προσεγγίζεται τελειότερα στο διάστημα). (G. L. Weissler, 1979) Την έννοια του κενού εισήγαγε στις θετικές επιστήμες πρώτος ο Δημόκριτος, ο οποίο εξέφρασε την άποψη πως στον κόσμο υπάρχουν μόνο άτομα και κενό. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Συνήθως όταν μιλάμε για κενό στη φυσική, αναφερόμαστε στο μερικό κενό. Πρόκειται για ένα ατελές κενό που παρατηρείται στον πραγματικό κόσμο. Αν θα θέλαμε να κάνουμε μια πλήρη περιγραφή μιας τέτοιας φυσικής κατάστασης θα έπρεπε να προσδιορίσουμε περισσότερες παραμέτρους, όπως για παράδειγμα τη θερμοκρασία, την πίεση κτλ. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 10

13 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Όσον αφορά την ορολογία που χρησιμοποιεί ο τομέας της μηχανολογίας, ως κενό χαρακτηρίζεται γενικά οποιαδήποτε περιοχή μέσα στην οποία η πίεση ενός αερίου είναι μικρότερη της ατμοσφαιρικής πίεσης. (G. L. Weissler, 1979) ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΚΕΝΟΥ Οι μηχανικοί μετρούν τις διαβαθμίσεις του κενού με τις ίδιες μονάδες που χρησιμοποιούνται και για την πίεση. Η μονάδα του διεθνούς συστήματος των μονάδων (SI) για την πίεση είναι το 1 Pascal (Pa). Όταν μιλάμε όμως για κενό, είναι βολικότερο να χρησιμοποιήσουμε μια άλλη μονάδα, το 1 Torr. Η σχέση ισοδυναμίας μεταξύ των δύο αυτών μονάδων είναι: 1 Torr = 133, Pascal (3.1) Μια άλλη επίσης πολύ συχνά χρησιμοποιούμενη μονάδα μέτρησης για το κενό είναι το bar και τα υποπολλαπλάσιά του (για παράδειγμα το mbar). Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κι άλλες μονάδες, όπως τα χιλιοστόμετρα υδραργύρου (mmhg) και οι ατμόσφαιρες (atm). Το τι μονάδες θα χρησιμοποιήσουμε εξαρτάται από το μέγεθος του κενού για το οποίο μιλάμε. Κάποιες φορές όμως εξαρτάται και από εμπορικούς παράγοντες. Με βάση αυτό το δεδομένο, αξίζει να αναφέρουμε και μια άλλη συχνά χρησιμοποιούμενη μονάδα, τις λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα ή αλλιώς psi (pounds per inch square). Για αυτήν τη μονάδα ισχύει: 1 psi = 6.894,75729 Pascal (3.2) Κοπανάς Αντώνιος 11

14 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Για τη μέτρηση του κενού χρησιμοποιούμε ειδικά όργανα που ονομάζονται κενόμετρα. (G. L. Weissler, 1979) ΔΙΑΒΑΘΜΙΣΕΙΣ ΤΟΥ ΚΕΝΟΥ Το κενό ανάλογα με το πόσο μεγάλο είναι, έχει κάποιες διαβαθμίσεις. Έτσι όταν μιλάμε για χαμηλό κενό, αναφερόμαστε σε μια περιοχή πιέσεων από 760 Torr έως 25 Torr. Όταν μιλάμε για μέσο κενό, αναφερόμαστε σε μια περιοχή πιέσεων από 25 Torr έως 10-3 Torr. Όταν μιλάμε για υψηλό κενό, αναφερόμαστε σε μια περιοχή πιέσεων από 10-3 Torr έως 10-6 Torr. Όταν μιλάμε για πολύ υψηλό κενό, αναφερόμαστε σε μια περιοχή πιέσεων από 10-6 Torr έως 10-9 Torr. Τέλος, όταν μιλάμε για εξαιρετικά υψηλό κενό, αναφερόμαστε σε μια περιοχή πιέσεων κάτω των 10-9 Torr. (Γ. Στεργιούδης, 2009) Όπως ξέρουμε, όταν η πίεση του αερίου ελαττώνεται, η μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων του αερίου αυξάνεται. Όταν η τελευταία γίνει μεγαλύτερη των διαστάσεων του χώρου όπου περικλείουμε το εν λόγω αέριο, οι γνωστές υποθέσεις της μηχανικής των συνεχών μέσων παύουν να ισχύουν. Σε μια τέτοια κατάσταση τα μόρια του αερίου δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σχεδόν καθόλου και συγκρούονται μόνο με τα τοιχώματα του δοχείου μέσα στο οποίο περιέχεται το αέριο. Τότε λέμε ότι έχουμε επιτύχει υψηλό κενό. Για τη μελέτη τέτοιων καταστάσεων βασιζόμαστε πλέον στις υποθέσεις της θεωρίας της δυναμικής σωματιδιακού αερίου. (G. L. Weissler, 1979) Κοπανάς Αντώνιος 12

15 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS 3.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΕΠΙΤΕΥΞΗΣ ΤΟΥ ΚΕΝΟΥ Ο Ιταλός φυσικός και μαθηματικός Εβανγκελίστα Τορριτσέλλι (από τον οποίο πήρε το όνομά του το Torr), κατά το έτος 1643 υποστήριξε ότι εμφανιζόταν κενό πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια του υδραργύρου σε ένα βαρόμετρο υδραργύρου. Έτσι μερικοί πιστεύουν ότι ο Τορριτσέλλι παρήγαγε πρώτος κενό. Αυτός όμως που σίγουρα το αναγνώρισε πρώτος ήταν ο Μπλεζ Πασκάλ. Ύστερα απ αυτόν, ο Ρόμπερτ Μπόιλ διεξήγαγε πειράματα πάνω στις επιπτώσεις του κενού. Αργότερα, κατά το έτος 1654, ο Όττο φον Γκέρικε διεξήγαγε το πολύ γνωστό του πείραμα με τα ημισφαίρια του Μαγδεμβούργου. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Σήμερα διαθέτουμε μια μεγάλη ποικιλία διατάξεων παραγωγής κενού, κάθε μια από τις οποίες διαφέρει ως προς την αρχή λειτουργίας της. Μια πολύ γνωστή και ευρέως χρησιμοποιούμενη κατηγορία αντλιών είναι οι αντλίες θετικής μετατόπισης, ή αλλιώς μηχανικές αντλίες όπως αναφέρονται συνήθως στα περισσότερα κείμενα. Αυτές οι αντλίες χρησιμοποιούν κατά βάση κινητά μέρη. Τα κινητά μέρη αυτά μπορεί να είναι περιστρεφόμενα πτερύγια ή περιστρεφόμενοι λοβοί (όπως στην περίπτωση των αντλιών ROOTS) ή κάποιος άλλος μηχανισμός. Σ αυτήν την κατηγορία ανήκει ένα πλήθος αντλιών, όπως οι αντλίες διαφράγματος, οι αντλίες υγρού δακτυλίου, οι εμβολοφόρες αντλίες, οι σπειρωτές αντλίες, οι κοχλιωτές αντλίες, οι αντλίες Wankel, οι αντλίες με εξωτερικό πτερύγιο, οι αντλίες Toelper και οι αντλίες με λοβό. Κάποια από τα μοντέλα που ανήκουν σ αυτήν την κατηγορία προβλέπεται να χρησιμοποιούν Κοπανάς Αντώνιος 13

16 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS λάδι ως λιπαντικό μεταξύ των κινητών εξαρτημάτων τους και του κυρίως σώματός τους. Κάποια άλλα, όπως οι αντλίες μεταφοράς ορμής (οι γνωστές και ως μοριακές αντλίες) και οι αντλίες ROOTS με τις οποίες θα ασχοληθούμε δε χρησιμοποιούν λάδι. (Γ. Στεργιούδης, 2009) Η άλλη κύρια κατηγορία αντλιών είναι αυτές που δε διαθέτουν κινητά μέρη. Σ αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι αντλίες Venturi, τα ακροφύσια, οι αντλίες με ατμούς, οι αντλίες διάχυσης, οι αντλίες ιονισμού, οι αντλίες ενεργές παγίδες, οι κρυαντλίες και άλλες διατάξεις. Από αυτές, οι τρεις τελευταίες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν περεταίρω σε αντλίες προσρόφησης. (Γ. Στεργιούδης, 2009) Τα διάφορα είδη αντλιών, εκτός από την αρχή λειτουργίας τους, διαφέρουν και ως προς κάποια άλλα χαρακτηριστικά. Ένα από αυτά είναι η ταχύτητα αναρρόφησης. Πρόκειται για τον ογκομετρικό ρυθμό ροής στην είσοδο της αντλίας. Για τη μέτρησή της χρησιμοποιούνται μονάδες όγκου προς μονάδες χρόνου. Ο ογκομετρικός ρυθμός ροής γενικά είναι διαφορετικός για τα διαφόρων φύσεων αέρια και ποικίλλει επίσης ανάλογα και με τα χαρακτηριστικά του αερίου, όπως η πίεση, η θερμοκρασία, το ιξώδες κτλ. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι η παροχή, η οποία ορίζεται ως το γινόμενο της ταχύτητας αναρρόφησης επί την πίεση του αερίου στην είσοδο και τη μετράμε σε μονάδες πίεσης επί όγκο προς χρόνο. Αυτό το χαρακτηριστικό εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία. Για μια δεδομένη τιμή θερμοκρασίας, η παροχή είναι ανάλογη με τον αριθμό των μορίων που αναρροφώνται ανά μονάδα χρόνου και επομένως είναι ανάλογη του ρυθμού ροής μάζας της αντλίας. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 14

17 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Στις ειδικές περιπτώσεις που αναφερόμαστε σε κάποια διαρροή αερίου ή σε οπισθορροή, ο όρος παροχή αναφέρεται στον ογκομετρικό ρυθμό διαρροής επί την πίεση στο σημείο διαρροής της αντλίας. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Τα υγρά ως γνωστό είναι ασυμπίεστα. Αυτό σημαίνει πως δεν είναι δυνατή η επίτευξη κενού με αναρρόφηση υγρών. Αναρρόφηση ονομάζεται η διαδικασία εκείνη κατά την οποία λαμβάνει χώρα κίνηση ρευστών μέσα σε ένα κενό υπό την επίδραση μιας μεγαλύτερης εξωτερικής θερμοκρασίας. Φυσικά θα πρέπει πρώτα να δημιουργηθεί αυτό το κενό. Ο ευκολότερος τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι με τη διεύρυνση του όγκου ενός θαλάμου, δηλαδή με τις μηχανικές αντλίες. Η διεύρυνση αυτή μειώνει την πίεση και δημιουργεί ένα μερικό κενό, το οποίο σύντομα θα γεμίσει με τον αέρα που ωθείται μέσα λόγω της ατμοσφαιρικής πίεσης. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Μια μηχανική αντλία κενού εξάγει τον ίδιο όγκο αερίου σε κάθε κύκλο λειτουργίας της, αλλά καθώς η πίεση του θαλάμου πέφτει, ο όγκος αυτός περιέχει ολοένα και λιγότερη μάζα (δηλαδή μικρότερο πλήθος σωματιδίων). Έτσι, αν και η ταχύτητα άντλησης παραμένει σταθερή όταν υπολογίζεται σε λίτρα ανά δευτερόλεπτο, ελαττώνεται εκθετικά όταν μετριέται σε χιλιόγραμμα ανά δευτερόλεπτο. Στο μεταξύ, τα ποσοστά διαρροής, εξάτμισης και εξαέρωσης παράγουν μια σταθερή ροή μάζας μέσα στο σύστημα. Όταν η ροή μάζας της αντλίας κατέβει στα ίδια επίπεδα με τις ροές μάζας μέσα στο θάλαμο, το σύστημα προσεγγίζει ασυμπτωτικά μια σταθερή πίεση που ονομάζεται πίεση βάσης. Η εξάτμιση και η εξαέρωση μέσα στο κενό ονομάζεται απαέρωση, και η πιο κοινή πηγή της είναι το νερό που απορροφάται από υλικά μέσα στο θάλαμο. Το φαινόμενο της απαέρωσης μπορεί να περιοριστεί αν προηγηθεί ξήρανση του θαλάμου πριν τη διαδικασία της άντλησης. (G. L. Weissler, 1979) Εάν έχουμε πολύ μεγάλη διαρροή μάζας στο θάλαμο του κενού ή αν παρατηρείται απαέρωση μεγάλης ποσότητας μάζας των υλικών υπό κενό, τότε το κενό μπορεί να βελτιωθεί απλά με την εγκατάσταση αντλιών που να είναι Κοπανάς Αντώνιος 15

18 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS μεγαλύτερες σε μέγεθος. Ωστόσο και πάλι κάποια στιγμή η ανάδρομη διαρροή δια μέσου της αντλίας και η απαέρωση γίνονται οι κυρίαρχες ροές μάζας μέσα στο θάλαμο. Στην κατάσταση αυτή, το κενό θα προσεγγίσει την τελική πίεση της αντλίας. Έτσι παίρνουμε το βέλτιστο δυνατό κενό που μπορεί να επιτύχει ο συγκεκριμένος τύπος αντλίας κάτω από ιδανικές συνθήκες. Η προσθήκη περισσότερων αντλιών σε παράλληλη σειρά ή μεγαλύτερων αντλιών του ίδιου τύπου μπορεί ακόμη να βελτιώσει την ταχύτητα άντλησης, δεν πρόκειται όμως ποτέ να ρίξει την πίεση βάσης κάτω από την τελική πίεση. Προκειμένου να ξεπεραστούν αυτά τα όρια, πρέπει να αναπτυχθούν νέες πατέντες στον τομέα της τεχνολογίας του κενού. (A. Chambers, 2005) Γενικά οι αντλίες θετικής μετατόπισης (και επομένως και ειδικά οι αντλίες ROOTS) έχουν ένα σταθερό ρυθμό ογκομετρικής ροής (και επομένως και ταχύτητας εκκένωσης). Καθώς όμως η πίεση του θαλάμου εκκένωσης πέφτει, ο εν λόγω όγκος θα περιέχει όλο και λιγότερα μόρια (δηλαδή όλο και λιγότερη μάζα). Επομένως, αν και η ταχύτητα εκκένωσης δε θα μεταβληθεί, θα μεταβληθεί η παροχή και ο ρυθμός ροής μάζας. Μάλιστα η πτώση που θα παρατηρηθεί σ αυτά τα μεγέθη θα είναι εκθετική. Ταυτόχρονα, τα τυχόν φαινόμενα διαρροής, εξάτμισης, εξάχνωσης και οπισθορροής θα συνεχίζουν να υφίστανται. (A. Chambers, 2005) Προκειμένου να συνεχιστεί η διαδικασία εκκένωσης ενός χώρου (χωρίς ασφαλώς να πρέπει να διευρύνεται ο θάλαμος επ άπειρον), θα πρέπει ένα διαμέρισμα του κενού να μπορεί να σφραγίζεται επαναλαμβανόμενα, να μικραίνει σε όγκο και στη συνέχεια να διευρύνεται και πάλι. Αυτό στις μηχανικές αντλίες επιτυγχάνεται όπως είπαμε με τη βοήθεια ενός μηχανισμού. Λόγω της αναπτυσσόμενης βαθμίδας πιέσεως, ένα μέρος του ρευστού από το θάλαμο εκκένωσης ωθείται μέσα στη μικρή κοιλότητα της αντλίας. Η τελευταία στη συνέχεια σφραγίζεται ώστε να εμποδιστεί η περεταίρω μετακίνηση σωματιδίων μεταξύ των δύο χώρων και παράλληλα ανοίγει μια διέξοδος προς τον Κοπανάς Αντώνιος 16

19 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS περιβάλλοντα χώρο, όπου εκδιώκονται τα μόρια του ρευστού, καθώς ο θάλαμος συμπιέζεται και πάλι. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Κάθε κύκλος λειτουργίας μιας μηχανικής αντλίας εκτοπίζει τον ίδιο όγκο κάθε φορά. Έτσι η ταχύτητα συμπίεσης παραμένει σταθερή, εκτός και αν εμφανιστούν φαινόμενα οπισθορροής. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές ασφαλώς χρησιμοποιούνται πολυπλοκότερες διατάξεις. Η βασική αρχή βάσει της οποίας λειτουργούνε όμως είναι η παραπάνω κυκλική διεργασία. Οι διάφορες αντλίες κενού μπορεί να διαφέρουν σε ένα πλήθος χαρακτηριστικών, όπως στην αντοχή κατασκευής, στα υλικά επισφράγισης, στις πιέσεις λειτουργίας, στις ροές ρευστού, στη χρήση ή μη λαδιού, στο χρόνο συντήρησης, στην αξιοπιστία τους, στην ανοχή στη σκόνη, στην ανοχή στα διαφόρων φύσεων χημικά, στην ανοχή στα υγρά και στην ανοχή στις δονήσεις. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Τα συστήματα υψηλού κενού γενικά προϋποθέτουν μεταλλικούς θαλάμους με δακτυλίους στεγανοποίησης όπως οι φλάντζες Klein ή φλάντζες ISO. Το σύστημα πρέπει να είναι καθαρό και απαλλαγμένο από οργανικές ύλες για να ελαχιστοποιηθεί το φαινόμενο της απαέρωσης. Όλα τα υλικά, στερεά ή υγρά, έχουν μια μικρή τάση ατμών, και το φαινόμενο της απαέρωσης που παρατηρείται γίνεται σημαντικό όταν η πίεση του κενού πέσει κάτω από την τιμή αυτής της τάσης των ατμών. Ως αποτέλεσμα, πολλά υλικά που συμπεριφέρονται αποτελεσματικά σε χαμηλό κενό, όπως για παράδειγμα το πολυμερές epoxy, όταν επιχειρούμε να επιτύχουμε υψηλό κενό υπάρχει πρόβλημα, καθώς αυτά καθίστανται πηγή απαέρωσης. (A. Chambers, 2005) Τα εξαιρετικά υψηλά κενά έχουν εξεζητημένες απαιτήσεις, όπως αυστηρές λειτουργικές διαδικασίες, ειδικά σχεδιασμένο εξοπλισμό ανάλογα με Κοπανάς Αντώνιος 17

20 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS την εφαρμογή για την οποία θα χρησιμοποιηθεί και έναν ικανοποιητικά μεγάλο αριθμό πειραματικών δεδομένων. Πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπ όψιν επίσης όλες οι δυναμικές πηγές διαρροής, κάτι που είναι μεν επιθυμητό και στις αντλίες χαμηλότερου κενού, αλλά δεν επηρεάζει τη διαδικασία δημιουργίας κενού σε τέτοιο βαθμό όπως στις διατάξεις εξαιρετικά υψηλών κενών. (A. Chambers, 2005) Ένας άλλος παράγοντας που θα πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν είναι το μέγεθος των μορίων. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος των μορίων, τόσο πιο εύκολα αυτά μπορούν να διαρρεύσουν και να εισέλθουν στον προς εκκένωση χώρο. Επίσης όσο πιο μικρά είναι τα μόρια του αερίου, τόσο πιο εύκολο είναι να απορροφηθούν από συγκεκριμένα υλικά. Έτσι αν έχουμε για παράδειγμα ατμοσφαιρικό αέρα, ένα σύστημα δημιουργίας κενού μπορεί να καταφέρει να εξάγει τα μόρια του αζώτου κατά ένα επιθυμητό ποσοστό, αλλά ο προς εκκένωση θάλαμος να είναι ακόμα γεμάτος από παραμένοντα μόρια υδρογόνου και ηλίου της ατμόσφαιρας. (A. Chambers, 2005) Δεν είναι σκόπιμο να γίνει κάποια περεταίρω αναφορά στην αρχή λειτουργίας των διαφόρων αντλιών. Θα περιοριστούμε μόνο σε ότι αφορά τις αντλίες ROOTS ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΑΝΤΛΙΩΝ ROOTS Το έτος 1860, οι Αμερικανοί αδερφοί Philander και Francis Marion Roots από το Connersville της Indiana ήταν αυτοί που πρώτοι έκαναν ένα βασικό σχέδιο μιας αεραντλίας για τη χρήση σε υψικαμίνους και άλλες βιομηχανικές εφαρμογές. Τα δυο αδέλφια δήλωσαν αυτή την ευρεσιτεχνία τους και έδωσαν στην αντλία Κοπανάς Αντώνιος 18

21 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS που κατασκεύασαν το όνομά τους, ώστε σήμερα να γνωρίζουμε τις αντλίες που λειτουργούν με βάση αυτήν την αρχή ως αντλίες ROOTS. (G. Vetter, 1995) Σαράντα χρόνια αργότερα, κατά το έτος 1900, ο Γερμανός μηχανικός και βιομηχανικός σχεδιαστής Gottlieb Daimler, χρησιμοποίησε έναν υπερσυμπιεστή τύπου ROOTS σε μια δική του ευρεσιτεχνία. Οι αντλίες αυτού του τύπου είναι από τις αρχαιότερες μορφές αντλιών που χρησιμοποιούνται ακόμα και σήμερα. (Mercedes Benz, 2008) Οι αντλίες ROOTS ή υπερσυμπιεστές τύπου ROOTS ανήκουν στις αντλίες θετικής μετατόπισης. Η γενική αρχή λειτουργίας των αντλιών θετικής μετατόπισης έγγυται στην προσρόφηση του αερίου που βρίσκεται μέσα στον προς εκκένωση χώρο μέσα σε μια διευρυνόμενη κοιλότητα, η οποία στη συνέχεια σφραγίζεται, εμποδίζοντας έτσι το αέριο να επιστρέψει στον προς εκκένωση χώρο. Η κοιλότητα αυτή στη συνέχεια συμπιέζεται και το αέριο εκδιώκεται στην ατμόσφαιρα. (I. Estermann, 1964) Κοπανάς Αντώνιος 19

22 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.1: Η διατομή μιας τυπικής αντλίας ROOTS. Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται ένα τυπικό σχέδιο μιας αντλίας ROOTS. Τα κύρια μέρη από τα οποία αποτελείται είναι: 1) Ο ρότορας 1. 2) Το κυρίως σώμα της αντλίας. 3) Ο ρότορας 2. Κοπανάς Αντώνιος 20

23 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Οι δυο λοβοί των αντλιών είναι συμμετρικά τοποθετημένοι και περιστρέφονται αντίθετα ο ένας από τον άλλο. Ο αέρας εισέρχεται από την είσοδο (a), παγιδεύεται στο χώρο (b) και εξέρχεται από την έξοδο (c). (Drag Cars, 2009) Οι δύο ρότορές της αντλίας παγιδεύουν ποσότητες αέρα ανάμεσά τους και τον ωθούνε έναντι του περιβλήματος του συμπιεστή καθώς περιστρέφονται προς την πύλη εξόδου. Κατά τη διάρκεια κάθε περιστροφής, μια συγκεκριμένη ποσότητα αέρα παγιδεύεται και μετακινείται στην πύλη εξόδου, όπου συμπιέζεται. (G. Vetter, 1995) Οι αντλίες θετικής μετατόπισης θεωρούνται γενικά καλύτερες και αποδοτικότερες για χαμηλά κενά. Όταν θέλουμε να επιτύχουμε υψηλότερα κενά, συνήθως χρησιμοποιούμε μια μέθοδο σύνδεσης μιας, δύο ή και περισσοτέρων αντλιών θετικής μετατόπισης μαζί με μια αντλία μεταφοράς ορμής. Σε μια τέτοια συνδεσμολογία, οι αντλίες θετικής μετατόπισης εξυπηρετούν δυο σκοπούς. Κατά πρώτο λόγο, βοηθάνε στην επίτευξη ενός αρχικού χαμηλού κενού στον προς εκκένωση χώρο προτού η αντλία μεταφοράς ορμής χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη του υψηλότερου επιθυμητού κενού. Μια τέτοια συνδεσμολογία μπορεί να μας προσφέρει εξοικονόμηση ενέργειας και καλύτερη λειτουργικότητα, καθώς οι αντλίες μεταφοράς ορμής γενικά δεν είναι σχεδιασμένες να λειτουργούνε υπό ατμοσφαιρικές πιέσεις. Η δεύτερη λειτουργία των αντλιών θετικής μετατόπισης σε μια τέτοια συνδεσμολογία είναι η εκκένωση σε χαμηλό κενό των συσωρρευμένων σωματιδίων που έχουν εκτοπιστεί στην αντλία υψηλού κενού. Οι αντλίες κενού μπορεί να συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα. Η κάθε συνδεσμολογία παρουσιάζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. (M. H. Hablanian, 1997) Κοπανάς Αντώνιος 21

24 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.2: Οι αντλίες ROOTS μπορούν να συνδυαστούν με άλλες αντλίες για την επίτευξη διαφορετικών τάξεων κενών. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να βελτιωθεί περεταίρω, εφόσον είναι επιθυμητή η επίτευξη εξαιρετικά υψηλών κενών, χρησιμοποιώντας επίσης αντλίες ενεργές παγίδες. Το πρόβλημα βέβαια αυτής της περίπτωσης είναι πως απαιτείται μια περιοδική συντήρηση των επιφανειών πάνω στις οποίες παγιδεύονται τα μόρια ή τα ιόντα του αερίου. Λόγω αυτής της απαίτησης, ο διαθέσιμος χρόνος λειτουργίας τους μπορεί να πέσει σε πολύ χαμηλές και μη επιθυμητές τιμές. Έτσι η χρήση τους περιορίζεται μόνο σε περιπτώσεις που είναι απαραίτητη η επίτευξη Κοπανάς Αντώνιος 22

25 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS ενός εξαιρετικά υψηλού κενού, ενώ για χαμηλότερα κενά προτιμώνται απλούστερες και χρονικά αποδοτικότερες διατάξεις. (M. H. Hablanian, 1997) Με αλλαγή της λειτουργικής πίεσης μέσα στο εύρος του υψηλού κενού, οι αντλίες ROOTS δίνουν τη δυνατότητα βελτίωσης της τελικής πίεσης που επιτυγχάνεται σε ένα σύστημα δημιουργίας κενού κατά έναν παράγοντα ίσο με 10. Με δύο στάδια λειτουργίας αντλιών ROOTS και μια αντίστοιχη υποστηρικτική αντλία υπάρχει η δυνατότητα να πετύχουμε πιέσεις γύρω στα 5 mbar με 10 mbar (περίπου Torr). Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, κάτι τέτοιο καθιστά περιττή τη χρήση επιπρόσθετων αντλιών υψηλού κενού (όπως περιστροφικές μοριακές αντλίες ή αντλίες διαχύσεως). (Vacuum Products Canada Inc., 2009) Η επίτευξη υψηλών κενών είναι γενικά μια πιο επίπονη και δαπανηρή διαδικασία. Αυτό οφείλεται κατά ένα μεγάλο ποσοστό στα υλικά που θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των διατάξεων. Όλα τα υλικά που πρόκειται να εκτεθούν στο κενό πρέπει να αξιολογηθούν προσεκτικά όσον αφορά τις πιέσεις απαέρωσης και εξάτμισης. Για παράδειγμα τα λάδια ή τα άλλα τυχών λιπαντικά που θα χρησιμοποιηθούν ή οι μονωτικοί σύνδεσμοι από καουτσούκ ή κάποιο άλλο υλικό δε θα πρέπει να ατμοποιούνται καθώς εκτίθενται στο κενό. Κάτι τέτοιο θα είχε ως άμεσο μη επιθυμητό αποτέλεσμα την εισχώρηση μορίων στο θάλαμο εκκένωσης και την παρεμπόδιση της ανάπτυξης του επιθυμητού κενού. Μια συνηθισμένη τεχνική για να αποφεύγονται τέτοια φαινόμενα είναι η θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες όλων των επιφανειών που πρόκειται να εκτεθούν στο κενό, ώστε να εκδιωχθούν τα απορροφούμενα αέρια. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Το φαινόμενο της απαέρωσης μπορεί να ελαττωθεί επίσης με την ξήρανση των υλικών προτού αυτά χρησιμοποιηθούνε. Επίσης τα συστήματα πρέπει να μην περιέχουν οργανικές ύλες. Όλα τα υλικά, είτε υγρά είτε στερεά έχουνε μια μικρή πίεση εξάτμισης. Η απαέρωση που παρατηρείται σ αυτά γίνεται σημαντική όταν Κοπανάς Αντώνιος 23

26 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS η πίεση του κενού πέφτει κάτω από την εν λόγω πίεση εξάτμισης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ορισμένα υλικά που κρίνονται κατάλληλα για χρήση με διατάξεις χαμηλού κενού, να μην κρίνονται κατάλληλα για διατάξεις υψηλότερου κενού, καθ ότι σε μια τέτοια περίπτωση θα αποτελέσουν δυναμικές πηγές απαέρωσης. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Αυτό δίνει μια μεγαλύτερη ευελιξία στις αντλίες χαμηλών κενών όπως είναι οι αντλίες ROOTS ως προς την επιλογή των υλικών τους. Επίσης είναι ένας παράγοντας που ρίχνει όχι μόνο την τιμή τους, καθώς θα χρειαστούν φθηνότερα υλικά για την κατασκευή τους, αλλά και το κόστος της συντήρησής τους. Τα παραπάνω επιβεβαιώνουν για άλλη μια φορά το γενικό κανόνα που ισχύει στις μηχανολογικές εφαρμογές πως η επιλογή ενός συστήματος θα πρέπει να γίνεται λαμβανομένων υπ όψιν των χαρακτηριστικών της δεδομένης εφαρμογής για την οποία θα χρησιμοποιηθεί. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Οι αντλίες ROOTS όπως είπαμε μπορεί να έχουν τη δυνατότητα άντλησης μεγάλων όγκων, αλλά καθώς καταφέρνουν τελικά να επιτύχουν μόνο ένα μέτριο βαθμό συμπίεσης, είναι πολύ συχνό το φαινόμενο όπου υπάρχουν πολλά επίπεδα λειτουργίας με αντλίες ROOTS, ανάμεσα στα οποία παρεμβάλλονται στάδια ψύξης του αερίου, με τη χρήση εναλλακτών θερμότητας. Επίσης η έλλειψη λαδιού στις επιφάνειες της αντλίας δίνει τη δυνατότητα στις αντλίες αυτές να λειτουργούν σε περιβάλλοντα όπου είναι σημαντικός ο περιορισμός της μόλυνσης. Ο υψηλός ρυθμός άντλησης των υδρογονανθράκων επίσης επιτρέπει στις αντλίες ROOTS να παρέχουν μια ενεργό μόνωση μεταξύ των αντλιών με λάδι (όπως για παράδειγμα οι περιστροφικές αντλίες με λάδι) και του θαλάμου κενού. (G. L. Weissler, 1979) Οι αντλίες κενού που φέρουν περιστρεφόμενους λοβούς πρέπει να διατηρούν ένα κενό χώρο μεταξύ των λοβών. Γι αυτό μια αντλία ROOTS ενός επιπέδου μπορεί να αντλεί αέρια κατά μήκος μόνο μιας περιορισμένης βαθμίδας πίεσης. Αν μια τέτοια αντλία κενού χρησιμοποιηθεί για πιέσεις εκτός του Κοπανάς Αντώνιος 24

27 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS καθορισμένου ορίου λειτουργίας της, η συμπίεση του αερίου έχει ως άμεσο αποτέλεσμα την ανάπτυξη τόσο μεγάλου ποσού θερμότητας, ώστε να προκαλείται διαστολή των λοβών, οι οποίοι τελικά θα εμπλακούν, πράγμα που όπως αναμένεται δεν μπορεί παρά να προκαλέσει βλάβες στη λειτουργία της αντλίας. (G. L. Weissler, 1979) Όταν μιλάμε για αντλίες ROOTS, κάποιες φορές χρησιμοποιούμε τον όρο «blower». Ο όρος αυτός χρησιμοποιείται γενικά για τον προσδιορισμό μιας συσκευής που τοποθετείται σε μηχανές με μια λειτουργική ανάγκη για επιπλέον ροή αέρα, με τη χρήση μιας άμεσης μηχανικής ζεύξης ως ενεργειακή πηγή. Ο όρος αυτός χρησιμοποιείται για την περιγραφή πολλών διαφορετικών ειδών υπερσυμπιεστών. Σ αυτήν την κατηγορία ανήκουν εκτός από τις αντλίες ROOTS και άλλα είδη αντλιών, όπως οι υπερσυμπιεστές φυγοκέντρου δυνάμεως. Αυτά σε αντίθεση με την περίπτωση ενός στροβιλοσυμπιεστή, ο οποίος χρησιμοποιεί συμπίεση εξάτμισης για την περιστροφή της τουρμπίνας του και όχι μια άμεση μηχανική ζεύξη και για το χαρακτηρισμό του οποίου χρησιμοποιείται ο όρος «turbo». (Drag Cars, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 25

28 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.3: Ένας υπερσυμπιεστής τύπου ROOTS. Οι αντλίες ROOTS μπορεί να εμφανίζονται σε διάφορες παραλλαγές. Για παράδειγμα, μια παραλλαγή αυτού του είδους των αντλιών χρησιμοποιεί ρότορες σχήματος νυχιών για την επίτευξη μεγαλύτερου βαθμού συμπίεσης. Άλλη περίπτωση είναι οι αντλίες ROOTS με ρότορες που φέρουν τρεις λοβούς ο καθένας. Οι περισσότεροι σύγχρονοι υπερσυμπιεστές τύπου ROOTS μάλιστα, περιέχουν έναν τέτοιο μηχανισμό που θέτει σε κίνηση όχι δύο, αλλά τριών ή και τεσσάρων λοβών ρότορες. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 26

29 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.4: Μια άλλη παραλλαγή των αντλιών ROOTS, όπου οι δύο ρότορες αποτελούνται από τρεις λοβούς. Έχουν αναπτυχθεί σχεδιασμοί αντλιών ROOTS στους οποίους οι ρότορες δε βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους. Αυτό δίνει τη δυνατότητα επίτευξης μεγαλύτερων ταχυτήτων. Έτσι κερδίζουμε μεγαλύτερες ταχύτητες με μια σχετικά μικρή σε μέγεθος αντλία. Οι αντλίες ROOTS είναι οι μόνες με τις οποίες μπορούν να επιτευχθούν ταχύτητες εκκένωσης άνω των m 3 /hour ή 589 cfm (cubic Κοπανάς Αντώνιος 27

30 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS feet per minute). Κατά την επιλογή της κατάλληλης υποστηρικτικής αντλίας, είναι πιθανόν να γίνει άντληση μεγάλων ποσοτήτων αερίου σε συνδυασμό με μικρότερες υποστηρικτικές αντλίες. Η κατανάλωση ενέργειας ενός τέτοιου συστήματος κενού είναι σημαντικά μικρότερη σε σύγκριση με μια ενιαία αντλία που προσφέρει την ίδια ταχύτητα εκκένωσης. (Vacuum Products Canada Inc., 2009) Είναι γενικά καλό τα γρανάζια και οι θάλαμοι του κυρίως σώματος να είναι εντελώς ξεχωριστά από το θάλαμο προσρόφησης του αερίου. Αν οι ρότορες περιστρέφονται χωρίς να έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, εξασφαλίζεται μια ξηρή διεργασία χωρίς την παρουσία υδρογονανθράκων. (Pfeiffer Vacuum, 2009) Όσο πιο σφιχτά είναι δεμένοι μεταξύ τους οι λοβοί της αντλίας, τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοσή της. Φυσικά πρέπει να υπάρχει ένα διάκενο, αλλιώς οι ρότορες δε θα μπορούν να περιστραφούν. Αν βέβαια αυτό το διάκενο είναι πολύ μεγάλο, ο υπερσυμπιεστής δε θα είναι τόσο αποτελεσματικός λόγω της διαρροής από τις άκρες των λοβών. Αν αντίθετα το διάκενο είναι πολύ μικρό, θα παρουσιάζεται πολύ υψηλή αντίσταση στην περιστροφή. Προκειμένου να επιτύχουμε ταυτόχρονα μια πιο συμπαγή τοποθέτηση των ροτόρων και μείωση των φαινομένων της τριβής, μια μέθοδος που ανακαλύφθηκε είναι η επίχριση του κάθε ρότορα με μια εκτριβόμενη σκόνη επιχρίσματος (APC - Abradable Powder Coating). Κατά τη διάρκεια των διακοπών λειτουργίας, στις πρώτες εκατοντάδες μίλια, ένα μικρό ποσοστό αυτού του επιχρίσματος φεύγει από την επιφάνεια των ροτόρων, αφήνοντας έτσι τις επιφάνειές τους τελείως σε επαφή. (Tom Henry Racing, 2009) Κάποια μοντέλα υπερσυμπιεστών τύπου ROOTS φέρουν ρότορες που είναι συστραμμένοι κατά 60 μοίρες. Τέτοιοι ελικοειδείς ρότορες, μαζί με ειδικά σχεδιασμένες θύρες εισόδου και εξόδου βοηθάν στην ελάττωση των αποκλίσεων στη πίεση του εξαγόμενου αέρα, ώστε να έχουμε μια ομαλή εκρρόφηση και λιγότερο θόρυβο κατά τη λειτουργία του συστήματος. Επίσης αυτή η καινοτομία Κοπανάς Αντώνιος 28

31 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS αυξάνει την αποδοτικότητα του συστήματος. Οι υπερσυμπιεστές τύπου ROOTS που φέρουν ελικοειδείς ρότορες μπορούν να περιστρέφονται με ταχύτητες μέχρι κύκλων ανά λεπτό. Η ακτινική εισαγωγή αέρα μπορεί επίσης να μας βοηθήσει να μειώσουμε το μέγεθος του συστήματος. (Tom Henry Racing, 2009) Ένα άλλο πρόσθετο στοιχείο είναι η παρακαμπτήριος βαλβίδα. Πρόκειται για μια μικρή βαλβίδα μεταξύ του σώματος της δικλείδας αερίων και του σωλήνα εισαγωγής. Με τη βαλβίδα αυτή κερδίζουμε οικονομία στα καύσιμα και ελαττώνεται η παρασιτική απώλεια ισχύος. Ο χειρισμός της παρακαμπτήριου γίνεται από έναν ενεργοποιητή κενού. Κανονικά η παρακαμπτήριος βαλβίδα είναι κλειστή. Όταν η πίεση του σωλήνα εισαγωγής είναι χαμηλή, ο ενεργοποιητής ανοίγει την παρακαμπτήρια βαλβίδα, επιτρέποντας σε μια ποσότητα αέρα να ρέει απ ευθείας από το σώμα της δικλείδας αερίων στο σωλήνα εισαγωγής, παρακάμπτοντας έτσι την αντλία (εξ ου και η ονομασία της βαλβίδας) και εξισορροπώντας την πίεση στο σύστημα. Η παρακαμπτήριος βαλβίδα ανοίγει σε χαμηλή πίεση του σωλήνα εισαγωγής για να εξαλείψει πρακτικά την παρασιτική απώλεια ισχύος. Υπερσυμπιεστές που λειτουργούν με μια ανοιχτή παρακαμπτήρια βαλβίδα καταναλώνουν ισχύ περίπου ίση με έναν ίππο μόνο. Όταν ο υπερσυμπιεστής αρχίζει την προώθηση του αέρα, η παρακαμπτήριος βαλβίδα κλείνει, επιτρέποντας την ανάπτυξη πιέσεως στις θύρες εισόδου. (Tom Henry Racing, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 29

32 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.5: Οι υπερσυμπιεστές τύπου ROOTS βρίσκουν πολλές εφαρμογές στον τομές της μηχανολογίας. Οι αντλίες ROOTS μπορούν να επιτύχουν ένα βαθμό απόδοσης μέχρι και 70 τοις εκατό, ενώ παράλληλα να επιτυγχάνεται ένας μέγιστος λόγος πίεσης ίσος περίπου με δύο. Επειδή η λειτουργία των αντλιών ROOTS έγγυται στην άντληση αέρα σε διάκριτες ποσότητες, μπορεί να παρατηρείται μετάδοση θορύβου λόγω της παλμικής κινήσεως και περιστροφής. Αν δε γίνει σωστός χειρισμός (μέσω της γεωμετρίας του σωλήνα εξόδου) ή αν δε ληφθούν τα ανάλογα μέτρα (με την ενίσχυση της δομής των κατάντη τμημάτων), οι αναπτυσσόμενες δονήσεις μπορεί να προκαλέσουν κοιλότητες στο ρευστό ή και βλάβες στα στοιχεία που βρίσκονται κατάντη της αντλίας. (D. J. Hucknall Dr. A. Morris, 2003) Κοπανάς Αντώνιος 30

33 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.6: Απόδοση ενός υπερσυμπιεστή τύπου ROOTS ΥΠΕΡΣΥΜΠΙΕΣΤΕΣ TVS Οι υπερσυμπιεστές TVS (Twin Vortices Series) είναι αυτοματοποιημένα συστήματα που αρχικά εξελίχθηκαν από την Eaton Corporation. Πρόκειται για Κοπανάς Αντώνιος 31

34 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS μια προσπάθεια βελτιστοποίησης των προηγούμενων υπερσυμπιεστών. Κατατάσσονται στην κατηγορία των αντλιών θετικής μετατόπισης τύπου ROOTS. Αυτό το σχετικά καινούριο σύστημα φέρει δύο όμοιους ρότορες με τέσσερεις λοβούς ο καθένας, οι οποίοι είναι συστραμμένοι κατά 160 μοίρες. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Σχήμα 3.7: Ένας υπερσυμπιεστής TVS. Αυτός ο νέος σχεδιασμός εγγυάται ελάττωση του θορύβου, των δονήσεων και της τραχύτητας (NVH Noise Vibration Harshness) σε σύγκριση με άλλα σχέδια. Στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, χρησιμοποιήθηκε αρχικά σε ένα TRD Aurion και χρησιμοποιείται και σε άλλα μοντέλα, όπως το Corvette ZR1, η Cadillac CTS-V, το Toyota Tundra και το Audi B8 S4, το οποίο χρησιμοποιεί έναν τρίλιτρο TFSI V6 κινητήρα. Αυτός ο κινητήρας με την ίδια αντλία TVS προβλέπεται επίσης να χρησιμοποιηθεί και σε μια καινούρια έκδοση του Volkswagen Touareg. (Eaton, 2009) Η νέα σειρά υπερσυμπιεστών TVS χρησιμοποιείται και για ένα πλήθος άλλων μηχανολογικών εφαρμογών. Έχει το πλεονέκτημα να δίνει μεγαλύτερη Κοπανάς Αντώνιος 32

35 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS ισχύ και να μας εξασφαλίζει μεγαλύτερη εξοικονόμηση καυσίμων σε συνδυασμό με το μικρότερο μέγεθός του. (Eaton, 2009) Οι θύρες εισόδου και εξόδου είναι υψηλής ροής. Μ αυτά τα συστήματα επιτυγχάνεται μεγάλη βελτίωση της θερμικής αποδόσεως. Επίσης επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ογκομετρική χωρητικότητα και δίνεται η δυνατότητα ανάπτυξης μεγαλύτερων ταχυτήτων λειτουργίας. Οι υπερσυμπιεστές TVS μπορούν να λειτουργούν με μια ικανοποιητική θερμική απόδοση (η οποία μπορεί να φτάνει μέχρι και 76 τοις εκατό) κατά μήκος ενός πολύ μεγάλου εύρους λειτουργίας. (Eaton, 2009) Οι βελτιώσεις που εισήχθησαν με το νέο σχεδιασμό των υπερσυμπιεστών TVS επιτρέπουν τη δυνατότητα ελάττωσης του μεγέθους τους, ώστε να κερδίσουμε σε χώρο και σε βάρος του συστήματος ως συνόλου. Το μέγεθος κυμαίνεται σε ένα εύρος από 350 κυβικά εκατοστά έως κυβικά εκατοστά ανά περιστροφή και καλύπτει κινητήρες από 0,6 λίτρα μέχρι και τους μεγάλης μετατοπίσεως κινητήρες V. Όλοι οι υπερσυμπιεστές TVS έχουν τη δυνατότητα συμπίεσης με λόγο περίπου 2,4 και η θερμική τους απόδοση γενικά ξεπερνάει το 70 τοις εκατό. Αυτό επιτρέπει όχι μόνο πιο συμπαγή συσκευασία, αλλά και μεγαλύτερη ποσότητα αέρα στην έξοδο. (Eaton, 2009) Η μεγαλύτερη ελικοειδής γωνία στρέψης των ρότορων μαζί με τις ανασχεδιασμένες εισόδους και εξόδους βελτιώνει τα χαρακτηριστικά των υπερσυμπιεστών TVS όσον αφορά την εκμετάλλευση του αέρα χωρίς να χρειάζεται να αυξηθεί το ολικό μέγεθος της μονάδας. Επίσης λόγω της μείωσης του θορύβου και των δονήσεων, η λήψη ειδικών μέτρων που έπρεπε να ληφθούν για τον περιορισμό αυτών των φαινομένων καθίσταται μη απαραίτητη. Αυτό συμβάλλει θετικά στην ελάττωση της πολυπλοκότητας και του κόστους του συστήματος. (Eaton, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 33

36 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Οι υπερσυμπιεστές TVS θέτουν νέες βάσεις στον τομέα της ενίσχυσης της απόδοσης των μηχανών. Σχήμα 3.8: Απόδοση ενός υπερσυμπιεστή TVS. Κοπανάς Αντώνιος 34

37 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.9: Απόδοση ενός υπερσυμπιεστή TVS. Κοπανάς Αντώνιος 35

38 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.10: Απόδοση ενός υπερσυμπιεστή TVS. Κοπανάς Αντώνιος 36

39 Κεφάλαιο 3 Αντλίες ROOTS Σχήμα 3.11: Απόδοση ενός υπερσυμπιεστή TVS. Κοπανάς Αντώνιος 37

40 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές 4. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Οι αδερφοί Philander και Francis Roots αρχικά χρησιμοποίησαν τις αντλίες τους ως ένα μηχανισμό που θα βοηθούσε στον εξαερισμό των ορυχείων. Τα δυο αδέρφια χρησιμοποίησαν την πατέντα τους επίσης για τον εξαερισμό υψικαμίνων και ανελκυστήρων σιτηρών. (How Stuff Works, 2009) Οι αντλίες ROOTS τυπικά χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται εκκένωση ενός μεγάλου όγκου αέρα, και μάλιστα κατά μήκος μιας σχετικά μικρής βαθμίδας πίεσης. Τέτοιου είδους είναι οι εφαρμογές χαμηλού κενού, όπου μια αντλία ROOTS μπορεί να χρησιμοποιείται μόνη της ή σε συνδυασμό και με άλλες αντλίες. (H. Bannwarth, 2005) Οι αντλίες ROOTS χρησιμοποιούνται και σε εφαρμογές μέτριου κενού. Οι ταχύτητες αναρρόφησής τους κυμαίνονται από 250 m 3 /hour έως m 3 /hour. Μπορούν με σιγουριά να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές χαμηλού και μέτριου κενού στη βιομηχανία παραγωγής επιχρισμάτων και ημιαγωγών, στην έρευνα και στην εξέλιξη πάνω στην τεχνολογία των υλικών, στη μεταλλουργία και στη χημική βιομηχανία. (Pfeiffer Vacuum, 2009) Για την πίεση εισαγωγής, χρησιμοποιείται ο όρος «boost» στην αγγλική ορολογία και οι αντλίες με περιστρεφόμενους λοβούς συνήθως αποκαλούνται με τον όρο «boosters» όταν πρόκειται για εφαρμογές υψηλού κενού, καθ ότι πρόκειται ουσιαστικά για ενισχυτικές βαθμίδες και όχι αντλίες που λειτουργούν Κοπανάς Αντώνιος 38

41 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές μόνες τους. Σε τέτοιες εφαρμογές όπου απαιτείται η επίτευξη υψηλών κενών η ταχύτητα αντλήσεως των εν λόγω μονάδων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ελάττωση της τελικής πίεσης και την αύξηση της ταχύτητας αντλήσεων των άλλων συστημάτων αντλιών κενού σε ένα εύρος μέσου με χαμηλού κενού. (Mercedes Benz, 2008) Αν και η πρώτη χρήση των αντλιών ROOTS έγινε σε βιομηχανικές εφαρμογές, μέσα στα επόμενα χρόνια, οι αντλίες αυτές υπέστησαν δραστικές τροποποιήσεις. Έγιναν τόσο αποτελεσματικές και αθόρυβες, ώστε χρησιμοποιούνται σε ευρεία κλίμακα σε εφαρμογές αυτοκινούμενων οχημάτων. Παρ όλα αυτά παραμένουν οι λιγότερο αποδοτικές από θερμικής απόψεως. (Superchargers Online, 2003) Αυτά τα συστήματα βρίσκουν εφαρμογή στην τεχνολογία των ημιαγωγών, σε διαδικασίες χάραξης επιφανειών και σε χρήση με στεγνές αντλίες συμπίεσης. Μπορούν επίσης να υποστηρίξουν μια περιστροφική μοριακή αντλία. Επίσης βρίσκουν εφαρμογή σε κεντρικά συστήματα παροχής κενού, σε χημικές διεργασίες, σε συστήματα Laser όπου πρέπει να διατηρείται η συνεχής ανακύκλωση του αερίου κατά τη διάρκεια μιας κυκλικής διεργασίας, προκειμένου να γίνεται απαγωγή της αναπτυσσόμενης θερμότητας. Τέλος, μπορούν να αυξάνουν την ταχύτητα εκκένωσης ή τη μέγιστη πίεση πολλών αντλιών και συστημάτων αντλιών κενού. (Vacuum Products Canada Inc., 2009) Κοπανάς Αντώνιος 39

42 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές 4.2 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Ο Gottleib Daimler ήταν αυτός που κατά το έτος 1900 χρησιμοποίησε πρώτος τις αντλίες ROOTS σε μηχανές αυτοκινήτων. (Mercedes Benz, 2008) Οι αντλίες ROOTS χρησιμοποιήθηκαν σε μηχανές αγωνιστικών οχημάτων για πρώτη φορά μέσα στη δεκαετία του 30. Αργότερα χρησιμοποιήθηκαν και σε μηχανές αυτοκινήτων ιδιωτικής χρήσεως. Χρησιμοποιήθηκαν από πολλές εταιρίες, όπως η Buick, η Pontiac, η Ford, η Lincoln, η Jaguar και η Mercedes Benz. Οι αντλίες ROOTS που χρησιμοποιούμε τώρα είναι πέμπτης γενιάς. (Tom Henry Racing, 2009) Ακόμα και μετά από πάνω από 150 χρόνια από την εφεύρεσή τους, οι αντλίες ROOTS θεωρούνται ακόμα ως η καλύτερη λύση για τη χρήση τους μαζί με έναν κινητήρα Nitro σε αγωνιστικά ντράγκστερς. Τέτοιες μηχανές μπορούν να παράγουν ισχύ περίπου ίππων με περιστροφές ανά λεπτό. Από αυτό, ο υπερσυμπιεστής καταναλώνει περίπου 500 ίππους για τη λειτουργία του. (Tom Henry Racing, 2009) Ένας από τους πιο πρόσφατους σχεδιασμούς χρησιμοποιήθηκε για το μοντέλο Mustang GT500 Super Snake της Ford. Αυτή η αντλία διαθέτει τέσσερεις λοβούς ανά ρότορα, αυξάνοντας έτσι την αποδοτικότητά τους μέσω της μείωσης των δονήσεων. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 40

43 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές Σχήμα 4.1: Ρότορες υπερσυμπιεστή τύπου ROOTS. Σχήμα 4.2: Ρότορες υπερσυμπιεστή τύπου ROOTS. Οι υπερσυμπιεστές τύπου ROOTS αρχικά χρησιμοποιούνταν σε δίχρονους κινητήρες ντίζελ, οι οποίοι είχαν την απαίτηση της ύπαρξης κάποιας μορφής εξαναγκασμένης εισαγωγής, καθώς δεν υπήρχε χωριστή διαδρομή λήψης. Αυτού του είδους τα συστήματα διαδόθηκαν από το τμήμα Ντίζελ του Ντιτρόιτ της General Motors. Σ αυτήν την εφαρμογή, η αντλία δεν παρέχει επαρκή συμπίεση και αυτές οι μηχανές θεωρούνται φυσικής αναρρόφησης. Οι στροβιλοσυμπιεστές γενικά χρησιμοποιούνται όταν απαιτείται μια σημαντική «ώθηση». Ο δίχρονος κινητήρας ντίζελ της Rootes Cooperation που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή των οχημάτων Commer και Karrier περιέχει μεν μια αντλία ROOTS, αλλά τα δύο ονόματα δε συνδέονται μεταξύ τους. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 41

44 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές Οι υπερσυμπιεστές που χρησιμοποιούνται στις κορυφαίες μηχανές καυσίμων, όπως σε κατασκευαστικά οχήματα, είναι στην πραγματικότητα παράγωγα των αντλιών του τομέα οχημάτων της General Motors για τις βιομηχανικές του μηχανές ντίζελ, οι οποίες υιοθετήθηκαν για χρήση σε αυτοκινούμενα οχήματα στα αρχικά χρόνια των αγώνων ταχύτητας των ντράγκστερ. Η ονομασία του μοντέλου αυτών των μονάδων δηλώνει ταυτόχρονα και το μέγεθός τους. Για παράδειγμα οι αντλίες «6-71» και «4-71» που κάποτε χρησιμοποιούνταν ευρέως, είχαν σχεδιαστεί από τους μηχανικούς της General Motors για μηχανές ντίζελ με έξι κυλίνδρους 71 κυβικών ιντσών ο καθένας και τέσσερεις κυλίνδρους 71 κυβικών ιντσών ο καθένας αντίστοιχα. Τα αγωνιστικά κατασκευαστικά οχήματα που χρησιμοποιούνται σήμερα χρησιμοποιούν παραλλαγές των GMC (General Motors Truck Company) από την αγορά ανταλλακτικών και εξαρτημάτων, τα οποία είναι παραπλήσια σε σχεδιασμό με τη σειρά των «-71» (δηλαδή αυτών που έχουν κυλίνδρους 71 κυβικών ιντσών), αλλά η διαφορά είναι πως το μήκος του ρότορα και της θήκης έχει αυξηθεί, για την επίτευξη επιπρόσθετης ικανότητας εκκένωσης. Τέτοιοι είναι για παράδειγμα οι «8-71», οι «10-71», οι «14-71» και άλλοι. (Ελεύθερη Εγκυκλοπαίδεια, 2009) Οι αντλίες ROOTS λειτουργούν με προσρόφηση αέρα μέσω της κίνησης δύο ή και περισσοτέρων πεπλεγμένων μεταξύ τους λοβών. Ο αέρας παγιδεύεται σε θήκες που σχηματίζονται γύρω από τους λοβούς και μεταφέρονται από την θύρα εισαγωγής στην εξάτμιση. Η αντλία οδηγείται απ ευθείας από το στροφαλοφόρο άξονα της μηχανής μέσω μιας ζώνης ή, στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε ένα δίχρονο κινητήρα ντίζελ, μέσω ενός συστήματος γραναζιών. (Mercedes Benz, 2008) Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό ενός υπερσυμπιεστή τύπου ROOTS είναι πως η συμπίεση του αέρα λαμβάνει χώρα έξω από το μηχανισμό του υπερσυμπιεστή και συγκεκριμένα στο χώρο μεταξύ αυτής και της εισόδου του θαλάμου καύσης του κινητήρα. Εκεί ο αέρας συμπιέζεται λόγω της συσσώρευσης Κοπανάς Αντώνιος 42

45 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές σε εκείνο το χώρο μεγαλύτερης ποσότητας αέρα από όση φεύγει προς την είσοδο του θαλάμου καύσης του κινητήρα. (Tom Henry Racing, 2009) Επειδή ένας υπερσυμπιεστής αυξάνει τόσο την πίεση στους κυλίνδρους του κινητήρα και τη θερμοκρασία του εισαγόμενου αέρα (οι οποίοι είναι και οι δύο παράγοντες εκρήξεων ή δονήσεων), η χρήση των υπερσυμπιεστών απαιτεί να χρησιμοποιείται καύσιμη ύλη τουλάχιστον 91 οκτανίων. Αυτό μπορεί να αυξήσει το κόστος λειτουργίας. Ένας κινητήρας με υπερσυμπιεστή τύπου ROOTS παράγει ασφαλώς μεγαλύτερη ποσότητα καυσαερίων, επομένως συνήθως χρειάζεται ένα σύστημα εξαγωγής καυσαερίων χαμηλών περιορισμών. (Tom Henry Racing, 2009) Από τότε που ανακαλύφθηκαν οι μηχανές εσωτερικής καύσεως, οι μηχανικοί των εταιριών κατασκευής οχημάτων ψάχνουν συνεχώς για νέους τρόπους για να ενισχύσουν την ισχύ των κινητήρων. Ένας τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι βέβαια η κατασκευή μεγαλύτερων κινητήρων, οι οποίοι όμως εκτός του ότι θα είναι βαρύτεροι, θα έχουν επίσης και μεγαλύτερο κόστος κατασκευής και συντήρησης. Επομένως οι τεχνικοί στράφηκαν στη βελτίωση των κινητήρων κανονικού μεγέθους, μελετώντας τρόπους με τους οποίους μπορούν να τους κάνουν πιο αποδοτικούς. Αυτό μπορεί να γίνει με την εισαγωγή μεγαλύτερης ποσότητας αέρα στο θάλαμο καύσης. Περισσότερος αέρας στο θάλαμο καύσης δίνει τη δυνατότητα εισαγωγής περισσότερου καυσίμου. Περισσότερο καύσιμο σημαίνει μεγαλύτερη έκρηξη και επομένως και μεγαλύτερη ιπποδύναμη. Το αρχικό ζητούμενο, δηλαδή η εισαγωγή μεγαλύτερης ποσότητας αέρα στο θάλαμο καύσης μπορεί να επιτευχθεί με την εγκατάσταση ενός υπερσυμπιεστή. (How Stuff Works, 2009) Κοπανάς Αντώνιος 43

46 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές Σχήμα 4.3: Σχηματική απεικόνιση ενός κινητήρα με έναν απλό υπερσυμπιεστή τύπου ROOTS που φέρει ρότορες δύο λοβών. Οι υπερσυμπιεστές τύπου ROOTS είναι από τους πιο απλούς και από τους πιο ευρέως χρησιμοποιούμενους. Μπορεί επίσης να αποβούν αποδοτικότεροι από εναλλακτικούς υπερσυμπιεστές όσον αφορά την ανάπτυξη θετικών πιέσεων στο σωλήνα εισαγωγής για μηχανές χαμηλών ταχυτήτων. Έτσι μπορούν να ανεχθούν πιέσεις που μπορεί να ξεπερνούν και την ατμοσφαιρική. Αυτό το πλεονέκτημά τους καθιστά ιδιαίτερα δημοφιλείς σε εφαρμογές που έχουν να κάνουν με αυτοκίνητα ιδιωτικής χρήσεως. Η μέγιστη ροπή επιτυγχάνεται στις στροφές ανά λεπτό. (Drag Cars, 2009) Αυτό που ουσιαστικά κάνει ένας υπερσυμπιεστής είναι η πίεση του εισερχόμενου αέρα σε πίεση μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής. Να σημειώσουμε εδώ πως το ίδιο μπορεί να επιτευχθεί και με τους στροβιλοσυμπιεστές, οι οποίοι όμως λειτουργούν κατά διαφορετικό τρόπο. Συγκεκριμένα η διαφορά έγγυται στην πηγή της ενέργειας. Οι στροβιλοσυμπιεστές τροφοδοτούνται με ισχύ μέσω της ροής μάζας των εξαγόμενων αερίων, οι οποίοι θέτουν σε κίνηση ένα στρόβιλο Κοπανάς Αντώνιος 44

47 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές (τουρμπίνα). Οι υπερσυμπιεστές τροφοδοτούνται με ισχύ μηχανικά, μέσω του στροφαλοφόρου άξονα του κινητήρα. (Drag Cars, 2009) Σε έναν κανονικό τετράχρονο κινητήρα, κατά το πρώτο χρόνο του κύκλου λειτουργίας του γίνεται η εισαγωγή του αέρα. Αυτό γίνεται με τη μετακίνηση του εμβόλου προς τα κάτω ώστε να δημιουργηθεί το κατάλληλο κενό που θα προκαλέσει την προσρόφηση αέρα (ο οποίος θα βρίσκεται υπό ατμοσφαιρική πίεση) στο θάλαμο καύσης. Αφού γίνει αυτό, θα ακολουθήσει εισαγωγή καυσίμου στο θάλαμο καύσης με αποτέλεσμα να προκληθεί η καύση εκείνη που θα μας δώσει την ωφέλιμη εκείνη κινητική ενέργεια. Το ποσό αυτής της ενέργειας εξαρτάται βέβαια όπως είπαμε από το πόσο καύσιμο εισάγεται στο θάλαμο. Δεν μπορούμε όμως απλώς να εισάγουμε περισσότερο καύσιμο, γιατί απαιτείται μια συγκεκριμένη ποσότητα οξυγόνου για να καεί μια δεδομένη ποσότητα καυσίμου. Η αναλογία δηλαδή δεκατέσσερα μέρη αέρα για ένα μέρος καυσίμου είναι απαραίτητη προκειμένου να επιτευχθεί η βέλτιστη λειτουργία του κινητήρα. (How Stuff Works, 2009) Έτσι λοιπόν, προκειμένου να μπορέσουμε να αυξήσουμε την εισαγωγή αέρα χρησιμοποιούμε τους υπερσυμπιεστές. Αυτές οι διατάξεις αυξάνουν την προσρόφηση του αέρα με τη συμπίεσή του σε πιέσεις ανώτερες της ατμοσφαιρικής, χωρίς να δημιουργείται κενό, με αποτέλεσμα την εισαγωγή μεγαλύτερης ποσότητας αέρα στο θάλαμο καύσης. Με την παραπάνω διαδικασία μπορούμε να κερδίσουμε μια αύξηση της ιπποδύναμης ίση κατά μέσο όρο με 46 τοις εκατό και μια αύξηση της ροπής ίση κατά μέσο όρο με 31 τοις εκατό. (How Stuff Works, 2009) Σε περιπτώσεις που βρισκόμαστε σε μεγάλο υψόμετρο (και επομένως η ατμοσφαιρική πίεση είναι χαμηλότερη της συνηθισμένης), οι κινητήρες χάνουν σε απόδοση, λόγω της μικρότερης πίεσης και πυκνότητας του αέρα. Ο υπερσυμπιεστής τότε δίνει αέρα μεγαλύτερης πίεσης, ώστε να εξισορροπείται Κοπανάς Αντώνιος 45

48 Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές αυτή η πτώση πίεσης και ο κινητήρας να λειτουργεί κατά το βέλτιστο τρόπο. (How Stuff Works, 2009) Οι υπερσυμπιεστές αντλούν την απαραίτητη ισχύ για τη λειτουργία τους απ ευθείας από το στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα. Οι περισσότεροι λειτουργούν με τη βοήθεια ενός ιμάντα, ο οποίος είναι τυλιγμένος γύρω από μια τροχαλία που είναι συνδεδεμένη με ένα κινητήριο γρανάζι. Η περιστροφή του γραναζιού αυτού προκαλεί την περιστροφή του γραναζιού του συμπιεστή. Ο ρότορας του συμπιεστή (ο οποίος στις αντλίες ROOTS έχει τη μορφή αντίθετα περιστρεφόμενων λοβών) προσροφά αέρα μέσα, ο οποίος συμπιέζεται σε μικρότερο χώρο και εκλύεται στο σωλήνα εισαγωγής. (How Stuff Works, 2009) Προκειμένου ο υπερσυμπιεστής να λειτουργήσει κατ αυτόν τον τρόπο, θα πρέπει να περιστρέφεται πάρα πολύ γρήγορα και μάλιστα πολύ πιο γρήγορα κι από τον ίδιο τον κινητήρα. Αυτό μπορεί να γίνει αν έχουμε ένα κινητήριο γρανάζι μεγαλύτερο σε μέγεθος από το γρανάζι του συμπιεστή. Οι υπερσυμπιεστές έχουν τη δυνατότητα να περιστρέφονται με ταχύτητες στροφές ανά λεπτό (rpm) ή και στροφές ανά λεπτό. (How Stuff Works, 2009) Ένας συμπιεστής που περιστρέφεται με ταχύτητα στροφές ανά λεπτό μας δίνει μια αύξηση στην πίεση εισαγωγής ίση περίπου με 6 psi έως 9 psi. Δεδομένου πως η ατμοσφαιρική πίεση κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας είναι ίση με 14,7 psi, ένας τυπικός υπερσυμπιεστής μας δίνει μια αύξηση στον αέρα που εισέρχεται στη μηχανή ίση περίπου με 50 τοις εκατό. (How Stuff Works, 2009) Καθώς ο αέρας συμπιέζεται, αυξάνεται η θερμοκρασία του. Αυτό σημαίνει πως πέφτει η πυκνότητά του και δεν μπορεί να διαστέλλεται τόσο πολύ κατά την έκρηξη. Αυτό έχει ως επακόλουθο να μην παίρνουμε το επιθυμητό ποσό ενέργειας κατά την ανάφλεξη. Για να λειτουργεί ο υπερσυμπιεστής κατά το βέλτιστο τρόπο, ο συμπιεσμένος αέρας που εξέρχεται από τον συμπιεστή θα Κοπανάς Αντώνιος 46