SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZAVRŠNI RAD Joip Radetić Zagreb, 0.
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE IDEJNI PROJEKT KOMPRESORA ZA ZRAK Mentor: Prof. dr. c. Mladen Andray, dipl. ing. Student: Joip Radetić Zagreb, 0.
Izjavljujem da am ovaj rad izradio amotalno koriteći tečena znanja tijekom tudija i navedenu literaturu. Zahvaljujem e mentoru prof. dr. c. Mladenu Andrayju na pruženoj podršci i avjetima koji u mi pomogli pri izradi ovog rada Joip Radetić
SADRŽAJ SADRŽAJ... I POPIS SLIKA...III POPIS TABLICA...IV POPIS TEHNIČKE DOKUMENTACIJE...V POPIS OZNAKA...VI SAŽETAK... VIII. UVOD: GLAVNI DIJELOVI I OSNOVNI POJMOVI VEZANI UZ KOMPRESOR S OSCILIRAJUĆIM STAPOM.... PRINCIP RADA NA PRIMJERU IDEALNOG KOMPRESORA...3 3. TERMODINAMIČKE OSNOVE...4 3.. Termodinamička vojtva zraka...4 3.. Idealni plinovi...5 3... Jednadžba tanja idealnog plina...5 3... Jednadžba politrope...5 3.3. Termodinamičke onove kompreije...5 3.3.. Određivanje rada uiavanja...6 3.3.. Određivanje rada itikivanja...6 3.3.3. Određivanje rada kompreije...6 3.4. Vlažni zrak...8 3.4.. Karakteritične veličine vlažnog zraka...9 3.4... Sadržaj vlage x...9 3.4... Relativna vlažnot zraka...9 3.4..3. Specifična entalpija vlažnog zraka...0 3.4..4. h +x, x dijagram za vlažni zrak...0 3.4.. Kompreija vlažnog zraka:... 4. REALNI KOMPRESOR... 4.. Razlike između realnog i idealnog kompreora... 4.. Volumetrijki gubici kompreora... 4... Volumetrijki tupanj djelovanja zbog štetnog protora...3 4... Volumetrijki tupanj uiavanja...3 4..3. Volumetrijki tupanj djelovanja zbog izmjene topline...5 4..4. Volumetrijki tupanj djelovanja zbog propuštanja...5 4..5. Ukupni volumetrijki tupanj djelovanja...5 4.3. Provjera temperature tlačnog voda...6 5. TLAČNI SPREMNIK ZA ZRAK...7 6. REGULACIJA RADA KOMPRESORA...8 7. PRORAČUN OSNOVNIH DIMENZIJA KOMPRESORA...0 7.. Vrijednoti korištene u proračunu...0 7.. Ukupni volumetrijki gubici kompreora... 7.3. Onovne dimenzije kompreora... Fakultet trojartva i brodogradnje I
8. PRORAČUN TEORIJSKE SNAGE ELEKTROMOTORA...3 8.. Snaga potrebna za kompreiju...3 8.. Snaga ekpanzije...4 8.3. Teorijka naga elektromotora...4 9. PRORAČUN TLAČNOG SPREMNIKA ZA ZRAK...5 9.. Volumen tlačnog premnika...5 9.. Provjera intermitencije ukapčanja elektromotora...6 9.3. Odabir materijala tlačnog premnika...8 9.4. Proračun čvrtoće plašta...8 9.5. Proračun podnica...3 9.5.. Određivanje debljine tijenke kalote...3 9.5.. Određivanje debljine tijenke torua...3 9.6. Količina kondenzirane vlage u premniku...33 0. ZAKLJUČAK...35 PRILOZI...36 LITERATURA...38 Fakultet trojartva i brodogradnje II
POPIS SLIKA Slika. Glavni dijelovi kompreora... Slika. Prikaz rada idealnog kompreora u p V dijagramu...3 Slika 3. Kvalitativni prikaz p T dijagrama...8 Slika 4. Kvalitativni prikaz h +x x dijagrama...0 Slika 5. Kvalitativan prikaz utjecaja ukupnog tlaka na liniju zaićenja... Slika 6. Utjecaj omjera kompreije na uiani volumen...4 Slika 7. Prikaz radnog ciklua kompreora a i bez utjecaja amoradnih ventila...4 Slika 8. Shema regulacije dobave izvrštavanjem iz pogona...8 Slika 9. Promjena tlaka u tlačnom premniku u ovinoti o vremenu...9 Slika 0. Duboka podnica...3 Fakultet trojartva i brodogradnje III
POPIS TABLICA Tablica. Satav zraka...4 Tablica. Termodinamička vojtva zraka...4 Tablica 3. Kritična i trojna točka vode...8 Tablica 4. Svojtva čelika SPH 35...8 Fakultet trojartva i brodogradnje IV
POPIS TEHNIČKE DOKUMENTACIJE Jednotupanjki kompreor za zrak Fakultet trojartva i brodogradnje V
POPIS OZNAKA Latinične oznake Oznaka Jedinica Opi p Pa tlak uinog voda T K temperatura uinog voda p Pa tlak tlačnog voda T K temperatura tlačnog voda D m promjer cilindra m tapaj W J rad y w kmol/kmol molni (količinki) udio R J/kgK plinka kontanta x d kg/kg adržaj vlage u nezaićenom tanju x kg/kg adržaj vlage u zaićenom tanju p Pa tlak zaićenja H J entalpija h +x J/kg pecifična entalpija vlažnog zraka q vd m 3 / dobava kompreora V d m 3 volumen dobavljenog zraka u jednom cikluu V m 3 tapajni volumen V 0 m 3 volumen štetnog protora V u m 3 uiani volumen p u Pa tlak uiavanja p i Pa tlak itikivanja n ko - ekponent politrope kompreije n ek - ekponent politrope ekpanzije i - broj cilindara V k m 3 volumen komprimiranog plina n - brzina vrtnje P E W naga ekpanzije P K W naga kompreije P EM W teorijka naga elektromotora T TS K temperatura tlačnog premnika V TS m 3 volumen tlačnog premnika p Pa razlika makimalnog i minimalnog tlaka u premniku q md kg/ maeni prootok dobavne truje zraka q mp kg/ maeni protok zraka za potrošnju R k m radiju kalote R t m radiju torua D k m promjer torua k m debljina tijenke kalote t m debljina tijenke torua q md z kg/ maeni protok uhog zraka u truji dobavnog zraka q mw kg/ maeni vlage u truji dobavnog zraka p Pa proračunki tlak Fakultet trojartva i brodogradnje VI
D v m vanjki promjer plašta premnika K N/m proračunka čvrtoća S - faktor igurnoti c m dodatak koji uzima u obzir manjenje debljine tijenke c m dodatak na koroziju i trošenje e m debljina tijenke plašta premnika D u m unutarnji promjer plašta premnika d p m vanjki promjer priključka Grčke oznake φ - relativna vlažnot zraka λ q - volumetrijki tupanj djelovanja zbog izmjene topline λ h - volumetrijki tupanj djelovanja zbog propuštanja λ u - volumetrijki tupanj uiavanja λ - volumetrijki tupanj djelovanja ε 0 - udio štetnog protora ψ - kompreijki omjer τ 0 vrijeme punjenje premnika τ i vrijeme iključenoti τ u vrijeme uključenoti ν - koeficijent zavarenog poja ν - intermitencija ukapčanja ν max - makimalna intermitencija ukapčanja γ - omjer potrošnje i dobave plina ξ - značajka cilindra Fakultet trojartva i brodogradnje VII
SAŽETAK U radu je dan kratak pregled termodinamičkih vrijednoti i pojmova vezanih uz kompreiju zraka. Također je dan ovrt na dva bitna načina razmatranja zraka u termodinamici: zrak kao idealni plin i kao vlažni zrak. Glavni dijelovi te princip rada prikazani u na primjeru idealnog kompreora, tj. uz zanemarenje gubitaka prilikom rada. Razmatranjem realnog kompreora dan je uvid u najutjecajnije pojave koje uzrokuju gubitke te način njihovog numeričkog određivanja i utjecaja na dobavu kompreora. Kratkim ovrtom na tlačnu opremu dane u glavne mjernice pri proračunu čvrtoće tlačnog premnika za zrak. Vezano uz premnik opian je i način regulacije rada kompreora prema uvijetima u premniku. Uz definirane vrijednot i izraze u teeorijkom dijelu rada provodi e proračun onovnih dimenzija kompreora, teorijke nage elektromotora, tlačnog premnika za zrak na tlak i količine kondenzirane vlage. av Fakultet trojartva i brodogradnje VIII
. UVOD: GLAVNI DIJELOVI I OSNOVNI POJMOVI VEZANI UZ KOMPRESOR S OSCILIRAJUĆIM STAPOM Kompreori ocilirajućim tapom će e kraćeno nazivati tapni komperori. Iako e među tapne kompreore ubrajaju vi kompreori koji korite neki oblik tapa za kompreiju, oni dobivaju zaebna imena na temelju vojih karakteritika: kompreori rotirajućim tapom e nazivaju rotornim kompreorima, itd. Dana najčešći oblik kompreora u tapni kompreori zbog voje jednotavnoti i dugih godina razvijanja. Glavni dijelovi i onovni pojmovi vezni uz kompreor dani u uz hematki prikaz kompreora na lici. cilindar kučište 3 tap 4 tapajica 5 ono koljeno 6 koljenato vratilo 7 ulje 8 poklopac cilindra 9 ventilna ploča 0 uini amoradni ventil uini vod tlačni amoradni ventil 3 tlačni vod Slika. Glavni dijelovi kompreora Fakultet trojartva i brodogradnje
Cilindar kompreora i kučište čine vanjke dijelove kompreora u kojima u mješteni glavni dijelovi zalužni za kompreiju. Unutar cilindra e nalazi tap koji e kreće između gornje i donje mrtve točke, označene GMT i DMT. Gornja mrtva točka označava položaj kada je tap najbliži ventilnoj ploči, dok donja mrtva točka označava najudaljeniji položaj. U pomenutoj ventilnoj ploči e nalaze amoradni ventili koji oiguravaju kompreiju u protočnom utavu. Uini amoradni ventil ješten je na kraju uinog voda, dok je na početku tlačnog voda mješten tlačni amoradni ventil. Na kraju cilindra nalazi e poklopac cilindra. Stapajica povezuje tap i ono koljeno koljenatog vratila te pretvara rotaciju koljenatog vratila u tranlataciju tapa. Koljenato vratilo je mješteno u kučištu kompreora zajedno uljem za podmazivanje. Udaljenot između gornje i donje mrtve točke naziva e tapaj i tap prolazi tu udaljenot dva puta za vrijeme trajanja jednog ciklua, tj. za vrijeme jednog okreta koljenatog vratila. Stapaj je kontrukcijka veličina koja iznoom odgovara r, gdje r označava radiju kružnice koje opiuje koljeno vratila pri rotaciji. Iz tapaja proizlazi i tapajni volumen kompreora V, tj. volumen između GMT i DMT. O tapajnom volumenu ovii dobava kompreora, a je on definiran preko onovnih dimenzija kompreora: tapaja i promjer cilindra D. Fakultet trojartva i brodogradnje
. PRINCIP RADA NA PRIMJERU IDEALNOG KOMPRESORA Slika. Prikaz rada idealnog kompreora u p V dijagramu Neka e tap nalazi u gornjoj mrtvoj točci, tj. uz amu ventilnu ploču tako da između njih nema plina, V 4 0. Okretanjem koljenatog vratila, preko onog koljena i tapajice dolazi do linearnog gibanja tapa prema dolje, otvaranja uinog ventila, ulaka zraka kroz uini vod i punjenja cilindra zrakom tanja p,t. Punjenje traje do donje mrtve točke u kojoj je volumen cilindra na makimalnoj vrijednoti V. Daljnjim zakretanjem koljenatog vratila, tap e kreće gibati prema gore, povećavajući tlak u cilindru. Zbog povećanja tlaka na tlak veći od onog u uinom vodu, zatvara e uini ventil i započinje komprimiranje zraka. Komprimiranje traje ve dok e u cilindru ne potigne tlak koji vlada u tlačnom vodu p, pri kojem e otvara tlačni ventil (točka ). Daljnjim gibanjem tapa do gornje mrtve točke, itikuje e av komprimirani zrak, dolazi do zatvaranja tlačnog ventila i završetka ciklua (točka 3). Fakultet trojartva i brodogradnje 3
3. TERMODINAMIČKE OSNOVE 3.. Termodinamička vojtva zraka Zbog voje neogarničene količine, zrak je uz vodu najkorišteniji medij u procenoj indutriji. Po atavu je mješavina idealnih plinova. Idealni plinovi predtavljaju kup homogenih razrijeđenih tvari, kod kojih je razmak među njihovim molekulama mnogo veći od njihove lobodne putanje, pa e djelovanje međumolekularnih ila može zanemariti []. Satav zraka varira kontantno, ovino o lokaciji na Zemlji, viini, utjecaju čovjeka,... Iako atav varira, varijacije u dovoljno male da e proječni atav zraka može uzeti dovoljnom točnošću. Proječni atav uhog zraka prikazan je u tablici. Tablica. Satav zraka, prema [] Plin Volumni udio (%) Dušik 78. Kiik 0.93 Argon 0.935 Ugljikov diokid 0.03 Volumni udio vlage pri površini zemlje može varirati od - 4%, dok e u tragovima mogu naći i neon, helij, vodik,... Kako dušik i kiik čine 99,03% zraka, zbog pojednotavljenja, uz dovoljnu točnot, zrak e matra mjeom dušika, volumnog udjela 79% i kiika, volumnog udjela %. Važnija vojtva zraka dana u u tablici: Tablica. Termodinamička vojtva zraka, prema [3] Molarna maa 8,96 kg/kmol Plinka kontanta 87, J/kg K Vrelište (pri tlaku,035 bar) -94 C Temperatura u kritičnoj točci -40, 7 C Tlak u kritičnoj točci 37,66 bar Zbog nikih temperatura vrelišta i kritične točke, te zbog viokog tlaka u kritičnoj točci a igurnošću možemo proce kompreije zraka promatrati koriteći jednadžbe za idealne plinove. Fakultet trojartva i brodogradnje 4
3.. Idealni plinovi 3... Jednadžba tanja idealnog plina Toplinko tanje homogenih tvari određeno je dvjema veličinama tanja. To možemo napiati kao ekplicitnu funkcijku vezu između jedne veličine tanja i preotalih dviju: p p v, T v v ( ) ( p, T ) ( p, v) T T ili u implicitnom obliku: F ( p, v, T ) 0. do tražene jednadžbe e dolazi na temelju Gay Luacovog zakona i Boyle i Mariotteovog zakona. - jednadžba tanja idealnog plina: pv mrt () - diferencijalni oblik jednadžbe: pd V + Vdp mrdt + RTdm () 3... Jednadžba politrope Sve ravnotežne promjene tanja idealnih plinova i njihovih mješavina ubrajamo u opću kupinu politropkih promjena tanja. Jednadžba politope izvedena je iz jednadžbe tanja idealnog plina i I. glavnog tavka termodinamike. Jednažba politope: n pv kont (3) Diferencijalni oblik jednadžbe: n n npv dv + V dp 0 (4) 3.3. Termodinamičke onove kompreije Za radni ciklu opian u., nužno je utrošiti određenu količinu rada, jer e plin a tanja p, T, podiže na tanje više energetke razine p, T, gdje je p > p i T > T.Rad obavlja ila F koja djeluje vanjke trane tapa. Njoj e uprottavlja ila tlaka plina u cilindru, koja djeluje na unutrašnju tranu tapa na cijeloj njegovoj površini A: F pa. Za elementarni pomak tapa, obavljen je rad: d W Fd pad (5) Fakultet trojartva i brodogradnje 5
Uz jednakot Ad dv iz jednadžbe (5) lijedi d W pdv. Integracijom dobivene jednadžbe od tanja do tanja dobiva e izraz: V W pdv (6) V Dobiven je poznati izraz za mehanički rad, koji e u p V dijagramu prikazuje kao površina ipod određene linije promjene tanja. 3.3.. Određivanje rada uiavanja Prilikom uiavanja zraka u cilindar mijenjaju e volumen i maa plina od vrijednoti V 4 0 i m 4 0 do vrijednoti V i m, dok e vrijenoti tlaka i temperature ne mijenjaju: dp 0 i dt 0. Uvrštavnjem dp 0 i dt 0 u jednadžbu () dobiva e jednadžba: p dv RTdm. Njenim uvrštavanjem u (6), integriranjem od tanja 4 do uz V 4 0 i m 4 0: W RT 4 m. Zamjenom dene trane jednadžbe prema (), izraz za rad itikivanja prelazi u oblik: W 4 pv (7) Na lici prikazan je površinom omeđenom točkama a-c--4. 3.3.. Određivanje rada itikivanja Analogno radu uiavanja dobiva e izraz za rad itikivanja. U cilindru e mijenjaju volumen i maa plina od vrijednoti V i m do vrijednoti V 3 0 i m 3 0, dok e tlak i temperatura ne mijenjaju: dp dt 0. W 3 pv (8) Na lici prikazan je površinom omeđenom točkama a-b--3. 3.3.3. Određivanje rada kompreije Kompreija plina je promjena tanja u zatvorenom utavu gdje e plinu kontantne mae (dm 0) mijenjaju tlak, volumen i temperatura uz izmjenu topline okolinom.ta e promjena tanja opiuje jednadžbom politrope, čiji ekponent n ovii o brzini izmjene topline. Dijeljenjem jednadžbe (5) V n- dobiva e: npd V Vdp Fakultet trojartva i brodogradnje 6
Fakultet trojartva i brodogradnje 7. Uvrštavnjem u (), koriteći dm 0 i nakon ređivnja: T n mr V p d d Kada e taj izraz uvrti u (6), dobiva e: d T n mr W. Nakon integracije i ređivanja dobiva e izraz za rad kompreije: T T T n mr W Kako u kod kompreora tlakovi uinog i tlačnog voda poznati, koriteći jednadžbu () te poznati izraz iz termodinamike, prema [] n n p p T T, (9) dobiva e izraz za rad politrope, tj. rad kopreije u ovome lučaju: n n p p n p V W (0) Kod otvorenih utava, rad kompreije e izražava kao tehnički rad, prema []: teh W n W Korištenjem tog izraza uz (9) dobivamo četo korištenu jednadžbu: n n teh p p n p V n W ()
3.4. Vlažni zrak Iako je volumni udio vode u zraku zanemarivo mali pri promatranju zraka kao idealnog plina, njena količina u određenim područjima tehnike ima veliku važnot. Zrak e promatra kao binarna mjea uhog zraka i vlage i naziva e vlažni zrak. Suhi zrak označava ranije opianu mješavinu idealnih plinova koji ne mijenjaju agregatno tanje, dok vlaga označava vodu, koja u zraku može egzitirati u va tri agregatna tanja, ovino o količini vlage u zraku, temperaturi i tlaku mjee. Kada vlaga egzitira u plinovitom tanju u zraku, tj. u tanju pregrijane pare, mjeu razmatramo kao mješavinu dva idealna plina. Prema Daltonovom zakonu, ukupni tlak mjee jednak je zbroju parcijalnih tlakova udionka. p p z + p w (), gdje je parcijalni tlak udionika proporcionalan njegovom molnolm udjelu u mjei p w y w p. Povećavanjem udjela vlage u zraku ili manjivnjem temperature dolazi do porata parcijalnog tlaka do vrijednoti tlaka zaićenja. Tlak zaićenja ovii o temperaturi zaićenja. Ta e ovinot prikazuje u p - T dijagramu u kojemu u ucrtane linije napetoti koje odvajaju područja agregatnih tanja. Također u ucrtane i kritična Kr i trojna točka Tr. Kritična točka označava tanje neke tvari iznad koje ne potoji jadna granica između parovite i kapljevite faze, dok trojna točka označava tanje u kojem itovremeno egzitiraju va tri agregatna tanja. Vrijednot tlaka i tempearture za vodu u trojnoj i kritičnoj točci dani u u tablici 3. Tablica 3. Kritična i trojna točka vode, prema [4] kritična točka trojna točka tlak, bar, bar 0,0063 temperatura, C 374,5 0,0 Slika 3. Kvalitativni prikaz p T dijagrama Fakultet trojartva i brodogradnje 8
U tanju zaićenja, voda e u zraku nalazi u tanju uhozaićene pare i u tome tanju dolazi do promjene agregatnog tanja vode u kapljevito, kruto ili kruto i kapljevito i vlaga e vidljivo izdvaja iz zraka ili u obliku magle ili taloženjem na površinama. Taloženje vlage na površinama može doveti do značajnih problema vezanih uz koroziju, propadanje građevinkog materijala, metnji u radu rahladinh utava,... Također ta pojava ima i pozitivne primjene u ušenju zraka, klimatizaciji,... 3.4.. Karakteritične veličine vlažnog zraka 3.4... Sadržaj vlage x Opiuje koliko kilograma vlage ima u vlažnome zraku po kilogramu uhoga zraka mw kg w x mz kg z Koriteći (), () i plinke kontante za zrak i vodenu paru, prema [3]: J Rz 87, kg K J Rw 46,9 kg K izraz prelazi u oblik pw x 0,6 p pw Uvode e i indeki d i, gdje d označava tanje zraka u nezaićenom području, dok označava zaićeno tanje pd p xd 0, 6 ; x 0, 6 (3) p p p p d 3.4... Relativna vlažnot zraka Predtavlja omjer parcijalnog tlaka vodene pare i tlaka zaićenja za zrak određene temperature pd ( ϑ) ϕ (4) p ( ϑ) Relevantna je u nezaićenom području, dok u tanju zaićenja poprima vrijednot ϕ Fakultet trojartva i brodogradnje 9
3.4..3. Specifična entalpija vlažnog zraka Označava energiju vlažnoga zraka izraženu po kilogramima uhoga zraka. Dobiva e zbrajanjem entalpija pojedinih komponenata H H + H vz w z H vz m w h w + m z h z dijeljenjem jednadžbe m z dobivamo izraz h + x hz + xdhw ili h + x hz + xhw 3.4..4. h +x, x dijagram za vlažni zrak Kontruirao ga je Mollier 93. godine. Zbog povećanja prikaza nezaićenog područja, dijagram je zakrenut tako da je izoterma ϑ 0 C preklapa oi apcia.služi za jednotavno očitavanje vrijednoti veličina tanja vlažnog zraka i prikaz promjena tanja Slika 4. Kvalitativni prikaz h +x x dijagrama Fakultet trojartva i brodogradnje 0
3.4.. Kompreija vlažnog zraka: Prilikom komprimiranja, rate temperatura i manjuje e volumen zraka, ali e linije izotermi u nezaićenome području dijagrama ne mijenjaju. Razlog tome je što entalpija idealnih plinova ne ovii o tlaku, nego amo o temperaturi. Poratom tlaka, zrak može primiti manje vlage i dolazi do pomicanja linije zaićenja. Komprimiranjem nezaićenog zraka na određeni tlak i hlađenje zraka u premniku na početnu temperaturu može doveti do prelaka linije zaićenja i pojave kondenzacije ili zaleđivnja izdvojene vlage. Na lici 5 prikazan je kvalitativni h +x x dijagram za ukupne tlakove p, p i p 3, koji u u odnou p > p > p3 Slika 5. Kvalitativan prikaz utjecaja ukupnog tlaka na liniju zaićenja Fakultet trojartva i brodogradnje
4. REALNI KOMPRESOR 4.. Razlike između realnog i idealnog kompreora - štetni protor kompreora Realni kompreor nemože itinuti av komprimirani plin u tlačni vod. Volumen koji zauzima neitinuti plin naziva e volumen štetnog protora V o. Plin koji je otao nalazi e pod tlakom i pri pomaku tapa prema donjoj mrtvoj točci plin prvo ekpandira uz manjenje tlaka do tlaka koji je potreban za otvaranje uinog ventila. Tek kada e uini ventil otvori, započinje uiavanje plina iz uinog voda. - zanemaren je utjacaj tijenke cilidra na izmjenu topline pri punjenju i pražnjenju cilindra te prilikom kompreije. Kompreija je razmatrana kao politropka promjena tanja koja toplinu izmjenjuje okolišem, tj. toplinkim premnikom kontantne temperature - zanemaren je pad tlaka prilikom trujanja kroz amoradne ventile i potrebna razlika tlaka za njihovo otvaranje - pretpotavljeno je idealno brtvljenje cilindra 4.. Volumetrijki gubici kompreora Gore navedene razlike utječu na efikanot kompreora, tj. realni kompreor troši više rada uz manju dobavu od realnog kompreora. Budući da je dobava glavna karakteritika kompreora, vi e gubici vode na računke vrijednoti koje pokazuju koliko utječu na manjanje dobave. Dobava kompreora e definira kao volumen plina itinut u tlačni vod pri jednom cikluu, veden na tanje uinog voda [5] q Vd Vdn. Razlika imeđu teorijke makimalne uiane mae plina m t, tj. mae plina koja bi ipunila cijeli tapajni volumen V i realno dobavljene mae m d naziva e volumetrijki gubitak. Kako ta veličina nije lako uporediva kod kompreora različitih dobava, uvodi e volumetrijki tupanj djelovanja λ koji je definiran md λ. mt Koriteći () u obliku pv m RT za obje mae, volumetrijki tupanj djelovanja e može preveti u oblik koji više odgovara imenu Vd λ V Kako opiane gubitke uzrokuju gore navedene četiri razlike između realnog i idealnog kompreora, volumetrijki tupanj djelovanja e račlanjuje na četiri djela. Fakultet trojartva i brodogradnje
4... Volumetrijki tupanj djelovanja zbog štetnog protora Nužnot potojanja štetnog protora proizlazi iz činjenice da tap u GMT mora biti udaljen od ventilne ploče, ali i ame kontrukcije amoradnih ventila. Prilikom kontruiranja kompreora e u obzir uzimaju toplinke dilatacije tapa i tapajice obzirom na cilindar i kućište, makimalne moguće zračnoti u ležajevima i mehaničke deformacije koljenatog vratila i tapajice kako bi e odredila minimalna potrebna udaljenot tapa i ventilne ploče i na taj način minimirao štetni protor (makimalno % V ). Na štetni protor natao zbog amoradnih ventila nije moguće utjecati. Na lici 6 je prikazan ciklu kompreora štetnim protorom u p V dijagramu. Kod idealnog kompreora je uiani volumen odgovarao volumenu cilindra, dok je kod realnog kompreora zbog ekpanzije taj volumen značajno manji. Zbog lakšeg upoređivanja vrijednoti različitih kompreora i kako e veličina štetnog protora uobičajeno veže uz tapajni volumen, uvodi e pojam udio štetnog protora: Vo ε o (5) V Volumetrijki tupanj djelovanja zbog štetnog protora e može izraziti: Vu o λ, V gdje V u o predtavlja uiani volumen. 4... Volumetrijki tupanj uiavanja Pod volumetrijkim tupnjem uiavanja razmatra e utjecaj amoradnih ventila i štetnog protora. Otvaranje amoradnog ventila uvjetovano je razlikom tlaka p koja je potrebna da bi e vladale inercijke ile pločice ventila te gubici energije natali trujanjem plina kroz užene kanale ventila. Za otvaranje uinog ventila potrebno je u cilindru otvariti tlak za p u manji od tlaka u uinom vodu, tj. tlak uiavanja p u, dok je za tlačni ventil potrebno otvariti u cilindru tlak za p i veći od tlaka u tlačnome vodu, tj. tlak p i. Time e omjer kompreije unutar cilindra poviuje, što za poljedicu ima manjeni uiani volumen, a time i manjenu dobavu. Utjecaj omjera kompreije na uiani volumen prikazan je na lici 7. Fakultet trojartva i brodogradnje 3
Slika 6. Utjecaj omjera kompreije na uiani volumen Slika 7. Prikaz radnog ciklua kompreora a i bez utjecaja amoradnih ventila Na lici 8 prikazana je uporedba radnog ciklua kompreora a i bez utjecaja amoradnih ventila. Vidljivo je kako je manjen uiani volumen i kako je poraao potreban tehnički rad za odvijanje procea. Izraz za volumetrijki tupanj uiavanja, prema [5]: p nko ek ko u p n i p n u λ u ε 0 (6) p p p Fakultet trojartva i brodogradnje 4
4..3. Volumetrijki tupanj djelovanja zbog izmjene topline U realnom kompreuru, toplina prilikom kompreije e izmjenjuje okolinom poredtvom tijenke cilindra. Kao i ve tvari, tijenka ima određeni toplinki kapacitet koji onemogućava nemetanu izmjenu topline okolišem te e zbog vioke tempeature plina nakon kompreije i trenja između cilindra i tapa tijenka zagrijava. Kada dolazi do uiavanja, tijenka je toplija od plina u uinom vodu te ga zagrijava. Također e uiani plin mješa ekpandiranim plinom iz štetnog protora koji je također više temperature. Time je plin koji ipunjava cilindar na kraju uiavanja više temperature od plina u uinom vodu. S poratom temperature rate i gutoća, pa uz iti rapoloživi volumen, u cilindru e nalazi manja maa plina koji e itikuje u tlačni vod. Izraz za volumetrijki gubitak zbog izmjene topline prema [5]: λ k ψ (7) q ( ) 4..4. Volumetrijki tupanj djelovanja zbog propuštanja Prilikom kompreije i itikivanja plina, dio plina e gubi propuštanjem kroz pojeve elemenata. Najveći dio e gubi kroz zazor između tapa i cilindra, gdje zračnot mora biti oigurana kako bi e moglo otvariti podmazivanje i manjiti trenje. Također plin izlazi kroz uine amoradne ventile i otale brtvljene pojeve. Vrijednot ovoga volumetrijkog gubitka nije mogće egzaktno odraditi, ali kod tapnih kompreora čine vrlo mali udio u ukupnim gubicima. Označava e λ h. 4..5. Ukupni volumetrijki tupanj djelovanja Kako je rečeno na početku razmatranja, ukupni volumetrijki tupanj djelovanja e atoji od gore navedenih dijelova: λ λ λ λ (8) u q h Fakultet trojartva i brodogradnje 5
4.3. Provjera temperature tlačnog voda Zbog opanoti od zapaljenja i ubrzanog tarenja ulja, temperatura plina prilikom itikivanja mora biti manja od 80 C. Iako u ovome radu ta temperatura prelazi dopušteni makimum, ta e činjenica zanemaruje. Prema jednadžbi (9): T T p p i u n ko n ko T T 6,3 0 300,5 0,9 0,37,37 507,66 K 34,5 C 5 5 Fakultet trojartva i brodogradnje 6
5. TLAČNI SPREMNIK ZA ZRAK Tlačna oprema podrazumijeva ve aparate i dijelove potrojenja koji e nalaze pod tlakom većim od 0,5 bar. [6]. Samim time predtavljaju potencijalnu opanot po ljude, okoliš te materijalna dobra i podliježu trogim zakonkim regulativama kako bi e oigurala igurnot pri radu. Suglano europkim regulativama, u Hrvatkoj je na nazi Pravilnik o jednotavnim tlačnim poudama, koji obuhvaća poude za koje vrijedi: - makimalni radni tlak ne mije biti veći od 30 bara - umnožak makimalnog tlaka i volumena poude mora biti manji od 0000 barxl - čelične poude minimalne radne temperature -50 C, a makimalna 300 C Poude kod kojih umnožak makimalnog radnog tlaka i volumena veći od 50 barxl, podliježu dodatnim igurnonim zahtjevima navedenima u Dodatku I. Proračun premnika na tlak e također mora vršiti prema zakonki odobrenim modelima opianim u normama. U ovome primjeru, proračun e vrši koriteći: - HRN M.E.5 Proračun podnica izvrgnutih unutrašnjem ili vanjkom tlaku - HRN M.E.53 Proračun cilindričnih i kuglatih plašteva izvrgnutih djelovanju unutrašnjeg tlaka Nužno je i odrediti količinu kondenzirane vlage iz zraka unutar premnika. Kako e nakon komprimiranja zrak hladi na okolišnu temperaturu, prelazi u zaićeno tanje time da višak vlage kondenzira po hladnijim tijenkama. Iz tog razloga e u najnižoj točci oigurava dodatni protor za kupljanje kondenzada i adekvatan utav za njegovo ipuštanje. Fakultet trojartva i brodogradnje 7
6. REGULACIJA RADA KOMPRESORA Odabrani način regulacije je izvrštavanjem kompreora iz pogona. Trošila komprimiranog zraka najčešće zahtjevaju kontantnu opkrbu zrakom na neodređeno vrijeme. Kako bi e to oiguralo, nužno uz ovakav način regulacije dolazi i tlačni premnik za zrak. Shema takve izvedbe elektromotorom kao pogonkim trojem prikazana je na lici 9. Tlačni premnik TS opremljen je manometrom M, igurnonim ventilom SV, iputom kondenzata IK te preotatom viokog tlaka PVT. Elektromotor e na mrežu paja preko elektromagnetne klopke EMS, koja je pojena u trujni krug zajedno glavnom klopkom GS i PVT. Preotat viokog tlaka je ojetnik tlaka koji upravlja radom EMS na temelju razlike tlaka u premniku p p max p min, tj. pri tlaku p max, otvara e klopka i zautavlja rad kompreora, dok e pri tlaku p min klopka zatvara i kompreor počinje radom. Na lici 0 prikazana je promjena tlaka u premniku u ovinoti o vremenu.τ 0 označava vrijeme punjenja peremnika dok τ i i τ u označavaju vrijeme kada je kompreor iključen, odnono uključen. Pri regulaciji izvrštavanjem iz pogona važan parametar je učetalot ukapčanja ν koji je definiran izrazom ν (9) τ u + τ i Elektromotori pri pokretanju imaju velike truje kratkog poja u namotima te e namoti zagrijavaju. Prilikom rada, ulijed trujanja zraka, namoti e hlade te je nužno oigurati dovoljno duge periode rada kako namoti nebi pregorili. Slika 8. Shema regulacije dobave izvrštavanjem iz pogona Fakultet trojartva i brodogradnje 8
Slika 9. Promjena tlaka u tlačnom premniku u ovinoti o vremenu Fakultet trojartva i brodogradnje 9
7. PRORAČUN OSNOVNIH DIMENZIJA KOMPRESORA 7.. Vrijednoti korištene u proračunu 3 m qvd 00 h - nazivna dobava p ψ 6 p - nazivni omjer kompreije p bar, ϑ 7 C, ϕ 60 % - tanje zraka na uiu ε 0,05 0 - udio štetnog protora, prema [5] p, p 0, bar - pad tlaka na uinom ventilu, prema [5] u 0 p,05 p 0,3 bar - pad tlaka na tlačnom ventilu, prema [5] i 0 n,37 ko - ekponent politrope kompreije, prema [5] n,3 ek - ekponent politrope ekpanzije, prema [5] k 0,05 - kontanta, za dvoatmone plinove, prema [5] ξ 0,8 - geometrijka značajka kompreora, prema [5] i - broj cilindara Fakultet trojartva i brodogradnje 0
7.. Ukupni volumetrijki gubici kompreora Tlak uiavanja: p p p u u p p u u 0, 0,9 bar Tlak itikivanja: p p + p i i p p i i 6 + 0,3 6,3 bar Volumetrijki tupanj uiavanja: - iz jednadžbe (6) lijedi: 0,9 0 λu 5 0 λ 0,766 u 5,37 6,3 0 0,05 5 0 5,3 0,9 0 5 0 5,37 Volumetijki tupanj djelovanja zbog izmjene topline: -iz jednadžbe (7) lijedi: λ 0,05 q λ 0,875 q ( 6 ) Volumetrijki tupanj djelovanja zbog propuštanja, prema [5]: - za ipravne nove kompreore uzima e: λ h 0,98 Fakultet trojartva i brodogradnje
Ukupni volumetrijki tupanj djelovanja kompreora: - iz jednadžbe (8 ) lijedi: λ 0,766 0,875 0,98 λ 0,657 7.3. Onovne dimenzije kompreora Promjer cilindra kompreora, prema [5]: 4 qvd D 3 π ξ λ n i D 3 4 00 π 0,8 0,657 33,3 3600 D 6 mm Odabrani promjer cilindra: D 30 mm Stapaj, prema [5]: ξ D 0,8 30 04 mm Fakultet trojartva i brodogradnje
8. PRORAČUN TEORIJSKE SNAGE ELEKTROMOTORA Stapajni volumen: D π V 4 V V 0,30 4 π 04 0,0038 m 3,38 0 Volumen štetnog protora, prema jednadžbi (4): V ε V 0 3 m 3 V 0 0,05 0,0038 V 0 0,000069 m 3 6,9 0 5 m 3 Volumen komprimiranog plina: V V + V k 0 V k 0,000069 + 0,0038 V k 0,0045 m 3,45 0 3 m 3 8.. Snaga potrebna za kompreiju Prema [5], izraz za nagu glai: P n K W teh Koriteći navedeni izraz za nagu te jedadžbu (), dobiva e: nko nko p nko i PK n pu V k nko p u P P K K 33,3 -, kw,37 0,9 0,37-5,45 0 3 6,3 0 0,9 0 5 5,37,37 Fakultet trojartva i brodogradnje 3
8.. Snaga ekpanzije Analogno izrazu za nagu potrebnu za kompreiju dobiva e izraz za nagu ekpanzije: nek n ek ek pu n PE n pi V0 ek n i p P P E E,3 33,3 6,3 0,3,7 kw 5 6,9 0 5 0,9 0 6,3 0 5 5,3,3 8.3. Teorijka naga elektromotora P EM P K + P E P EM, +,7 P EM 8,85 kw Fakultet trojartva i brodogradnje 4
9. PRORAČUN TLAČNOG SPREMNIKA ZA ZRAK 9.. Volumen tlačnog premnika Vrijednoti korištene u proračunu, prema [5]: TTS T - temperatura zraka u tlačnom premniku p 0,6 bar - promjena tlaka u premniku - ν max 60 h - makimalna intermitencija ukapčanja Volumen tlačnog premnika, [5]: qvd p TTS VTS 4 ν max p T 00 VTS 4 60 0,6 V TS,4 m 3 Provjera uvijeta propianih u [6] Radne temperature zadane u projektnim podacima odgovaraju uvijetima.potrebno je odrediti umnožak makimalnog tlaka i volumena poude: PS V 6 400 8400 bar l 0000 Fakultet trojartva i brodogradnje 5
9.. Provjera intermitencije ukapčanja elektromotora Proračun je proveden uz pretpotavku da prilikom punjenja i pražnjenja premnika, temperatura zraka kontantna i iznoi T. Maa zraka koja izađe iz premnika prilikom potrošnje, jednadžba (): VTS p m R T 5,4 0,6 0 m 87, 300,5 m 0,975 kg Maeni protok dobavnog zraka u premnik, jednadžba (): q md p q R T vd q q md md 5 0 00 3600 87, 300,5 kg 0,0645 Maeni protok zraka za potrošaće: Izraz za omjer potrošnje i dobave qvp γ q vd korištenjem (), uz navedene pretpotavke prelazi u qmp γ. q md Iz toga lijedi traženi maeni protok: q γ q mp md q q mp mp 0,8 0,0645 kg 0,056 Fakultet trojartva i brodogradnje 6
Vrijeme rada kompreora pri punoj potrošnji: Uz ranije navedenu pretpotavku te pretpotavku da e dovedeni tlačeni zrak i zrak za potrošaće nalaze na itom tlaku, izraz preuzet iz [5] V q q τ ( Vd Vp ) u jedotavnim matematičkim operacijama uz korištenje (): m τ u q q md mp τ τ u u 0,975 0,0645 0,056 76 Vrijeme u kojemu je kompreor iključen Jednadžba preuzeta iz [5] τ γ i τ γ u jednotavnim matematičkim operacijama prelazi u oblik: γ τ i τ u γ 0,8 τ i 76 0,8 τ 9 i Učetalot ukapčanja, jednadžba (9): ν τ + τ u ν 3600 76 + 9 ν 37,89 h i - < 60 h - Fakultet trojartva i brodogradnje 7
9.3. Odabir materijala tlačnog premnika Prema uvijetima koje materijal treba zadovoljiti navedenima u [6], odabire e čelik za tlačne poude SPH 35, a vojtvima navedenima u tablici 4. Tablica 4. Svojtva čelika SPH 35, prema [7] granica tečenja N R p 0, 35 mm vlačna čvrtoća N R m 360 mm itezljivot A 5 % udarni rad loma pri ϑ 0 C KV 8 J 9.4. Proračun čvrtoće plašta Proračun čvrtoće plašta vrši e prema [8] Vrijednoti korištene u proračunu: p 6 bar - proračunki tlak ν 0,85 - koeficijent valjanoti zavarenog poja D 800 mm - vanjki promjer cilindričnog dijela plašta v N K Rp 0, 35 - proračunka čvrtoća mm S,5 - tupanj igurnoti c 0,3 mm - dodatak koji uzima u obzir manjenje debljine tijenke c mm - dodatak na koroziju i trošenje Fakultet trojartva i brodogradnje 8
Potrebna debljina tijenke cilindričnog plašta izvrgunta djelovanju unutarnjeg tlaka: e e Dv p + c + c K 0 ν + p S 800 6 + 0,3 + 35 0 0,85 + 6,5 e 3,mm Odabrana debljina tijenke: 4 mm e Unutarnji promjer cilindričnog plašta D u : D D D u u u D e 800 4 79 mm Uvjet koji treba biti zadovoljen za glatke cilindrične i kuglate plašteve: D D v u, 800,0, 79 Fakultet trojartva i brodogradnje 9
Proračun potrebne debljine plašta oko najvećeg priključka: Najveći priključak na plaštu je priključak za tlačni vod DN65, čiji je vanjki promjer priključka d p 76,mm Za određivanje koeficijenta olabljenja potrebni u: 76, ( D + c c ) ( c c ) ( 79 + 4 0,5 ) ( 4 0,5 ) u e d p e,88 i e c c c c 0 Iz dijagrama e na temelju izračunatih vrijednoti: ν 0,55 Potrebna debljina tijenke plašta oko izreza: Dv p e + c + c K 0 ν + p S e 800 6 + 0,3 + 35 0 0,55 + 6,5 e 4, mm Odabrana deljina tijenke plašta: 5 mm e Unutarnji promjer cilindričnog plašta D u : D D u u D u D e 800 5 790 mm Fakultet trojartva i brodogradnje 30
Uvjet koji treba biti zadovoljen za glatke cilindrične i kuglate plašteve: D D v u, 800 790,0, 9.5. Proračun podnica Odabrane u duboke podnice, prikazane na lici Slika 0. Duboka podnica Radiju kalote: R 0,8 D 0,8 800 k v R k 640 mm Radiju torua : R t 0,54 D v 0,54 800 R t 3, mm Područje primjene dubokih podnica: e c c 0,00 D 0, 5 0,5 0,00 0, 800 0,00 0,0044 0, v Fakultet trojartva i brodogradnje 3
9.5.. Određivanje debljine tijenke kalote Kalota je dio podnice koji po geometriji odgovara šupljem kuglinom odječku pa e proračunava po normi za kuglate plašteve [8]. Promjer kalote: D k R k D D k k 640 80 mm Potrebna debljina tijenke kalote: k k Dk p + c + c K 40 ν + p S 80 6 + 0,5 + 35 40 0,85 + 6,5 k,94 mm Odabrana debljina tijenke kalote: k 3 mm 9.5.. Određivanje debljine tijenke torua Proračun e vrši prema [9]. Za određivanje koeficijenta β, korite e: c d t D pt v D v c 0 800 Iz dijagrama: β,35 5 0,5 0,004 800 0. i Fakultet trojartva i brodogradnje 3
Debljina tijenke torua: Dv p β t + c + c K 40 ν S t 800 6,35 + 0,5 + 35 40 0,85 + 6,5 t 3,6 mm Odabrana debljina tijenke: t 4 mm 9.6. Količina kondenzirane vlage u premniku p 0,03564 bar - tlak zaićenja pri ϑ 7 C, prema [3] Parcijalni tlak vodene pare pri tanju uinog voda, jednadžba (4): p p d d ϕ p 0,6 0,03564 p d 0,04 bar Sadržaj vlage pri tanju uinog voda, prema jednadžbi (3): x x x d d d pd 0,6 p p kg 0,036 kg w z d 0,04 0,6 0,04 Fakultet trojartva i brodogradnje 33
Sadržaj vlage zaićenog zraka tanja p, ϑ, (3): x 0,6 p p p x x 0,03564 0,6 6 0,03564 kg 0,0037 kg w z Maeni protok uhog zraka, prema [4]: q m D,SZ q m D ( + x ) d q q m D,SZ m D,SZ 0,0645 ( + 0,036) kg 0,0636 z Količina kondenzirane vlage u premniku: q q m w m w q m D, SZ 0,0636 ( x x ) d ( 0,036-0,0037) q m w kg 0,00063 Fakultet trojartva i brodogradnje 34
0. ZAKLJUČAK Potizanje traženog tlaka u kompreoru za poljedicu ima manjenje volumena komprimiranog plina uz porat temperature prema zakonu politrope. Kako e pritom zrak podiže na višu energetku razinu, nužno je doveti energiju kroz granice utava u obliku rada. Preko elektromotora i tapnog mehanizma kompreora, prenoi e električna energija zraku. Promjenu tlaka otvarujemo linearnim gibanjem tapa u cilindru, tj. periodičkim povećavanjem i manjivanjem radnog volumena u cilindru. Jednadžbe potrebne za proračun onovnih dimenzija kompreora proizlazi iz onovnih zakona termodinamike vezanih uz promjenu tanja idealnih plinova, dok u nazivne vrijednoti određene prema ciljanom području primjene kompreora. Zbog veće nazivne dobave, odabrana je dvocilindarka izvedba kompreora. Zbog što boljeg uravnoteženja ocilirajućih maa, tj. što mirnijeg rada odabran je V rapored cilindara. Važan utjecaj na područje primjene, volumen tlačnog premnika i odabir elektromotora ima razlika tlaka na diferencijalnom preotatu. Njome je definirana intermitencija ukapčanja elektromotora pri makimalnoj potrošnji. Podmazivanje kompreora vrši e prirodnim načinom, tj. rapršivanjem ulja iz kartera u uljnu maglu koja prodire i popunjava zazore. Fakultet trojartva i brodogradnje 35
PRILOZI I. CD-R dic II. Tehnička dokumentacija Fakultet trojartva i brodogradnje 36
LITERATURA []. Galović, Antun: Termodinamika I, IV. izdanje, Fakultet trojartva i brodogradnje,zagreb, 008. []. Recknagel, Hermann; Sprenger, Eberhard; Schramek, Ernt- Rudolf; Čeperković, Zagorka; Čeperković, Stanimir: Grejanje i klimatizacija, Interklima, Vrnjačka Banja, 005. [3]. Halaz, Bori; Galović Antun; Bora Ivanka: Toplinke tablice, Fakultet trojartva i brodogradnje, Zagreb, 007. [4]. Galović, Antun: Termodinamika II, IV. izdanje, Fakultet trojartva i brodogradnje, Zagreb, 007. [5]. Andray, Mladen: Stapni kompreori, Fakultet trojartva i brodogradnje, Zagreb, 004. [6]. Pravilnik o jednotavnim tlačnim poudama, Narodne novine, 003, br.58 [7]. Kraut, Bojan: Strojarki priručnik, XI. izdanje, Sajema d.o.o., Zagreb, 009. [8]. HRN M.E.5, Proračun podnica izvrgnutih unutrašnjem ili vanjkom tlaku [9]. HRN M.E.53, Proračun cilindričnih i kuglatih plašteva izvrgnutih djelovanju unutrašnjeg tlaka Fakultet trojartva i brodogradnje 38