Turbokompresory – princíp činnosti a použitie

Turbokompresory – princíp činnosti a použitie

Turbokompresory patria medzi dynamické kompresory, pri ktorých sa stlačenie plynu dosahuje najskôr zvýšením jeho rýchlosti a následnou premenou časti kinetickej energie na tlak.

Na rozdiel od piestových alebo skrutkových kompresorov teda nepracujú na princípe postupného uzatvárania objemu plynu. Turbokompresor využíva vysokorýchlostné rotujúce obežné koleso – obežné koleso turbokompresora (impeller).

Tento princíp umožňuje dosahovať veľmi vysoké objemové prietoky stlačeného vzduchu a preto sa turbokompresory používajú najmä vo veľkých priemyselných prevádzkach.

Čo je turbokompresor?

Turbokompresor je dynamický kompresor, ktorý odovzdáva plynu mechanickú energiu prostredníctvom vysokootáčkového rotora.

V praxi sa pod označením turbokompresor najčastejšie stretávame s odstredivými (centrifugálnymi) kompresormi. Medzi dynamické kompresory však patria aj axiálne kompresory, pri ktorých vzduch prúdi prevažne v smere osi rotora.

Pre priemyselný stlačený vzduch sú najvýznamnejšie práve odstredivé turbokompresory.

Ich základná funkcia je:

mechanická energia → kinetická energia vzduchu → tlaková energia

Princíp činnosti turbokompresora

Princíp možno zjednodušene rozdeliť do niekoľkých krokov.

1. Nasávanie vzduchu

Vzduch vstupuje do kompresora cez sací systém a smeruje do stredu obežného kolesa.

Pri odstredivom kompresore vstupuje vzduch do obežného kolesa prevažne axiálne.

2. Urýchlenie vzduchu

Rotujúce obežné koleso dodáva vzduchu mechanickú energiu.

Vzduch je pôsobením lopatiek urýchľovaný a smerovaný od stredu obežného kolesa smerom k jeho obvodu.

Výsledkom je vysoká rýchlosť prúdenia a zároveň nárast energie plynu.

3. Difúzor – premena rýchlosti na tlak

Vzduch s vysokou rýchlosťou následne vstupuje do difúzora.

Pri prechode difúzorom sa rýchlosť prúdenia znižuje a časť kinetickej energie sa premieňa na statický tlak. Práve difúzor je preto jednou z kľúčových častí turbokompresora.

Zjednodušene:

vysoká rýchlosť → spomalenie prúdenia → zvýšenie statického tlaku

4. Ďalší kompresný stupeň

Ak jeden stupeň neposkytuje požadovaný tlakový pomer, vzduch pokračuje do ďalšieho obežného kolesa a difúzora.

Pri viacstupňovom turbokompresore sa tlak zvyšuje postupne v jednotlivých stupňoch. Každý stupeň pozostáva z obežného kolesa a nadväzujúceho stacionárneho systému na spomalenie a usmernenie prúdenia.

Základné časti turbokompresora

Typický priemyselný turbokompresor pozostáva z viacerých presne navrhnutých častí.

Obežné koleso – impeller

Je hlavnou rotujúcou časťou kompresora.

Jeho úlohou je odovzdať vzduchu mechanickú energiu a zvýšiť jeho rýchlosť.

Pri priemyselných turbokompresoroch pracuje obežné koleso pri veľmi vysokých otáčkach, preto je jeho aerodynamický a mechanický návrh kritický pre účinnosť a spoľahlivosť stroja.

Difúzor

Difúzor spomaľuje vysokorýchlostný prúd vzduchu a premieňa časť jeho kinetickej energie na statický tlak.

Jeho geometria má výrazný vplyv na účinnosť kompresného stupňa a prevádzkový rozsah kompresora.

Vratný kanál

Pri viacstupňových kompresoroch musí byť vzduch po prechode difúzorom správne nasmerovaný do ďalšieho obežného kolesa.

Na tento účel slúžia vratné kanály a vodiace prvky.

Špirálová skriňa – voluta

Po poslednom stupni zhromažďuje voluta prúd vzduchu a smeruje ho k výstupu kompresora.

Jej tvar ovplyvňuje tlakové straty a rovnomernosť prúdenia.

Rotor a ložiská

Rotor musí pracovať pri vysokých otáčkach s veľmi presným vyvážením.

Používajú sa špeciálne ložiskové systémy podľa konštrukcie konkrétneho kompresora. Pri moderných bezolejových turbokompresoroch sa používajú napríklad vzduchové alebo magnetické ložiská, ktoré eliminujú potrebu klasického mazania v oblasti rotora.

Jednostupňový a viacstupňový turbokompresor

Jednostupňový turbokompresor

Obsahuje jeden hlavný kompresný stupeň.

Je vhodný tam, kde požadovaný tlak možno dosiahnuť v rámci možností jedného obežného kolesa.

Viacstupňový turbokompresor

Pri vyššom požadovanom tlaku sa používa viac kompresných stupňov.

Vzduch postupne prechádza:

obežné koleso → difúzor → vratný kanál → ďalšie obežné koleso

a tlak sa zvyšuje po jednotlivých stupňoch.

Pri viacstupňovej konštrukcii možno dosiahnuť výrazne vyšší výstupný tlak než pri jednom stupni.

Turbokompresor verzus objemový kompresor

Turbokompresory patria medzi dynamické kompresory.

Skrutkové a piestové kompresory patria medzi objemové kompresory.

Parameter Turbokompresor Skrutkový kompresor Piestový kompresor
Princíp Dynamická kompresia Objemová kompresia Objemová kompresia
Hlavný pracovný prvok Obežné koleso Skrutkové rotory Piest
Typický prietok Veľmi vysoký Malý až veľmi vysoký Malý až stredný
Pulzácie Veľmi nízke Nízke Vyššie
Prevádzka Vhodná pre kontinuálnu prevádzku Veľmi univerzálna Často prerušovaná
Veľké priemyselné systémy Veľmi vhodné Vhodné Menej vhodné
Citlivosť na pracovný bod Vyššia Nižšia Nižšia

Tabuľka je všeobecná. Konkrétny pracovný rozsah závisí od konštrukcie, regulácie a prevádzkových podmienok.

Hlavná výhoda: vysoký prietok

Najväčšou výhodou turbokompresorov je schopnosť dodávať veľké množstvo stlačeného vzduchu pri kontinuálnej prevádzke.

Preto sa používajú v prevádzkach, kde je spotreba vzduchu vysoká a relatívne stabilná. Výrobcovia uvádzajú použitie odstredivých kompresorov napríklad v automobilovom, potravinárskom, farmaceutickom, textilnom, energetickom, chemickom a petrochemickom priemysle či pri úprave odpadových vôd.

Regulácia turbokompresora

Pri turbokompresore je veľmi dôležité správne riadenie pracovného bodu.

Dynamický kompresor má určitú stabilnú pracovnú oblasť. Ak prietok klesne pod určitú hranicu, môže dôjsť k nestabilnému prúdeniu.

Jedným z kritických javov je surge – nestabilný stav, pri ktorom môže dôjsť k výraznému kolísaniu alebo dokonca spätnému prúdeniu plynu cez kompresor.

Preto moderné turbokompresory využívajú regulačné systémy, ktoré sledujú prevádzkové parametre a udržiavajú kompresor v bezpečnej oblasti.

Pri návrhu preto nestačí poznať iba maximálnu spotrebu vzduchu. Dôležitý je celý profil spotreby počas prevádzky.

Prečo je profil spotreby pri turbokompresore taký dôležitý?

Toto je jeden z najčastejšie podceňovaných aspektov pri návrhu veľkej kompresorovej stanice.

Ak má výrobný podnik napríklad:

maximálnu spotrebu 20 000 Nm³/h,
ale počas väčšiny času spotrebúva iba 8 000 Nm³/h,

výber kompresora iba podľa maximálnej hodnoty nemusí byť optimálny.

Pri dynamickom kompresore treba posudzovať predovšetkým:

• minimálny prietok,
• nominálny prietok,
• maximálny prietok,
• tlak,
• časový priebeh spotreby,
• možnosti regulácie,
• počet kompresorov v stanici.

Preto má pri veľkých systémoch vysokú hodnotu meranie skutočnej spotreby stlačeného vzduchu pred návrhom novej kompresorovej stanice.

Bezolejové turbokompresory

Významnou oblasťou sú bezolejové odstredivé kompresory.

Pri správne navrhnutej konštrukcii nedochádza ku kontaktu klasicky mazaných mechanických prvkov s kompresným priestorom rovnakým spôsobom ako pri olejom vstrekovaných skrutkových kompresoroch.

Moderné konštrukcie môžu využívať napríklad vzduchové alebo magnetické ložiská.

To je významné najmä pri aplikáciách, kde je požadovaná vysoká čistota stlačeného vzduchu.

Kde sa turbokompresory používajú?

Turbokompresory nachádzajú uplatnenie predovšetkým tam, kde je potrebné veľké množstvo stlačeného vzduchu.

Automobilový priemysel

Stlačený vzduch sa používa v pneumatických systémoch, výrobných linkách, pri lakovaní, manipulácii a rôznych technologických procesoch.

Potravinársky priemysel

Stlačený vzduch môže byť súčasťou výrobných, baliacich a manipulačných procesov. Pri kontakte vzduchu s produktom je potrebné presne definovať požadovanú kvalitu vzduchu.

Farmaceutický priemysel

V tejto oblasti je kvalita stlačeného vzduchu mimoriadne dôležitá. Použitie bezolejového turbokompresora môže byť vhodné tam, kde technológia vyžaduje vysokú čistotu vzduchu.

Chemický a petrochemický priemysel

Turbokompresory sa používajú v rôznych technologických procesoch a pri kompresii procesných plynov.

Energetika

Kompresory sú súčasťou mnohých energetických a technologických systémov.

Úpravne vody

Stlačený vzduch sa používa napríklad pri aerácii v čistiarňach odpadových vôd.

Výroba a spracovanie plastov

Stlačený vzduch sa používa pri pneumatickej manipulácii, riadení strojov, výrobe a ďalších procesoch.

Turbokompresor a energetická účinnosť

Pri veľkých kompresorových staniciach predstavuje elektrická energia často najväčšiu časť celkových prevádzkových nákladov.

Preto je pri výbere turbokompresora potrebné sledovať nielen:

výkon elektromotora [kW]

ale predovšetkým:

špecifickú spotrebu energie vzhľadom na dodávané množstvo stlačeného vzduchu.

Účinnosť odstredivého kompresora závisí od veľkosti, konštrukcie a pracovného bodu. Atlas Copco uvádza pri svojich materiáloch všeobecný rozsah približne 70–85 %, pričom konkrétna hodnota závisí od veľkosti a strát v stroji. Tento údaj preto nemožno prenášať na každý turbokompresor.

Pri porovnávaní technológií je vhodnejšie vychádzať z údajov konkrétneho výrobcu a konkrétneho pracovného bodu.

Výhody turbokompresorov

Medzi hlavné výhody patria:

• veľmi vysoký prietok stlačeného vzduchu,
• vhodnosť pre kontinuálnu prevádzku,
• nízke tlakové pulzácie,
• vysoká účinnosť pri správne zvolenom pracovnom bode,
• vhodnosť pre veľké priemyselné aplikácie,
• možnosť viacstupňovej kompresie,
• dostupnosť bezolejových riešení.

Pri veľkých a stabilných odberoch môže turbokompresor predstavovať veľmi efektívne riešenie.

Nevýhody a obmedzenia

Turbokompresor však nie je univerzálnou technológiou.

Vyššia citlivosť na zmenu prietoku

Dynamické kompresory majú charakteristickú pracovnú oblasť. Pri výraznom poklese prietoku je potrebné zabezpečiť správnu reguláciu a ochranu proti nestabilným prevádzkovým stavom.

Vyššie nároky na návrh

Pri veľkých turbokompresorových staniciach je potrebné riešiť:

• sacie potrubie,
• filtráciu nasávaného vzduchu,
• reguláciu,
• chladenie,
• kondenzát,
• odvádzanie tepla,
• ochranu proti surge,
• riadenie celej kompresorovej stanice.

Ekonomika pri malom odbere

Ak je spotreba stlačeného vzduchu malá alebo výrazne premenlivá, turbokompresor nemusí byť ekonomicky vhodným riešením.

V takom prípade môže byť vhodnejší skrutkový kompresor alebo kombinácia viacerých kompresorov.

Turbokompresor, skrutkový alebo piestový kompresor?

Správna otázka nie je:

„Ktorý kompresor je najlepší?"

Správna otázka je:

„Ktorá kompresorová technológia je najvhodnejšia pre konkrétny profil spotreby?"

Turbokompresor

Najmä:

veľký a stabilný prietok + kontinuálna prevádzka

Skrutkový kompresor

Najmä:

široký rozsah priemyselných aplikácií + premenlivá spotreba + flexibilná regulácia

Piestový kompresor

Najmä:

menšie prietoky + vyššie tlaky + prerušovaná prevádzka alebo špecifické aplikácie

Konkrétny výber musí vždy vychádzať z technických parametrov a reálneho profilu spotreby.

Úprava stlačeného vzduchu za turbokompresorom

Ani turbokompresor automaticky nezabezpečuje požadovanú kvalitu stlačeného vzduchu.

Po kompresii je potrebné podľa aplikácie riešiť:

• dochladzovanie,
• separáciu kondenzátu,
• filtráciu,
• sušenie,
• skladovanie,
• prípadne ďalšiu úpravu vzduchu.

Výber sušičky závisí od požadovaného tlakového rosného bodu.

Pri náročných aplikáciách môže byť potrebná kombinácia viacerých filtračných a sušiacich stupňov.

Ako vám môže pomôcť ATSK?

Pri veľkej kompresorovej stanici je nesprávne vyberať turbokompresor iba podľa požadovaného maximálneho výkonu.

ATSK môže pri návrhu vyhodnotiť najmä:

• reálnu spotrebu stlačeného vzduchu,
• tlakové požiadavky,
• časový profil spotreby,
• minimálny a maximálny odber,
• tlakové straty,
• požadovanú kvalitu vzduchu,
• potrebu záložného výkonu,
• možnosti regulácie,
• energetickú náročnosť,
• možnosti spätného získavania tepla.

Pri väčších prevádzkach má význam najskôr zmerať skutočný profil spotreby a až následne rozhodovať o technológii a počte kompresorov.

Takýto postup môže zabrániť predimenzovaniu kompresorovej stanice a zbytočnej spotrebe elektrickej energie.

Záver

Turbokompresory predstavujú technológiu určenú predovšetkým pre veľké objemy stlačeného vzduchu a kontinuálnu priemyselnú prevádzku.

Ich princíp je založený na vysokorýchlostnom obežnom kolese, ktoré odovzdáva vzduchu kinetickú energiu. Difúzor následne premieňa významnú časť tejto energie na statický tlak. Pri viacstupňovej konštrukcii sa tlak zvyšuje postupne v niekoľkých kompresných stupňoch.

Najväčší význam majú turbokompresory tam, kde je:

• vysoká spotreba stlačeného vzduchu,
• dlhá alebo nepretržitá prevádzka,
• relatívne stabilný odber,
• požiadavka na nízke pulzácie,
• požiadavka na vysokú energetickú účinnosť pri správnom pracovnom bode.

Pri návrhu veľkej kompresorovej stanice však rozhoduje predovšetkým reálny profil spotreby. Technicky kvalitné riešenie preto začína meraním a analýzou spotreby, nie výberom konkrétneho typu kompresora.