Kaasukompressori: toiminta, tyypit ja erot pumpuihin

Kaasukompressoreita on monenlaisia. Kaksi pääluokkaa ovat:

• Kahdessa alaluokassa olevat syrjäytymiskompressorit:
• Mäntämoottori
• Rotary
• Dynaamiset kompressorit, joilla on myös kaksi alaluokkaa:
• Keskipakoisvoima
• Aksiaalinen

Seuraavassa käsitellään kunkin neljän alaluokan tärkeimpiä tyyppejä.

Keskipakokompressorit

Keskipakokompressoreissa käytetään muotoillussa kotelossa olevaa siipipyöräistä pyörivää levyä tai juoksupyörää, joka pakottaa kaasun juoksupyörän reunalle, jolloin kaasun nopeus kasvaa. Diffuusoriosa (divergenttikanava) muuntaa nopeusenergian paine-energiaksi. Niitä käytetään pääasiassa jatkuvaan, kiinteään käyttöön teollisuudessa, kuten öljynjalostamoissa, kemian ja petrokemian laitoksissa ja maakaasun käsittelylaitoksissa. Niiden käyttökohteet voivat olla 100 hevosvoimasta (75 kW) tuhansiin hevosvoimiin. Moninkertaisen porrastuksen avulla niillä voidaan saavuttaa erittäin korkeita, yli 69 MPa:n (10 000 psi) lähtöpaineita.

Monet suuret lumityöt (kuten hiihtokeskukset) käyttävät tämäntyyppistä kompressoria. Niitä käytetään myös polttomoottoreissa ahtimina ja turboahtimina. Keskipakokompressoreita käytetään pienissä kaasuturbiinimoottoreissa tai keskikokoisten kaasuturbiinien viimeisenä puristusvaiheena.

Diagonaali- tai sekavirtauskompressorit

Diagonaali- tai sekavirtauskompressorit ovat samankaltaisia kuin keskipakokompressorit, mutta niissä on radiaali- ja aksiaalinen nopeuskomponentti roottorin ulostulossa. Diffuusoria käytetään usein kääntämään diagonaalivirtaus aksiaaliseen suuntaan. Diagonaalikompressorissa on halkaisijaltaan pienempi diffuusori kuin vastaavassa keskipakokompressorissa.

Aksiaalivirtauskompressorit

Aksiaalivirtauskompressoreissa kaasuvirta puristetaan asteittain useiden tuulettimen kaltaisten pyörivien roottorin lapojen avulla. Kunkin roottorin alapuolella sijaitsevat paikallaan olevat staattorin siivet ohjaavat virtauksen seuraavaan roottorin siipisarjaan. Kaasukäytävän pinta-ala pienenee kompressorin läpi, jotta aksiaalinen Machin luku pysyy suunnilleen vakiona. Aksiaalivirtauskompressoreita käytetään tavallisesti suuren virtauksen sovelluksissa, kuten keskisuurissa ja suurissa kaasuturbiinimoottoreissa. Ne ovat lähes aina moniportaisia. Kun suunnittelupainesuhde on yli 4:1, käytetään usein muuttuvaa geometriaa toiminnan parantamiseksi.

Mäntäkompressorit

Mäntäkompressoreissa käytetään mäntiä, joita kampiakseli liikuttaa. Ne voivat olla joko kiinteitä tai kannettavia, yksi- tai moniportaisia ja niitä voidaan käyttää sähkö- tai polttomoottoreilla. Pieniä mäntäkompressoreita, joiden teho on 5-30 hevosvoimaa (hv), käytetään yleisesti autosovelluksissa, ja ne ovat tyypillisesti ajoittaisessa käytössä. Suurempia, jopa 1000 hv:n mäntäkompressoreita käytetään edelleen yleisesti suurissa teollisuussovelluksissa, mutta niiden määrä on vähenemässä, kun ne korvataan erilaisilla muilla kompressorityypeillä. Purkauspaineet voivat vaihdella matalapaineesta erittäin korkeaan paineeseen (>5000 psi tai 35 MPa). Tietyissä sovelluksissa, kuten ilmanpaineistuksessa, monivaiheisten kaksitoimisten kompressorien sanotaan olevan tehokkaimpia saatavilla olevia kompressoreita, mutta ne ovat tyypillisesti suurempia, meluisampia ja kalliimpia kuin vastaavat pyörivät yksiköt.

Ruuvikompressorit

Kiertoruuvikompressoreissa käytetään kahta toisiinsa kietoutunutta, pyörivää, positiivisen siirtymän omaavaa kierukkaruuvia, jotka pakottavat kaasun pienempään tilaan. Niitä käytetään yleensä jatkuvaan toimintaan kaupallisissa ja teollisissa sovelluksissa, ja ne voivat olla joko kiinteitä tai kannettavia. Niiden käyttökohteet voivat vaihdella 3 hv:stä (2,24 kW) yli 500 hv:iin (375 kW) ja matalapaineesta erittäin korkeaan paineeseen (>1200 psi tai 8,3 MPa). Niitä nähdään yleisesti tienvarsikorjausryhmissä paineilmatyökalujen voimanlähteenä. Tätä tyyppiä käytetään myös monissa autojen moottoreiden ahtimissa, koska se on helppo sovittaa mäntämoottorin imutehoon.

Scroll-kompressorit

Kierukkakompressori, joka tunnetaan myös nimellä kierukkapumppu ja kierukkatyhjiöpumppu, käyttää kahta toisiinsa lomitettua kierukkamaista siipeä nesteiden, kuten nesteiden ja kaasujen, pumppaamiseen tai puristamiseen. Siipien geometria voi olla evolventti, arkimedeeninen spiraali tai hybridikäyrä. Ne toimivat tasaisemmin, hiljaisemmin ja luotettavammin kuin muuntyyppiset kompressorit.

Usein toinen kääröistä on kiinteä, kun taas toinen pyörii eksentrisesti pyörimättä, jolloin nestetaskut jäävät kääröjen väliin ja pumppaavat tai puristavat niitä.

Kalvokompressorit

Kalvokompressori (tunnetaan myös nimellä kalvokompressori) on perinteisen mäntäkompressorin muunnos. Kaasun puristaminen tapahtuu imuosan sijasta joustavan kalvon liikkeen avulla. Kalvon edestakaista liikettä ohjaa tanko ja kampiakselimekanismi. Ainoastaan kalvo ja kompressorikotelo joutuvat kosketuksiin puristettavan kaasun kanssa.

Kalvokompressoreita käytetään vedyn ja paineistetun maakaasun (CNG) sekä useissa muissa sovelluksissa.

Sekalaista

Suurelle yleisölle myytävät ja sen käyttämät paineilmakompressorit on usein kiinnitetty säiliön päälle, jossa paineilmaa säilytetään. Saatavilla on öljyvoideltuja ja öljyttömiä kompressoreita. Öljyttömät kompressorit ovat toivottavia, koska ilman oikein suunniteltua erotinta öljyä voi päästä ilmavirtaan. Joissakin käyttötarkoituksissa, esimerkiksi sukellusilmakompressorissa, pienikin määrä öljyä ilmavirrassa ei ole hyväksyttävää.

Charlesin lain mukaan "kun kaasu puristetaan, lämpötila nousee". Lämpötilan ja paineen välillä on kolme mahdollista suhdetta kaasutilavuudessa, jota puristetaan:

• Isoterminen - kaasun lämpötila pysyy vakiona koko prosessin ajan. Tässä syklissä sisäinen energia poistuu järjestelmästä lämpönä samalla nopeudella kuin sitä lisätään puristamisen mekaanisella työllä. Isotermistä puristusta tai paisumista suosii suuri lämmönvaihtopinta, pieni kaasun tilavuus tai pitkä aikaskaala (eli pieni teho). Käytännön laitteissa isotermistä puristusta ei yleensä voida saavuttaa. Esimerkiksi jopa polkupyörän rengaspumppu kuumenee käytön aikana.
• Adiabaattinen - Tässä prosessissa ei tapahdu lämmönsiirtoa järjestelmään tai järjestelmästä, ja kaikki syötetty työ lisätään kaasun sisäiseen energiaan, mikä johtaa lämpötilan ja paineen nousuun. Teoreettinen lämpötilan nousu on T₂ = T₁ -R_c^((k-1)/k)) , jolloin T₁ ja T ₂ovat Rankine-asteina tai kelvineinä ja k = ominaislämpöjen suhde (noin 1,4 ilmalle). Ilman ja lämpötilan suhteen nousu tarkoittaa, että puristus ei noudata yksinkertaista paineen ja tilavuuden suhdetta. Tämä on tehottomampaa, mutta nopeaa. Adiabaattista puristusta tai paisumista suosii hyvä eristys, suuri kaasun tilavuus tai lyhyt aikaskaala (eli suuri teho). Käytännössä lämpövirtausta on aina jonkin verran, sillä täydellisen adiabaattisen järjestelmän toteuttaminen edellyttäisi koneen kaikkien osien täydellistä lämpöeristystä.
• Polytrooppinen - Tässä oletetaan, että lämpö voi tulla järjestelmään tai poistua siitä ja että syöttöakselin työ voi näkyä sekä paineen nousuna (yleensä hyödyllinen työ) että adiabaattista lämpötilaa korkeampana lämpötilana (yleensä syklin hyötysuhteesta johtuvat häviöt). Syklin hyötysuhde on tällöin teoreettisen 100 prosentin lämpötilan nousun (adiabaattinen) ja todellisen (polytrooppinen) lämpötilan nousun suhde.

Koska puristus tuottaa lämpöä, puristettua kaasua on jäähdytettävä vaiheiden välillä, jolloin puristus on vähemmän adiabaattinen ja enemmän isoterminen. Vaiheiden väliset jäähdyttimet aiheuttavat kondensoitumista, minkä vuoksi niissä on vedenerottimet, joissa on tyhjennysventtiilit. Kompressorin vauhtipyörä voi käyttää jäähdytyspuhallinta.

Esimerkiksi tyypillisessä sukelluskompressorissa ilma puristetaan kolmessa vaiheessa. Jos jokaisen vaiheen puristussuhde on 7:1, kompressori voi tuottaa 343 kertaa ilmakehän paineen (7 x 7 x 7 = 343 ilmakehää).

Kaasukompressoreita käytetään erilaisissa sovelluksissa, joissa tarvitaan joko suurempia paineita tai pienempiä kaasumääriä:

• puhdistetun maakaasun putkijohtokuljetukset, joilla kaasu siirretään tuotantopaikalta kuluttajalle.
• öljynjalostamoissa, maakaasun käsittelylaitoksissa, petrokemian ja kemian laitoksissa ja vastaavissa suurissa teollisuuslaitoksissa väli- ja lopputuotekaasujen paineistamiseen.
• jäähdytys- ja ilmastointilaitteissa lämmön siirtämiseksi paikasta toiseen kylmäainekierrossa: katso höyrynpuristusjäähdytys.
• kaasuturbiinijärjestelmissä imupolttoilman puristamiseksi.
• puhdistettujen tai valmistettujen kaasujen varastoinnissa pienessä tilavuudessa, korkeapainepulloissa lääkintä-, hitsaus- ja muihin tarkoituksiin.
• monissa erilaisissa teollisuus-, valmistus- ja rakennusprosesseissa kaikenlaisten pneumaattisten työkalujen voimanlähteenä.
• energiansiirtovälineenä, esimerkiksi pneumaattisten laitteiden käyttövoimana.
• paineistetuissa ilma-aluksissa, jotta saadaan aikaan hengitettävä ilmakehä, jonka paine on korkeampi kuin ympäristön paine.
• joissakin suihkumoottorityypeissä (kuten suihkuturbiinimoottoreissa ja turbokoneissa), jotta moottorin polttoaineen palamiseen tarvittava ilma saadaan tuotettua. Polttoilmakompressorin käyttövoima saadaan suihkukoneen omista turbiineista.
• SCUBA-sukelluksessa, ylipainehappihoidossa ja muissa elämää ylläpitävissä laitteissa hengityskaasun varastoimiseksi pieneen tilavuuteen, kuten sukelluspulloihin.
• sukellusveneissä ilman varastoimiseksi myöhempää käyttöä varten.
• turboahtimissa ja ahtimissa polttomoottoreiden suorituskyvyn lisäämiseksi keskittämällä happea.
• rautatieliikenteessä ja raskaassa tieliikenteessä paineilman tuottamiseksi jarrujen ja erilaisten muiden järjestelmien (ovet, tuulilasinpyyhkimet, moottorin/vaihteiston ohjaus jne.) toimintaan.
• sekalaisiin käyttötarkoituksiin, kuten paineilman tuottamiseen ilmarenkaiden täyttämiseen.

• Pneumatiikka
• Pumppu
• Ilmapumppu