RO130368A2 - Compresoare semidinamice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de comprimare a gazelor şi vaporilor, şi la un compresor semidinamic, în care sunt utilizate simultan stabilitatea şi manevrabilitatea compresoarelor volumice, cu viteza de desfăşurare a proceselor din dispozitivele dinamice, rezultatul cel mai important fiind obţinerea unei game largi de transformări termodinamice, comprimări politropice cu un exponent politropic prestabilit, chiar unitar sau subunitar, care să se desfăşoare cu viteză mare. Procedeul conform invenţiei se compune dintr-un rezervor () cameră de comprimare prevăzut cu un piston solid, sau cu unul lichid, în care, după admisia gazului de lucru, este introdusă, prin laminare controlată, cu ajutorul unui dispozitiv () de alimentare, o anumită cantitate a aceluiaşi gaz, având tot timpul o presiune superioară asupra gazului din rezervor () cameră de comprimare, până la atingerea presiunii dorite, după care cantitatea totală de gaz este evacuată prin supapa de refulare, pistonul din incinta rezervorului () cameră de comprimare deplasându-se numai în timpul admisiei şi refulării gazului din compresor, şi în timpul desfăşurării procesului de laminare, separând în permanenţă rezervorul () cameră de comprimare cu volum variabil, de un rezervor de control în care presiunea se menţine egală cu cea din rezervorul () cameră de comprimare, în acest fel gazul de lucru efectuând un lucru mecanic pentru comprimarea gazului din rezervorul de control. Compresorul conform invenţiei se compune dintr-un rezervor () cameră de comprimare şi dintr-un dispozitiv () de alimentare, ce asigură crearea unei diferenţe de presiune pozitive între presiunea din avalul

Description

COMPRESOARE SEMIDINAMICE

Prezenta invenție descrie un procedeu original de comprimare a gazelor și vaporilor, procedeu care poate înlocui cu succes oricare din procedeele clasice de comprimare din stadiul actual al tehnicii. Ca urmare, el poate fi aplicat pentru orice gaz, pentru orice gama de temperaturi Și de presiuni Și pentru orice debite, dar avantajele sale sunt cel mai bine puse în evidența la comprimarea izotermica a debitelor mari de gaze. In stadiul actual al tehnicii, comprimarea gazelor și vaporilor se realizează cu o gama larga de tipuri de compresoare care, după principiul de funcționare pot fi împărțite în doua categorii:

- compresoare volumice, la care comprimarea se bazeaza pe interacțiunea dintre gaz Și unul, sau mai multe organe mobile

- compresoare dinamice, la care comprimarea se bazeaza pe interacțiunea gaz-gaz, o tranșa de gaz considerata ca având o anumita presiune, fiind pistonul ce acționează asupra tranșei de gaz din aval

Compresorul semidinamic este un compresor în care sunt utilizate simultan ambele tipuri de procese, combinând în acest fel, avantajele (și, uneori dezavantalele) lor : stabilitatea Și manevrabilitatea compresoarelor volumice, cu viteza de desfășurare a proceselor din dispozitivele dinamice, rezultatul cel mai important fiind obținerea unei game largi de transformări termodinamice (comprimări politropice cu un exponent politropic prestabilit, chiar unitar sau subunitar) care sa se desfaȘoare cu viteza mare. Aceasta face ca acest tip de comprimare sa satisfaca în cel mai înalt grad, exigențele cerute de procesele de comprimare din industria chimica și petroliera, din rețelele de stocare și transport a gazelor, din sistemele modeme de stocare a energiei (de exemplu CAES), din motoarele termice, pompele de căldură Și instalațiile frigorifice în ale căror cicluri de funcționare se dorește Și obținerea unor transformări izotermice, etc. In ceea ce privește dispozitivele care funcționează cu ciclu inversat, compresorul semidinamic poate transforma în energie mecanica energia interna a unui sistem de gaze. In consecința, utilizarea procedeului de comprimare propus de către invenția descrisa în continuare, duce la economisirea de mari cantități de energie Și la posibilitatea de valorificare superioara a resurselor energetice disponibile, cu precădere a celor regenerabile.

Ca dezavantaj, trebuie specificat prețul de cost mai mare al noului procedeu, rezultat al faptului ca un compresor semidinamic cu un anumit debit este compus din ccl puțin doua aparate din stadiul actual al tehnicii, dimensionate corespunzător acestui debit.

Descrierea invenției se va face in legătură cu următoarele figuri:

- fig. 1: camera de comprimare CC. A: cu piston solid, B: cu piston lichid

- fig. 2: camera de comprimare controlata CCC. A: cu piston solid, B: cu piston lichid

- fig. 3: dispozitive de alimentare DA. A: cu compresor, B: cu rezervor sub presiune constanta

- fig. 4: compresor semidinamic CS cu CC cu volum fix cu DA cu compresor Și turbina

- fig. 5: compresor cu piston de gaz cu comprimare semidinamica cu volum variabil CV cu coeficient politropic supraunitar

- fig. 6: schema de principiu a compresorului cu piston de gaz cu comprimare semidinamica cu volum variabil CV cu coeficient politropic subunitar

- fig. 7: compresoare semidinamice CS cu volum variabil CV

- fig. 8 : compresor semidinamic CS cu control prin came CM Și prin generatoare electrice liniare CL, cu recuperare de entalpie

- fig. 9 : compresor izotermic cu piston lichid

-2013 01045-3 0 -12- 2013

- fig. 9 : CS izotermic monoterm

In toate aceste figuri am folosit următoarele notatii :

- camera de comprimare

2- piston

3- camera de control

4- turbina cu sarcina variabila

5- compresor de alimentare

6- rezervor (boiler) cu presiune constanta

N.i - elementul i al subansamblului N

Componenta principala a oricărui compresor semidinamic CS este camera de comprimare CC, o incinta închisa în care are loc comprimarea dinamica (o interacțiune gazgaz) a gazului de lucru (Fig.l). Aceasta camera poate fi un rezervor 1 în care se găsește, la o presiune inițiala p_a, gazul ce trebuie comprimat. In cele mai multe configurații, rezervorul este bine izolat termic fața de exterior. Acest rezervor poate fi și cilindrul unui compresor din stadiul tehnicii (Fig.IA). Printr-un orificiu practicat în pereții rezervorului (un orificiu de acest fel este, în același timp, ventil de laminare), la deschiderea automata, sau comandata a unei supape 1.1, sau a unui robinet 1.2, este admis în rezervor gaz de lucru având tot timpul o presiune superioara celei a gazului aflat în rezervor în momentul admisiei, astfel încât între cele doua rezervoare exista în permanența o diferența de presiune Δρ. Admisia gazului în rezervor se face întotdeauna printr-un proces de laminare, a cărui intensitate depinde de marimea lui Δρ Și de aria secțiunii orificiului. In același timp, procesul de laminare creeaza o bariera de separare între rezervor Și sistemul din aval de orificiul de laminare și introduce un defazaj între evoluțiile parametrilor celor doua sisteme. Ca urmare, între procesele termodinamice care au loc în cele doua medii nu exista o interacțiune nemijlocita, iar parametrii de stare ai celor doua sisteme (temperatura, volum specific Și chiar presiune) pot varia după legi diferite, în funcție de valorile acestor parametrii, spre deosebire de sistemele care nu sunt separate de o astfel de bariera, în care procesul de uniformizare a presiunilor Și temperaturilor este un proces extins la scara sistemului reunit. O modificare a unui parametru în unul din cele doua sisteme este resimțita aproape instantaneu în tot sistemul respectiv, dar în celalalt sistem este resimțita numai prin consecințele pe care le are asupra modificării temperaturii, vitezei de curgere Și a debitului gazului ce trece prin orificiul de laminare. De exemplu, acțiunea de comprimare exercitata de un piston în aval de conducta de aspirație nu are consecințe directe Și nu se desfaȘoara în aceeași parametrii Și în camera de comprimare, aȘa cum s-ar întâmpla în cazul unui orificiu cu secțiune mare, cu laminare neglijabila. Ba mai mult, ventilul de laminare poate separa doua rezervoare diferite, cu caracteristici constructive diferite: pereți din materiale diferite, grad diferit de izolare termica, mediu exterior diferit, etc.

Admisia încetează în momentul în care în camera de comprimare se atinge presiunea dorita p_r. Evacuarea gazului comprimat din camera de comprimare se poate face cu un piston solid 2, printr-un orificiu de evacuare (care poate fi același cu cel de admisie), sau cu un piston lichid 2.1 (Fig.l: A: cu piston solid, B: cu piston lichid), caz în care orificiul de evacuare 1.1, sau 1.2 se amplaseaza în aȘa fel încât sa se asigure evacuarea completa a gazului comprimat (în acest caz, rezervorul poate lua orice forma).

In unele din configurațiile pe care le vom descrie, pistonul 2, sau 2.1 este folosit numai în fazele de admisie Și de evacuare a gazului din rezervor, dar în alte configurații (Fig. 2; A: cu piston solid, B: cu piston lichid) el se va deplasa Și în timpul fazei de comprimare, caz în care va efectua un lucru mecanic. In aceste cazuri, pistonul va desparți rezervorul 1 de un alt rezervor 3

-2013 01045-3 0 -12- 2013 (rezervor de control RC), în care se găsește gazul de lucru, sau un alt gaz, ai cărui parametrii sunt aleși în funcție de destinația instalației și a cărui umplere și golire se fac prin supapele 3.1 (sau robineții 3.2). RC asigura un control pneumatic CP al temperaturii din CC (prin controlul presiunii din aceasta incinta). In timpul comprimării, lucrul mecanic la arbore este nul, dar energia mecanica produsa în camera de comprimare este acumulata în presiunea gazului din camera de control și este extrasa prin destinderea acestui gaz. De asemenea, pe piston poate fi aplicata o forța rezistenta suplimentara, lucrul mecanic produs fiind cules la arbore. Exista Și alte modalități de a controla temperatura Și presiunea din CC care vor fi descrise în prezentarea altor configurații de CS (figurile 6, 7 Și 8) Și oricare din ele se poate folosi în oricare din configurații. Rolul principal pe care îl îndeplinește controlul deplasării pistonului 2 este ca, prin lucrul mecanic pe care îl executa forța F care se opune deplasării lui (Fig. 6) sa fie micȘorata partea de entalpie a agentului de lucru care se transforma în căldură. Marimea acestui lucru mecanic Și momentul în care este absorbit din sistem, care depind de tipul de control ales, influențează semnificativ evoluția temperaturii din CC.

Compresorul semidinamic CS se compune dintr-o camera de comprimare CC Și un dispozitiv de alimentare DA care asigura satisfacerea condiției enunțate anterior : creearea unei diferențe de presiune pozitive între presiunea din avalul Și cea din amontele orificiului de laminare. Ca urmare, exista o gama larga de posibilități de construire a dispozitivelor de alimenatare, particularitățile tehnice ale fiecărui tip de dispozitiv având o influența directa asupra ansamblului CS și determinând regimuri diferite de funcționare, fiecare dintre ele adecvate unui anumit scop, propus încă din faza de proiectare. Vom analiza, în continuare, câteva tipuri de configurații posibile Și domeniul respectiv de utilizare.

1.1. CS CV-DD. Compresoare semidinamice cu camera de comprimare cu volum constant Și dispozitiv de alimentare cu destindere directa (Fig. 3). Dispozitivul de alimentare al acestui tip de compresor creeaza o presiune p,. constanta la intrarea în orificiul de laminare 1.1. La deschiderea ventilului de laminare, gazul de lucru se destinde în ventil, izentalpic Și izotermic, până la presiunea din momentul respectiv din camera de comprimare CC (inițial, egala cu p„), comprimând gazul aflat în acest rezervor până la presiunea p_r. Energia interna a gazului din CC crește cu o valoare egala cu entalpia gazului transferat prin orificiu. Rezultatul final este asemanator celui al încălzirii unui gaz sub presiune constanta, dar nu cu producere de lucru mecanic util corespunzător acestui tip de transformare, ci cu transformarea în căldură a energiei mecanice primita de piston din exterior. In Fig.3 C am reprezentat într-o diagrama T-s, evoluția parametrilor gazului aflat inițial în CC, evoluție caracteristica unei comprimări politroplce cu exponent politropic variabil (curba 2-3). In cazul particular, al unei CC inițial vidata, se transfera un volum V de gaz, mai mic decât volumul CC, a cărui energie interna crește cu o valoare Vp_r. Aceasta situație se întâlnește în instalațiile din stadiul tehnicii la umplerea rezervoarelor. In Fig. 3 am reprezentat doua variante constructive, cu doua tipuri diferite de DA:

1.1. A. CS CV-DAC (Fig. 3A) : DA cu compresor cu piston. După ce aspira o cantitate de gaz dintr-un rezervor (sau din atmosfera) Și după ce îl comprima până la presiunea p,- (sau gazul aspirat are deja acasta presiune), pistonul 5.2 al compresorului 5 împinge aceasta cantitate prin supapa de refulare 5.1, în aȘa fel încât presiunea gazului din compresor sa nu se mai modifice, astfel încât la intrarea în ventilul 1.1 presiunea se menține constranta. Evoluția parametrilor gazului din CC este redata prin curba 2-3 din Fig. 3C. Un proces de acest tip apare la refularea gazului comprimat în orice compresor cu piston, atunci când rezervorul de stocare a gazului comprimat nu este un rezervor cu presiune constanta: daca în momentul refulării, volumul de stocare nu crește cu o valoare egala cu cea a gazului refulat, sau daca din rezervor nu este extras

0 -12- 2Î13

un volum egal de gaz, procesul de refulare se transforma în unul de comprimare i. gazului din rezervorul de stocare, comprimare care poate fi politropica, sau semidinamica, ambele ducând la un consum suplimentar de energie mecanica și la creșterea temperaturii din rezervorul de stocare.

Intr-o alta varianta constructiva, în care diferă doar modul în care sunt comandate supapele, presiunile inițiale din compresor Și din CC sunt egale, iar supapa 5.1 se deschide chiar din momentul în care începe deplasarea pistonului 5.2, simultan cu supapa de admisie a camerei de comprimare 1. Viteza de deplasare a pistonului 5.2 este astfel calculata, încât volumul maturat de el într-un interval oarecare de timp, sa fie cel puțin egal cu volumul gazului ce părăsește cilindrul în acest interval (prin aceasta condiție am impus, de fapt ca, în timpul comprimării, presiunea din compresor sa fie mai mare decât cea din camera de comprimare). Un control foarte exact al vitezei pistonului (de exemplu, printr-un sistem de came ca cel prezentat în Fig.8 Și 9, sau printr-un sistem cu motoare electrice liniare, ca cel prezentat în Fig.8, curba de variație a vitezei pistonului fiind determinata analitic) permite menținerea diferenței de presiune dintre rezervorul de alimentare Și camera de comprimare la o valoare cât mai mica, astfel încât pierderile ireversibile de energie mecanica cauzate de procesul de laminare (pierderi ce duc la creșterea temperaturii din camera de comprimare) sa fie cât mai reduse. Temperatura finala a gazului din CC depinde de exponentul politropic al comprimării din compresorul 5. Evoluția parametrilor gazului din CC este redata prin curba 1-2 din Fig. 3D.

1.1. B. CS CV-DAR (Fig. 3B) : DA cu rezervor sub presiune constanta. Procesul de comprimare începe o data cu deshiderea supapei 6.1 a unui rezervor 6 în care presiunea este menținută la o valoare p_r. Aceasta presiune se menține Și la intrarea în ventilul 1.1 al CC. Ca și în cazul anterior, gazul din CC este comprimat până la presiunea p_r, iar la sfârșitul comprimării, energia interna a gazului din CC este egala cu suma dintre energia interna a gazului aflat inițial în CC Și entalpia gazului ce trece prin ventilul de laminare. In Fig.3 C am reprezentat într-o diagrama T-s, evoluția parametrilor gazului aflat inițial în CC, evoluție caracteristica unei comprimări politroplce cu exponent politropic variabil, mai mare pe toata durata comprimării decât exponentul adiabatic (curba 2-3).

1.2. CS CV-DAT (Fig. 4A): Compresoare semidinamice cu camera de comprimare cu volum constant și dispozitiv de alimentare cu turbina. Din punct de vedere practic, tipurile de CS analizate anterior nu prezintă mult interes practic, datorita exponentului politropic mare al comprimării. Pentru reducerea acestuia, vom introduce în configurația DA analizate anterior, o turbina cu sarcina variabila 4 (Fig. 4 A), care va consuma o mare parte din entalpia gazului din rezervor pentru a produce lucru mecanic util. Pentru pastrarea stabilității turbinei, compresorul 6.2 intoduce, atunci când este necesar, o suprapresiune la intrarea turbinei, în aȘa fel încât aceasta sa fie în permanența suficient de mare în raport cu presiunea de la ieșirea ei. DiagramaTs din Fig. 4B prezintă evoluția parametrilor gazului din pistonul de gaz (curba 1-2-3) și pe cea a gazului din CC, pentru 3 siruații distincte: curba 3-1 (o adiabata), daca gazul din CC este mai rece decât cel din rezervorul DA, dar are aceeași entropie specifica, curba 5-7, daca gazul din CC este mai rece decât în cazul anterior Și curba 4-6, daca gazul din CC este mai cald decât cel din rezervorul DA, dar are o entropie specifica mai mare. In Fig. 4B. într-o diagrama T-s sunt reprezentate evoluțiile parametrilor gazului de lucru aflat inițial în camera de comprimare, pentru trei cazuri distincte. In rezervorul DA, gazul de lucru se găsește la o temperatura T_<t Și o presiune p/. Un compresor, va ridica presiunea gazului până la o valoare p? (curba 1-2), pentru a stabiliza regimul de funcționare al turbinei (lucrul mecanic consumat în acest scop va fi recuperat aproape integral la arborele turbinei). In turbina, gazul de lucru se destinde inițial până

-ζ:'3 3 * '4 5 - :ι ο ·ν ζοΐΐ la valoarea ρ₍₎ a gazului aflat în momentul respectiv în CC (curba 2-3), apoi, pe măsură ce presiunea din CC crește, destinderea își micșorează amplitudinea, iar lucrul mecanic dezvoltat de turbina este din ce în ce mai mic. Daca gazul de lucru din CC are o temperatura egala cu temperatura 1), corespunzătoare unei destinderi adiabatice de la p- la p_(l, recomprimarea gazului în CC (curba 3-1) are ca rezultat umplerea CC cu gaz la temperatura T_o Și presiuneap_t (aceasta cantitate de gaz este egala cu cantitatea aflata inițial în CC (comprimata adiabatic de la presiunea Po la presiunea /?/), la care se adauga volumul gazului ce trece prin turbina. Lucrul mecanic consumat pentru comprimare este egal cu cel consumat pentru menținerea presiunii constante în rezervorul de alimentare, la care se adauga cel consumat de compresorul volumic pentru comprimarea suplimentara Și se scade lucrul mecanic obținut la axul turbinei. In diagrama din Fig. 4B am reprezentat situația în care cele doua gaze au aceeași temperatura. Acest din urma caz este extrem de avantajos din punct de vedere practic: gazul din CC este comprimat politropic, exponentul transformării fiind în cea mai mare parte a comprimării subunitar. Prin urmare, putem obține o comprimare apropiata de cea izotermica, printr-o configurație destul de simpla, viteza de desfășurare a transformării fiind ridicata. Dispozitivul pentru obținerea acestei transformări este prezentat în Fig. 5, și fața de schema de principiu descrisa anterior (Fig. 4) prezintă, în plus, un schimbător de căldură 6.4, care răcește până la temperatura inițiala gazul refulat din cele doua CC. După răcire (sau, înaintea ei, în aplicațiile în care acest lucru este mai avantajos), printr-un ventil cu 3 cai, o cantitate de gaz egala cu cea care a îndeplinit rolul de piston de gaz este reintrodusa în rezervorul DA, restul fiind stocat în rezervorul 6.3. in Fig. 5B este prezentata într-o diagrama T-s evoluția parametrilor gazului.

Performanțele cele mai bune ale CS se obțin daca în locul unei CC simple se utilizează o CC controlata, la fel ca în Fig. 6 (schema de principiu), sau în Fig.7 Și 8.

2.1. A. CS CP-DAC: compresor semidinamic cu camera de comprimare cu control pneumatic Și dispozitiv de alimentare cu compresor (Fig. 7 A). Configurația acestui compresor este asemanatoare cu cea a CS din Fig. 3A, dar CC a fost înlocuita cu o camera controlata pneumatic (un compresor cu piston cu simplu efect a fost înlocuit cu unul cu dublu efect. In momentul admisiei gazului în camera de comprimare , pistonul 2 nu staționează în punctul mort superior (peretele opus celui pe care se găsește supapa de admisie). In momentul deschiderii supapei, pistonul se găsește în punctul mort inferior, de unde înaintează spre peretele opus, o data cu pătrunderea de gaz în incinta (o data cu creșterea presiunii). Deplasarea pistonului se face cu pastrarea în permanența a egalității presiunilor din cele doua camere: cea de comprimare Și cea de control. In acest fel, o parte importanta din entalpia gazului care intra în CC se transforma în lucru mecanic de comprimare politropica (în cele mai multe aplicații, o transformare cât mai apropiata de cea adiabatica este cea mai avantajoasa). In ceea ce privește compresorul de alimentare, pot fi folosite, în funcție de aplicația respectiva, ambele variante: cea cu presiune de refulare constanta urmata de o turbina cu sarcina variabila (Fig. 7C) Și cea cu presiune de refulare variabila (Fig. 7A). Prin alegerea potrivita a modului de transformare în lucru mecanic a entalpiei gazului laminat, se obțin parametrii doriți pentru gazul din CC.

2.1. B. CS CP-DAR : compresor semidinamic cu camera de comprimare cu control pneumatic Și dispozitiv de alimentare cu rezervor sub presiune constanta (Fig. 7B). Configurația acestui compresor este asemanatoare cu cea a CS cu camera de comprimare simpla Și dispozitiv de alimentare cu rezervor sub presiune constanta (Fig. 3B). Din punct de vedere funcțional, diferențele fața de varianta cu CV sunt aceleași ca Și în cazul CS CP-DAC.

“2013 01045-3 0 -12- 2013

Parametrii gazului din rezervorul de control pot fi controlați Și în mod semidinamic, prin admiterea, sau prin evacuarea, la momentul potrivit, a unei cantități de gaz suplimentare, cu parametrii controlați.

3.1. CS CV-DAT : compresor semidinamic cu camera de comprimare cu volum constant Și dispozitiv de alimentare cu turbina (Fig. 7D). Dispozitivul de alimentare al acestui tip de compresor este un detentor, sau o turbina cu gaz cu sarcina variabila 4, la intrarea carora este menținută o presiune mai mare cu cel puțin Δρ decât presiunea gazului aflat în rezervor în momentul respectiv. Aceasta diferența Δρ se alege în așa fel încât turbina sa se mențină într-un regim de funcționare stabil. De cele mai multe ori, la intrarea turbinei se menține o presiune p=p, + Δρ, care se obține de la ieșirea unui rezervor sub presiune constanta 6 (urmat, de regula, de un compresor rotativ, sau de unul dinamic 6.2, cu caracteristica adiabatica), de la ieșirea unui boiler, sau vaporizator 6’ (în avalul carora, de obicei se amplaseaza un supraîncalzitor, sau un schimbător de căldură 6.5, pentru a îndepărtă punctul de funcționare de zona vaporilor umezi), sau dintr-o conducta alimentata de un cuplu de doua (sau mai multe) compresoare identice (Fig. 7E), care executa alternativ, faza de refulare la presiune constanta. Diferența fața de sistemele de alimentare cu destindere directa, consta în înlocuirea procesului de laminare din supapa de admisie cu un proces de destindere în interiorul unui detentor, sau al unei turbine, ceea ce permite obținerea unei diferențe de presiune minime între ieșirea sistemului de alimentare Și intrarea în camera de comprimare, iar prin înlocuirea unui proces ireversibil cu unul reversibil, sunt eliminate pierderile de energie mecanica Și se controlează evoluția temperaturii din camera de comprimare. Pentru compresoare!e semidinamice de acest tip, sunt necesare cel puțin doua camere de comprimare (comutarea poate fi făcută cu un ventil cu 3 cai 4.1, sau alt dispozitiv similar), astfel încât în timp ce în una din camere are loc comprimarea, în cealalta camera sa se desfășoare celelalte faze ale procesului. In acest fel, presiunea de la ieșirea turbinei va avea o variație în forma de “dinți de ferăstrău” între o limita minima p_a Și una maxima p,. O alta condiție ce trebuie îndeplinita este ca volumul camerelor de comprimare sa fie mult mai mare decât volumul turbinei, astfel încât volumul gazului din turbina (care se destinde în camera de comprimare în momentul comutării direcției gazului refulat, de la camera de comprimare cu presiune ridicata spre cea cu presiune redusa) sa nu modifice semnificativ parametrii sistemului.

3.2. CS CR-DAT : compresor semidinamic cu camera de comprimare control prin resorturi elastice și dispozitiv de alimentare cu turbina (Fig. 7E). Acest tip de control al comprimării poate fi realizat cu toate tipurile de DA descrise. Fața de controlul pneumatic al comprimării, acest tip de control asigura o forța rezistenta mai mare (deci posibilitatea unei răciri mai pronunțate) și mai ușor de controlat.

3.3. CS CML-DAA : compresor semidinamic cu camera de comprimare cu control prin came profilate Și generator electric liniar și dispozitiv de alimentare activ (Fig. 8). Un control al comprimării cu cele mai bune performanțe poate fi obținut daca variația vitezei pistonului de control este stabilita încă din faza de proiectare, în funcție de necesitățile aplicației, curba de variație fiind apoi transpusa în configurația unei came directoare, sau a intensității câmpului magnetic creat în întrefierul unui generator electric liniar (sau, prin combinarea celor doua metode). DA prezentat în Fig. 8 poate fi aplicat și în cazul unor sisteme de control al comprimării mai puțin performante. Acest tip de DA transmite la intrarea în CC o entalpie la fel de mare ca și cel transmis de DA cu destindere directa, dar fluxul de gaz nu mai destinde ireversibil într-un ventil de laminare, ci se destinde izentalpic într-o turbina izotermica, sau se destinde politropic (chiar adiabatic) într-o turbina cu palete și pereți încălziți (sau într-o turbina clasica), după care trece printr-un schimbător de căldură 4.5 astfel ca temperatura lui sa revină la

- 2 0 1 3 0 1 0 4 5 - 3 0 -12- 2013

valoarea temperaturii inițiale (sau, chiar mai mare). In acest fel, în afara energiei obținute la arborele pistonului de control, se obține energie suplimentara și la arborele turbinei.

Așa cum se vede din diagramele T-s din Fig. 6C și D, efectul consumării energiei de mișcare a gazului de către pistonul de control, este o micșorare pronunțata a exponentului politropic al comprimării. Deci se poate obține gaz comprimat cu o temperatura mai mica decât temperatura inițiala (curba 2-3, Fig. 6C), sau se poate obține gaz comprimat cu aceeași temperatura (curba 2-3 din Fig. 6D; comprimare izotermica), daca în momentul atingerii entropiei specifice minime, gazul este comprimat adiabatic până la temperatura inițiala, sau daca comprimarea semidinamica continua până la obținerea acestei temperaturi (curba 2-3 din Fig. 6D). In ambele cazuri, energia necesara deplasării pistonului de control provine din energia interna a gazului de lucru. Prin dispunerea succesiva a mai multe trepte de comprimare (cu menținerea limitelor de presiune între care lucrează CC, dar cu micșorarea treptata a volumului acestei camere), în primul caz (comprimare prin răcire), temperatura gazului comprimat poate fi coborâta foarte mult, fara necesitatea existenței unei surse reci exterioare. După o astfel de răcire, gazul de lucru poate fi introdus într-un schimbător de căldură în care se încălzește până la temperatura ambianta, după care procesul este repetat. S-a obținut în acest fel, un motor termic monoterm, care funcționează numai pe baza căldurii absorbite din sursa calda (chiar daca aceasta este la temperatura mediului ambiant), fara necesitatea existenței unei surse reci. In al doilea caz (comprimare izotermica), gazul comprimat obținut după prima treapta de comprimare izentropica este introdus într-o a doua trepta, și după o comprimare adiabatica pentru stabilizarea regimului turbinei, este comprimat izotermic într-o CC cu volum mai mic. Apoi procesul poate continua asemanator, în alte trepte de comprimare, obținând rapoarte de comprimare mari, întrun timp foarte scurt, fara necesitatea eliminării de căldură.

Aceste tipuri de procese pot fi utilizate într-o gama larga de aplicații. Comprimarea izotermica semidinamica poate îmbunătăți considerabil performanaele oricărui tip de motor termic, pompe de căldură, sau instalații frigorifice, în al cărui ciclu exista izoterme de comprimare. Instalațiile frigorifice, pot folosi vapori uscați ca gaz de lucru, pe care prin comprimare și răcire semidinamica sa îl lichefieze. De asemenea, o instalație semidinamica poate fi combinata cu motoare termice cu combustie interna, sau externa, pentru recuperarea energiei din gazele reziduale, sau pentru îmbunătățirea performanțelor mașinii, daca turbina semidinamica este introdusa în sistem imediat după terminarea arderii, sau daca arderea se produce în interiorul (sau între trptele) unui detentor izotermic.

In Fig. 9 este prezentat un compresor izotermic cu piston lichid, utilizat de către dispozitivele de alimentare cu compresor DAC. El este compus dint-un număr mare de tavițe orizontale, cât mai apropiate între ele, dispuse într-o incinta cilindrica (datorita existenței pistonului lichid, este admisa orice forma a secțiunii, cea aleasa aici îndeplinind condițiile unei comportări mecanice foarte bune și realizare economicoasa). Intre aceste tavițe se introduce o rețea termic absorbanta. La pătrunderea lichidului între tavițe se formează un număr corespunzător de compresoare 9.1 cu piston lichid, cu înălțime mica și arie mare a pistonului. Fiecare asemenea compresor este prevăzut cu o supapa de refulare 9.10 ce refulează într-un spațiu comun 9.2, care este partea inferioara (plina cu lichid) a rezervorului de stocare 9.3 sub presiune constanta. Tot ansamblul este montat într-un cilindru comun, în care se mai găsesc rezervorul de lichid 9.4 și pistonul lichid 9.5, despărțite prin pereții 9.11. Lichidul de lucru este răcit cu ajutorul unui schimbător de căldură 9.8 Și a unei pompe 9.7 al cărei piston, împreuna cu pistonul de antrenare al pistonului lichid sunt acționate de un dispozitiv cu came profilate 9.6.

2013 0 ι ο 4 5 - 3 Ο -12- 2013

Daca se inversează sensul de curgere al lichidului de lucru, instalația prezentata funcționează foarte bine ca detentor izotermic, reușind destinderea rapida a gazului de lucru cu diferențe foarte mici ale temperatura între intrarea Și ieșirea gazului.

In Fig. 10.A este prezentata schema funcționarii unui compresor semidinamic izoterm. In componența lui intra doua compresoare cu piston 1 Și 1’, care joaca alternativ rolul de camera de comprimare, respectiv de dispozitiv de alimentare. Legătură dintre cele doua compresoare se face prin conducta 1.4, care poate fi obturata de o placa obturatoare 1.6, prevăzută cu un orificiu de laminare 1.5. Pentru a putea păstră debitul de gaz ce trece prin supapa între limite controlabile Și a-1 corela cu vitezele de deplasare ale pistoanelor, în orificiu se introduce un dop poros, care reduce acest debit. De asemenea, pof fi folosite dispozitive suplimentare pentru controlul debitului. In poziția din figura, CC 1 ere pistonul 2.1 în poziția III, la care a ajuns prin deplasarea din poziția IV, aspirând gaz cu presiunea p_t din atmosfera, sau dintr-un rezervor. DA 1' conține gaz la presiunea p_: Și are pistonul 2 în poziția I. Acest piston se deplasează în poziția II Și refulează cantitatea de gaz comprimata în ciclul anterior în rezervorul 6.3, printr-o supapa de refulare intermediara. Cantitatea de gaz ramasa în DA, după închiderea acestei supape, constituie pistonul de gaz. Deplasarea pistonului continua, cu deshiderea orificiului de laminare, gazul fiind refulat în CC. Tija plăcii obturatoare este comandata de o cama montata pe acelaȘii ax cu camele care comanda deplasarea celor doua pistoane. Aceasta cama oferă Și posibilitatea de a varia suprafața secțiunii de trecere a gazului. In CC, gazul este comprimat, iar pV energia presiunii gazului în mișcare, provoacă deplasarea pistonului 2.1 și efectuarea unui lucru mecanic util, a cărui valoare este chiarpV. In timpul fazei de comprimare, pistonul 2 se deplasează din poziția II în poziția IV, iar , pistonul 2.1 se deplasează din poziția III în poziția I, iar ventilul de laminare se închide. Pistonul 2 se deplasează în poziția III, aspirînd o noua cantitate de gaz cu presiunea Pi, ciclul fiind reluat cu inversarea rolurilor compresoarelor. Daca pozițiile intermediare ale pistoanelor sunt calculate corect, în funcție de raportul de comprimare, de coeficientul politropic al transformărilor din compresoare, de legea de variație a forței ce se opune destinderii Și daca se pastreaza în permanența egalitatea dintre energia presiunii pistonului de gaz Și lucrul mecanic util, putem obține o comprimare perfect izotermica. Orice abatere de la valorile corecte duce la o creștere a temperaturii, atât a gazului comprimat, cât Și a pistonului de gaz, care daca nu sunt corectate, pot duce la o funcționare defectuasa.

Compresorul semidinamic din Fig. 10.B, deși este prevăzut cu un singur compresor, montat direct în rezervorul 6.3, are o funcționare similara. Gazul este aspirat prin deplasarea pistonului 2 din punctul mort inferior până în poziția III, după care se deschide orificiul de laminare 1.5, care leaga CC cu rezervorul în care este montat. După comprimarea gazului de lucru (deplasarea III-l a pistonului), tot conținutul CC este refulat în rezervor. Presiunea din acest rezervor este menținută constanta, daca volumul util al rezervorului este mărit (prin consum, sau prin compensare) cu un volum egal cu cel al gazului rezultat prin comprimare. In ambele configurații, lucrul mecanic consumat este egal cu suma dintre lucrul mecanic util cules la arborele mașinii Și lucrul mecanic necesar comprimării (egal cu cel necesar oricărei comprimări izotermice). Diferența majora fața de compresoarele din stadiul tehnicii consta în eliminarea necesității de a evacua căldură (într-o cantitate egala cu lucrul mecanic de comprimare). Acest lucru, face posibil ca, în combinație cu un detentor (similar celui din Fig.9) izotermic 9, montat în rezervorul 6.8, Și legat de CS prin conducta de aspirație 1.7 și cea de refulare 1.8 (Fig. 10.C), sa se realizeze o instalație frigorifica cu care incinta rezervorului sa fie răcită, fara a avea nevoie de existența unei surse reci. Mai mult decât atât, daca între detentorul 9 Și CS 10 (Fig.lO.D) se montează un detentor adiabatic 4 la ieșirea din detentor Și un compresor adiabatic 6.2 la intrarea ^s,\

X

- 2 0 1 3 0 ] (Η 5 - 3 0 -12- 2013 acestuia, micșorând temperatura la care are loc comprimarea, se obține un motor monoterm, care absoarbe căldură din atmosfera Și produce lucru mecanic util.

Claims (12)

1. Procedeu pentru comprimarea gazelor și vaporilor, denumit în continuare comprimare semidinamica CS, caracterizat prin aceea ca se compune dintr-un rezervor (camera de comprimare CC) prevăzut cu un piston solid, sau cu unul lichid, în care, după admisia gazului de lucru este introdusa prin laminare controlata, cu ajutorul unui dispozitiv de alimentare DA, o anumita cantitate a aceluiași gaz, având tot timpul o presiune superioara gazului din CC, până la atingerea presiunii dorite, după care cantitatea totala de gaz este evacuata prin supapa de refulare.

2. Procedeu pentru comprimarea gazelor și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu volum fix CS-CV caracterizat prin aceea ca pistonul din incinta CC se deplasează numai în timpul admisiei și al refulării gazului din compresor.

3. Procedeu pentru comprimarea gazelor și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu control pneumatic CS-CP, caracterizat prin aceea ca pistonul mobil se deplasează în timpul desfășurării procesului de laminare, separând în permanența CC cu volum variabil, de un rezervor de control în care presiunea se menține egala cu cea din CC, în acest fel, gazul de lucru efectuând un lucru mecanic pentru comprimarea gazului din rezervorul de control

4. Procedeu pentru comprimarea gazelor Și vaporilor conform revendicării 3, denumit în continuare comprimare semidinamica cu control pneumatic semidinamic CSCPS, caracterizat prin aceea ca în timpul comprimării în rezervorul de control este introdusa sau evacuata o cantitate de gaz suplimentara

5. Procedeu pentru comprimarea gazelor și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu control prin resorturi elastice CS-CR, caracterizat prin aceea ca, în timpul comprimării, pistonul CC cu volum variabil este ținut în echilibru cu ajutorul unor resorturi elastice

6. Procedeu pentru comprimarea gazelor și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu control prin generatoare electrice liniare CS-CL, caracterizat prin aceea ca, pistonul CC cu volum variabil este ținut în echilibru cu ajutorul forțelor electromagnetice generate de bobine magnetice și/sau magneți permanenți, unele amplasate pe tija pistonului, altele fixe, formând împreuna un generator electric liniar

7. Procedeu pentru comprimarea gazelor și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu control prin came profilate CS-CC, caracterizat prin aceea ca, pistonul CC cu volum variabil este ținut în echilibru cu ajutorul forțelor mecanice generate de interacțiunea dintre tija pistonului și o cama profilata amplasata pe un ax ce se rotește cu viteza fixa, sau variabila

8. Procedeu pentru comprimarea gazelor și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu destindere directa CS-DD, caracterizat prin aceea ca, gazul de lucru are la intrarea în orificiul de laminare, aceeași presiune tot timpul comprimării

9. Procedeu pentru comprimarea gazelor Și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu dispozitiv de alimentare cu compresor

-2013 01045-3 0 -12- 2013

CS-DC, caracterizat prin aceea ca, presiunea de la intrarea în orificiul de laminare este generata prin deplasarea pistonului unui compresor.

10. Procedeu pentru comprimarea gazelor Și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu dispozitiv de alimentare cu turbina CS-DAT, caracterizat prin aceea ca, presiunea de la intrarea în orificiul de laminare este generata prin destinderea într-o turbina cu sarcina variabila a gazului provenit dintr-un rezervor cu presiune constanta, după o supracomprimare, sau după o supraîncălzire

11. Procedeu pentru comprimarea gazelor și vaporilor conform revendicării 1, denumit în continuare comprimare semidinamica cu dispozitiv de alimentare activ CSDAA, caracterizat prin aceea ca, presiunea de la intrarea în orificiul de laminare este generata prin destinderea gazului de lucru într-un proces politropic în care este absorbita căldură dintr-o sursa calda

12. Procedeu pentru lichefierea gazelor conform revendicării 1, caracterizat prin aceea ca, gazul de lucru este răcit, atât în stare de gaz cât Și în stare de vapori umezi prin comprimare semidinamica în trepte, cu controlul presiunii din CC.