Kompressori

Roots-puhallin kiihdytysautossa

Kompressori voi olla myös äänenkäsittelyssä käytettävä laite.

Kompressori tai ahdin (puhekielessä kompura) on mekaaninen laite, jolla kaasun tai höyryn painetta lisätään sen tilavuutta pienentämällä. Normaali teollisuuden käyttämä paine on 0,6-1,0 MPa. Puristusprosessi vaatii aina työn tekemistä ja prosessissa kaasu lämpenee. Puristustyön seurauksena väliaineen entropia kasvaa.

Kompressorityypit

Kompressorit jakautuvat kineettisiin ja syrjäytyskompressoreihin.

Kineettiset kompressorit

• aksiaalikompressoreita käytetään mm. kaasuturbiineissa ja teollisuuden kaasukompressoreissa, joissa tarvitaan suuria kaasuvirtauksia. Aksiaalikompressorissa kaasu virtaa laitteiston akselin suuntaisesti aerodynaamisesti suunniteltujen siivistöjen avulla. Pyörivää siivistöä, roottoria, seuraa aina paikallaan pysyvä siivistö, staattori, ja näistä muodostuu kompressorin perusosa jota kutsutaan vaiheeksi. Aksiaalikompressorissa aikaansaatava kaasun kokoonpuristuminen määräytyy mm. vaiheiden lukumäärän mukaan.
• radiaali- tai keskipakokompressoria käytetään turboahtimissa, paineilmakompressoreissa, kylmäkoneissa ja erilaisissa teollisuusprosesseissa sekä jonkin verran myös kaasuturbiineissa.

Syrjäytyskompressorit

• mäntäkompressori
• kalvokompressori
• ruuvikompressori
• Roots-puhallin
• Scroll-kompressori

Käyttökohteet

Tavallisimpia käyttökohteita ovat kaasuturbiinit, lentomoottorit, paineilmakompressorit, jääkaappien kylmäkoneistot, lämpöpumput ja erilaiset kuljettimet (esimerkiksi purukuljetin sahateollisuudessa). Kompressori patentoitiin 1800-luvun loppupuolella ja sen ensimmäisenä käyttötarkoituksena oli toteuttaa hiilikaivosten ilmanvaihto.

1920-luvulta lähtien kompressoreja on asennettu autoihin niiden polttomoottorin tehon lisäämiseksi. Käyttövoiman se saa moottorista hammashihnan tai hammaspyörien välityksellä (mekaaninen ahdin) tai pakokaasusta (turboahdin).

Paineilmakompressoreita käytetään paineilman tuottamiseen teollisuuden, sairaaloiden ja laitosten tarpeisiin.

Pienet, koti- ja harrastuskäyttöön tarkoitetut mäntäkompressorikokonaisuudet muodostuvat itse kompressoriosan (sylinteri, mäntä, kierokanki, kampiakseli, venttiilit ja sylinterinkansi) lisäksi seuraavista peruskomponenteista:

• sähkömoottori (1- tai 3-vaiheinen), joka pyörittää suora- tai hihnavedolla itse mäntäkompressoria (tyypillisesti 1- tai 2-sylinterinen), josta paineistettu ilma johdetaan paineenvaihtelun tasaamiseksi ja paineilman varastoimiseksi painesäiliöön (tyypillisesti 24, 50 tai 100 litran vetoinen paineastia)
• takaiskuventtiilin kautta. Säiliössä on oltava suoraan kytkettynä
• ylipaineventtiili, joka ehkäisee ylipaineen muodostumisen paineastiaan, sekä
• painekytkin, jonka tehtävä on sammuttaa kompressorin sähkömoottori automaattisesti kun painekytkimeen määritelty maksimipaine saavutetaan ja käynnistää, kun paine on laskenut painekytkimeen asetetun alarajan alle. Nämä painesäätimen hystereesikäyrän raja-arvot eivät pääsääntöisesti ole käyttäjän asetettavissa.
• Säätöventtiilinä toimivan paineenalennusventtiilin avulla voidaan paineilman käyttöpaine laskea säiliössä vallitsevaa painetta pienemmäksi, mikäli käytettävä sovellus tai työkalu näin vaatii. Lisäksi kompressoreissa on yleensä
• manometri eli painemittari säätöventtiilin jälkeen osoittamassa käyttöpainetta. Mahdollinen toinen painemittari taas osoittaa säiliössä vallitsevaa painetta.

Lämpötila

Kaasun puristaminen kasvattaa sen lämpötilaa.

$W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}^{n}\int _{V_{1}}^{V_{2}}V^{-n}dV$

missä

${\frac {p_{2}}{p_{1}}}\ =\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\ \right)^{n}$

josta saadaan

$p_{1}V_{1}^{n}=p_{2}V_{2}^{n}=pV^{n}$

ja lopulta

$p={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{V^{n}}}$

Josta integroimalla alkuperäinen yhtälö saadaan

$W={\frac {{p_{1}}{V_{1}^{n}}}{1-n}}\ ({V_{2}^{1-n}}-{V_{1}^{1-n}})$

missä p on paine, V on tilavuus, eksponentti n saa eri arvon riippuen puristuksen tyypistä ja alaindeksit 1 & 2 viittaavat lähtö- ja lopputiloihin.

• Adiabaattinen prosessi - Adiabaattisessa prosessissa lämpöenergia ei häviä puristuksessa, jolloin prosessiin tehty työ kasvattaa joko kaasun lämpötilaa tai painetta. Tällöin teoreettinen lämpötilan kasvu on siis:

$T_{2}=T_{1}\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{(k-1)/k}$

missä T₁ ja T₂ ovat absoluuttisia lämpötiloja yksikössä Kelvin [K], p₂ ja p₁ ovat absoluuttisia paineita ja k on ominaislämpökapasiteettien suhde (ilmalle k = 1,4). Adiabaattinen puristus- tai paisuntaprosessi on lähimpänä todellista prosessia, kun se on tarpeeksi eristetty, kaasuntilavuus on suuri tai prosessilla on lyhyt aikajakso (suuri energiatiheys). Käytännössä prosessissa on aina hieman lämpöhäviöitä, koska prosessin jokaista komponenttia ei voi aivan täydellisesti lämpöeristää. Työn yhtälössä lämpötilojen ja paineiden suhteen yhteys tarkoittaa sitä, että eksponentti n saa arvon k (ominaislämpökapasiteettien suhde) adiabaattisessa prosessissa.

• Isoterminen prosessi - Tässä prosessissa kaasun lämpötila pysyy vakiona puristuksessa ja paisunnassa. Prosessin aikana kaasun sisäenergiaa poistetaan systeemistä lämpönä samalla, kun sisäenergia kasvaa puristuksen mekaanisena työnä. Isoterminen puristus- tai paisuntarosessi on lähellä todellista, kun kompressorilla on suuri lämmönsiirtopinta-ala, kaasuntilavuus on pieni tai prosessilla on pitkä aikajakso (pieni energiantiheys). Lähimmäksi isotermistä prosessia päästään välijäähdytetyissä prosesseissa. Täydellistä isotermistä prosessia ei kuitenkaan voida saavuttaa käytännön sovelluksissa.

Isentrooppisessa prosessissa eksponentti n saa arvon 1, jolloin työn lausekkeeksi saadaan:

$W=-{p_{1}}{V_{1}}\ln \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\ \right)$

Isotermisessä prosessissa tehty työ on pienempi kuin adiabaattisessa.

• Polytrooppinen prosessi - Tässä prosessissa voi tapahtua sekä kaasun lämpötilan nousua, että lämpöhäviöitä kompressorin komponenteille. Oletuksena on, että lämpöä voi tuoda tai viedä systeemistä. Tällöin syöttöakselin työ voi kasvattaa kaasun painetta ja lämpötilaa. Puristushyötysuhteeksi saadaan lämpötilan kasvujen suhde teoreettisessa (adiabaattisessa) ja todellisessa (polytrooppisessa) prosessissa. Eksponentti n on tyypillisesti välillä 1 < n < k tapauksissa, joissa puristettua kaasua pyritään jäähdyttämään approksimoidusti adiabaattisella prosessilla.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kompressori Wikimedia Commonsissa