KOMPRESÖRLER
Temel Esaslar
Termodinamik
Kayıplar:
Aynı hacimsel küçülme durumunda;
hava sıcaklığının da artması nedeniyle basınç, adiyabatik olarak sıkışan
havada, izotermik sıkıştırmaya göre daha fazla artmaktadır. Bu nedenle;
herhangi bir p2 basınç değerine ulaşıldığında, adiyabatik sıkışmadaki hacım
küçülmesi daha az olmaktadır. Başka bir ifade ile, sıkıştırılan basınçtaki gaz
hacmi adiyabatik sıkıştırmada daha fazla olmaktadır.
Şekil dikkatlice incelenirse; adiyabatik sıkıştırmada mutlak
sıkıştırma işinin izotermik sıkıştırmadaki mutlak sıkıştırma işinden daha küçük
olduğu görülür. Buna rağmen; adiyabatik sıkıştırmada kompresör işi, izotermik
sıkıştırmadaki kompresör işinden daha büyüktür. Bu durum, adiyabatik
sıkıştırmada süpürme işinin daha fazla olmasından kaynaklanır. Çünkü,
adiyabatik sıkıştırmada, sıkışmış hava hacmi daha fazladır.
Adiyabatik olarak sıkışırken ısınan havayı
aynı sıcaklıkta kullanmak mümkün değildir. Ayrıca, hava tüketileceği yere
gidene kadar kendiliğinden soğur. Tüketilen hava sıcaklığı hemen hemen,
kompresörün emdiği hava sıcaklığında olmaktadır. Dolayısıyla; adiyabatik olarak
sıkışan hava hacminden ( v2-ady ) ancak, izotermik sıkışan hava hacmi (v2-izo)
kadarı daha sonra faydalı olmakta, hacımlar arasındaki farkın kompresörden
süpürülmesi için yapılan iş bir enerji kaybı olarak ortaya çıkmaktadır. Efektif
sıkıştırma işinde izotermik sıkıştırma aleyhine olan fark da göz önüne
alınırsa, adiyabatik sıkıştıran kompresörün tükettiği enerjiden şekildeki
taralı alana karşılık gelen kısmı kaybolmuş olacaktır. İşte bu enerji kaybı
basınçlı havayı pahalı yapan etkenlerden biridir.
Yukarıda belirtilen bu enerji
kaybını önlemek için adiyabatik sıkıştırmada havanın ısınmasını önlemek, yani
mümkün olduğunca izotermik eğriye yaklaşmak gerekir. Havanın sıkıştırılırken
soğutulması, yüksek kapasiteli kompresörlerde yeterli soğutma yüzeyinin
bulunmaması nedeniyle mümkün değildir. Bu yola ancak, küçük kapasiteli kompresörlerde,
gömlek soğutması denilen soğutma şekli ile gidilebilmektedir.
Adiyabatik sıkıştırmada hava
sıcaklığındaki artış, basınçlar arasındaki oranla yakından ilgilidir. Aynı
sıkıştırmayı basınç oranlarını küçük tutup kademeli olarak yapmak da mümkündür.
Bu nedenle, yüksek kapasiteli kompresörlerde hava, kademeli olarak sıkıştırılır
ve her kademe arasında kompresör dışına alınarak soğutulur. Yukarıdaki şekilde
iki kademeli bir kompresöre ait PV diyagramı görülmektedir. Bu şekildeki yatay
taralı alanlar kademeli sıkıştırmada önlenemeyen enerji kayıplarını, düşey
taralı alan ise kademeli sıkıştırma ile tasarruf edilen enerjiyi
göstermektedir.
İşçi Sağlığı ve İş
Güvenliği Önlemleri
Kademeli sıkıştırma, sadece
kompresör enerjisinden tasarruf etmek için değil ayrıca, iş güvenliği ve işçi
sağlığı açısından da zorunlu olmaktadır. Özellikle pistonlu kompresörlerde
piston ile silindir arasındaki sürtünmeyi azaltmak için yağ kullanılır. Bu
yağlar yüksek sıcaklıkta patlayıcı ve zehirli bileşimler oluşturacak şekilde bozulur
ve oluşan gazlar ile yağ artıkları basınçlı hava içine karışır. Böylece
oluşacak tehlikeleri önlemek için sıkışan hava sıcaklığının en fazla,
kullanılan yağın tutuşma sıcaklığının 40 °C altında olması istenmektedir.
Kompresörlerde kullanılabilecek yağın tutuşma sıcaklığının ise en az 200 °C
olması öngörülmüştür.
Kademe Basınç Oranı
ve İş Hesabı
Bağıntılar incelenirse, hava
sıcaklığı ve kompresörün tükettiği enerjinin basınçlar arası oranla yakından
ilgili olduğu tespit edilir. Basınçtaki mutlak artış miktarı doğrudan önemli
değildir. Örneğin; bir atmosferden üç atmosfere sıkıştırmanın neden olduğu
sıcaklık artışı ve enerji tüketimi, dokuz atmosferden yirmi yedi atmosfere
sıkıştırmanın neden olduğu sıcaklık artışı ve enerji tüketimine eşittir. Çünkü
her iki sıkıştırmada da basınçlar arasındaki oran üçtür. Oysa, birinci
sıkıştırmada mutlak olarak sadece iki atmosferlik sıkıştırma olurken, ikinci
sıkıştırmada on sekiz atmosferlik basınç artışı olmuştur. Herhangi bir basınç
değerine kademeli sıkıştırma ile ulaşılacak ise seçilecek en akılcı yol, kademe
basınç oranlarını sabit tutmaktır. Böylece hem kademe sonu sıcaklıklar, hem de
her kademedeki kompresör işleri dolayısıyla motor güçleri en küçük değere sahip
olur.
Ara Soğutucu:
Havanın sıkıştırılma esnasında
soğutulması basınç oranının ve hava miktarının düşük olması halinde mümkündür.
Nihai basıncın 5 at ‘den büyük olması durumunda çok kademeli sıkıştırma gerekli
olur ve hava her kademe arasında ara soğutucuya alınarak soğutulur.
Ara soğutucular sıcak havayı,
yaklaşık olarak kompresörün emdiği hava sıcaklığına kadar soğutabilmelidir.
Bunun sağlanabilmesi için soğutucuda yeterli soğutma yüzeyinin oluşturulması
gerekir. Bir atmosferdeki 1000 m3 havayı soğutabilmek için yaklaşık 12 - 15 m2
‘lik soğutma yüzeyine ihtiyaç vardır. Soğutucuya giren su, soğutucudan çıkacak
olan hava sıcaklığından 10 °C daha soğuk olmalıdır. Ayrıca, su soğutucuda
normal olarak 10 °C ‘den fazla ısınmamalıdır. Su içindeki kirecin, soğutucu
içindeki borularda çökelmemesi için su sıcaklığı 40 °C ‘nin üzerine
çıkmamalıdır.
Kompresör Gücü Hesabı:
Daha öncede belirtildiği gibi,
adiyabatik kompresör işi izotermik kompresör işinden fazladır. Aradaki enerji
farkı soğutucularda veya şebekede ısı enerjisi olarak dış ortama yayılmaktadır.
Politropik sıkıştıran kompresörlerde de bu enerji kaybı kaçınılmaz olarak
karşımıza çıkar. Diğer yanda, kompresörün kendi yapısal özelliklerinden
kaynaklanan enerji kayıplarıda (sürtünme ve türbülans kayıpları gibi) vardır.
Tüm enerji kayıpları izotermik randımanla göz önüne alınmış ve bu nedenle
kompresörün motor gücü hesabında izotermik kompresör işi esas olarak alınmıştır
Kompresörlerin
Yapısal Özellikleri
Kompresörler basınçlı hava
üretmek amacıyla kullanılan makinelerdir. Madencilikte genel olarak açık hava
basıncında emilen hava 6-7 atmosfere sıkıştırılarak kullanılır. Ayrıca,
basınçlı hava lokomotifleri için 180-200 atmosfere basan kompresörlere de
uygulamada rastlanmaktadır. Çok uzun şebekelerde, düşen hava basıncını tekrar
artırmak amacıyla 4 atmosferden 6-8 atmosfere hava basan ara kompresörleri de
seyrekte olsa görmek mümkündür.
Kompresörleri, pistonlu veya
türbo kompresörler olmak üzere iki ana grupta toplamak mümkündür. Pistonlu
kompresörlerin basınçları yüksek(250 at gibi), debileri düşüktür. Debileri 100
m3 /h 'ten 20-25000 m3 /h 'e kadar değişebilir. Turbo kompresörler ise en fazla
20-30 atmosfere kadar basılabilir buna karşın, kapasiteleri yüksektir. Minimum
kapasiteleri 15000-20000 m3 /h ’in altına inemez. Maden ocaklarında sıkça
tüketilen 30000-120000 m3 /h seviyelerindeki basınçlı hava bu tür
kompresörlerle üretilir.
Pistonlu Kompresörler
Pistonlu kompresörler kendi
aralarında üç gruba ayrılır.
• Aksiyal Pistonlu Kompresör
• Lamelli Kompresör
• Vidalı Kompresör
Aksiyal Pistonlu
Kompresörler
Aksiyal pistonlu kompresörler,
bir silindir ve bu silindir içinde doğrusal hareket yapan pistondan oluşur.
Piston tek yüzeyi ile sıkıştırma yapabileceği gibi, dönüşümlü olarak iki yüzeyi
ile de sıkıştırma yapabilir. İki yüzeyi ile sıkıştırma yapan pistonların her
iki yüzeyinin de eşit büyüklükte olması gerekmez. Şekillerde örneği verilen
pistonlu kompresörlerde olduğu gibi, piston yüzeyleri sıkıştırılan havanın
hacmi ile orantılı olarak farklı büyüklüklerde olabilir.
Düşük basınçlarda (7-8 at kadar)
çalışan kompresörler genellikle pistonunun tek yüzeyi ile sıkıştırma yapan, iki
kademeli ve ara soğutmalı kompresörlerdir. Kademe basınç oranı 2.5 -3.5
arasında değişir. Kapasiteleri nispeten yüksektir.
Aksiyal pistonlu kompresörler
buhar gücü veya elektrik enerjisi ile tahrik edilirler. Buhar gücünden
yararlanmak hem ekonomik olmakta hem de kompresörün çalıştırılması açısından
kolaylıklar sağlamaktadır. Yüksek kapasiteli kompresörlerde genellikle buhar
gücünden yararlanılır Küçük kapasiteli pistonlu kompresörler ise sadece
elektrik motorları ile tahrik edilirler.
Basınçlı hava lokomotifleri için
220 at'e kadar varan yüksek basınçlı hava gereklidir. Yüksek basınçlı hava
basan kompresörler kademeli pistona sahiptirler. Kademe sayısı 3, 4 veya 5
olabilir. Aşağıdaki şekilde beş kademeli yüksek basınç kompresörü
görülmektedir. Düşük basınç kademeleri arasındaki ara soğutucular iki kademeli
kompresörlerde olduğu gibidir. Yani, ara soğutucuda soğuk su borular içinde
akar ve boruların çevresinde hava dolaşır. Yüksek basınç kademelerinde ise;
hava borular içinde hareket eder, boruların çevresinde soğutucu su dolaşır
Turbo
Kopresörler
Yapısal Özellikler
Turbo kompresörler esas olarak
santrifüj tulumbalar gibi akım makineleridir. Konularımızla ilgili olarak;
tulumbalardaki akışkan su iken, turbo kompresörlerde akışkan havadır. Her iki
makine de üzerinde kanatlar bulunan bir dizi çark (fan) dan oluşur. Akışkan
çarka aks doğrultusunda girer ve onu radyal, yani aksa dik olarak terk eder.
Akışkanı aksa dik yönde hareket ettiren kuvvet, kanatların sağladığı dönme
hareketi sırasında kazanılan merkezkaç kuvvetidir. Bu tür makine isimlerinin
bir kısmında kullanılan santrifüj sıfatını bu gerçeğe dayanmaktadır. Kanatlar
sahip oldukları mekanik enerjiyi akışkana kısmen hız, kısmen de basınç enerjisi
olarak havaya yüklerler. Akışkan hava olunca hava molekülleri bir yandan
hızlanırken bir yandan da sıkışırlar. Asıl sıkışma işlemi diffüzörde meydana
gelir. Diffüzör kompresörün gövdesinde yer alır ve hareketsizdir. Kanadı terk
eden hava diffüzöre girer ve burada hızından kaybeder. Böylece moleküllerinin
kinetik enerjisi potansiyel yani basınç enerjisine dönüşmüş olur. Basıncın iki
değişik yoldan üretilmiş olması turbo kompresörlerde randımanın düşük olmasına
neden olur. Diffüzörden çıkan hava makine gövdesinde yer alan ve sabit olan
toplama kanalı ile bir sonraki çarka sevk edilir.
Turbo kompresörde kanatların alt
kısmı daima havayı kesecek şekilde şekillendirilir. Kanatın üst kısmı ise dönme
eksenine dik, iç bükey veya dış bükey şekilde olabilir.
Üst kısmı iç bükey olan
kanatlarda hava, diğer kanat türlerine göre, kanadı daha yüksek hızla terk
eder. Bu nedenle kanat tarafından uygulanan mekenik enerjinin büyük bir kısmı
hız enerjisine, daha küçük kısmı ise basınç enerjisine dönüşür. Dış bükey
kanatlarda durum tersinedir. Turbo kompresörlerde üst kısmı dış bükey kıvrımlı
olan kanatlar kullanılır. Böylece mekanik enerji, daha büyük bir oran ile
doğrudan basınç enerjisine dönüştürülür ve randıman nispeten yükselmiş olur.
Pratikte, kanatlarının üst kısmı dönme
eksenine dik olan bir çarkın oluşturduğu basınç farkı " v " bağıntısı
ile hesaplanır. Bu bağıntı, birimi metre akışkan sütunu olmak üzere, hem
santrifüj tulumba hem de turbo kompresör için geçerlidir. Bağıntıdaki “ v “
akışkanın kanadı terk ederken sahip olduğu hızın bir bileşeni olan çevresel
hızı göstermektedir. Çevresel hız “ v “ kanata etki eden tepki kuvvetlerini de belirleyen
önemli bir faktördür. Pratik uygulamada çarkın dönme hızına bir sınır koymak
gerekir. Kanatlardaki aşınmalar nedeniyle santrifüj tulumbalarda uygulanan
çevresel hızlar 35-55 m/s arasında kalırken, malzeme mukavemeti nedeniyle turbo
kompresörlerde 250-300 m/s nin üzerine çıkılmamaktadır.
Geri Tepme Olayı
Çeşitli motor devrilerinde elde
edilen eğrilerin pik noktalarını birleştiren eğriye “Geri Tepme Sınırı”
denmektedir. Bunun nedenini şöyle açıklayabiliriz: Bu eğrinin sağındaki alanda
kompresör ile basınçlı hava şebekesi uyum içinde çalışır. Örneğin, ocakta hava
tüketimi artıp şebekeden çekilen hava kompresörün ürettiğinden fazla olursa
şebeke basıncı düşer. Şebeke basıncının düştüğünü gören kompresör kendi
karakteristiğine uygun olarak daha fazla hava basmaya başlar ve böylece ocakta
artmış olan hava ihtiyacını karşılar. Bu durumun tersi olup ocaktaki hava
tüketimi azalırsa, şebeke basıncı artar. Yükselen şebeke basıncı karşısında
kompresörde ürettiği hava miktarını azaltmaya ve dolayısıyla ocaktaki hava
tüketimine ayak uydurmaya başlar.
Kompresör ile şebeke arasındaki
bu uyumu geri tepme sınırının sol tarafındaki alanda görmek mümkün değildir.
Ocaktaki hava tüketimi azaldığında şebeke basıncı artarken, kompresör ürettiği
hava miktarını azaltacak olursa bastığı havanın basıncı düşecektir. Bu durumda
şebeke basıncı, kompresördeki basınçtan fazla olduğu için şebekedeki hava
kompresöre hücum edecektir. Geri tepme olarak isimlendireceğimiz bu olay
kompresör çıkışındaki supabın devreye girip şebeke ile kompresörün ilişkisini
kesmesine kadar devam eder. Supabın devreye girmesi ile şebekeye hava gitmediği
için şebeke basıncı düşmeye başlar. Şebeke basıncı, kompresörün hava üretmeden
sağladığı basınç değerinin altına düşmesi halinde supap devreden çıkar ve kompresör
şebekeye tekrar hava basmaya başlar. Bu anda kompresörün çalışma noktası, geri
tepme sınırının sağ tarafında aynı basınç değerine karşılık gelen kapasite
noktasına sıçrar. Bu durumda üretilen hava miktarı tüketilen hava miktarından
gene fazladır, kompresörün çalışma noktası hızla geri tepme sınırının sol
tarafına kayar ve geri tepme olayı yeniden başlar.
Tehlikeli olan bu olayın
önlenmesi gerekir. Bu konuda akla gelen ilk yol hava tüketimini yapay olarak
artırmaktır. Ocaktaki hava tüketiminin geri tepme sınırının altına düşmesi
halinde bir vana açılarak basınçlı hava dış ortama verilir. Bu işlem elle
yapılacağı gibi otomatik olarak da gerçekleşebilir. Hava tüketiminin yapay
olarak artırılması ekonomik olmayan bir yöntemdir ve ancak geri tepme olayı ile
pek sık karşılaşmayan ocaklarda uygulanabilir. Zararı bir miktar azaltmak için
basınçlı hava serbest ortama değil de bir türbine verilerek kompresöre yardımcı
olunabilir. Geri tepme olayının sıkça görüldüğü işletmelerde kullanılabilecek
bir diğer yöntem ise kompresör ile şebeke bağlantısını kesmek ve kompresörü
şebeke basıncı düşene kadar boşta çalıştırmaktır. Bu yöntemin uygulanabilmesi
için şebekenin de çok büyük olması gerekir. Şebeke böylece bir hava deposu gibi
görev yapar. Boşta çalışan kompresörde ısınmalar hızla artar, bunu önlemek için
dışarıya bir miktar hava vermek gerekir. Bu yöntem gene de birinci yöntemden
daha ekonomiktir.
Turbo kompresörün normal
kapasitesi, izotermik randımanın en yüksek olduğu noktada emilen hava miktarı
olarak belirlenir. Basılan hava miktarı bunun altına veya üstüne çıkacak olur
ise izotermik randıman düşecek, yani enerji maliyeti artacak demektir. Geri
tepmeye neden olacak kapasite normal kapasitenin çok altındadır, buna bağlı
olarak izotermik randıman düşük, enerji maliyetide yüksek olur. Bu durum geri
tepme olayının bir diğer olumsuz yanını oluşturur.
Verilen kompresörün normal
kapasitesi 4000 dev/dak için 30000 m3 /h olup,bu devirde geri tepme kapasitesi
18000 m3 /h 'dir. Ocağın ortalama hava tüketimi de 30000 m3 /h ise bu
kompresörün seçimi uygun olur ve çeşitli nedenlerle ocaktaki hava tüketimi % 40
oranında azalsa bile, geri tepme olmadan, kompresörde bu tüketime ayak
uydurabilir. Ocağın ortalama hava tüketimi kompresör normal kapasitesinin altında
ise, % 40'lık uyum payı daha da azalacak ve kompresör, hava tüketimindeki
dalgalanmalara bağlı olarak çok sık geri tepmeye başlayacaktır. Bu nedenle
kompresör seçerken, ocağın ortalama hava tüketimini mümkün olduğunca iyi
saptamak ve uyum aralığı geniş olan kompresörleri seçmek gerekir. Kompresör
yapımındaki gelişmeler sayesinde, kompresör kapasitesini geri tepme olmadan
normal kapasitesinin % 60 'na kadar indirmek mümkündür.
Basınçlı hava makinelerinin
randımanlı bir şekilde çalışabilmesi için hava basıncının sabit tutulması
gerekir. Hava tüketimi değiştikçe kompresör bunu nasıl karşılayacaktır? Basınç
sabit kalacak şekilde hava miktarını değiştirebilmenin ilk yolu, motor devrini
değiştirmektir. Şekil 'deki örnekte motor 4000 dev/dak hızla çalışırken
kompresör 5.5 atü'de 30000 m3 /h hava basmaktadır. Motor devri 4160 dev/dak'ya
yükseltilirse, basınç sabit kalmak şartı ile 39000 m3/h hava basılabilir.
Benzer şekilde, motor hızı 3925 dev/dak'ya düşürülürse basılan hava miktarıda
17000 m3 /h e düşer. Demek ki, örnek olarak verilen kompresörle basınç 5.5 atü
olmak üzere hava miktarını 17000 m3 /h ile 39000 m3 /h arasında değiştirmek
mümkündür. Bunun için yapılacak tek şey motor devrini değiştirmektir. Sabit
basınçta hava miktarı ayarı bu yöntemle en kolay ve ekonomik şekilde
gerçekleşmiş olur.
Motor hızını ayarlamak yeterli
olmaz ise emilen veya basılan havayı boğmak gerekir. Bu yöntemde enerji
kayıpları kaçınılmaz olur. Ancak, elektrik motorları ile tahrik edilen
kompresörlerde motor devrini istenildiği gibi değiştirmek mümkün olmadığından
emilen havayı boğma yönteminden vazgeçilemez.
Pistonlu ve Turbo
Kompresör Karşılaştırması
•Turbo kompresörlerde hava akımı
süreklidir ve havada yağ kalıntıları yoktur.
• Turbo kompresörlerin kurulması
için gereken alan aynı güçteki pistonlu kompresöre gereken alanın 1/5 kadardır.
Aynı şekilde temel yapısıda turbo kompresörde küçük ve hafiftir.
• Turbo kompresörde pistonlu
kompresörde bulunan subaplar bulunmadığı için daha az arıza yapar.
•Turbo kompresör yağ tüketimi
azdır.
• Satınalma maliyeti turbo
kompresörde daha azdır. Bakım ve onarım maliyetleri de benzer şekilde azdır.
•Enerji maliyetlerinde durum tam
tersinedir. Özellikle küçük kapasiteli turbo kompresörlerin izotermik randımanı
çok küçüktür.
•Ekonomik açıdan, 15-20000 m3 /h
'in altında pistonlu, üstünde ise turbo kompresörler avantajlıdır.
•Bu sınır sürekli kullanılmayan
kompresörlerde 8000 m3 /h düşer.
•Yüksek basınçlar için pistonlu
kompresörlerden vazgeçilemez.
•Hız ayarı çok kolay olduğu için
buhar kuvvetinden yararlanmak daima avantajlıdır.
+90 212 343 50 40
+90 553 343 50 40
Yorumlar
Yorum Gönder