Sprężarka powietrza, która działa również jako silnik pneumatyczny?

Pracuję nad systemem magazynowania energii na sprężone powietrze. Rozmiar i waga systemu są mocno ograniczone; nic nie powinno (idealnie) przekraczać kilku funtów. Z tego powodu chciałbym magazynować energię (sprężać gaz) i pobierać energię (sprawić, by gaz działał) z tym samym mechanizmem w sposób obrotowy .

Zasadniczo potrzebuję rotacyjnej sprężarki powietrza, która po przepchnięciu powietrza w przeciwnym kierunku może pełnić funkcję silnika pneumatycznego. Pracuję z dość wysokimi ciśnieniami (szacuję kilkaset psi), ale niską głośnością. W moich poszukiwaniach znalazłem mnóstwo kompaktowych rotacyjnych sprężarek powietrza i obrotowych silników pneumatycznych, ale prawie nie ma komentarza na temat tego, które systemy działałyby jako oba.

Wydaje mi się bardzo intuicyjne, że sprężarka powietrza może mieć te właściwości, ale nie chcę wyciągać żadnych wniosków. Spojrzałem na kilka sprężarek i najbardziej pasują do mojej sytuacji:

Sprężarka odśrodkowa
Sprężarka z przepływem osiowym
Sprężarka śrubowa rotacyjna
Sprężarka rotacyjna łopatkowa

Sprężarka odśrodkowa jest idealna, ale wydaje mi się najmniej prawdopodobne, aby była odwracalna, przynajmniej z dowolną wydajnością. Patrzyłem też na silniki pneumatyczne, których było mniej. Najbardziej odpowiednie wydawały się:

Obrotowy silnik łopatkowy

Inne systemy, takie jak silnik pietro, oczywiście nie miały zastosowania w mojej lekkiej, kompaktowej aplikacji. Korelacja między sprężarką łopatkową a silnikiem łopatkowym jest obiecująca, ale chciałbym wiedzieć o wszystkich opcjach, które mam.

Jakie obrotowe systemy sprężania gazu mogą podwójnie działać jako silniki napędzane gazem, który sprężają?

EDYCJA Odpowiedź najprawdopodobniej polega na podobieństwie między turbiną promieniową (dośrodkową) a sprężarką odśrodkową.

mechanical-engineering motors compressed-air energy-storage compressed-gases MikeJava
źródło

A sprężarka z zaworem tłokowym?

maniak zapadkowy

@ratchetfreak Dobre myślenie. Sprężarka z zaworem tłokowym najprawdopodobniej dobrze spełniłaby tę potrzebę. Niestety, sprężarka tłokowo-tłokowa porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym, co oznacza więcej wibracji i (niekoniecznie, ale wyobrażam sobie praktycznie) ciężar, niż moje ograniczenia na to pozwalają. Szukam gładkości sprężarki rotacyjnej.

MikeJava

Zastosowania o małej objętości i dużej wysokości zwykle wymagają turbiny impulsowej dla turbin obrotowych. Ponieważ wydaje się to bardzo trudne do przekształcenia również w kompresor, wybrałbym opcję @ratchetfreak. Gdybym był tobą, skoncentrowałbym swoje badania na samochodach napędzanych sprężonym powietrzem, ponieważ myślę, że mogły już opracować dokładnie ten system, który opisujesz, a jeśli się nie mylę, rzeczywiście używają układu tłok-zawór.

Sanchises

@sanchises Nie rozumiem, dlaczego żadna odmiana obrotowego silnika pneumatycznego nie mogła sprostać aplikacjom o wysokim ciśnieniu i małej objętości. Dlaczego mówicie, że turbina impulsowa jest konieczna? Brakuje mi jakiegoś aspektu sytuacji. Nie zdziwiłbym się również, gdyby wiele nowych technologii motoryzacyjnych przyjęło system zaworów tłokowych, ma to dla nich sens. Ale to pytanie naprawdę dotyczy systemu obrotowego, którego zalet jest wiele. Przeredaguję pytanie, aby było bardziej jasne.

MikeJava

@MikeJava Nie twierdzę, że nie jest to możliwe - mówię tylko, że najbardziej wydajnym sposobem wykorzystania turbiny rotacyjnej do zastosowań o małej objętości jest turbina impulsowa, której jest wiele opcji (często po prostu związanych z tym, jak dokładnie zaprojektowane są łopatki turbiny). Nie mogę jednak znaleźć mojej książki na ten temat, więc sądzę, że ktoś inny będzie musiał znaleźć ostateczną odpowiedź.

Sanchises

Odpowiedzi:

Polecam przodu nachyloną systemu odśrodkowy , taki jak zakrzywione do przodu wentylatora .

Moc wejściowa / wyjściowa dowolnego urządzenia, w którym płyn wchodzi / wychodzi z prędkością płynu $Q$ w $V$ i wchodzi / wychodzi pod kątem $\theta$ z prędkością $U$ , byłoby:

P = (V - U) (1 - \cos (θ)) ρ Q U

$\mathcal P = (V-U)(1-\cos(\theta))\rho QU$ .

Jeśli masz to urządzenie sprężające gaz, pobór mocy przebiega w odwrotnej kolejności. W obu przypadkach kąt pomaga. Zobacz trójkąt prędkości .

Prawdziwe serce tego sprowadza się do umieszczenia kilku dobrych zaworów w otworach. $U$ jest obosiecznym mieczem - choć podnosi twoją moc, jeśli $V$ nie jest bardzo wysoki w porównaniu do $U$ tak naprawdę nic się nie dzieje. Nie zapomnij $Q$ zależy od $V$ lub $U$ , w zależności od tego, jak na to spojrzysz. Kluczem do zmiany tego jest ograniczenie przepustnicy (w jakikolwiek sposób biegniesz) do bardzo małego otworu, aby mieć najwyższy $V$ możliwe, przy jednoczesnym starannym kontrolowaniu wylotu, aby się nie zwężał $Q$ lub $U$ poza tym, co jest konieczne do zachowania $V/U$ przyzwoity.

Być może zastosowanie tego jako pierwszego stopnia w dwustopniowej sprężarce rotacyjnej może również pomóc - drugi stopień jest prawdziwą sprężarką rotacyjną, która naprawdę zwiększa ciśnienie, ale pomaga to drugiemu stopniowi zwiększyć ciśnienie poza atmosferyczne.

Ostatecznie żadne urządzenie na rynku nie zostanie zbudowane do tej dziwnej usługi - ale posiadanie dość symetrycznego systemu obrotowego ze starannie kontrolowanymi wejściami powinno dać przyzwoite wyniki. Zdecydowanie skonsultowałbym się z producentem niestandardowego wentylatora.

znak
źródło

Wasze myśli wydają się potwierdzać moje przypuszczenie, że te maszyny przepływowe mają cechy niezbędne do odwracalności. Wentylator pochylony do przodu wygląda bardzo podobnie w działaniu do sprężarki odśrodkowej; czy sprężarka odśrodkowa jest również uważana za układ odśrodkowy pochylony do przodu? Sprężarka, jeśli jest taka sama jak wentylator, wydaje się mieć kilka zalet w stosunku do wentylatora. Rozumiem, co masz na myśli mówiąc o dokładnym kontrolowaniu różnych zmiennych w systemie. Jest to zdecydowanie konieczne dla tej aplikacji. Równanie jest szczególnie pomocne

MikeJava,

Teoretycznie równanie idzie do przodu lub do tyłu. Jednak w przypadku korzystania z tego samego urządzenia, ponieważ

Q

$Q$ opiera się na polu przekroju, V i U są zoptymalizowane dla jednego sposobu w projekcie wlotu i wylotu. Najlepszym rozwiązaniem jest zoptymalizowanie go pod kątem wytwarzania, ponieważ masz tylko ograniczony pojemnik na sprężone powietrze, ale teoretycznie nieograniczone źródło sprężania.

Mark

Wszystko to wygląda bardzo dobrze w kontekście teorii odwracalnego wentylatora odśrodkowego, ale sama klasyfikacja „wentylatora” implikuje, że nie nadaje się w ogóle do podnoszenia gazu do bardzo wysokiego ciśnienia. Czy wentylator odśrodkowy może podnieść powietrze do godnego szacunku psi?

MikeJava

Powiedziałbym, że nie osiągnie wysokiego psi. Dlatego poleciłbym to jako pierwszy etap. Używam również „sceny” w szerokim kontekście - podobnie jak kilka pierwszych warstw sprężarki rotacyjnej ma inny kształt niż pozostałe. W ten sposób pompujesz sprężone powietrze z powrotem do środka sprężarki (tj. Ostatniej z tych warstw o różnych kształtach), a nie do ostatniej warstwy urządzenia.

Mark

Nie jestem ekspertem od sprężarek powietrza ani silników, ale z mojej ograniczonej wiedzy myślę, że jak mówicie, sprężarka odśrodkowa byłaby najlepsza do sprężania, a turbina Tesla byłaby idealna jako silnik. Myślę, że powinno być możliwe zamontowanie ich na tym samym wale, ale w oddzielnych hermetycznych komorach, z niektórymi zaworami, tak że podczas pracy turbiny powietrze jest wypompowywane z komory sprężarki i odwrotnie, aby nie powodować niepotrzebnych opór z drugiego wirnika. Alternatywnie mechanizm sprzęgła / uchwytu, który wybiera, który obraca się z wałem.

Takie urządzenie można uznać za dwukierunkową sprężarkę / silnik. Próba zrobienia tego w obie strony z wirnikiem zoptymalizowanym do jednego z tych scenariuszy wydaje się, że zawsze będziesz nieskuteczny w drugim.

jhabbott
źródło

Z pewnością widzę, jak można osiągnąć dobre (choć nie do końca eleganckie) rozwiązanie, umieszczając dwie różne maszyny na tym samym wale napędowym i używając fantazyjnych elementów łączących. To wydaje się być praktycznym sposobem, w jaki może się to odbyć. Konstrukcja zgodna z tą zasadą, ale z zastosowaniem sprężarki łopatkowej i silnika, mogłaby również być estetyczna i funkcjonalna. Interesujące jest jednak to, że przywołujesz turbinę Tesla. Patrząc na to, widzę nie tylko turbinę, ale także podstawową konstrukcję sprężarki odśrodkowej. Obie te rzeczy nie wymagają zmartwienia.

MikeJava,

Tak samo myślałem o turbinie Tesli, ale nie mogłem znaleźć wielu informacji na temat tego, jak dobra jest ona jako kompresor. Byłbym zainteresowany, aby sprawdzić, czy ktoś próbował zmierzyć, jak dobry jest w obu kierunkach.

jhabbott,

Turbina Tesla może być rzeczywiście używana w przeciwnym kierunku. W tym przypadku wydaje się, że nazywa się to pompą tesla. Jedyną różnicą między turbiną a pompą wydaje się być to, że w jednym przypadku powietrze powoduje przyspieszenie wirników, aw drugim wirniki powodują przyspieszenie powietrza. Kiedy powietrze działa na wirniki, krąży spiralnie do wewnątrz. Kiedy wirniki działają na powietrze, spiralnie poruszają się na zewnątrz, zwiększając prędkość, dokładnie jak sprężarka odśrodkowa. Pytanie brzmi zatem: „czy działałaby bezłopatkowa sprężarka odśrodkowa?”. Jeśli odpowiedź brzmi „tak”, możemy otrzymać naszą odpowiedź.

MikeJava,

Zakładam również, że kompromis odśrodkowy / dośrodkowy dotyczyłby również łopatkowej sprężarki odśrodkowej, nie tylko turbiny Tesla.

MikeJava