Compressore d'aria che funge anche da motore pneumatico?

Sto lavorando a un sistema di accumulo dell'energia dell'aria compressa. Le dimensioni e il peso del sistema sono fortemente vincolati; nulla dovrebbe (idealmente) superare qualche chilo. Per questo motivo, vorrei immagazzinare l'energia (comprimere il gas) ed estrarre l'energia (far funzionare il gas) con lo stesso meccanismo in modo rotatorio .

Fondamentalmente quello di cui ho bisogno è un compressore d'aria rotante che, quando l'aria viene forzata nella direzione opposta, raddoppia come un motore pneumatico. Sto lavorando con pressioni abbastanza elevate (sto stimando alcune centinaia di psi) ma a basso volume. Nella mia ricerca, ho trovato una miriade di compressori d'aria rotanti compatti e motori pneumatici rotativi, ma non ci sono quasi commenti su quali sistemi funzionerebbero come entrambi.

A me sembra molto intuitivo che un compressore d'aria possa avere queste proprietà, ma non voglio saltare a nessuna conclusione. Ho esaminato diversi compressori e il più applicabile alla mia situazione sembra essere:

Compressore centrifugo
Compressore a flusso assiale
Compressore rotativo a vite
Compressore rotativo a palette

Il compressore centrifugo è l'ideale, ma ai miei occhi sembra meno probabile che sia reversibile, almeno con qualsiasi efficienza. Ho anche esaminato i motori pneumatici, di cui c'erano meno disponibili. Il più applicabile sembrava essere il:

Motore rotativo a palette

Altri sistemi, come il motore Pietro, non erano ovviamente applicabili nella mia applicazione leggera e compatta. La correlazione tra il compressore rotativo a palette e il motore rotativo a palette è promettente, ma vorrei sapere di tutte le opzioni che ho.

Quali sistemi rotativi di compressione del gas possono raddoppiare come motori alimentati dal gas che comprimono?

EDIT La risposta molto probabilmente sta nella somiglianza tra una turbina radiale (centripeta) e un compressore centrifugo.

— MikeJava
fonte

E un compressore a pistone-valvola?

— maniaco del cricchetto,

@ratchetfreak Buona riflessione. Il compressore della valvola a pistone probabilmente si adatterebbe bene a questa esigenza. Purtroppo, il compressore della valvola a pistone è alternativo, il che significa più vibrazioni e (non necessariamente, ma immagino praticamente) peso di quanto i miei vincoli consentano davvero. Sto cercando la scorrevolezza di un compressore rotativo.

— MikeJava,

Le applicazioni a basso volume e ad alta prevalenza richiedono generalmente una turbina a impulsi per turbine rotanti. Dal momento che sembra essere molto difficile trasformare anche in un compressore, sceglierei l'opzione di @ratchetfreak. Se fossi in te, focalizzerei la mia ricerca sulle auto che funzionano ad aria compressa, poiché penso che potrebbero aver già sviluppato il sistema esatto che stai descrivendo e, se non sbaglio, usano davvero un sistema a valvola a pistone.

— Sanchises,

@sanchise Non vedo perché le applicazioni ad alta pressione, a basso volume non possano essere soddisfatte da qualsiasi varietà di motore rotativo ad aria. Perché dici che è necessaria una turbina a impulsi? Mi manca qualche aspetto della situazione. Inoltre, non sarei sicuramente sorpreso se molte tecnologie automobilistiche emergenti adottassero un sistema di valvole a pistone, ha più senso per loro. Ma questa domanda riguarda davvero un sistema rotativo, i cui vantaggi sono molti. Modificherò la domanda per renderlo più chiaro.

— MikeJava,

@MikeJava Non sto dicendo che non è possibile - sto solo dicendo che il modo più efficiente di usare una turbina rotante per un'applicazione a basso volume è una turbina a impulsi, di cui ci sono molte opzioni (spesso legate solo a come esattamente le pale della turbina sono progettate). Non riesco a trovare il mio libro su questo, quindi immagino che qualcun altro dovrà trovare la risposta definitiva.

— Sanchises,

Risposte:

Consiglierei un sistema centrifugo inclinato in avanti , come un ventilatore curvo in avanti .

L'ingresso / uscita di potenza di qualsiasi dispositivo, in cui il fluido entra / esce con la velocità del fluido $Q$ a $V$ ed entra / esce ad angolo $\theta$ alla velocità $U$ , sarebbe:

P = (V - U) (1 - \cos (θ)) ρ Q U

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

Se si dispone di questo dispositivo per comprimere il gas, l'ingresso di potenza scorre al contrario. In entrambi i casi l'angolo aiuta. Vedi il triangolo della velocità .

Il vero cuore di questa volontà si riduce a mettere delle buone valvole sulle aperture. $U$ è un'arma a doppio taglio - mentre aumenta il tuo potere, se $V$ non è molto elevato rispetto a $U$ non sta succedendo nulla. Non dimenticare $Q$ dipende da $V$ o $U$ , a seconda di come lo guardi. La chiave per modificarlo è limitare la tua apertura dell'iniettore verso il basso (in qualunque modo corri) a un'apertura molto piccola per avere il massimo $V$ possibile, mantenendo la presa attentamente controllata per non restringere $Q$ o $U$ oltre ciò che è necessario per mantenere $V/U$ decente.

Forse usare questo come primo stadio in un compressore rotativo a due stadi potrebbe anche aiutare: il secondo stadio è un vero compressore rotativo per aumentare davvero la pressione, ma ciò aiuta il secondo stadio ad aumentare la pressione oltre l'atmosfera.

Alla fine, nessun dispositivo sul mercato sarà costruito per questo strano servizio, ma avendo un sistema rotativo abbastanza simmetrico con input attentamente controllati dovrebbe dare risultati decenti. Mi consulterei sicuramente con un produttore di ventole personalizzato.

— marchio
fonte

I tuoi pensieri sembrano rafforzare il mio presupposto che queste turbomacchine abbiano le caratteristiche necessarie per essere reversibili. Un ventilatore inclinato in avanti sembra estremamente simile nel funzionamento a un compressore centrifugo; un compressore centrifugo è anche considerato un sistema centrifugo inclinato in avanti? Il compressore, se uguale alla ventola, sembrerebbe avere alcuni vantaggi rispetto alla ventola. E capisco cosa intendi per controllare attentamente le diverse variabili nel sistema. Questo è sicuramente necessario per questa applicazione. L'equazione è particolarmente utile

— MikeJava il

In teoria quell'equazione va avanti o indietro. Tuttavia, quando si utilizza lo stesso dispositivo, poiché

Q

$Q$ si basa sull'area della sezione trasversale, V e U sono ottimizzati per un modo nella progettazione dell'ingresso e dell'uscita. La tua scommessa migliore è di averlo ottimizzato per la generazione, dal momento che hai solo un contenitore limitato di aria pressurizzata, ma teoricamente un rifornimento illimitato da comprimere.

— Segna il

Va tutto bene se considerato nel contesto della teoria di un ventilatore centrifugo reversibile, ma la stessa classificazione 'ventilatore' implica che non è adatto per portare gas ad una pressione molto elevata. Un ventilatore centrifugo può portare l'aria a una psi rispettabile?

— MikeJava,

Direi che non arriverebbe ad un alto psi. Ecco perché lo consiglierei come primo stadio. Sto anche usando "stage" in un ampio contesto - come i primi pochi strati del compressore rotativo hanno una forma diversa rispetto al resto. Quindi pomperesti l'aria compressa nel mezzo del compressore (cioè l'ultimo di quei diversi strati sagomati) non l'ultimo strato del dispositivo.

— Segna il

Non sono un esperto di compressori d'aria o motori, ma per mia limitata conoscenza penso che come dici tu che il compressore centrifugo sarebbe il migliore per la compressione e una turbina Tesla sarebbe l'ideale come motore. Penso che dovrebbe essere possibile montarli sullo stesso albero ma in camere a tenuta stagna separate, con alcune valvole tali che quando la turbina è in funzione l'aria viene pompata fuori dalla camera del compressore e viceversa, in modo da non causare indebiti resistenza dell'altra girante. In alternativa un meccanismo frizione / grip che seleziona quale gira con l'albero.

Un tale dispositivo potrebbe essere considerato un compressore / motore a due vie. Cercare di farlo in entrambi i modi con una girante ottimizzata per uno di quegli scenari sembra che sarai sempre inefficiente nell'altro.

— jhabbott
fonte

Certamente vedo come è possibile raggiungere una buona soluzione (anche se non del tutto elegante) mettendo due macchine diverse sullo stesso albero di trasmissione e usando alcuni pezzi di collegamento di fantasia. Sembra il modo pratico del mondo reale in cui ciò potrebbe andare. Un design che abbraccia questo principio ma che utilizza un compressore e un motore a vuoto potrebbe anche essere esteticamente e funzionalmente piacevole. È interessante, tuttavia, che porti in su la turbina Tesla. Quando lo guardo, vedo non solo una turbina ma anche il design di base di un compressore centrifugo. Entrambe queste cose senza l'angolazione della lama di cui preoccuparsi.

— MikeJava,

Ho pensato la stessa cosa sulla turbina Tesla, ma non sono riuscito a trovare molte informazioni su quanto sia buono come compressore. Sarei interessato a vedere se qualcuno ha provato a misurare quanto uno è buono in entrambe le direzioni.

— Jhabbott,

La turbina Tesla può infatti essere utilizzata nella direzione opposta. In questo caso sembra che sia indicato come una pompa tesla. L'unica differenza tra la turbina e la pompa sembra essere che in un caso l'aria sta accelerando i rotori e nell'altro i rotori stanno accelerando l'aria. Quando l'aria agisce sui rotori, si sposta a spirale verso l'interno. Quando i rotori agiscono sull'aria, si sposta a spirale verso l'esterno, aumentando di velocità, esattamente come un compressore centrifugo. La domanda allora è: "funzionerebbe un compressore centrifugo senza lama?" Se la risposta è sì, potremmo avere la nostra risposta.

— MikeJava,

Suppongo anche che il compromesso centrifugo / centripeto si applicherebbe anche a un compressore centrifugo vanificato, non solo alla turbina Tesla.

— MikeJava,