Luftkompressor, der gleichzeitig als Pneumatikmotor fungiert?

Ich arbeite an einem Druckluftspeichersystem. Die Größe und das Gewicht des Systems sind stark eingeschränkt. nichts sollte (idealerweise) ein paar Pfund überschreiten. Aus diesem Grund möchte ich die Energie speichern (das Gas komprimieren) und die Energie (das Gas arbeiten lassen) mit demselben Mechanismus rotierend extrahieren .

Im Wesentlichen brauche ich einen Rotationsluftkompressor , der, wenn Luft in die entgegengesetzte Richtung durchgedrückt wird, gleichzeitig als pneumatischer Motor fungiert. Ich arbeite mit ziemlich hohen Drücken (ich schätze ein paar hundert psi), aber geringem Volumen. Bei meiner Suche habe ich eine Vielzahl von kompakten Rotationsluftkompressoren und pneumatischen Rotationsmotoren gefunden, aber es gibt kaum einen Kommentar darüber, welche Systeme als beides funktionieren würden.

Mir scheint es sehr intuitiv zu sein, dass ein Luftkompressor diese Eigenschaften haben könnte, aber ich möchte keine Schlussfolgerungen ziehen. Ich habe mir mehrere Kompressoren angesehen, und die für meine Situation am besten geeignete scheint zu sein:

Radialkompressor
Axialverdichter
Schraubenkompressor
Drehschieberkompressor

Der Radialkompressor ist ideal, aber in meinen Augen scheint es am unwahrscheinlichsten zu sein, dass er reversibel ist, zumindest bei jedem Wirkungsgrad. Ich habe mir auch pneumatische Motoren angesehen, von denen weniger verfügbar waren. Am zutreffendsten schien das zu sein:

Drehschiebermotor

Andere Systeme, wie der Pietro-Motor, waren in meiner leichten, kompakten Anwendung offensichtlich nicht anwendbar. Die Korrelation zwischen dem Drehschieberkompressor und dem Drehschaufelmotor ist vielversprechend, aber ich würde gerne wissen, welche Optionen ich habe.

Welche Rotationsgaskompressionssysteme können als Motoren dienen, die von dem von ihnen komprimierten Gas angetrieben werden?

BEARBEITEN Die Antwort liegt höchstwahrscheinlich in der Ähnlichkeit zwischen einer Radialturbine (Zentripetalturbine) und einem Radialkompressor.

mechanical-engineering motors compressed-air energy-storage compressed-gases MikeJava
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Und ein Kolbenventilkompressor?

Ratschenfreak

@ratchetfreak Gutes Denken. Der Kolben-Ventil-Kompressor würde diesem Bedarf wahrscheinlich gut entsprechen. Leider bewegt sich der Kolben-Ventil-Kompressor hin und her, was mehr Vibration und (nicht unbedingt, aber ich stelle mir praktisch vor) Gewicht bedeutet, als meine Einschränkungen wirklich zulassen. Ich suche die Laufruhe eines Rotationskompressors.

MikeJava

Anwendungen mit geringem Volumen und hoher Förderhöhe erfordern im Allgemeinen eine Impulsturbine für Rotationsturbinen. Da es sehr schwierig zu sein scheint, sich auch in einen Kompressor zu verwandeln, würde ich mich für die Option von @ratchetfreak entscheiden. Wenn ich Sie wäre, würde ich meine Forschung auf Autos konzentrieren, die mit Druckluft betrieben werden, da ich denke, dass sie möglicherweise bereits das genaue System entwickelt haben, das Sie beschreiben, und wenn ich mich nicht irre, verwenden sie tatsächlich ein Kolben-Ventil-System.

Sanchises

@sanchises Ich verstehe nicht, warum Hochdruckanwendungen mit geringem Volumen von keiner Vielzahl von Rotationsluftmotoren erfüllt werden konnten. Warum ist Ihrer Meinung nach eine Impulsturbine notwendig? Mir muss eine Facette der Situation fehlen. Außerdem wäre ich definitiv nicht überrascht, wenn viele aufstrebende Automobiltechnologien ein Kolbenventilsystem einführen würden, das für sie am sinnvollsten ist. Bei dieser Frage geht es jedoch wirklich um ein Rotationssystem, dessen Vorteile vielfältig sind. Ich werde die Frage bearbeiten, um dies klarer zu machen.

MikeJava

@MikeJava Ich sage nicht, dass es nicht möglich ist - ich sage nur, dass die effizienteste Art, eine Rotationsturbine für eine Anwendung mit geringem Volumen zu verwenden, eine Impulsturbine ist, für die es viele Optionen gibt (oft nur in Bezug darauf, wie genau die Turbinenschaufeln sind ausgelegt). Ich kann mein Buch darüber allerdings nicht finden, also muss wohl jemand anderes die eindeutige Antwort finden.

Sanchises

Antworten:

Ich würde ein nach vorne geneigtes Zentrifugalsystem empfehlen , beispielsweise einen nach vorne gekrümmten Lüfter .

Die Leistungsaufnahme / -ausgabe eines Geräts, bei dem Flüssigkeit mit der Flüssigkeitsrate bei ein- und austritt und unter einem Winkel von bei der Geschwindigkeit ein- und austritt , wäre: $Q$ $V$ $\theta$ $U$

P = (V - U) (1 - \cos (θ)) ρ Q U

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

Wenn Sie dieses Gerät das Gas komprimieren lassen, läuft die Leistungsaufnahme umgekehrt. In beiden Fällen hilft der Winkel. Siehe das Geschwindigkeitsdreieck .

Das wahre Herz dieses Willens besteht darin, einige gute Ventile an den Öffnungen anzubringen. ist ein zweischneidiges Schwert - während es deine Kraft erhöht, passiert nichts wirklich , wenn im Vergleich zu nicht sehr hoch ist. Vergessen Sie nicht, dass von oder abhängt , je nachdem, wie Sie es betrachten. Der Schlüssel, um dies zu ändern, besteht darin, die Einlassöffnung (je nachdem, in welche Richtung Sie laufen) auf eine sehr kleine Öffnung zu drosseln, um das höchstmögliche erzielen, während der Auslass sorgfältig kontrolliert wird, um oder über das hinaus zu verengen, was erforderlich ist, um zu halten bist anständig. $U$ $V$ $U$ $Q$ $V$ $U$ $V$ $Q$ $U$ $V/U$

Vielleicht könnte es auch hilfreich sein, dies als erste Stufe in einem zweistufigen Rotationskompressor zu verwenden - die zweite Stufe ist ein echter Rotationskompressor, um den Druck wirklich zu erhöhen, aber dies hilft der zweiten Stufe, den Druck über die Atmosphäre hinaus zu erhöhen.

Letztendlich wird kein Gerät auf dem Markt für diesen seltsamen Service gebaut - aber durch ein ziemlich symmetrisches Rotationssystem mit sorgfältig gesteuerten Eingängen sollten einige anständige Ergebnisse erzielt werden. Ich würde definitiv einen kundenspezifischen Lüfterhersteller konsultieren.

Kennzeichen
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Ihre Gedanken scheinen meine Annahme zu bestätigen, dass diese Turbomaschinen die notwendigen Eigenschaften haben, um reversibel zu sein. Ein nach vorne geneigter Lüfter sieht im Betrieb einem Radialkompressor sehr ähnlich. Wird ein Radialkompressor auch als vorwärts geneigtes Zentrifugalsystem betrachtet? Der Kompressor scheint, wenn er mit dem Lüfter identisch ist, einige Vorteile gegenüber dem Lüfter zu haben. Und ich verstehe, was Sie damit meinen, die verschiedenen Variablen im System sorgfältig zu steuern. Das ist für diese Anwendung unbedingt notwendig. Die Gleichung ist besonders hilfreich

MikeJava

Theoretisch geht diese Gleichung vorwärts oder rückwärts. Bei Verwendung derselben Vorrichtung werden V und U jedoch für eine Möglichkeit bei der Gestaltung des Einlasses und des Auslasses optimiert , da auf der Querschnittsfläche basiert. Am besten optimieren Sie es für die Erzeugung, da Sie nur einen begrenzten Behälter mit Druckluft haben, aber theoretisch eine unbegrenzte Menge an Kompressoren.

Q

$Q$

Mark

Das ist alles sehr gut, wenn man es im Kontext der Theorie eines reversiblen Radialventilators betrachtet, aber die Klassifizierung "Ventilator" impliziert, dass es überhaupt nicht geeignet ist, Gas auf einen sehr hohen Druck zu bringen. Kann ein Radialventilator Luft auf einen respektablen psi bringen?

MikeJava

Ich würde sagen, dass es nicht zu einem hohen psi kommen würde. Deshalb würde ich es als erste Stufe empfehlen. Ich benutze auch "Bühne" in einem breiten Kontext - wie die ersten Schichten des Rotationskompressors anders geformt sind als die anderen. Sie würden also die Druckluft zurück in die Mitte des Kompressors pumpen (dh in die letzte dieser unterschiedlich geformten Schichten), nicht in die allerletzte Schicht des Geräts.

Mark

Ich bin kein Experte für Luftkompressoren oder Motoren, aber nach meinem begrenzten Wissen denke ich, dass der Radialkompressor am besten für die Kompression geeignet ist und eine Tesla-Turbine als Motor ideal ist. Ich denke, es sollte möglich sein, sie auf derselben Welle zu montieren, aber in getrennten luftdichten Kammern, mit einigen Ventilen, so dass die Luft während des Betriebs der Turbine aus der Kompressorkammer gepumpt wird und umgekehrt, um nicht übermäßig zu verursachen Widerstand vom anderen Laufrad. Alternativ ein Kupplungs- / Griffmechanismus, der auswählt, welche sich mit der Welle dreht.

Eine solche Vorrichtung könnte als Einwegkompressor / -motor angesehen werden. Der Versuch, dies mit einem für eines dieser Szenarien optimierten Laufrad in beide Richtungen zu tun, scheint in dem anderen immer ineffizient zu sein.

Jhabbott
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Ich sehe auf jeden Fall, wie eine gute (wenn auch nicht ganz elegante) Lösung erreicht werden kann, indem zwei verschiedene Maschinen auf dieselbe Antriebswelle gesetzt und einige ausgefallene Verbindungsstücke verwendet werden. Das scheint der real-praktische Weg zu sein, den dies gehen könnte. Ein Design, das dieses Prinzip berücksichtigt, jedoch einen Flügelkompressor und einen Motor verwendet, könnte auch ästhetisch und funktional ansprechend sein. Es ist jedoch interessant, dass Sie die Tesla-Turbine aufrufen. Wenn ich mir das anschaue, sehe ich nicht nur eine Turbine, sondern auch das grundlegende Design eines Radialkompressors. Beides ohne Klingenwinkel, über den man sich Sorgen machen muss.

MikeJava

Ich habe das Gleiche über die Tesla-Turbine gedacht, aber ich konnte nicht viele Informationen darüber finden, wie gut sie als Kompressor ist. Es würde mich interessieren, ob jemand versucht hat zu messen, wie gut man in beide Richtungen ist.

Jhabbott

Die Tesla-Turbine kann tatsächlich in die entgegengesetzte Richtung verwendet werden. In diesem Fall scheint es sich um eine Tesla-Pumpe zu handeln. Der einzige Unterschied zwischen der Turbine und der Pumpe scheint darin zu bestehen, dass in einem Fall Luft die Rotoren beschleunigt und in dem anderen Fall die Rotoren die Luft beschleunigen lassen. Wenn die Luft auf die Rotoren einwirkt, dreht sie sich nach innen. Wenn die Rotoren auf die Luft einwirken, dreht sie sich mit zunehmender Geschwindigkeit nach außen, genau wie ein Radialkompressor. Die Frage ist dann: "Würde ein schaufelloser Radialverdichter funktionieren?" Wenn die Antwort ja ist, haben wir möglicherweise unsere Antwort.

MikeJava

Ich gehe auch davon aus, dass der Kompromiss zwischen Zentrifugal und Zentripetal auch für einen Flügelradkompressor gilt, nicht nur für die Tesla-Turbine.

MikeJava