¿Compresor de aire que también funciona como motor neumático?

Estoy trabajando en un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido. El tamaño y el peso del sistema están muy limitados; nada debería (idealmente) exceder algunas libras. Por esta razón, me gustaría almacenar la energía (comprimir el gas) y extraer la energía (hacer que el gas funcione) con el mismo mecanismo de forma rotativa .

Esencialmente, lo que necesito es un compresor de aire rotativo que, cuando el aire es forzado a pasar en la dirección opuesta, funciona como un motor neumático. Estoy trabajando con presiones bastante altas (estoy estimando unos pocos cientos de psi) pero de bajo volumen. En mi búsqueda, he encontrado una gran cantidad de compresores de aire rotativos compactos y motores neumáticos rotativos, pero apenas hay comentarios sobre qué sistemas funcionarían como ambos.

Para mí, parece muy intuitivo que un compresor de aire pueda tener estas propiedades, pero no quiero sacar conclusiones precipitadas. He mirado varios compresores, y el más aplicable a mi situación parece ser:

Compresor centrífugo
Compresor de flujo axial
Compresor de tornillo rotativo
Compresor rotativo de paletas

El compresor centrífugo es ideal, pero a mis ojos parece que es menos probable que sea reversible, al menos con alguna eficiencia. También miré los motores neumáticos, de los cuales había menos disponibles. Lo más aplicable parecía ser:

Motor rotativo de paletas

Otros sistemas, como el motor pietro, obviamente no eran aplicables en mi aplicación ligera y compacta. La correlación entre el compresor de paletas rotativas y el motor de paletas rotativas es prometedora, pero me gustaría saber acerca de las opciones que tengo.

¿Qué sistemas rotativos de compresión de gas pueden funcionar como motores que funcionan con el gas que comprimen?

EDITAR La respuesta más probable radica en la similitud entre una turbina radial (centrípeta) y un compresor centrífugo.

mechanical-engineering motors compressed-air energy-storage compressed-gases MikeJava
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¿Y un compresor de válvula de pistón?

monstruo de trinquete

@ratchetfreak Buen pensamiento. El compresor de válvula de pistón probablemente se adaptaría bien a esta necesidad. Por desgracia, el compresor de la válvula de pistón es alternativo, lo que significa más vibración y (no necesariamente, pero imagino prácticamente) peso de lo que mis restricciones realmente permitirán. Estoy buscando la suavidad de un compresor rotativo.

MikeJava

Las aplicaciones de alto volumen y bajo volumen generalmente requieren una turbina de impulso para turbinas rotativas. Como parece que también es muy difícil convertirlo en un compresor, optaría por la opción de @ratchetfreak. Si yo fuera usted, enfocaría mi investigación en los autos que funcionan con aire comprimido, ya que creo que pueden haber desarrollado el sistema exacto que está describiendo, y si no me equivoco, de hecho usan un sistema de válvula de pistón.

Sanchises

@sanchises No veo por qué las aplicaciones de alta presión y bajo volumen no pueden ser satisfechas por ninguna variedad de motor de aire rotativo. ¿Por qué dice que es necesaria una turbina de impulso? Debo estar perdiendo alguna faceta de la situación. Además, definitivamente no me sorprendería si muchas tecnologías automotrices emergentes adoptaran un sistema de válvula de pistón, tiene más sentido para ellos. Pero esta pregunta se trata realmente de un sistema rotativo, cuyas ventajas son muchas. Editaré la pregunta para aclarar esto.

MikeJava

@MikeJava No digo que no sea posible, solo digo que la forma más eficiente de usar una turbina rotativa para una aplicación de bajo volumen es afaik una turbina de impulso, de la cual hay muchas opciones (a menudo solo relacionadas con cómo exactamente las paletas de la turbina están diseñadas). Sin embargo, no puedo encontrar mi libro sobre eso, así que supongo que alguien más tendrá que dar la respuesta definitiva.

Sanchises

Respuestas:

Recomendaría un sistema centrífugo inclinado hacia adelante , como un ventilador curvo hacia adelante .

La entrada / salida de potencia de cualquier dispositivo, donde el fluido entra / sale con la tasa de fluido en y entra / sale en un ángulo a la velocidad , sería: $Q$ $V$ $\theta$ $U$

P = (V - U) (1 - \cos (θ)) ρ Q U

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

Si tiene este dispositivo, comprima el gas, la entrada de energía funciona en reversa. En ambos casos, el ángulo ayuda. Ver el triángulo de velocidad .

El verdadero corazón de esta voluntad se reduce a poner algunas buenas válvulas en las aberturas. es una espada de doble filo, mientras que aumenta tu poder, si no es muy alto en comparación con nada está sucediendo realmente. No olvides que depende de o , dependiendo de cómo lo mires. La clave para modificar esto es estrangular la abertura de entrada hacia abajo (de cualquier manera que corra) a una abertura muy pequeña para tener la más alta posible, mientras mantiene la salida cuidadosamente controlada para no contraer o más allá de lo necesario para mantener decente. $U$ $V$ $U$ $Q$ $V$ $U$ $V$ $Q$ $U$ $V/U$

Quizás usar esto como una primera etapa en un compresor rotativo de dos etapas también podría ayudar: la segunda etapa es un verdadero compresor rotativo para aumentar realmente la presión, pero esto ayuda a la segunda etapa a aumentar la presión más allá de la atmosférica.

Finalmente, ningún dispositivo en el mercado se construirá para este extraño servicio, pero al tener un sistema rotativo bastante simétrico con entradas cuidadosamente controladas debería producir algunos resultados decentes. Definitivamente consultaría con un fabricante de ventiladores personalizado.

marca
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Sus pensamientos parecen reforzar mi suposición de que estas turbomáquinas tienen las características necesarias para ser reversibles. Un ventilador inclinado hacia adelante se ve extremadamente similar en funcionamiento a un compresor centrífugo; ¿Es un compresor centrífugo también considerado un sistema centrífugo inclinado hacia adelante? El compresor, si es el mismo que el ventilador, parecería tener algunas ventajas sobre el ventilador. Y veo lo que quieres decir con controlar cuidadosamente las diferentes variables en el sistema. Eso es definitivamente necesario para esta aplicación. La ecuación es especialmente útil

MikeJava

En teoría, esa ecuación va hacia adelante o hacia atrás. Sin embargo, cuando se usa el mismo dispositivo, dado que se basa en el área de la sección transversal, V y U se optimizan de una manera en el diseño de la entrada y la salida. Su mejor opción es tenerlo optimizado para la generación, ya que solo tiene un contenedor limitado de aire a presión, pero en teoría un suministro ilimitado para comprimir.

Q

$Q$

Mark

Eso está muy bien cuando se ve en el contexto de la teoría de un ventilador centrífugo reversible, pero la misma clasificación de 'ventilador' implica que no es adecuado para elevar el gas a una presión muy alta. ¿Puede un ventilador centrífugo subir el aire a una psi respetable?

MikeJava

Yo diría que no llegaría a un alto psi. Por eso lo recomendaría como primera etapa. También estoy usando "etapa" en un contexto amplio, como las primeras capas del compresor rotativo tienen una forma diferente que el resto. Por lo tanto, bombearía el aire comprimido de regreso al centro del compresor (es decir, la última de esas capas de formas diferentes), no la última capa del dispositivo.

Mark

No soy un experto en compresores de aire o motores, pero por mi limitado conocimiento, creo que, como usted dice, el compresor centrífugo sería el mejor para la compresión y una turbina Tesla sería ideal como motor. Creo que debería ser posible montarlos en el mismo eje pero en cámaras herméticas separadas, con algunas válvulas de modo que cuando la turbina esté en funcionamiento, el aire se bombee fuera de la cámara del compresor, y viceversa, para no causar excesos resistencia del otro impulsor. Alternativamente, un mecanismo de embrague / agarre que selecciona cuál gira con el eje.

Tal dispositivo podría considerarse un compresor / motor de dos vías. Intentar hacerlo en ambos sentidos con un impulsor optimizado para uno de esos escenarios parece que siempre será ineficiente en el otro.

jhabbott
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Ciertamente veo cómo se puede llegar a una buena solución (aunque no completamente elegante) colocando dos máquinas diferentes en el mismo eje de transmisión y utilizando algunas piezas de conexión elegantes. Esa parece ser la forma práctica en el mundo real de que esto podría ir. Un diseño que abraza este principio pero que utiliza un compresor y motor con paletas también podría ser estética y funcionalmente agradable. Sin embargo, es interesante que traigas la turbina de Tesla. Cuando miro eso, veo no solo una turbina sino también el diseño básico de un compresor centrífugo. Ambas cosas sin ángulo de cuchilla de las que preocuparse.

MikeJava

Pensé lo mismo sobre la turbina Tesla, pero no pude encontrar mucha información sobre lo bueno que es como compresor. Me interesaría ver si alguien ha tratado de medir qué tan bueno es en ambas direcciones.

jhabbott

La turbina de Tesla se puede utilizar en la dirección opuesta. En este caso, parece que se conoce como una bomba de Tesla. La única diferencia entre la turbina y la bomba parece ser que, en un caso, el aire hace que los rotores se aceleren, y en el otro, los rotores hacen que el aire se acelere. Cuando el aire actúa sobre los rotores, se mueve en espiral hacia adentro. Cuando los rotores actúan sobre el aire, se mueve en espiral hacia afuera, aumentando su velocidad, exactamente como un compresor centrífugo. La pregunta entonces es: ¿funcionaría un compresor centrífugo sin cuchilla? Si la respuesta es sí, podemos tener nuestra respuesta.

MikeJava

También supongo que la compensación centrífuga / centrípeta se aplicaría también a un compresor centrífugo con paletas, no solo a la turbina de Tesla.

MikeJava