Piestový kompresor

Piestový kompresor je kompresor, ktorého podstatnou časťou je piest vykonávajúci priamočiary vratný pohyb vo valci. Patrí do podskupiny objemových kompresorov. Pri pohybe piesta vo valci sa plyn postupne nasáva, stláča a vytláča. Ventily, ktoré plyn prepúšťajú do valca a z valca pracujú samočinne, na základe rozdielu tlakov.

Schéma piestového kompresora (ventily sú neproporčne malé):
1 - piest
2 - valec
3 - tesnenie
4 - nasávací ventil
5 - výtlačný ventil

Geometrické pomery

Piest kompresora má zvyčajne kruhový prierez. Vo valci sa pohybuje medzi doma polohami, ktoré sa nazývajú horná úvrať - priestor nad piestom je najmenší a dolná úvrať - priestor nad piestom je najväčší. Vzdialenosť medzi úvraťami sa nazýva zdvih, a objem valca medzi úvraťami zdvihový objem. Pri polohe piesta v hornej úvrati zostáva nad piestom určitý priestor, ktorý sa nazýva škodlivý. Je to preto, že čím je tento priestor väčší, tým má kompresor nižšiu účinnosť.

Opis pracovného cyklu

Idealizovaný pracovný obeh kompresora v p-V diagrame

Nasledujúci opis cyklu využíva zjednodušenia a idealizáciu prebiehajúcich procesov. Pri polohe piesta v dolnej úvrati (1) je priestor valca naplnený plynom o tlaku približne zodpovedajúcom tlaku pred nasávacím ventilom. Oba ventily sú uzavreté. Za výtlačným ventilom je vyšší tlak. Piest sa začne pohybovať k hornej úvrati a náplň valca sa začne stláčať. Pri predpoklade vysokej rýchlosti stláčania, sa môže proces zjednodušiť na adiabatický dej. Niekde medzi úvraťami (2) dosiahne tlak vo valci rovnakú úroveň ako tlak vo výtlačnom potrubí. Akékoľvek ďalšie nepatrné zvýšenie tlaku spôsobí otvorenie výtlačného ventilu čím sa prepojí priestor valca s výtlačným potrubím. Pri ďalšom pohybe piesta k hornej úvrati (3) dochádza k izobarickému vytláčaniu stlačenej náplne. Po dosiahnutí hornej úvrate piest zmení smer pohybu a priestor nad ním sa začne zväčšovať. Tlak vo valci začne klesať čo má za následok uzavretie výtlačného ventilu. Piest sa pohybuje ďalej k dolnej úvratí a plyn uzavretý v škodlivom priestore sa začne rozpínať, opäť je možné uvažovať zjednodušene o adiabatickom procese. V bode (4) sa tlak vo valci vyrovná s tlakom v nasávacom potrubí, otvorí sa nasávací ventil a do valca začne izobaricky prúdiť plyn, až kým sa valec nedostane do dolnej úvrate.

Z uvedeného vyplýva, že vplyvom škodlivého priestoru sa na vytláčanie plynu nevyužije celý zdvihový objem kompresora. Čím je škodlivý priestor väčší a čím je vyšší pomer výtlačného a nasávacieho tlaku, tým viac sa bod (4) posunie bližšie k dolnej úvrati a do valca sa nasaje menej novej náplne.

Pri práci reálneho kompresora nie je možné zamedziť prestupu tepla do stien valca preto sú vyššie popísané adiabatické procesy v skutočnosti polytropické s premenlivým exponentom. Na začiatku kompresie je plyn chladnejší ako steny pracovného priestoru, ohrieva sa od nich, exponet polytropy je väčší ako Poissonova konštanta. Ku koncu kompresie je teplejší, odovzdáva teplo stenám a exponent je menší. Podobne sa plyn dodatočne ohrieva aj vo fáze plnenia valca. Ani vodorovné čiary nasávania a vytláčania nie sú v skutočnosti rovné, ale vplyvom dynamických efektov prúdenia plynu dochádza ku kolísaniu tlaku.