Compressor de ar que funciona como um motor pneumático?

Eu estou trabalhando em um sistema de armazenamento de energia de ar comprimido. O tamanho e o peso do sistema são altamente restritos; nada deve (idealmente) exceder alguns quilos. Por esta razão, eu gostaria de armazenar a energia (comprimir o gás) e extrair a energia (fazer o gás funcionar) com o mesmo mecanismo de forma rotativa .

Essencialmente, o que eu preciso é de um compressor de ar rotativo que, quando o ar é forçado na direção oposta, também funciona como um motor pneumático. Estou trabalhando com pressões razoavelmente altas (estou estimando algumas centenas de psi), mas baixo volume. Na minha pesquisa, encontrei uma infinidade de compressores compactos de ar e motores pneumáticos rotativos, mas não há comentários sobre quais sistemas funcionariam como ambos.

Para mim, parece muito intuitivo que um compressor de ar possa ter essas propriedades, mas não quero tirar conclusões precipitadas. Eu olhei vários compressores, e os mais aplicáveis à minha situação parecem ser:

Compressor centrífugo
Compressor de fluxo axial
Compressor de parafuso rotativo
Compressor de palhetas rotativas

O compressor centrífugo é ideal, mas parece ser o menos provável em meus olhos para ser reversível, pelo menos com alguma eficiência. Eu também olhei para motores pneumáticos, dos quais havia menos disponíveis. Mais aplicável parecia ser o:

Motor de palhetas rotativas

Outros sistemas, como o motor pietro, obviamente não eram aplicáveis em minha aplicação leve e compacta. A correlação entre o compressor de palhetas rotativas e o motor de palhetas rotativas é promissora, mas gostaria de saber sobre quaisquer opções que eu tenha.

Quais sistemas de compressão de gás rotativo podem funcionar como motores movidos pelo gás que eles comprimem?

EDIT A resposta provavelmente está na semelhança entre uma turbina radial (centrípeta) e um compressor centrífugo.

— MikeJava
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E um compressor de pistão-válvula?

— catraca aberração

@ratchetfreak Bom pensamento. O compressor de pistão-válvula provavelmente atenderia bem essa necessidade. Infelizmente, o compressor de pistão-válvula é alternativo, o que significa mais vibração e (não necessariamente, mas eu imagino praticamente) peso do que minhas restrições realmente permitirão. Estou procurando a suavidade de um compressor rotativo.

— MikeJava

Aplicações de baixo volume e alta cabeça geralmente exigem uma turbina de impulso para turbinas rotativas. Como isso também parece ser muito difícil de transformar em um compressor, eu optaria pela opção @ratchetfreak. Se eu fosse você, eu focaria minha pesquisa em carros rodando com ar comprimido, já que acho que eles já podem ter desenvolvido o sistema exato que você está descrevendo, e se não estou enganado, eles realmente usam um sistema de válvula de pistão.

— Sanchises

@sanchises Não vejo por que aplicações de alta pressão e baixo volume não puderam ser atendidas por qualquer variedade de motores a ar rotativos. Por que você diz que uma turbina de impulso é necessária? Eu devo estar perdendo alguma faceta da situação. Além disso, eu definitivamente não ficaria surpreso se muitas tecnologias automotivas emergentes adotassem um sistema de válvulas de pistão, isso faz mais sentido para elas. Mas esta questão é realmente sobre um sistema rotativo, cujas vantagens são muitas. Vou editar a pergunta para tornar isso mais claro.

— MikeJava

@MikeJava Não estou dizendo que não é possível - estou apenas dizendo que a maneira mais eficiente de usar uma turbina rotativa para uma aplicação de baixo volume é uma turbina de impulso, da qual há muitas opções (muitas vezes relacionadas apenas à forma como exatamente as palhetas da turbina são projetadas). Não consigo encontrar o meu livro sobre isso, então acho que alguém terá que dar uma resposta definitiva.

— Sanchises

Respostas:

Eu recomendaria um sistema centrífugo inclinado para a frente , como um ventilador curvado para a frente .

A entrada / saída de energia de qualquer dispositivo, onde o fluido entra / sai com a taxa de fluido em e entra / sai em um ângulo na velocidade , seria: $Q$ $V$ $\theta$ $U$

P = (V - U) (1 - \cos (θ)) ρ Q U

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

Se você tiver esse dispositivo para comprimir o gás, a entrada de energia será executada ao contrário. Em ambos os casos, o ângulo ajuda. Veja o triângulo de velocidade .

O verdadeiro coração desta vontade se resume a colocar algumas boas válvulas nas aberturas. é uma espada de dois gumes - enquanto aumenta o seu poder, se não for muito alto comparado a nada está realmente acontecendo. Não se esqueça depende de ou , dependendo de como você olha para ele. A chave para modificar isso é diminuir sua abertura de entrada (qualquer que seja o caminho) para uma abertura muito pequena para ter o maior possível, mantendo a tomada cuidadosamente controlada para não restringir ou além do necessário para manter decente. $U$ $V$ $U$ $Q$ $V$ $U$ $V$ $Q$ $U$ $V/U$

Talvez usar isso como um primeiro estágio em um compressor rotativo de dois estágios também poderia ajudar - o segundo estágio é um verdadeiro compressor rotativo para realmente aumentar a pressão, mas isso ajuda o segundo estágio a aumentar a pressão além da pressão atmosférica.

Em última análise, nenhum dispositivo no mercado será construído para este serviço estranho - mas por ter um sistema rotativo bastante simétrico com entradas cuidadosamente controladas deve produzir alguns resultados decentes. Eu definitivamente consultaria um fabricante de ventiladores personalizados.

— Marca
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Seus pensamentos parecem reforçar minha suposição de que essas turbomáquinas têm as características necessárias para serem reversíveis. Um ventilador inclinado para frente parece extremamente similar em operação a um compressor centrífugo; é um compressor centrífugo também considerado um sistema centrífugo inclinado para frente? O compressor, se o mesmo que o ventilador, parece ter algumas vantagens sobre o ventilador. E vejo o que você quer dizer com o controle cuidadoso das diferentes variáveis no sistema. Isso é definitivamente necessário para este aplicativo. A equação é especialmente útil

— MikeJava

Em teoria, essa equação vai para frente ou para trás. No entanto, ao usar o mesmo dispositivo, uma vez que é baseado na área da seção transversal, V e U são otimizados por um caminho no projeto da entrada e da saída. Sua melhor aposta é tê-lo otimizado para geração, já que você só tem um recipiente limitado de ar pressurizado, mas, teoricamente, um suprimento ilimitado para comprimir.

Q

$Q$

— Mark

Isso tudo é muito bom quando visto no contexto da teoria de um ventilador centrífugo reversível, mas a própria classificação "ventilador" implica que ele não é adequado para elevar o gás a uma pressão muito alta. Pode um ventilador centrífugo obter ar até um respeitável psi?

— MikeJava

Eu diria que não chegaria a um alto psi. É por isso que eu recomendaria isso como um primeiro estágio. Eu também estou usando o "palco" em um contexto amplo - como as primeiras camadas do compressor rotativo têm uma forma diferente do resto. Então, você bombearia o ar comprimido de volta para o meio do compressor (ou seja, a última dessas camadas de formas diferentes), não a última camada do dispositivo.

— Mark

Eu não sou um especialista em compressores de ar ou motores, mas pelo meu conhecimento limitado, eu acho que, como você diz, o compressor centrífugo seria o melhor para a compressão e uma Turbina Tesla seria ideal como o motor. Eu acho que deveria ser possível montá-los no mesmo eixo, mas em câmaras herméticas separadas, com algumas válvulas tais que quando a turbina está em operação o ar é bombeado para fora da câmara do compressor, e vice-versa, para não causar resistência do outro impulsor. Alternativamente, um mecanismo de embreagem / pegada que seleciona qual deles gira com o eixo.

Tal dispositivo poderia ser considerado um compressor / motor de duas vias. Tentar fazer as duas coisas com um impulsor otimizado para um desses cenários parece ser sempre ineficiente no outro.

— jhabbott
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Eu certamente vejo como uma solução boa (embora não completamente elegante) pode ser alcançada colocando duas máquinas diferentes no mesmo eixo de transmissão e usando algumas peças de conexão extravagantes. Essa parece ser a maneira prática do mundo real que isso poderia acontecer. Um projeto abrangendo este princípio, mas usando um compressor e um motor em forma de palheta, também pode ser esteticamente e funcionalmente agradável. É interessante, porém, que você traga a turbina de tesla. Quando olho para isso, vejo não apenas uma turbina, mas também o projeto básico de um compressor centrífugo. Ambas as coisas sem ângulo de lâmina para se preocupar.

— MikeJava

Eu pensei o mesmo sobre a turbina Tesla, mas eu não consegui encontrar muita informação sobre como ela é boa como um compressor. Eu estaria interessado em ver se alguém tentou medir o quão bom é em ambas as direções.

— jhabbott

A turbina tesla pode realmente ser usada na direção oposta. Neste caso, parece que é referido como uma bomba de tesla. A única diferença entre a turbina e a bomba parece ser que, em um caso, o ar está causando a aceleração dos rotores e, no outro, os rotores estão causando a aceleração do ar. Quando o ar atua nos rotores, ele espirala para dentro. Quando os rotores agem no ar, ele espirala para fora, aumentando em velocidade, exatamente como um compressor centrífugo. A questão, então, é "um compressor centrífugo sem lâminas funcionaria?" Se a resposta for sim, podemos ter nossa resposta.

— MikeJava

Também presumo que o comércio centrífugo / centrípeto também se aplicaria a um compressor centrífugo, e não apenas à turbina tesla.

— MikeJava