Compresseur d'air qui se double d'un moteur pneumatique?

Je travaille sur un système de stockage d'énergie à air comprimé. La taille et le poids du système sont fortement limités; rien ne devrait (idéalement) dépasser quelques kilos. Pour cette raison, je voudrais stocker l'énergie (comprimer le gaz) et extraire l'énergie (faire fonctionner le gaz) avec le même mécanisme de manière rotative .

Essentiellement, j'ai besoin d'un compresseur d'air rotatif qui, lorsque l'air est forcé dans la direction opposée, se transforme en moteur pneumatique. Je travaille avec des pressions assez élevées (j'évalue quelques centaines de psi) mais un faible volume. Dans ma recherche, j'ai trouvé une pléthore de compresseurs d'air rotatifs compacts et de moteurs pneumatiques rotatifs, mais il n'y a guère de commentaires sur les systèmes qui fonctionneraient comme les deux.

Pour moi, il semble très intuitif qu'un compresseur d'air puisse avoir ces propriétés, mais je ne veux tirer aucune conclusion. J'ai examiné plusieurs compresseurs, et les plus applicables à ma situation semblent être:

Compresseur centrifuge
Compresseur à flux axial
Compresseur à vis rotative
Compresseur à palettes rotatif

Le compresseur centrifuge est idéal, mais il me semble le moins susceptible d'être réversible, du moins avec une quelconque efficacité. J'ai également examiné les moteurs pneumatiques, dont il y avait moins disponibles. Le plus applicable semblait être:

Moteur à palettes rotatives

D'autres systèmes, tels que le moteur pietro, n'étaient évidemment pas applicables à mon application légère et compacte. La corrélation entre le compresseur à palettes rotatives et le moteur à palettes rotatives est prometteuse, mais j'aimerais connaître toutes les options dont je dispose.

Quels systèmes rotatifs de compression de gaz peuvent doubler de moteurs alimentés par le gaz qu'ils compressent?

EDIT La réponse réside très probablement dans la similitude entre une turbine radiale (centripète) et un compresseur centrifuge.

— MikeJava
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Et un compresseur à piston?

— monstre à cliquet

@ratchetfreak Bonne réflexion. Le compresseur à piston et piston conviendrait probablement parfaitement à ce besoin. Hélas, le compresseur piston-soupape est alternatif, ce qui signifie plus de vibrations et (pas nécessairement, mais j'imagine pratiquement) de poids que mes contraintes ne le permettront vraiment. Je recherche la douceur d'un compresseur rotatif.

— MikeJava

Les applications à faible volume et à haut débit nécessitent généralement une turbine à impulsion pour les turbines rotatives. Étant donné que cela semble très difficile à transformer en compresseur également, je choisirais l'option de @ratchetfreak. Si j'étais vous, je concentrerais mes recherches sur les voitures fonctionnant à l'air comprimé, car je pense qu'elles ont peut-être déjà développé le système exact que vous décrivez, et si je ne me trompe pas, elles utilisent en effet un système de soupape à piston.

— Sanchises

@sanchises Je ne vois pas pourquoi les applications à haute pression et à faible volume ne pourraient être satisfaites par aucune variété de moteur à air rotatif. Pourquoi dites-vous qu'une turbine à impulsion est nécessaire? Je dois manquer une facette de la situation. De plus, je ne serais certainement pas surpris si de nombreuses technologies automobiles émergentes adoptaient un système de soupape à piston, c'est le plus logique pour elles. Mais cette question concerne vraiment un système rotatif dont les avantages sont nombreux. Je vais modifier la question pour que ce soit plus clair.

— MikeJava

@MikeJava Je ne dis pas que ce n'est pas possible - je dis simplement que le moyen le plus efficace d'utiliser une turbine rotative pour une application à faible volume est afaik une turbine à impulsion, dont il existe de nombreuses options (souvent simplement liées à la façon dont exactement les aubes de turbine sont conçues). Je ne trouve pas mon livre là-dessus, donc je suppose que quelqu'un d'autre devra trouver la réponse définitive.

— Sanchises

Réponses:

Je recommanderais un système centrifuge incliné vers l'avant , comme un ventilateur incurvé vers l'avant .

L'entrée / sortie de puissance de tout appareil, où le fluide entre / sort avec le débit de fluide $Q$ à $V$ et entre / sort sous un angle $\theta$ à vitesse $U$ , serait:

P = (V - U) (1 - \cos (θ)) ρ Q U

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

Si vous avez cet appareil comprimer le gaz, l'entrée d'alimentation fonctionne en sens inverse. Dans les deux cas, l'angle aide. Voir le triangle de vitesse .

Le vrai cœur de cette volonté se résume à mettre de bonnes valves sur les ouvertures. $U$ est une épée à double tranchant - alors qu'elle augmente votre puissance, si $V$ n'est pas très élevé par rapport à $U$ il ne se passe vraiment rien. N'oublie pas $Q$ dépend de $V$ ou $U$ , selon la façon dont vous le regardez. La clé pour modifier cela est d'étrangler votre ouverture d'admission vers le bas (quelle que soit la façon dont vous exécutez) à une très petite ouverture pour avoir le plus haut $V$ possible, tout en gardant la sortie soigneusement contrôlée pour ne pas resserrer $Q$ ou $U$ au-delà de ce qui est nécessaire pour garder $V/U$ décent.

Peut-être que l'utiliser comme premier étage dans un compresseur rotatif à deux étages pourrait également aider - le deuxième étage est un véritable compresseur rotatif pour vraiment augmenter la pression, mais cela aide le deuxième étage à augmenter la pression au-delà de l'atmosphère.

En fin de compte, aucun appareil sur le marché ne sera construit pour ce service étrange - mais en ayant un système rotatif assez symétrique avec des entrées soigneusement contrôlées devrait donner des résultats décents. Je consulterais certainement un fabricant de ventilateurs personnalisés.

— marque
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Vos pensées semblent renforcer mon hypothèse selon laquelle ces turbomachines ont les caractéristiques nécessaires pour être réversibles. Un ventilateur incliné vers l'avant ressemble extrêmement en fonctionnement à un compresseur centrifuge; un compresseur centrifuge est-il également considéré comme un système centrifuge incliné vers l'avant? Le compresseur, s'il est le même que le ventilateur, semble avoir quelques avantages par rapport au ventilateur. Et je vois ce que vous entendez par contrôler soigneusement les différentes variables du système. C'est absolument nécessaire pour cette application. L'équation est particulièrement utile

— MikeJava

En théorie, cette équation va en avant ou en arrière. Cependant, lorsque vous utilisez le même appareil,

Q

$Q$ est basé sur la section transversale, V et U sont optimisés dans un sens dans la conception de l'entrée et de la sortie. Votre meilleur pari est de l'avoir optimisé pour la génération, car vous n'avez qu'un réservoir limité d'air sous pression, mais théoriquement un approvisionnement illimité à comprimer.

— Mark

Tout cela est très bien vu dans le contexte de la théorie d'un ventilateur centrifuge réversible, mais la classification même de `` ventilateur '' implique qu'il ne convient pas du tout pour élever le gaz à une pression très élevée. Un ventilateur centrifuge peut-il faire monter l'air à un psi respectable?

— MikeJava

Je dirais que cela n'atteindrait pas un psi élevé. C'est pourquoi je le recommanderais comme première étape. J'utilise également "stage" dans un contexte large - comme si les premières couches du compresseur rotatif avaient une forme différente des autres. Vous devez donc pomper l'air comprimé au milieu du compresseur (c'est-à-dire la dernière de ces différentes couches de forme) et non la toute dernière couche de l'appareil.

— Mark

Je ne suis pas un expert des compresseurs d'air ou des moteurs, mais d'après mes connaissances limitées, je pense que vous dites que le compresseur centrifuge serait le meilleur pour la compression et qu'une turbine Tesla serait idéale comme moteur. Je pense qu'il devrait être possible de les monter sur le même arbre mais dans des chambres hermétiques séparées, avec certaines vannes telles que lorsque la turbine est en marche, l'air est pompé hors de la chambre du compresseur, et vice versa, afin de ne pas causer de résistance de l'autre roue. Alternativement, un mécanisme d'embrayage / poignée qui sélectionne celui qui tourne avec l'arbre.

Un tel dispositif pourrait être considéré comme un compresseur / moteur bidirectionnel. Essayer de le faire dans les deux sens avec une roue optimisée pour l'un de ces scénarios semble être toujours inefficace dans l'autre.

— jhabbott
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Je vois certainement comment une bonne solution (bien que pas complètement élégante) peut être trouvée en plaçant deux machines différentes sur le même arbre d'entraînement et en utilisant des pièces de connexion sophistiquées. Cela semble être la manière concrète et pratique de procéder. Une conception embrassant ce principe mais utilisant un compresseur et un moteur à ailettes pourrait également être agréable sur le plan esthétique et fonctionnel. Il est intéressant, cependant, que vous montiez la turbine tesla. Quand je regarde cela, je vois non seulement une turbine mais aussi la conception de base d'un compresseur centrifuge. Ces deux choses sans angle de lame à se soucier.

— MikeJava

Je pensais la même chose à propos de la turbine Tesla, mais je n'ai pas pu trouver beaucoup d'informations sur sa qualité de compresseur. Je serais intéressé de voir si quelqu'un a essayé de mesurer sa qualité dans les deux sens.

— jhabbott

La turbine tesla peut en effet être utilisée en sens inverse. Dans ce cas, il semble qu'il soit fait référence à une pompe tesla. La seule différence entre la turbine et la pompe semble être que, dans un cas, l'air fait accélérer les rotors, et dans l'autre, les rotors font accélérer l'air. Lorsque l'air agit sur les rotors, il tourne en spirale vers l'intérieur. Lorsque les rotors agissent sur l'air, il tourne en spirale vers l'extérieur, augmentant en vitesse, exactement comme un compresseur centrifuge. La question est alors: «un compresseur centrifuge sans lame fonctionnerait-il? Si la réponse est oui, nous pouvons avoir notre réponse.

— MikeJava

Je suppose également que le compromis centrifuge / centripète s'appliquerait également à un compresseur centrifuge à aubes, et pas seulement à la turbine tesla.

— MikeJava