Sprężone powietrze zwane jest często „czwartym medium energetycznym” stosowanym w przemyśle. Jednakże w przeciwieństwie do wody, gazu czy elektryczności – użytkownik powietrza jest również jego producentem.
Bardzo łatwo zostać swoim własnym dostawcą tego medium – wystarczy kupić i zainstalować sprężarkę do sieci sprężonego powietrza i osprzętu towarzyszącego w swoim zakładzie.
Jednym z najważniejszych etapów produkcji sprężonego powietrza jest wybór właściwej sprężarki.
Użytkownicy mają do dyspozycji trzy typy sprzętu:
-
sprężarki tłokowe
-
sprężarki śrubowe rotacyjne
-
sprężarki odśrodkowe
Aby wybrać właściwą, należy zrozumieć zasady działania każdej z nich. Różnice w funkcjonowaniu sprawiają, że każdy typ tych maszyn jest bardziej lub mniej przystosowany do szczególnych potrzeb użytkownika.
Artykuł ten wyjaśni zasadnicze różnice w działaniu poszczególnych typów sprężarek, ze szczególnym uwzględnieniem jednej z najmniej znanych konstrukcji – sprężarki odśrodkowej.
Sprężarki tłokowe
Zasada działania sprężarki tłokowej jest najprostsza do zrozumienia. Również często nazywana jest sprężarką wyporową (objętościową) – sprężarka tłokowa pobiera pewną objętość powietrza i poprzez tłok, ściślej pracę wymuszoną siłą przekazaną z połączonego z nim korbowodu, zmniejsza objętość zassanego powietrza, podnosząc jego ciśnienie. Zakładając idealne warunki – fizykę tego zjawiska opisuje formuła:
p1 x V1 = p2 x V2,
gdzie indeks 1 odnosi się do warunków zasysania sprężarki, a 2 do warunków tłoczenia. Wydajność (przepływ) sprężarki określają wymiary cylindra – jego objętość, a także spręż (stosunek ciśnień) określony przez odpowiedni skok tłoka.
Sprężarki tłokowe pracują w szerokim zakresie wydajności. Najczęściej spotykane to sprężarki o mocy od
1 kW do 500 kW. W praktyce ograniczeniem jest możliwość uzyskania sprężu ok. 5 do 6 w jednym stopniu sprężającym. Oznacza to, że jeśli ciśnienie na ssaniu wynosi 1 bar, to można uzyskać ciśnienie tłoczenia do 5 – 6 barów. W celu uzyskania wyższego ciśnienia – powietrze trzeba doprężyć w następnej sprężarce (stopniu sprężania) – wtedy mamy do czynienia ze sprężarką dwustopniową. Zaletą sprężarki tłokowej jest jej działanie wykorzystujące dwupozycyjne położenie tłoka. Wtedy sprężanie może odbywać się podczas obu ruchów tłoka (tłok dwustronnego działania). Jeśli tylko jedna strona tłoka zajmuje się sprężaniem, to jest to sprężarka jednostronnego działania. Jeśli obie strony tłoka wykorzystywane są do sprężania, to jest to sprężarka dwustronnego działania.
Aby zapewnić możliwie najlepszą sprawność procesu sprężania – potrzebny jest skuteczny system uszczelniania pomiędzy suwającym się tłokiem a powierzchnią cylindra. Chociaż są dostępne w sprzedaży sprężarki tłokowe bezolejowe, to powszechniejsze są maszyny olejowe (zwane również sprężarkami smarowanymi olejem). Wprowadzając olej smarujący do cylindra, redukuje się zużycie ścianek tłoka i cylindra, ale wywołuje niepożądany skutek, tzn. mieszanie się z powietrzem oleju i przenoszenie go dalej ze strumieniem sprężonego powietrza. W efekcie – jeżeli proces, w którym wykorzystujemy sprężone powietrze, nie toleruje obecności substancji smarnych w powietrzu – należy za sprężarką stosować specjalne systemy separacji powietrza od oleju.
Zwykle takie systemy separacji są projektowane i dobierane pod kątem potrzeb końcowego użytkownika powietrza, który dyktuje wymagania i jakość uzdatniania takiego powietrza. Na przykład, jeśli stosowany gaz wykorzystywany jest w procesach produkcji spożywczej lub farmaceutycznej – wymagane są dodatkowe specjalne systemy filtracji, spełniające właściwe normy spożywcze i zdrowotne.
Podstawową zaletą sprężarek tłokowych jest ich prosta budowa i stosunkowo niski koszt zakupu. Ich słabą stroną jest konieczność częstej obsługi i serwisu tłoka, cylindra i dużego wkładu pracy przy wymianie części zamiennych. Z tego punktu widzenia należy brać pod uwagę również mniejszą gotowość do pracy sprężarki. Jeżeli chodzi o maszyny smarowane olejem, ich najsłabszym punktem jest dodatkowy koszt zakupu i serwisu systemu uzdatniania, aby dostarczać powietrze o odpowiedniej do potrzeb jakości. Należy to uwzględnić, obliczając koszt posiadania takiego systemu. Sprężarki tłokowe wymagają najczęściej znacznych i specjalnych systemów fundamentowania. Inaczej niż dzieje się to z pozostałymi dwoma systemami sprężarek.
Sprężarki śrubowe rotacyjne
Chociaż nie w tak oczywisty sposób jak tłokowe, sprężarki śrubowe są również maszynami typu wyporowego. Sprężanie odbywa się poprzez zazębianie się dwóch wirników o naciętej linii (profilu) ślimakowej (śrubowej). Linia jednego wirnika („męskiego”, zwanego także głównym lub czynnym) wchodzi w profil – wgłębienie drugiego („żeńskiego”, zwanego także biernym). Te dwa wirniki obracają się w przeciwnych kierunkach. W sprężarkach smarowanych olejem wirnik główny napędza wirnik bierny.
W układzie sprężarki bezolejowej układ wirników jest napędzany i precyzyjnie koordynowany przez przekładnię synchronizującą. Widok takiego układu pokazany jest na rysunku 2.
Poprzez króciec ssawny sprężarki zasysane jest powietrze, które jest następnie uwięzione w wypustach wirników. Tak zamknięta objętość jest sprężana poprzez zmniejszanie przestrzeni pomiędzy liniami śrubowymi, w której się znajduje, aż do momentu, kiedy osiąga króciec wylotowy sprężarki, gdzie jest wytłaczana. Postępujące sprężanie jednej porcji powietrza pokazuje rysunek 3.
Tutaj objętość sprężonego powietrza jest ściśle powiązana z wymiarami śrub – długością, średnicą, liczbą zwojów, wreszcie wysokością linii śrubowej. Spręż jest uzależniony od długości wirników, która wyznacza skalę procesu sprężania.
Rotacyjne sprężarki śrubowe są typowymi sprężarkami stosowanymi w przemyśle w zakresie mocy 11 – 250 kW. Typowe ciśnienie stosowane w przemyśle to 7 – 13 barów, w praktyce granica ciśnienia tłoczenia dla sprężarek śrubowych to wartość ok. 17 barów.
Chociaż najczęściej występują jako sprężarki jednostopniowe, to mogą również pracować jako urządzenia wielostopniowe. Jest to osiągane poprzez montowanie np. dwóch par śrub w jednym korpusie lub stosowanie dwóch osobnych korpusów z własnymi śrubami.
Podobnie do sprężarek tłokowych, jeśli w procesie, w którym wykorzystuje się powietrze, nie są tolerowane zanieczyszczenia olejowe czy wilgoć – wymaga się uzdatniania sprężonego powietrza.
Śrubowe sprężarki bezolejowe są również dostępne na rynku. Uszczelnianie podczas procesu sprężania uzyskuje się dzięki specjalnym wypustkom na krawędziach linii śrubowej i obudowie oraz poprzez specjalne pokrywanie powierzchni obu śrub. Charakterystykę zużycia takich systemów uszczelnienia określa stopień pogarszającej się wydajności, do której może dojść w określonym przez producenta czasie.
Podstawową zaletą takiej sprężarki jest niska cena zakupu. Wadą – częstość wykonywanych serwisów lub konieczność remontu kapitalnego, polegającego na wymianie łożysk i uszczelnień, albo w najgorszym przypadku (sprężarki śrubowe bezolejowe) – nawet wymiany kompletnego modułu śrubowego wraz z korpusem. Jeśli maszyny są smarowane olejem, koszty związane z serwisem oraz energią potrzebną do uzdatniania powietrza należy uznać za niezbyt korzystne.
Sprężarki odśrodkowe
Jeśli sprężarki odśrodkowe uzyskują ten sam rezultat w postaci sprężonego powietrza jak dwa poprzednie systemy, to należy podkreślić, że osiągają je w zupełnie inny sposób. Podczas gdy sprężarki śrubowe i tłokowe sprężają poprzez zmniejszanie objętości zassanego powietrza, to sprężarki odśrodkowe podnoszą ciśnienie poprzez zwiększenie prędkości powietrza. Z tego powodu są one często nazywane sprężarkami dynamicznymi.
Sprężarki odśrodkowe podnoszą ciśnienie poprzez przekazywanie prędkości, wykorzystując specjalny rotacyjny wirnik, a następnie konwertują je na ciśnienie. Każdy stopień sprężania sprężarki odśrodkowej składa się z obracającego się wirnika oraz stacjonarnego układu ssawnego i sekcji tłocznej. Poprzez wlot do sprężarki powietrze jest rozpędzane przez specjalnie ukształtowaną „skręconą” linię łopatek wirnika. Prędkość obwodowa na średnicy wirnika jest duża, dzięki temu powietrze jest tam bardzo rozpędzone, następnie na wylocie z wirnika dostaje się do dyfuzora, gdzie jego prędkość jest konwertowana na ciśnienie. „Na rysunku 4 pokazane są typowe komponenty stopnia sprężającego sprężarki odśrodkowej. Każdy stopień może osiągnąć spręż powietrza rzędu 2,2 ÷ 3,0. Z powodu wydzielającego się podczas sprężania ciepła pomiędzy stopniami zaleca się stosowanie chłodnic powietrza, najczęściej powietrze – woda, rzadziej powietrze – powietrze.
Sprężarki odśrodkowe są bezolejowe. Obieg sprężanego powietrza i oleju są od siebie niezależne, oddzielone poprzez zestawy uszczelnień oraz przestrzeń atmosferyczną. Jakiekolwiek substancje smarne, niezbędne do łożysk lub innych urządzeń mechanicznych, są oddzielone od strumienia powietrza. Zaletą tego systemu jest to, że nie trzeba oczyszczać powietrza za sprężarką z oleju. Sprężarki odśrodkowe są idealnie dobrane do procesów, gdzie wymagane jest wykorzystywanie powietrza niezanieczyszczonego.
Sprężarki odśrodkowe dzięki ich cechom użytkowym są uznawane za urządzenia przeznaczone do długiej pracy bez przeglądów serwisowych. Mają niewielką ilość części ruchomych i nie opierają swego działania na kontakcie części uzyskujących efekt sprężania. Unikalną zaletą sprężarek odśrodkowych, dzięki dynamicznemu procesowi sprężania, jest całkowity brak pulsacji ciśnienia. To czyni je w sposób naturalny cichszymi i pracującymi bardziej gładko niż ich wyporowe odpowiedniki. Podsumowując, sprężarki odśrodkowe pracują na bardzo niskich poziomach drgań, co minimalizuje potrzebę stosowania specjalnych fundamentów oraz izolacji i podpór rurociągów. Zbiorniki wyrównawcze czy przeciwpulsacyjne nie są wymagane tak jak w przypadku sprężarek wyporowych. W konsekwencji koszty instalacji sprężarki odśrodkowej są niższe niż sprężarki wyporowej.
Artykuł pod redakcją
Wojciecha Halkiewicza
