W kwietniowym numerze miesięcznika I&UR ukazał się artykuł, w którym omówiona została większość typów sprężarek, w tym bezolejowe. Wynikało z niego, że najlepszym rozwiązaniem z punktu widzenia budowy i działania jest promieniowa sprężarka odśrodkowa (typu „turbo”). Trudno tej tezie odmówić siły argumentów, ale nie należy zapominać o dwóch ważnych, równie oczywistych faktach – o tym, że bardzo wysoki koszt zakupu takiej sprężarki uzasadniony jest wtedy, gdy zapotrzebowanie na sprężone powietrze znacznie przekracza 2000 m3/h. Drugi istotny fakt (bardziej praktyczny), to system regulacji wydajności sprężarki, który daje możliwość obniżania wydajności w zakresie 70–100%, ale z niewielkim obniżeniem poboru energii, ostatecznie sprowadza się bardzo często do wydmuchu sprężonego powietrza do atmosfery. To powoduje, że wysoka sprawność gwałtownie
spada, dochodzi do gigantycznych strat. Turbosprężarki są idealne do stałego, dużego poboru strumienia powietrza niezmiennego praktycznie przez cały rok. Praktyka wykazuje, że większość zastosowań powietrza bezolejowego wykonują sprężarki wyporowe, czyli śrubówki i tłokówki. Ich zaletą jest dostępność już przy niewielkich wydajnościach oraz elastyczność w regulacji.
Stopniowa sprężarka bezolejowa w układzie „L” mogąca sprężać powietrze do 45 barów – widok i przekrój
Sprężarki tłokowe
O nich wypada wspomnieć najpierw, z racji „starszeństwa”, były jako pierwsze stosowane w praktyce. Sprężanie bezolejowe natrafia tu na jeden najważniejszy problem, polegający na tarciu pierścieni tłokowych o powierzchnię cylindra, bez udziału środka smarnego.
Chłodzenie. Nie byłoby problemu, ale przy sprężaniu bez chłodzenia temperatura powietrza sprężanego już przy 2 barach może dochodzić nawet do 250oC. A przecież pasowania elementów współpracujących muszą zapewniać jak najmniejsze szczeliny w celu minimalizacji przecieku powrotnego. Tak wysoka temperatura temu nie służy. Logiczną konsekwencją jest konieczność podzielenia procesu na kilka stopni sprężania oraz zapewnienie chłodzenia zewnętrznego zarówno samego procesu sprężania, jak i chłodzenia międzystopniowego.
Uszczelnienia. Wracając do problemu uszczelnień pierścieniowych i ich skuteczności, środek smarny ze względu na wymagania co do jakości powietrza za sprężarką, musiał zostać wyeliminowany. Pomocą mogła być tylko inżynieria materiałowa. Początkowo, wzorem pierścieni silnikowych, stosowano pierścienie grafitowe. Skuteczność ich działania jest ogromna, ale trwałość wynikająca z intensywnego wycierania się oraz w konsekwencji obecność pyłu grafitowego w sprężonym powietrzu takie rozwiązanie wyeliminowała. Drugim krokiem były początki stosowania teflonu – materiału odpornego na ścieranie i wysokie temperatury. Materiał stał się modny w latach 80., ale opinie na temat jego szkodliwości dla zdrowia zmusiły inżynierów do szukania materiałów zmodyfikowanych. Można uznać, że dziś stosowane kombinacje materiałów czy samego tylko PTFE zapewniają odporność i trwałość materiałów oraz bezpieczną dla zdrowia eksploatację. Trwałość dzisiejszych materiałów zapewnia pracę pierścieni nawet od 8000 do 12 000 godzin. Świadczy to dobrze o trwałości, niezawodności, a przede wszystkim praktycznie o braku zużycia materiału pierścieni, które jeszcze 10 lat temu nie wytrzymywały więcej niż 2000 godzin pracy. Ważne są także dławnice i uszczelnienia korbowodów, bo przecież wał korbowy pracuje smarowany rozbryzgowo lub z wymuszeniem smarowania pompą, w oparciu o łożyska ślizgowe lub toczne. Dzisiejsza technika uszczelnień zapewnia pracę około 1 roku na takich uszczelnieniach.
Metody regulacji. Można wykorzystać różne metody regulacji wydajności znacznie obniżające pobór energii. Np. metoda podwieszania zaworów w sytuacji znacznego obniżenia poboru powietrza – połowa zaworów jest zamykana i sprężarka produkuje sprężone powietrze w 50% swojej wydajności, pobierając nieznacznie więcej niż połowę mocy nominalnej. Inną, rzadziej stosowaną, raczej w sprężarkach o wyższych obrotach roboczych, jest metoda regulacji przez zmianę prędkości obrotowej (za pomocą przemiennika częstotliwości). Inny sposób to stosowanie przed pierwszym stopniem sprężania innego urządzenia sprężającego (np. dmuchawy Rootsa), które może sprężać powietrze od ciśnienia atmosferycznego do 1 bara, ale także zmniejszać przepływ przez sprężarkę z wykorzystaniem przemiennika częstotliwości sterującego obrotami takiej dmuchawy.
Zaletą bezolejowych sprężarek tłokowych jest ich niski całkowity koszt eksploatacji, który przy właściwej ich konstrukcji i stosowaniu odpowiednich materiałów daje możliwość naprawdę długiej eksploatacji. Możliwe jest łatwe regenerowanie podzespołów, o ile robi się to na czas wg wskazań producenta. Jeśli mówimy o sprężarkach tłokowych, nie możemy zapomnieć o zaworach tłocznych i ssawnych. Ich trwałość jest uzależniona od typu i producenta, a ich regeneracja nie jest kosztowna ani skomplikowana. Niezależnie, czy jest to sprężarka w układzie V, W, czy L lub też typu „bokser”, stosowane dziś zawory są praktycznie ujednolicone i uniwersalne. Natomiast pierścienie wytrzymują długo, bo konstruowane są tak, że mogą się obracać w czasie pracy sprężarki, a to uniemożliwia szybsze ich zużywanie się tylko pewną częścią obwodu. Dzisiejsze technologie tłumienia drgań materiałowych eliminują konieczność budowania specjalnych fundamentów do tych urządzeń. Niewątpliwą zaletą sprężarek tłokowych jest możliwość uzyskiwania ciśnień nawet do 450 barów w zależności od ilości stopni sprężania.
Wadą sprężarek tłokowych jest spora liczba elementów ruchomych oraz wysoki poziom hałasu, którego tłumienie jest utrudnione przez konieczność stosowania otwartych zabudów urządzeń (po zamknięciu w kontenerze wygłuszającym bardzo trudne jest chłodzenie w związku z dużą emisją ciepła z większości elementów sprężarki). Wymagane jest bezwzględne stosowanie zbiorników wyrównawczych, które działają także jako przeciwpulsacyjne (jeśli przeciwpulsacyjne nie jest częścią standardowego wyposażenia).
Koszty eksploatacji. Na pograniczu wad i zalet jest sposób rozłożenia kosztów serwisowania – w przypadku sprężarki tłokowej 2-stopniowej są one na etapie każdego interwału serwisowego relatywnie wysokie, ale po podsumowaniu łącznych kosztów produkcji powietrza w okresie np. 5 czy 10 lat pracy są nieporównywalnie niższe od kosztów stosowania np. bezolejowej sprężarki śrubowej 2-stopniowej lub też turbosprężarki.
Dostępne zakresy stosowania to wydajność nawet do 3000–4000 m3/h. Najczęściej wykorzystywane są w systemach uzdatniania wody, w przemyśle spożywczym czy też szpitalnictwie i przemyśle farmaceutycznym. Królują w zastosowaniach np. do rozdmuchu butelek PET czy napełniania butli z powietrzem oddechowym lub też do gazów procesowych, niebezpiecznych lub wybuchowych. Maszyny chłodzone powietrzem cechują się trwałością i niezawodnością niższą od sprężarek śrubowych, a co najważniejsze, są także słabsze, jeżeli chodzi o sprawność (dla sprężarek wyporowych najpraktyczniej interpretowany jest wskaźnik jednostkowego zużycia energii [kWh/m3]). Jeżeli natomiast chodzi o maszyny chłodzone cieczą – ich trwałość jest lepsza lub porównywalna z 2-stopniowymi „śrubówkami” i wykazują lepsze wskaźniki energetyczne (niższe [kWh/m3]).
Sprężarki śrubowe 2-stopniowe sprężające na sucho
Historia tych maszyn nie jest wiele krótsza od „tłokówek”. Podobnym problemem była wielkość szczelin i stosowanie właściwej temperatury roboczej, uszczelnienia oraz napęd i łożyska. Nie ma tu pierścieni i zaworów. Natomiast pojawia się problem, jak osiągnąć kompromis między uzyskaniem jak najmniejszych szczelin pomiędzy śrubami oraz śrubami i korpusem a rozszerzaniem się materiałów śrub i korpusu w wysokich temperaturach.
Chłodzenie. Osiąganie ciśnień w sprężarce śrubowej, czyli także wyporowej, generuje te same problemy. Wysoka temperatura pracy wymaga zastosowania podziału na 2 stopnie sprężania, a także chłodzenia komory sprężania płaszczem wodnym oraz wykorzystywania chłodzenia międzystopniowego. W praktyce standardem jest sprężarka pracująca do ciśnienia 11 barów, 2-stopniowa, chłodzona zewnętrznie cieczą. Ciecz ta z kolei jest chłodzona wodą lub powietrzem. Pojawia się ponownie problem współpracujących ze sobą elementów. Muszą one zapewniać jak najmniejsze szczeliny w celu minimalizacji przecieku powrotnego. Ze względu na wysoką temperaturę pracy (niebezpieczeństwo stykania się śrub i korpusu oraz samych śrub), aby skompensować przeciek powrotny, stosuje się przede wszystkim bardzo dokładną obróbkę elementów wirujących, na koniec „oblewając” je warstwą „pokrycia” z materiału odpornego na temperaturę i ewentualne ścieranie się („teflonopodobne”). Wielkość przecieku powrotnego zmniejsza się także przez stosowanie wysokich obrotów śrub (nawet do ponad 20 000 obr./min). Ma to zmniejszyć proporcję stałego przecieku (zależnego od ciśnienia) przez szczelinę do wielkości strumienia powietrza sprężanego.
Uszczelnienia. Ważną cechą budowy takich sprężarek, ze względu na trudne warunki pracy, jest stosowanie przekładni zębatych, które mają za zadanie nie tylko synchronizować pracę bardzo precyzyjnie obrobionych i powlekanych śrub, ale też uzyskiwać wysokie prędkości obrotowe. W konsekwencji należy stosować bardzo wyrafinowane metody uszczelniania wirujących wałów. W oparciu o technologie PTFE uzyskuje się albo układy całkowicie odseparowane, z barierą powietrzną, albo układy zamknięte uszczelnień z dodatkowym barierowym sprężonym powietrzem oddzielającym komorę sprężania od przekładni. System smarowania przekładni jest wymuszony pompą. Jako swego rodzaju problem techniczny pozostaje często przemilczane zjawisko występujące w układach zamkniętych zabudowy stopni śrubowych, tzn. fakt, że w czasie kiedy sprężarka pracuje na biegu jałowym – to ciśnienie w komorze sprężania jest niższe od ciśnienia systemu olejowego. Taki ciśnieniowy obieg zamknięty trzeba także gdzieś odpowietrzać (gdzie – wewnątrz obudowy dźwiękochłonnej sprężarki, czy na zewnątrz urządzenia?). Producenci rozwiązują te problemy własnymi metodami.
Metody regulacji. Sprężarka śrubowa ze swej natury łatwo poddaje się regulacji wydajności poprzez korzystanie z jednego zaworu ssawnego lub zmianę prędkości obrotowej (za pomocą przemiennika częstotliwości).
Pierwsza konfiguracja, najbardziej popularna – to zawór, który pracuje albo jako całkowicie zamknięty, albo jako otwarty. Przy pełnym otwarciu sprężarka dostarcza pełnej wydajności, pobierając 100% mocy nominalnej, a przy zamkniętym przechodzi na bieg luzem, wtedy dostarcza 0% wydajności, pobierając około 20% mocy nominalnej. W razie braku poboru powietrza, po zaprogramowanym odpowiednio czasie, silnik sprężarki się wyłącza i załączy się (a następnie otworzy w pełni zawór ssawny), gdy ciśnienie pracy sprężarki spadnie do jego dolnej nastawy.
Druga konfiguracja to zawory tzw. modulacyjne – wtedy procent otwarcia zaworu ssawnego w układzie pneumatycznym proporcjonalnym jest dostosowywany do zapotrzebowania na powietrze z sieci, zmniejszając pobór energii skutecznie w zasadzie tylko poniżej 50% wydajności. Oba systemy mają zalety i wady, ale najistotniejsze jest, że „śrubówka” poddaje się regulacji poprzez falownik, bo przez obniżanie obrotów uzyskujemy charakterystykę prawie proporcjonalną, nieporównywalnie lepszą do układów regulowanych zaworem ssawnym. Pobór energii jest prawie proporcjonalny do wydajności, w odróżnieniu od słabych pod tym względem ww. systemów sprężarek tłokowych. Praca ze sprężarką sterowaną przemiennikiem częstotliwości daje się realizować praktycznie bez zbiornika wyrównawczego (lub z minimalnej wielkości zbiornikiem) oraz opiera się tylko na jednym ciśnieniu roboczym, tzw. ciśnieniu docelowym (nie ma „delta p”, czyli ciśnienia górnego i dolnego).
Zaletą bezolejowych sprężarek śrubowych jest łatwość ich regulacji, niski poziom hałasu oraz zwartość zabudowy (w kontenerach wygłuszających). Zaletą jest możliwość zakupu sprężarki o małych nawet wydajnościach (ok. 200–300 m3/h), aż do bardzo dużych, zbudowanych wedle jednej technologii, konstrukcji i sposobu obsługi.
Wadą bezolejowych sprężarek śrubowych jest spora liczba podzespołów agregatu, skomplikowana budowa, utrata sprawności (na skutek ścierania się powłoki śrub) w czasie eksploatacji, wysoki całkowity koszt produkcji powietrza, brak możliwości regeneracji stopni śrubowych, wymaganie stosowania tylko wyspecjalizowanego serwisu, wysokie wymagania jakościowe co do cieczy chłodzących.
Koszty eksploatacji. Niestety, są one wysokie (już po 3–5 latach pracy non stop wynoszą do 40% wartości ceny nowego urządzenia!). Po podsumowaniu łącznych kosztów produkcji powietrza w okresie np. 5 czy 10 lat pracy są bardzo wysokie w porównaniu z bezolejową sprężarką tłokową 2-stopniową lub turbosprężarką.
Dostępne zakresy stosowania to wydajności nawet do 4000 m3/h. Najczęściej wykorzystywane są w przemyśle spożywczym, chemicznym i farmaceutycznym. Wykazują lepsze wskaźniki energetyczne jako urządzenia nowe z nowym stopniem śrubowym i czystymi układami chłodzenia (kWh/m3).
Sprężarki śrubowe 1-stopniowe chłodzone wtryskiem wody
Historia tych maszyn jest jak legenda o poszukiwaniu kamienia filozoficznego. To coś w rodzaju marzenia konstruktorów sprężarek – maszyna chłodzona wewnętrznie czystym medium. To sprężarka wewnętrznie chłodzona wodą, cieczą o znakomitej przenikalności cieplnej, pracująca prawie w cyklu izotermicznym. Maszyna, która ma zalety sprężarki śrubowej z wtryskiem oleju i nie ma wad tej „suchej” – dwustopniowej. Pracuje na niskich obrotach, ma bardzo trwałe łożyska, a czyste powietrze za sprężarką jest zawilgocone kondensatem obojętnym chemicznie (jest to ważne, bo sprężarki wyżej opisane, czyli sprężające na sucho, zasysają powietrze zanieczyszczone m.in. bezwodnikami kwasów SOx, NOx, COx itd., co w zetknięciu z wysoką temperaturą i ciśnieniem czyni ze sprężarki niemalże generator mieszaniny kwasów. Wtedy wilgoć zawarta w sprężonym powietrzu ma silnie kwaśny odczyn). Chłodząca wewnętrznie woda uszczelnia przestrzenie pomiędzy samymi śrubami oraz śrubami i korpusem, może być chłodzona powietrzem lub cieczą. Co więcej, taka sprężarka czerpie wodę do smarowania i chłodzenia w 70% z wilgoci zawartej w atmosferze, a co najważniejsze – temperatura tłoczenia jest naprawdę niewiele wyższa od temperatury zasysania. Sprężarka jest prawie idealna.
Chłodzenie. Dzięki intensywnemu chłodzeniu wodą, ciśnienie do 15 barów można osiągnąć w jednym stopniu sprężania. Ważne jest, aby chłodzenie wewnętrzne i zewnętrzne przebiegało bez zakłóceń. I tu pojawiają się problemy, bo jakość wody do chłodzenia i smarowania wewnętrznego to nie tylko czystość mechaniczna, ale również odczyn i skład wody, co wymaga specjalnego systemu uzdatniania wody. Wiadomo, że nawet na terenie jednego powiatu możemy mieć wiele ujęć, a każde z nich będzie miało wodę o bardzo zróżnicowanej jakości. Jakość wody do chłodzenia wewnętrznego to jedno zagadnienie, drugie, to jej chłodzenie zewnętrzne. Okazuje się, że wcale nie jest łatwo schłodzić wodę o temperaturze 30–40oC o „delta t” – około 5–10oC. Jeśli używa się do tego innej cieczy, to nie ma problemu, ale jeśli chciałoby się ją schłodzić powietrzem (szczególnie latem, to skuteczność chłodzenia uzyskuje się przy bardzo dużych wymiarowo chłodnicach. Bez porównania większych niż te znane ze sprężarek z wtryskiem oleju. Pojawiają się tu pierwsze praktyczne trudności.
Uszczelnienia. Nie potrzeba tu przekładni synchronizujących ani przyspieszających, a rolę uszczelnienia pomiędzy śrubami oraz śrubami a korpusem pełni woda. Oprócz chłodzenia znacznie obniża przeciek powrotny i chroni śruby przed bezpośrednim stykiem. Uszczelnienia wału chroniące przed wyciekiem wody ze stopnia sprężającego to standardowe, łatwo dostępne uszczelnienia stosowane w pompach.
Metody regulacji. Podobnie jak inne śrutówki, i ta łatwo poddaje się regulacji wydajności poprzez korzystanie z zaworu ssawnego lub zmianę prędkości obrotowej (za pomocą przemiennika częstotliwości).
Zawór ssawny. Ze względu na obieg wody, nie jest tolerowane zbyt wiele załączeń i wyłączeń sprężarki. Stosuje się jedynie zawór, który pracuje albo jako całkowicie zamknięty, albo jako otwarty. Przy pełnym otwarciu sprężarka dostarcza pełnej wydajności, pobierając 100% mocy nominalnej, a przy zamkniętym zaworze sprężarka przechodzi na bieg luzem, wtedy dostarcza 0% wydajności, pobierając około 20% mocy nominalnej. W razie braku poboru powietrza po zaprogramowanym odpowiednio czasie silnik sprężarki się wyłącza i załączy się (a następnie otworzy w pełni zawór ssawny), gdy ciśnienie pracy sprężarki spadnie do jego dolnej nastawy. Ilość tych załączeń jest jednak sterowana wymaganiami wtrysku wody (maks. 2 razy na godzinę), co więcej, taka sprężarka podczas rozruchu pobiera dużo wody z układu otwartego (wody pitnej z wodociągów, a więc dość drogiej).
Maszyna tego typu poddaje się regulacji przez falownik, bo poprzez obniżanie obrotów uzyskujemy charakterystykę prawie proporcjonalną, lepszą od innych, ogólnie dostępnych. Pobór energii jest prawie proporcjonalny do wydajności, w odróżnieniu od słabych pod tym względem ww. systemów. Praca ze sprężarką sterowaną przemiennikiem częstotliwości daje się realizować praktycznie bez zbiornika wyrównawczego (lub z minimalnym zbiornikiem) oraz opiera się tylko na jednym ciśnieniu roboczym, tzw. ciśnieniu docelowym, nie ma „delta p”, czyli ciśnienia górnego i dolnego. Regulacja wydajności realizowana jest w zakresie 50–100% wydajności.
Zaletą bezolejowych sprężarek śrubowych z wtryskiem wody jest ich wysoka sprawność, łatwość regulacji, niski poziom hałasu (możliwość jego tłumienia) oraz zwartość zabudowy (w kontenerach wygłuszających). Wielką ich zaletą jest możliwość zakupu sprężarki od małych nawet wydajności (ok. 30–40 m3/h), aż do około 2000 m3/h.
Wadą tych sprężarek jest skomplikowany i wrażliwy na zmiany system chłodzenia i wtrysku wody, a co niestety najważniejsze, w zasadzie brak poważnej, powtarzalnej, przemysłowej produkcji takich sprężarek oraz dostępu do części i serwisu.
Koszty eksploatacji. Koszty poprawnej, bezawaryjnej eksploatacji są bardzo niskie, bo należy wymieniać tylko filtr powietrza i od czasu do czasu filtr wody. Pozostałe podzespoły nie są uznawane za materiały normalnie zużywające się.
Dostępne zakresy stosowania to wydajności nawet do 2000 m3/h. Najczęściej wykorzystywane są w przemyśle spożywczym, chemicznym i farmaceutycznym. Wykazują najlepsze wskaźniki energetyczne (kWh/m3) w tej klasie urządzeń.
Sprężarki łopatkowe
To również bardzo stary patent, bardzo sprawna sprężarka niskoobrotowa, mogąca długo pracować na oryginalnych łożyskach. Niestety, pracując „na sucho” czy smarowana olejem nawet w układzie 2-stopniowym, ma zasadniczą wadę eliminującą ten typ maszyny – to znaczy tarcie i zużywanie się łopatek o korpus statora sprężarki, co powoduje, że zużyty materiał może zanieczyścić sprężone powietrze i produkty, z którymi to powietrze się styka.
Inne sprężarki
Mogą też być sprężarki „z wirującym zębem” (zwane także „kłykciowymi”) czy z wirującą spiralą. Służą one jednak do zdecydowanie mniejszych wydajności.
Podsumowanie
Jest wiele rozwiązań, ale żadne z nich nie jest tak naprawdę sprężarką idealną. Każdy z producentów „polewa” swój produkt lukrem marketingowym, wyolbrzymiając tylko zalety danego rozwiązania. A przecież każde z nich ma specyficzne zastosowania i cechy, które predysponują ją do jednych warunków, a zupełnie eliminują w innej sytuacji. Dobór sprężarki bezolejowej należy rozpocząć od analizy tego, jakie są wymagania co do jakości powietrza i sprzętu. Wybór samej sprężarki lepiej powierzyć specjalistom, najlepiej takim, którzy mogą zaproponować zarówno sprężarki olejowe, jak i bezolejowe oraz jeśli bezolejowe – to także różnych typów.
UR
Wojciech Halkiewicz, dyrektor ds. marketingu w firmie Vector, ma ługoletnią praktykę w technice sprężonego powietrza, specjalność: sprężarki i dmuchawy wyporowe.
Autor:
Wojciech Halkiewicz, Vector
