background image

 

6. Wytwarzanie i rozprowadzanie pneumatycznego czynnika roboczego 
 
 
6.1.  Zastosowanie sprężonego powietrza jako pneumatycznego czynnika 

roboczego 

 

Gazy i pary sprężone znajdują w technice szerokie zastosowanie. Sprężone powietrze jest 

używane  do  napędu  ręcznych  narzędzi  pneumatycznych,  maszyn  formierskich,  hamulców 
kolejowych i samochodowych itp. Sprężone powietrze stosuje się także do zasilania pieców 
metalurgicznych,  do  rozruchu  i  doładowywania  silników  spalinowych,  do  wdmuchiwania 
ciekłego  paliwa  lub  pyłu  węglowego  do  palenisk  kotłowych.  Duże  zastosowanie  mają  dziś 
również  urządzenia  transportu  pneumatycznego,  urządzenia  wentylacyjne  oraz  mechanizmy 
napędów pneumatycznych. 

 
 
 

6.2.  Budowa  typowej  instalacji  do  wytwarzania  i  rozprowadzania 

sprężonego powietrza 

 

 

 
 
 
 

background image

 

 
 
 
 

  

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

6.3.  Podział Sprężarek 
 

Maszyny do sprężania gazów i par noszą nazwę sprężarek.  

               

 

 
Sprężarki z napędem o ruchu posuwisto-zwrotnym i rotacyjne są sprężarkami wyporowymi, 
w których ssanie, sprężanie i wytłaczanie gazu odbywa się wskutek kolejnego powiększania i 
zmniejszania objętości komory sprężania przez poruszający się w niej element roboczy. 
 
Sprężarki tłokowe 

 

                                                                                

Rys. 1.                                                            

Rys. 2. 

 
Rysunek 1. przedstawia sprężarkę dwustopniową z chłodzeniem międzystopniowym. Zasada 
działania sprężarki jest następująca: tłoki wykonujące ruchy postępowo-zwrotne poruszane są 
przez silnik za pomocą mechanizmu korbowego. Każda głowica cylindra zaopatrzona jest w 
dwa  zawory,  które  otwierają  się  samoczynnie  pod  wpływem  różnicy  ciśnień  z  obu  stron 
zaworu.  Sprężany  gaz  rozgrzewa  się  znacznie,  co  wymaga  chłodzenia  sprężarki  wodą  lub 
strumieniem powietrza.  
Rys.  2  przedstawia  sprężarkę  membranową.  Jej  zasada  działania  jest  podobna  jak  w 
poprzednim  przypadku  z  tą  różnicą,  że  tłok  porusza  membranę  oddzielającą  zasysane  i 
sprężane  powietrze  od  mechanizmu  napędowego.  Dzięki  temu  sprężane  powietrze  nie  jest 
zanieczyszczane olejem do smarowania sprężarki.  
W  celu  uzyskania  dużego  ciśnienia  buduje  się  sprężarki  wielostopniowe,  złożone  z  kilku 
sprężarek jednostopniowych, które kolejno sprężają gaz do coraz wyższego ciśnienia. Oprócz 
zwykłego chłodzenia poszczególnych cylindrów w sprężarce wielostopniowej stosuje się tzw. 
chłodzenie  międzystopniowe.  Polega  ono  na  tym,  że  po  sprężeniu  gazu  w  pierwszym 

background image

 

niskoprężnym cylindrze gorący gaz przechodzi do chłodnicy, gdzie za pomocą zimnej wody 
ulega  izobarycznemu  ochłodzeniu  do  początkowej  temperatury  i  dopiero  wówczas  zostaje 
silniej  sprężony  w  następnym,  średnioprężnym  cylindrze.  Po  wyjściu  z  niego  znów  jest 
chłodzony  w  drugiej  chłodnicy  międzystopniowej,  a  następnie  jeszcze  silniej  sprężany  w 
cylindrze  wysokoprężnym  itd.  W  technice  stosuje  się  sprężarki  tłokowe  nawet 
siedmiostopniowe umożliwiające uzyskanie ciśnienia do 200 MPa. Współczynnik sprawności 
0,65-0,9. 
 
 
6.4. 

Sprężarki rotacyjne 

 

Sprężarki  rotacyjne  są  stosowane  do  sprężania  gazów,  gdy  wymagana  jest  dość 

znaczna  wydajność  przy  ciśnieniu  nie  przekraczającym  1,6  MPa.  Ich  zaletami  są: 
szybkobieżność,  małe  wymiary  i  mały  ciężar,  równomierna  praca  i  nieskomplikowana 
konstrukcja;  wadami:  ograniczone  ciśnienie  tłoczenia,  mała  sprawność  mechaniczna  i 
konieczność dużej dokładności wykonania. 
Najczęściej stosuje się sprężarki łopatkowe, rys. 3. W cylindrycznym kadłubie, zamkniętym 
dwiema pokrywami, jest mimośrodowo osadzony wirnik ze szczelinami, w których znajdują 
się cienkie, prostokątne łopatki metalowe lub z tworzywa sztucznego. W czasie ruchu wirnika 
łopatki wysuwają się pod działaniem siły odśrodkowej i ślizgają się po gładzi kadłuba. W celu 
zmniejszenia nacisku łopatek na gładź stosuje się dwa pierścienie ślizgowe, umieszczone w 
wytłoczeniach  kadłuba  i  obracające  się  razem  z  wirnikiem.  Komora  sprężania  ma  kształt 
sierpowy,  a  łopatki  tworzą  zamknięte  przestrzenie  międzyłopatkowe  o  zmiennej  objętości, 
która  początkowo  wzrasta,  co  powoduje  zassanie  gazu,  a  następnie  maleje,  co  wywołuje 
sprężanie i wytłaczanie gazu.  
Sprężarka  łopatkowa  jest  zwykle  chłodzona  wodą.  Konieczne  jest  smarowanie  łożysk,  ale 
również  pierścieni  i  innych  powierzchni  ślizgowych  w  celu  zmniejszenia  tarcia  pomiędzy 
wirnikiem  i  łopatkami  a  kadłubem  oraz  dla  zapewnienia  szczelności.  Wydajność  sprężarek 
łopatkowych  dochodzi  do  7000  m

3

/h,  ciśnienie  tłoczenia  do  0,5  MPa  w  sprężarce 

jednostopniowej,  a  do  1,6  MPa  w  dwustopniowej.  Prędkość  obrotowa  wynosi  360-1500 
obr/min, liczba łopatek wynosi od 2 do 30. Współczynnik sprawności 0,7-0,97 

 

 

Rys. 3.   

 

 

 

 

 

Rys. 4. 

 
Często  są  stosowane  także  sprężarki  krzywkowe  systemu  Roots’a,  użytkowane  jako 
dmuchawy w hutnictwie i w budowie tłokowych silników spalinowych (do przepłukiwania i 
doładowywania  cylindrów). Sprężarki tego systemu pracują na tej samej zasadzie, co pompy 

background image

 

zębate  do  cieczy:  w  kadłubie  sprężarki  obracają  się  w  przeciwnych  kierunkach  dwa  tłoki 
krzywkowe  jednakowego  kształtu  jak  na  rys.  4,  napędzane  z  zewnątrz  parą  czołowych  kół 
zębatych.  Kształt  tłoków  i  kadłuba  jest  tak  dobrany,  że  podczas  obrotu  tłoki  pozostają  w 
stałym styku (z luzem ok. 0,1mm), co powoduje odcięcie przestrzeni dolotowej od wylotowej. 
Sprężarka krzywkowa dostarcza powietrze nie w sposób  ciągły, lecz oddzielnymi porcjami: 
tłoczy  ona  cztery  dawki  powietrza  podczas  jednego  obrotu  wirnika.  Pulsujące  działanie 
sprężarki powoduje dość znaczny hałas w czasie pracy. Wydajność sprężarek krzywkowych 
dochodzi  do 3000 m

3

/h (ANR), spręż do 1,6, prędkość obrotowa wynosi 300-9600 obr/min, 

współczynnik sprawności około 0,8.      
Poniżej  przedstawiono  inne  rodzaje  sprężarek:  śrubowa  rys.5.,  osiowa  rys.6.,  promieniowa 
rys.7. 

  

 

 

 

   Rys. 5. 

       

 

 

 

       Rys. 6. 

 

  

 Rys. 7. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 
 

Zakresy wydajności i ciśnień dla różnych rodzajów sprężarek. 

 

 

6.5.  Sposoby regulacji pracy sprężarki 

               

 

Regulacja na biegu jałowym 

 
 

Regulacja  przy  obciążeniu 
częściowym 

Regulacja  przez  wyłączenie 
napędu 

-  przez wydmuch 
-  przez odcięcie ssania 
-  przez unieruchomienie 

zaworu ssawnego 

 

-  przez 

zmianę 

liczby 

obrotów 

-  przez dławienie na ssaniu 

 

 

background image

 

 

Rys. 9. Regulacja przez wydmuch      Rys. 10. Regulacja przez odcięcie ssania  

 
 
 

 

Rys. 11. Regulacja przez unieruchomienie     Rys. 12. Regulacja przez wyłączenie zasilania. 
zaworu ssawnego 
 

6.6.  Zbiornik sprężonego powietrza  

Wielkość zbiornika sprężonego powietrza zależy od: 
-  wydajności sprężarki, 
-  zużycia powietrza, 
-  pojemności sieci przewodów, 
-  sposobu regulacji sprężarki, 
-  dopuszczalnych spadków ciśnienia w sieci, 

 
 

background image

 

 

Rys. 13.  Zbiornik sprężonego powietrza 

 
 
 
 
 
 

Dane do określenia rzeczywistej liczby pracujących narzędzi ręcznych z napędem 
pneumatycznym. 

 
 

Liczba 

zainstalowanych, 

pracujących 

narzędzi 

pneumatycznych  

 
  3 

 
  4 

 
  6 

 
  8 

 
 10 

 
 15 

 
 20 

 
 30 

 
 40 

Średnia 

procentowa 

rzeczywistej 

liczby 

narzędzi  pneumatycznych 
pracujących w danej chwili 
przyjmowana do obliczeń 

 
 
90% 

 
 
85% 

 
 
80% 

 
 
75% 

 
 
70% 

 
 
65% 

 
 
60% 

 
 
55% 

 
 
50% 

 

 

 

background image

 

 

Wykres określenia wielkości zbiornika sprężonego powietrza. 

background image

 

10 

 
 

6.7.  Warunki jakie powinno spełniać sprężone powietrze 
 

Metody osuszania sprężonego powietrza 
 

Powietrze w instalacji powinno być suche. Istnieją następujące metody osuszania 

powietrza: 

- osuszanie absorpcyjne, rys. 14. 
- osuszanie adsorpcyjne, rys. 15. 
- osuszanie przez oziębianie rys. 16. 

 

 
Rys. 14. 

 

 

 

Rys. 15. 

 
 

 

Rys. 16. 

background image

 

11 

 
6.8. 

Zanieczyszczenia 

 

Wyróżnia się  trzy rodzaje zanieczyszczeń występujących w sprężonym powietrzu 

wykorzystywanym w instalacjach: 
-  ciała stałe (pyły), 
-  woda, 
-  olej,   
 
Wszelkie  zanieczyszczenia  oddziałują  na  siebie  (np.  cząstki  pyłu  aglomerują  w  obecności 
oleju lub wody tworząc większe cząstki, olej tworzy emulsje z wodą), niekiedy osadzają się 
lub skraplają (np. pary oleju lub para wodna) wewnątrz rurociągu. 
 
6.8.1.  Ciała stałe 
 

Pył  jest  zawsze  wchłaniany  przez  sprężarkę  wraz  z  zasysanym  powietrzem.  Inne 

cząstki  stałe  (produkty  zużywania  się,  rdza  itp.)  także  mogą  dołączyć  do  zasysanego 
powietrza  podczas  jego  przepływu  przez  sprężarkę  i  połączony  z  nią  rurociąg,  choć  pewne 
cząstki zostaną zawieszone w smarze i w tym stanie będą zatrzymane przez filtry wylotowe.  
Jeżeli rurociąg sprężarki jest dobrze utrzymany, to zawartość rdzy i złuszczeń zazwyczaj nie 
przekracza  2mg/m

3

  do  4mg/m

3

,  ale  gdy  przepływ  się    rozpoczyna  lub  gdy  są  narażone  na 

uderzenia mechaniczne, mogą wystąpić wartości znacznie wyższe. 
Średni  wymiar  cząstek  pyłu  wykazuje  tendencje  wzrostu  wraz  ze  wzrostem  stężenia  pyłu, 
które może się zmieniać od wartości pomijalnie małych aż do ponad 1,4g/m

3

Stężenie  pyłu  można  ograniczyć  stosując  odpowiednie  filtry  dobierane  w  zależności  od 
stężenia pyłu  w zasysanym powietrzu oraz od budowy i  zasady działania sprężarki. Oprócz 
stężenia  istotne  znaczenie  mają  właściwości  pyłu.  Te  właściwości  to  nie  tylko  kształt  i 
wymiary ziaren, ale także ich twardość. Małe cząstki pyłu tworzą za zwyczaj osady, podczas 
gdy większe niż 5

m będą powodowały erozję, jeśli prędkość przepływu będzie dostatecznie 

duża. Zaleca się zwrócić uwagę, że pewne ciała stałe mogą wykazywać efekt katalityczny, a 
ich właściwości chemiczne mogą powodować korozję.  
Olej  i  woda  powodują  aglomerację  i  jego  adhezję  do  powierzchni.  Jeżeli  kilka  rodzajów 
zanieczyszczeń  występuje  jednocześnie,  należy  zwrócić  uwagę  na  ich  określenie 
indywidualne.  
Do usuwania zanieczyszczeń stałych mogą być stosowane następujące środki: 
-  filtry siatkowe do rurociągów dla cząstek o wymiarach powyżej 100

m; 

-  odpylacze  cyklonowe  lub  typu  uderzeniowego  dla  cząstek  o  wymiarach  odpowiednio 

15

m i 20

m; 

-  ziarnowe  filtry  porowate  (np.  spiekany  metal,  szkło,  tworzywo  porowate  lub  ceramika) 

dla cząstek o wymiarach około 5

m; 

-  filtry włókninowe typu głębokiego dla cząstek o wymiarach 1

m; 

-  submikronowe włókninowe filtry koalescencyjne dla cząstek o wymiarach 0,01

m. 

 
6.8.2.  Woda 
 

Powietrze atmosferyczne zawsze zawiera parę  wodną. Gdy powietrze atmosferyczne 

jest  sprężane,  ciśnienie  cząstkowe  pary  wodnej  wzrasta,  ale  dzięki  wzrostowi  temperatury 
powietrza wskutek sprężania, woda nie wykrapla się. Gdy powietrze jest następnie chłodzone 
(np.  w  chłodnicy  międzystopniowej  lub  końcowej,  w  rurociągu  rozprowadzającym  lub 

background image

 

12 

podczas rozprężania w narzędziu o napędzie pneumatycznym) woda wykropli się w postaci 
cieczy; powietrze będzie nasycone parą wodną. 
Wilgoć  może  być  przyczyną  korozji,  zamarzania  itp.  wpływając  niekorzystnie  na  jakość 
produktu końcowego, na przykład przy malowaniu natryskowym. 
Olej ma niekorzystny wpływ na działanie niektórych osuszaczy powietrza (np. powierzchnie 
chłodzące  ulegają  zanieczyszczeniu,  zatykane  są  pory  adsorbentu  i  nie  może  on  być 
zregenerowany). Niektóre higrometry są podatne na takie oddziaływanie oleju. 
W celu usunięcia wody mogą być stosowane następujące metody: 
-  wykraplanie z oddzieleniem przez chłodzenie lub sprężanie osuszające; 
-  sorpcja (absorpcja lub desorpcja); 
-  filtracja (tylko dla wody w fazie ciekłej). 
 
6.8.3.  Olej (mineralny lub syntetyczny 
 

W  sprężarkach  ze  smarowaną  komorą  sprężania  jest  nieuniknione  zabierane  pewnej 

ilości  oleju  przez  powietrze.  Powietrze  ze  sprężarek  bezsmarowych  (suchych)  może  także 
zawierać  ślady  oleju  zassanego  z  powietrzem  wlotowym.  W  pewnych  zastosowaniach 
przemysłowych (np. piekarnie) jest używany środek smarny nie toksyczny (np. biała parafina 
ciekła).  
Olej może występować w powietrzu w jednej z następujących postaci: 
-  ciecz; 
-  aerozol; 
-  para;   
Olej można usnąć za pomocą filtrów o wysokiej skuteczności. 
 
6.8.4.  Olej (w postaci pary) 
 

Ciśnienie  pary  zwykłego  środka  smarnego  sprężarki  jest  niskie.  Dlatego  w 

temperaturach poniżej/około  35

C dopuszcza się pominięcie wpływu par oleju z wyjątkiem 

przypadków, gdy sprężarka jest stosowana podczas produkcji żywności, napojów itp. lub gdy 
skroplona para oleju może gromadzić się np. w butlach sprężonego powietrza. 
 
Stężenie węglowodorów gazowych można określić używając następujących środków i metod: 
-  analizator płomieniowo-jonizacyjny; 
-  analizator widma w podczerwieni wyposażony w komorę gazową. 
Do  adsorbowania  par  oleju  mogą  być  użyte  różne  materiały  adsorpcyjne.  Węgiel  aktywny 
lepiej adsorbuje cząstki niespolaryzowane (pary oleju mineralnego) niż spolaryzowane (para 
wodna  i  pary  oleju  syntetycznego).  Cząstki  węgla  o  wymiarach  do  uformowania  w  złoże 
mogą skutecznie oczyścić sprężone powietrze. Praktycznie wszystkie resztki par oleju mogą 
być usunięte za pomocą drobnocząstkowego węgla aktywnego na podłożu z tkaniny lub bez 
podłoża, na przykład po uformowaniu go i spieczeniu w kształcie walca filtracyjnego. W celu 
osiągnięcia dobrej skuteczności należy wcześniej usunąć krople oleju i wody.