Olsztyn 10.05.2008

Uniwersytet

Warmińsko-Mazurski

Wydział Nauk Technicznych

Edukacja Techniczno-Informatyczna

SPRĘŻARK

I

Wykonał :

Maciej
Wąsiewicz

grupa 3

Sprężarka

– maszyna energetyczna, której zadaniem jest

podwyższenie ciśnienia gazu lub wymuszenie jego przepływu (nadanie
energii kinetycznej).

W sprężarce ciśnienie ssawne ( ciśnienie czynnika we wlocie do
pompy, maszyny sprężającej lub silnika) - p

s

jest nieznacznie niższe

od ciśnienia atmosferycznego (na tyle tylko by zachować zdolność
ssania),

zaś

ciśnienie

tłoczne

p

t

znacznie

wyższe

od

atmosferycznego.

Sprężarki w czasie pracy wydzielają dużą ilość ciepła, które musi
być odprowadzone. Układy chłodzenia sprężarek są podobne do
układów chłodzenia silników spalinowych. Dla mniejszych jednostek
stosuje się chłodzenie bezpośrednie, dla większych pośrednie z
chłodnicą. Sam sprężany gaz w wielu przypadkach jest również
chłodzony poprzez chłodzenie międzystopniowe.

Sprężarki stosuje się tam, gdzie chodzi o:
•

zwiększenie gęstości czynnika gazowego,

•

podniesienie ciśnienia tego czynnika,

•

wymuszenie przepływu,

•

podwyższenie temperatury czynnika gazowego,

•

stworzenie warunków do przepływu możliwości człowieka

Sprężarki są szeroko stosowane zarówno w przemyśle (napęd różnego
rodzaju narzędzi - kluczy pneumatycznych, szlifierek, wiertarek,
młotów, piaskowanie, malowanie natryskowe, dystrybucja gazów
technicznych, pompowanie opon samochodowych, przetłaczanie gazu
ziemnego, podnoszenie ciśnienia w układach turbin gazowych,
turbodoładowanie silnika spalinowego) , transport materiałów sypkich,
jak i w gospodarstwie domowym (chłodziarka, wentylator, odkurzacz,
suszarka do włosów, i inne).

W technice występuje często konieczność uzyskiwania stosunkowo
wysokich ciśnień sprężanego gazu. Ponieważ gaz jest ściśliwy, więc do
jego sprężenia potrzebna jest znaczna ilość energii. Zapotrzebowanie
energetyczne procesu sprężania można obniżyć poprzez zastosowanie
chłodzenia międzystopniowego. Sprężanie przebiega wtedy w dwóch
etapach: wstępnie sprężony gaz przepływa przez chłodnicę
międzystopniową (będącą wymiennikiem ciepła), po czym jest dalej
sprężany w następnej części sprężarki. Liczba chłodnic może być
większa. Jeśli byłaby nieskończenie wielka, chłodzenie byłoby
izotermiczne. Zwykle w technice stosuje się jedną chłodnicę
międzystopniową.

Wstępnie

sprężony

gaz

(po

sprężaniu

adiabatycznym) posiada temperaturę odpowiednio wyższą od
temperatury otoczenia, więc stosunkowo łatwo jest go schłodzić. Po
schłodzeniu praca sprężania (praca pobrana przez sprężarkę do
uzyskania odpowiedniego ciśnienia) będzie mniejsza.

Podział ze względu na budowę :
o wyporowe :

o

sprężarka tłokowa

o sprężarka śrubowa
o sprężarka membranowa
o sprężarka spiralna
o sprężarka Roots

o sprężarka łopatkowa

o przepływowe :

o

sprężarka promieniowa

o sprężarka diagonalna
o sprężarka osiowa
o sprężarka wirowa

o sprężarka Comprex

o inne :

o sprężarka chemiczna (termiczna).

Podział ze względu na rodzaj sprężanego czynnika :

•

maszyny sprężające powietrzne

•

maszyny sprężające gazowe.

Podział ze względu na ilość stopni :

•

jednostopniowe,

•

wielostopniowe.

Sprężarki, w których p

s

jest znacznie niższe, a p

t

tylko nieznacznie

wyższe od ciśnienia otoczenia, nazywane są pompami próżniowymi.

Pompa próżniowa

, znana także jako ssawa urządzenie stosowane w technice

służące do usuwania gazów (wytworzenia podciśnienia) w zamkniętej przestrzeni.
Pompy dzieli się ze względu na sposób działania na: objętościowe, strumieniowe,
jonowo-sorpcyjne,

jonowo

magnetyczne,

molekularne,

kondensacyjne,

adsorpcyjne i jonowe.

Najważniejszymi parametrami pomp próżniowych są:

•

ciśnienie końcowe (najmniejsze ciśnienie jakie można uzyskać taką

pompą),

•

szybkość pompowania oraz zależność tej szybkości od ciśnienia,

•

wydajność (mierzona zwykle w m3 wypompowywanego gazu w

jednostce czasu).

Ważnym wyróżnikiem pompy jest maksymalne ciśnienie jakie może panować na
wylocie pompy. Ze względu na to ciśnienie pompy można podzielić na:

•

pracujące przy ciśnieniu atmosferycznym,

•

pompy wymagające uzyskania próżni wstępnej

Sprężarka tłokowa

- sprężarka, w której zwiększanie ciśnienia gazu następuje

wskutek ruchu posuwistego tłoka w cylindrze. Należy zatem do grupy sprężarek
objętościowych. Działanie sprężarki tłokowej jest niemal identyczne jak pompy
tłokowej.

Spręż (π = p

t

/p

s

- stosunek sprężania) sprężarek tłokowych wynosi:

π ≤ 4 dla małych jednostek
π ≤ 6 dla dużych jednostek
π ≤ 8 dla specjalnych jednostek.

Sprężarka

śrubowa

to

rodzaj

sprężarki, w której sprężanie gazu
spowodowane jest zmniejszaniem się
przestrzeni pomiędzy pracującymi
śrubami od otworów ssawnych do
otworów tłocznych. Wartość sprężu w
tego typu sprężarkach zależy od jej
konstrukcji

Sprężarka spiralna

to typ sprężarki

wyporowej, w której sprężanie odbywa
się dzięki współpracy dwóch spirali.
Jedna spirala jest nieruchoma podczas
gdy druga porusza się ruchem
mimośrodowym, nie obracając się,
dzięki

czemu

przestrzeń

między

spiralami zmniejsza się od otworu
ssawnego do otworu tłocznego

Sprężarka z wirującymi tłokami

(pompa Rootsa) (ang. Roots rotary pump) jest to

objętościowa pompa rotacyjna, w której, podobnie jak w pompie krzywkowej,
zazębiające się tłoki tworzą zamknięte przestrzenie, które przemieszczając się od
części ssawnej do tłocznej sprężarki zmniejszają swoją objętość, powodując
sprężanie gazu. Spręż sprężarek z wirującymi tłokami wynosi π ≤ 2. Pompy te
znajdują zastosowanie tam, gdzie trzeba przetłaczać duże ilości gazu lub cieczy
przy stosunkowo niewysokim ciśnieniu.

W pompie tej dwa jednakowo ukształtowane wirniki, obracają się w przeciwnych
kierunkach. Zaletą jest niemal prostoliniowa zależność wydatku powietrza od
prędkości obrotowej, wadą jest trudność dokładnej obróbki skomplikowanego
zarysu wirnika oraz występowanie optymalnej sprawności w stosunkowo wąskim
zakresie zmian prędkości obrotowej.

Spotyka się wirniki dwu- lub trzyskrzydełkowe, te ostatnie stosuje się tam, gdzie
wymagana jest większa regularność przepływu gazu.

Pompa Rootsa może pracować również jako pompa próżniowa przy niskiej próżni,
albo jako pompa wstępna w układach wysokopróżniowych.

Podłączona do rurociągu z przepływającą cieczą lub gazem pompa Rootsa będzie
pracować jako silnik. Na tej zasadzie działają niektóre gazomierze.

Pompa łopatkowa

jest rodzajem pompy wyporowej o obrotowym ruchu organu

roboczego.

Schemat pompy łopatkowej

.

Łopatki (1) osadzone są w wirniku (2), który jest

umiejscowiony mimośrodowo wewnątrz korpusu pompy
(3). W czasie obrotu wirnika, łopatki zagarniają ciecz z
komory ssawnej (4) do przestrzeni międzyłopatkowej
(5) przenosząc ją do komory tłocznej pompy (6).

W zależności od rozwiązania konstrukcyjnego mogą one
pracować jako:

•

pompy próżniowe

•

sprężarki powietrza

•

pompy do cieczy

Pompy łopatkowe ze względu na swą delikatną konstrukcję
stosowane są wyłącznie do pompowania czystych i
samosmarujących cieczy. Tradycyjnie stosowane w napędach
hydraulicznych obrabiarek.

Sprężarka przepływowa

– sprężarka, w której przyrost ciśnienia gazu

następuje wskutek oddziaływania odpowiednio ukształtowanych ruchomych
elementów wirnika i nieruchomych kierownicy.

Sprężarki przepływowe za względu na kształt wirnika i kierunek przepływu
gazu dzielą się na:

•

sprężarki osiowe

•

sprężarki osiowo-promieniowe

•

sprężarki promieniowe.

Ze względu na liczbę stopni:

•

jednostopniowe

•

wielostopniowe

Ze względu na prędkość przepływu gazu przez wewnętrzne elementy
sprężarki:

•

poddźwiękowe, w których gaz uzyskuje prędkość niższą niż prędkość

dźwięku
•

naddźwiękowe, w których gaz uzyskuje prędkość wyższą niż

prędkość dźwięku.

W sprężarkach przepływowych przyrost ciśnienia gazu następuje na drodze
zamiany energii kinetycznej (prędkości) na energię potencjalną (ciśnienie).
Sprężarka promieniowa – sprężarka właściwa przepływowa, w której
przepływ gazu przez

Sprężarka promieniowa

– sprężarka właściwa przepływowa, w której

przepływ gazu przez wirnik jest promieniowy.

schemat typowej sprężarki promieniowej

Gaz wpływając przez króciec ssawny (1)
napotyka kierownicę wstępną (2), której
zadaniem jest wstępne zawirowanie gazu.
Łopatkowy wirnik (3) przyspiesza gaz, który po
jego

opuszczeniu

napotyka

kierownicę

zawirnikową (4), w której korygowany jest
kierunek

przepływu

gazu

oraz

energia

kinetyczna częściowa zamieniana na energię
potencjalną. Gaz opuszcza sprężarkę przez
spiralny dyfuzor (5).

Sprężarki promieniowe charakteryzują się wysoką sprawnością gdy pracują
przy parametrach nominalnych oraz posiadają wysoki spręż π ≤ 3.

Sprężarka osiowa

– sprężarka właściwa przepływowa, w której przepływ gazu

jest osiowy (składowa promieniowa prędkości jest pomijalnie mała).

Schemat sprężarki osiowej. Przekrój
sprężarki osiowej

Gaz wpływając przez króciec ssawny (1) napotyka kierownicę wstępną (2), której
zadaniem jest wstępne zawirowanie gazu lub likwidacja szkodliwego zawirowania
powstałego w króćcu ssawnym. Łopatkowy wirnik (3) przyspiesza gaz, który po jego
opuszczeniu napotyka kierownicę zawirnikową (4), w której korygowany jest kierunek
przepływu gazu oraz energia kinetyczna częściowa zamieniana na energię potencjalną.
Gaz opuszcza sprężarkę przez dyfuzor (5), w którym następuje dalsza zamiana energii
kinetycznej w potencjalną. Większość rozwiązań pozbawiona jest kierownicy wstępnej
(patrz drugi rysunek). Również nie zawsze stosowany jest dyfuzor wylotowy.

Sprężarki osiowe charakteryzują się wysoką sprawnością gdy pracują przy
parametrach nominalnych. Zdolne są osiągnąć wysokie natężenie przepływu
przy stosunkowo małych wymiarach poprzecznych. Wadą takich spężarek jest
stosunkowo niski spręż - π ≤ 1,3 dla poddźwiękowych i π ≤ 2,5 dla
naddźwiękowych. Aby go podwyższyć buduje się sprężarki wielostopniowe co
znacznie powiększa wymiary wzdłużne urządzenia

Sprężarka osiowo-promieniowa

- sprężarka właściwa przepływowa w

której przepływy gazu przez wirnik jest ukośny (promieniowo-osiowy).
Wirnik takiej sprężarki ma konstrukcję podobną do wirnika pompy
helikoidalnej.

Parametry sprężarki osiowo-promieniowej są pośrednie pomiędzy
parametrami sprężarki osiowej i promieniowej

Sprężarka wirowa

- rodzaj sprężarki przepływowej, w której szybko

obracający się wirnik wywołuje określony wzrost ciśnienia oraz
prędkości gazu, który to gaz przepływa w kierunku promieniowym
albo osiowym. W sprężarce wirowej każdemu wirnikowi odpowiada
jeden stopień sprężania

Sprężarka Comprex

- typ sprężarki pracującej według zasady

impulsowego przepompowywania powietrza, sprężonego przez gazy
spalinowe. Charakteryzuje się bezpośrednim przekazaniem energii
spalin do powietrza doładującego poprzez wykorzystanie zjawisk
falowych. Wynikiem tego jest natychmiastowa reakcja silnika na
zmianę obciążenia oraz korzystny przebieg krzywych mocy i
momentu obrotowego.

Sprężarka Comprex składa się z: dwóch stojanów, wirnika, kanałów
oraz z napędzającego paska. Ta sprężarka nie znalazła większego
zastosowania.

W praktyce stosowana była w latach osiemdziesiątych w kilku
tysiącach samochodów Opel Senator (specjalna wersja silnika
2.3D), później, w latach 1992-1997, przez Mazdę - jedyny
montowany w tamtym okresie silnik diesla w modelu 626 miał
doładowanie Comprex.

Sprężarka chemiczna

(nazywana także sprężarką termiczną) – sprężarka której

działanie polega na:

1.

absorpcji w wodzie (lub w innym rozpuszczalniku) gazu, który ma być

sprężony,

2.

podniesieniu ciśnienia roztworu przez pompę – przepompowanie roztworu

z absorbera do desorbera,

3.

desorpcji gazu na skutek dostarczenia energii cieplnej i uzyskania w ten

sposób gazu o wyższym ciśnieniu.

Podstawową energią napędową dla sprężarki chemicznej jest energia cieplna
dostarczana do desorbera. W układzie absorpcyjnym sprężarka została zastąpiona
pompą, której napęd wymaga małego wkładu pracy. Sprężarki chemiczne
stosowane są w sytuacji łatwego dostępu do taniego źródła ciepła w obiegach
technologicznych przemysłowych ziębiarek. Ziębiarki absorpcyjne mogą być
stosowane w połączeniu z ciepłowniami. Para używana w zimie do celów grzejnych
może w porze letniej służyć do napędu ziębiarek cieplnych (np. w mleczarniach,
pomieszczeniach mieszkalnych itd.).1

Innym przykładem sprężarki termicznej wykorzystującej do swojego napędu
energię cieplną jest parowo-wodny wymiennik ciepła stosowany w obiegu
termodynamicznym siłowni parowych, tj. kocioł parowy współpracujący z pompą
zasilającą. Kondensat pary wodnej po podniesieniu ciśnienia przez pompę, po
dostarczeniu w kotle energii cieplnej, zamieniany jest z powrotem na parę o
znacznie większym ciśnieniu. Obieg termodynamiczny siłowni parowej może być
traktowany jako współpraca sprężarki termicznej z turbiną (analogicznie jak obieg
turbiny gazowej - współpraca sprężarki mechanicznej z turbiną).

Sprężarka z pierścieniem wodnym

- sprężarka

rotacyjna.

W sprężarce tego typu pierścień wodny (1)
tworzy się wokół wirnika łopatkowego (2),
wirującego mimośrodowo w cylindrycznym
korpusie (3). Pierścień wodny spełnia tu rolę
tłoka zamykającego przestrzenie pomiędzy
promieniowymi łopatkami. Gaz zasysany z
kanału ssawnego (4) tłoczony jest do kanału
tłocznego (5).

Spręż sprężarki łopatkowej wynosi π ≤ 4. Sprężarka tego typu, pracując jako
pompa próżniowa, jest w stanie wytworzyć próżnię do 93%.

Turbosprężarka

- maszyna wirnikowa składająca się z turbiny i sprężarki

osadzonych na wspólnym wale. Służy do doładowania silnika spalinowego,
albo kotła parowego. Turbina jest zasilana spalinami z silnika, a sprężone
powietrze zasila silnik. Do cylindra wprowadzona jest większa ilość powietrza,
dzięki czemu rośnie sprawność i moc silnika. Silniki pojazdów
samochodowych wyposażone są najczęściej w turbosprężarkę Garretta.
Nazwa pochodzi od nazwiska konstruktora.

Budowa turbosprężarki jest zbliżona do
turbiny gazowej, ale nie zawiera komory
spalania. Rolę wytwornicy spalin spełnia w tym
przypadku silnik spalinowy.
Turbosprężarka składa się z turbiny, czyli tzw.
gorącej części (na fotografii na czerwono) i
sprężarki, tzw. chłodnej części (na fotografii na
niebiesko), których wirniki są sztywno
połączone

wspólnym

wałem.

Turbina,

napędzana gazami wylotowymi z silnika,
zamienia energię tych gazów na energię
mechaniczną, która służy do napędu sprężarki
sprężającej powietrze przed dostarczeniem go
do silnika.
Stosowanie turbosprężarki zwiększa moc,
sprawność oraz elastyczność silnika.

Aby wytworzyć wystarczającą ilość sprężonego powietrza wirnik sprężarki
powinien obracać się z wysoką prędkością obrotową (rzędu 100 000 do 300
000 obr/min.), ale by silnik mógł wytworzyć odpowiednią ilość gazów
wylotowych konieczną do rozpędzenia wirnika turbiny, musi pracować z
odpowiednim obciążeniem.

W trakcie sprężania powietrza w sprężarce rośnie jego temperatura w
wyniku:

•

wzrostu ciśnienia (zgodnie z równaniem adiabaty),

•

przepływu ciepła przez elementy konstrukcyjne od gorących spalin

do chłodniejszego powietrza.

Jest to zjawisko niekorzystne, gdyż obniża efekt działania turbosprężarki. Aby
obniżyć temperaturę sprężonego powietrza stosowany jest wymiennik ciepła
zwany intercoolerem (chłodnica schładzająca powietrze sprężone w
turbosprężarce przed dostarczeniem go do silnika, stosowana w silnikach
spalinowych z turbodoładowaniem. Służy do zwiększenia sprawności i mocy
silnika).

Źródło :

1)
www.wikipedia.pl

2) www.sciaga.pl