WYTWARZANIE, PRZYGOTOWYWANIE I PRZESYŁANIE SPRĘŻONEGO POWIETRZA

Schemat połączenia układu sprężania

1, 5 - filtr, 2 - sprężarka, 3 - silnik elektryczny, 4 - chłodnica, 6 - osuszacz,

7 - zbiornik pneumatyczny

SPRĘŻARKI

Podstawowym urządzeniem, służącym do wytworzenia sprężonego powietrza, jest sprężarka. Zgodnie z definicją sprężarka jest maszyną, która zwiększa ciśnienie czynnika sprężanego powyżej ciśnienia początkowego, równego lub bliskiego ciśnieniu atmosferycznemu.

Głównym kryterium podziału sprężarek jest ich konstrukcja i zasada działania.

Podział sprężarek zgodnie z normą PN-89/M-43100.

• Sprężarki wyporowe

W sprężarkach wyporowych zwiększenie ciśnienia statycznego uzyskuje się przez zasysanie i wypieranie kolejnych objętości gazu w zamkniętej przestrzeni za pomocą elementu wyporowego członu napędzanego.

Ze względu na rodzaj wykonywanego ruchu przez element wyporowy, sprężarki wyporowe można podzielić na posuwisto-zwrotne i obrotowe. W sprężarkach wyporowych posuwisto-zwrotnych zasysanie i sprężanie gazu osiąga się przez ruch posuwisto-zwrotny elementu roboczego poruszającego się w przestrzeni tworzącej komorę sprężania. Natomiast w sprężarkach wyporowych obrotowych elementem roboczym jest obracający się w obudowie jeden lub kilka wirników, a wypieranie gazu uzyskuje się za pomocą łopatek, elementów zazębiających się lub za pomocą ruchu obrotowego samego wirnika.

- Sprężarki wyporowe posuwisto-zwrotne z napędem bezkorbowym

Sprężarka wyporowa posuwisto - zwrotna z napędem bezkorbowym (silnikosprężarka)

1 - komora spalania, 2 - tłok, 3 - szczeliny wylotowe

- Sprężarki wyporowe posuwisto-zwrotne z napędem korbowym, tłokowe

Sprężarki wyporowe, tłokowe stosowane do otrzymywania niskich, średnich i wysokich ciśnień, są najczęściej stosowanym typem sprężarek. Zakres wytwarzanych przez nią ciśnień wacha się od 100 kPa (1 bar) do kilka tysięcy kPa (kilkadziesiąt bar).

1 - komora ssania, 2 - komora robocza, 3 - obszar tłoczenia, 4 - tłok

- Sprężarki wyporowe posuwisto - zwrotne z napędem korbowym, membranowe

Ten typ sprężarek, często zwany sprężarkami przeponowymi, posiada tłok oddzielony od komory sprężania membraną co powoduje, że powietrze nie styka się z częściami smarowanymi. Stosuje się je w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i chemicznym ze względu na to, że sprężone powietrze pozbawione jest zanieczyszczeń olejem.

1 - tłok, 2 - membrana, 3 - komora sprężania

Ze względu na rozwiązania konstrukcyjne, sprężarki posuwisto-zwrotne z napędem korbowym możemy podzielić:

• bezwodzikowe i wodzikowe,

• jednostopniowe i wielostopniowe,

• chłodzone powietrzem lub wodą,

• jednostronnego lub dwustronnego działania,

• z tłokiem różnicowym

Sprężarka wyporowa posuwisto-zwrotna z napędem korbowym, wodzikowa

Sprężarka wodzikowa różni się od sprężarki bezwodnikowej tym, że w jej skład oprócz korbowodu 1 (rysunek) wchodzi także wodzik 2 z tłoczyskiem 3, które są połączone z tłokiem 4 na sztywno.

Sprężarka wyporowa posuwisto-zwrotna z napędem korbowym,

dwustopniowa z chłodzeniem

1 - komora sprężania I stopnia, 2 - międzystopniowa komora chłodzenia,

3 - komora sprężania II stopnia

Sprężarki jednostopniowe zasysają powietrze z atmosfery do cylindrów i w tych cylindrach odbywa się sprężanie od razu do takiej wartości ciśnienia tłoczenia, jaka jest wymagana.

W sprężarkach wielostopniowych proces sprężania jest złożony z kilku cząstkowych procesów sprężania, nazywanych stopniami, w których następuje kolejno zwiększanie początkowego ciśnienia powietrza o ustalony przyrost aż do osiągnięcia ciśnienia końcowego.

Sprężanie wielostopniowe przebiega na ogół z międzystopniowym chłodzeniem powietrza (chłodzenie powietrzem lub wodą) i ma na celu zbliżenie sprężania rzeczywistego do sprężania izotermicznego, wymagającego wykonywania mniejszej pracy.

W sprężarkach jednostronnego działania przy jednym suwie tłoka odbywa się ssanie powietrza do cylindra, natomiast przy drugim suwie - sprężanie i wytłaczanie.

Sprężarki dwustronnego działania sprężają powietrze na przemian w dwóch rozdzielonych tłokiem roboczych przestrzeniach cylindra, najpierw z jednej, a następnie z drugiej strony tłoka, przy czym ciśnienie powietrza działa na tłok z obu stron.

Innym rozwiązaniem konstrukcyjnym, które umożliwia dwustopniowe sprężanie gazu, jest sprężarka z tłokiem różnicowym.

Sprężarka wyporowa posuwisto-zwrotna z napędem korbowym,

z tłokiem różnicowym

Sprężarka z tłokiem różnicowym jest wyposażona w cylinder o dwóch średnicach i dostosowanym do niego podwójnym tłokiem. Gaz sprężony w I stopniu 1 jest przesyłany do chłodnicy 3 i stąd jest zasysany do stopnia II 2 sprężarki, gdzie ponownie ulega sprężeniu.

Ze względu na rozmieszczenie cylindrów wyróżnia się sprężarki o układzie osi cylindrów poziomym, pionowym, widlastym V, W, kątowym L lub o poziomych osiach cylindrów, przy czym cylindry te mogą być z jednej lub z obu stron wału korbowego.

Schematy układów kinematycznych sprężarek tłokowych

- Sprężarki wyporowe obrotowe

Wśród sprężarek wyporowych obrotowych można wyróżnić rozwiązania konstrukcyjne z pojedynczym wałem oraz z dwoma lub więcej wałami.

Podobnie jak w sprężarkach posuwisto-zwrotnych wielostopniowych, sprężanie gazu dokonuje się określonymi porcjami, w zmieniających swoja objętość przestrzeniach roboczych. Sprężarki wyporowe obrotowe można podzielić na:

• śrubowe,

• z dwoma współpracującymi wirnikami profilowymi,

• łopatkowe,

• z tłokiem obrotowym,

• z pierścieniem wodnym

- Sprężarki śrubowe

1 - ssanie, 2 - tłoki śrubowe, 3 - tłoczenie

Zasada pracy sprężarek śrubowych znana jest od ponad 100 lat. Model stopnia śrubowego został opatentowany w roku 1879 przez niemieckiego inżyniera Heinricha Kriegera w Berlinie. Prawie 75 lat musiało jednak upłynąć, zanim stworzono technologiczne podstawy do ich przemysłowego wytwarzania. W roku 1930 powstał w pełni sprawny śrubowy kompresor gazowy zbudowany przez szwedzka firmę Steam Company.

Sprężarka śrubowa uzyskała opinie maszyny niezawodnej, produkującej sprężone powietrze o niskim stopniu zanieczyszczenia olejem, przy optymalnym wykorzystaniu energii.

Funkcje oleju w sprężarce śrubowej:

• odbiera ciepło stabilizując temperaturę końcową sprężania na poziomie 80 ÷ 90^oC, poprawiając sprawność adiabatyczną,

• uszczelnia przestrzenie robocze ograniczając przepływ powrotny powietrza,

• film olejowy zapobiega fizycznemu stykowi powierzchni tłoków śrubowych, dzięki czemu nie występuje ich zużycie

Sprężarka z dwoma współpracującymi wirnikami profilowymi (sprężarka Roots'a)

1 - ssanie, 2 - krzywkowy wirnik, 3 - tłoczenie

Między wirnikami a obudową tworzą się komory zwiększające swoją objętość po stronie ssania, a zmniejszające ją po stronie tłoczenia.

- Sprężarki wyporowe łopatkowe

1 - kanał ssawny, 2 - wirnik, 3 - ruchome suwaki (łopatki), 4 - kanał tłoczny

W sprężarkach łopatkowych sprężenie powietrza dokonuje się przez tłoki obrotowe. Zmniejsza się objętość komory, powodując sprężenie zawartego w nim powietrza. W cylindrycznym korpusie obraca się wirnik umieszczony mimośrodowo, wyposażony w suwaki mogące się swobodnie wsuwać i wysuwać.

Zaletami tej sprężarki są małe wymiary gabarytowe oraz cichy bieg i praktycznie bezpulsacyjne, równomierne tłoczenie powietrza.

Sprężarka wyporowa łopatkowa firmy CompAir

Zalety sprężarek łopatkowych:

• Niski poziom hałasu - w sprężarkach łopatkowych jedynym elementem ruchomym jest wirnik z łopatkami ślizgającymi się po filmie olejowym. Ta zaleta daje możliwość usytuowania sprężarki w miejscu odbioru powietrza, przy bezpośredniej bliskości stanowisk pracy.

• Czystość powietrza - olej jest wykorzystywany w procesie sprężania. Konstrukcja układu wylotowego stopnia sprężania pozwala na całkowite oddzielenie oleju. Niska temperatura powietrza daje wysoką skuteczność końcowej separacji oleju. Za sprężarką łopatkową uzyskujemy powietrze czystsze niż to, które ona zasysa.

• Bezwibracyjna i ciągła praca - dzięki zastosowanemu rozwiązaniu konstrukcyjnemu, sprężarki łopatkowe są całkowicie bezwibracyjne. Pozwala to na posadowienie kompresora na każdym podłożu bez konieczności wykonywania specjalnych fundamentów. Ponieważ w sprężarkach łopatkowych chłodnica oleju jest jej integralną częścią, więc bez względu na czas pracy urządzenia, ich wewnętrzna temperatura jest ustabilizowana i umożliwia to ciągłą, 24-godzinną pracę.

• Brak łożysk tocznych - w sprężarce łopatkowej zastosowano panewki wykonane z odpowiedniego wytrzymałego materiału, zaś prędkość obrotowa wirnika należy do najniższych spośród wszystkich typów sprężarek. Daje to w efekcie trwałość ułożyskowania wielokrotnie przewyższającą łożyska toczne.

• Łatwość przeglądu - zwarta i prosta konstrukcja sprężarki łopatkowej pozwala na szybki i łatwy do wykonania serwis bezpośrednio u klienta. Nie ma potrzeby przenoszenia urządzeń, zaś ze względu na małą ilość części i ich trwałość, naprawy nie wymagają żadnych specjalistycznych narzędzi i są wykonywane przez jedną osobę.

• Obieg oleju i jego żywotność - obieg oleju jest zapewniony przez ciśnienie panujące wewnątrz kompresora, zdecydowanie zwiększa to niezawodność układu sterowania, zmniejsza koszty utrzymania. Wymiana oleju następuje po 2000 godzin, co daje długi czas pomiędzy przeglądami, a jednocześnie stosowany olej, przez cały czas swojej pracy niezmiennie zachowuje swoje właściwości.

• Najniższe koszty eksploatacji - sprężarka łopatkowa wymaga wymiany oleju co 2000 godzin, nie wymaga praktycznie żadnych napraw, poza przeglądami oraz jej żywotność jest wielokrotnie dłuższa niż konkurencyjnych konstrukcji, to znaczy to, iż jej eksploatacja będzie najtańsza.

- Sprężarki wyporowe z tłokiem obrotowym

1 - kanał ssawny, 2 - obrotowy tłok, 3 - ruchomy suwak, 4 - kanał tłoczny

W sprężarce z tłokiem obrotowym organem roboczym jest mimośród osadzony na wale, którego oś obrotu pokrywa się z osią wewnętrznej powierzchni obudowy. Obracający się mimośród przylega do tej powierzchni wzdłuż linii, na której spotykają się zakończenia sierpowej przestrzeni, podzielonej na dwie części płytką dociskaną do mimośrodu sprężyną.

- Sprężarki wyporowe z pierścieniem wodnym

1 - przestrzeń ssawna, 2 - wirnik, 3 - łopatki (nieruchome względem wirnika),

4 - przestrzeń tłoczna, 5 - pierścień wodny

Zasada działania sprężarki z pierścieniem wodnym jest podobna do zasady działania sprężarki łopatkowej. W kadłubie sprężarki, którego przekrój jest okrągły, umieszczono wirnik 2 z promieniowo przytwierdzonymi łopatkami 3, przy czym kadłub jest częściowo wypełniony wodą. Ruch obrotowy łopatek wirnika powoduje odrzucanie wody na ścianki kadłuba i wytworzenie uszczelniającego pierścienia wodnego 5, którego powierzchnia wewnętrzna spełnia rolę cylindra.

• Sprężarki przepływowe

Sprężarki przepływowe umożliwiają sprężanie gazu dzięki przemianie energii kinetycznej w energię potencjalną ciśnienia przy ciągłym przepływie gazu przez sprężarkę.

Sprężarki przepływowe pracują na zasadzie przepływu strumienia powietrza i są szczególnie przydatne tam, gdzie są niezbędne duże wydajności. Dzieli się je na turbosprężarki i sprężarki strumieniowe.

Elementem roboczym turbosprężarki jest wirnik łopatkowy. W wyniku działania sił wywołanych kształtem i obrotem wirującego wirnika na wlocie do niego powstaje podciśnienie w stosunku do ciśnienia panującego w przestrzeni, z której jest zasysany gaz. Powoduje to ciągły dopływ gazu do sprężarki. W wirującym wirniku następuje doprowadzenie do sprężonego gazu całej energii z zewnątrz od silnika napędzającego.

- Turbosprężarki

W zależności od kierunku przepływu gazu wyróżnia się turbosprężarki osiowe i turbosprężarki promieniowe. W turbosprężarkach osiowych przemiana energii kinetycznej w energie ciśnienia następuje w wirnikach i dyfuzorach przy zasadniczo osiowym kierunku przepływu gazu, natomiast w turbosprężarkach promieniowych przy promieniowym kierunku przepływu gazu. Istnieją również turbosprężarki diagonalne, których kierunek przepływu gazu jest pośredni między promieniowym a osiowym.

Turbosprężarka osiowa

1 - przestrzeń ssawna, 2 - wirnik łopatkowy, 3 - przestrzeń tłoczna

Turbosprężarka promieniowa

1 - kanał ssawny, 2 - wirnik łopatkowy, 3 - komora sprężania, 4 - kanał tłoczny

Turbosprężarki promieniowe wykonuje się jako:

• jednowlotowe lub dwuwlotowe,

• jednostopniowe lub dwustopniowe,

• z chłodzeniem zewnętrznym lub wewnętrznym,

• z obudową dzieloną pionowo, poziomo lub typu beczkowatego

- Sprężarka przepływowa strumieniowa

1 - króciec, 2 - otwór ssawny, 3 - dysza, 4 - komora, 5, 6 - kanał, 7 - zwężka,

8 - otwór wlotowy, 9 - króciec wylotowy

Czynnik roboczy - gaz o odpowiednim ciśnieniu - doprowadzony do króćca 1, rozpręża się w dyszy 3 do ciśnienia panującego w przestrzeni 4, uzyskując odpowiednią prędkość. Strumień rozprężonego czynnika roboczego wpada do obejmującej dyszę zwężki 7 i na skutek tarcia turbulentnego wytworzonego między strumieniem gazu a otaczającym czynnikiem zabiera ten czynnik i unosi dalej kanałami 5 i 6. Wywołany w ten sposób ruch czynnika znajdującego się w komorze 4 powoduje w miejscu wylotu dyszy odpowiedni spadek ciśnienia. Spadkowi temu będzie towarzyszyć zwiększenie prędkości wypływającego z dyszy strumienia, a ten z kolei na skutek tarcia zwiększy przepływ przez zwężkę 7 czynnika z komory 4. Proces narastania ciśnienia zasysanego przez sprężarkę czynnika ustali się w miejscu określonym równaniem energii.

Przedstawiona sprężarka charakteryzuje się brakiem jakichkolwiek części ruchomych, co wpływa na niezawodność jej pracy.

Wadą tych urządzeń jest ich mała sprawność.

---