Sprężarki wyporowe
Cechą charakterystyczną sprężarek wyporowych jest stała objętość powietrza lub gazu
znajdującego się w zamkniętej przestrzeni i zwiększanie ciśnienia na skutek zmniejszani tej
przestrzeni.
Sprężarki tłokowe.
Sprężarka tłokowa jest najstarszą i najczęściej spotykaną sprężarką. Dostępna jest w wersji
jedno - lub dwustopniowej, ze smarowaniem olejowym lub bezolejowa z różną liczbą cylindrów w
różnych układach. Jedynym wyjątkiem stanowią naprawdę małe sprężarki z cylindrami pionowymi
gdzie układ V jest najczęściej spotykany. W przypadku działania dwustopniowego największe
korzyści przynosi stosowanie dużych sprężarek typu L z ustawionym pionowo cylindrem niskiego
ciśnienia i ustawionym poziomo cylindrem wysokiego ciśnienia i z tego powodu jest to najczęściej
spotykane rozwiązanie.
Sprężarki smarowane olejem pracują normalnie przy smarowaniu rozpryskowym lub smarowaniu
ciśnieniowym. Większość sprężarek ma zawory samoczynne. Zawory takie otwierają się i zamykają
na skutek różnicy ciśnień po odpowiednich stronach zaworu.
Pompka rowerowa jest najprostszym przykładem sprężarki wyporowej, gdzie powietrze jest
zasysane do cylindra i sprężane przez poruszający się tłok. Sprężarka tłokowa ma tę samą zasadę
działania przy czym ruch tłoka do przodu i do tyłu powodowany jest przez połączony z nim trzpień i
wał korbowy. Jeżeli tylko jedna strona tłoka jest używana przy sprężaniu to jest to nazywane
sprężaniem jednostronnym, a jeżeli używane są przy tym obie strony, górna i dolna to jest to
sprężanie dwustronne. Różnica ciśnień między stroną wlotową i wylotową sprężarki jest miara
wykonanej przez sprężarkę pracy.
Stosunek ciśnień jest to stosunek między ciśnieniem bezwzględnym po stronie wlotowej i
wylotowej sprężarki. Zgodnie z tą zasadą maszyna, która zasysa powietrze przy ciśnieniu
atmosferycznym i spręża je do wartości 7 bar nadciśnienia pracuje ze współczynnikiem ciśnień (7 +
1 ) /1 = 8.
Dobór sprężareki
Przystępując do wymiarowania instalacji sprężonego powietrza należy podjąć wiele decyzji
dotyczących przystosowania instalacji do potrzeb użytkownika, osiągnięcia najlepszej ekonomiki
pracy i przygotowania do dalszej ewentualnej rozbudowy instalacji. Czynnikiem zasadniczym jest
jednak zastosowanie lub proces do którego będzie wykorzystywane sprężone powietrze. Dlatego
należy rozpocząć od drobnego rozplanowania przy wzięciu pod uwagę wszystkich najważniejszych
czynników po to by mieć właściwą podstawę do dalszego wymiarowania. Należy zwrócić uwagę na
obliczanie poboru sprężonego powietrza i pojemności zbiornika rezerwowego oraz możliwości
dalszej rozbudowy systemu. Decydującym czynnikiem jest ciśnienie robocze ponieważ ma ono
największy wpływ na zużycie energii.
Czasami może być zasadne z ekonomicznego punktu widzenia zastosowanie różnych sprężarek do
różnych zakresów ciśnień. Jakość sprężonego powietrza to nie tylko kwestia zawartości w nim
wody, ale również dostosowanie go do norm ochrony środowiska. Zapach powietrza i zawartość w
nim mikroorganizmów są to istotne czynniki, które mogą wpływać na jakość produktu, częstość
reklamacji, środowisko pracy i środowisko zewnętrzne. Kwestia czy instalacja powinna być
scentralizowana czy też zdecentralizowana dotyczy potrzebnej przestrzeni i ewentualnej
rozbudowy. Z punktu widzenia ekonomii i ochrony środowiska coraz ważniejsze staje się
znalezienie możliwości odzyskiwania energii we wczesnym stadium. To często powoduje szybki
zwrot inwestycji. Ważna jest analiza tych czynników pod kątem wymagań teraz
niejszości i
przyszłości. Tylko wtedy możliwe jest zaprojektowanie instalacji charakteryzującej się
wystarczającą elastycznością.
Istnieją dwie podstawowe zasady sprężania powietrza
 Zasada wyporu i sprężanie dynamiczne. Wśród sprężarek wyporowych możemy wymienić
np. Sprężarki tłokowe i różne typy sprężarek rotacyjnych. W większości krajów są to najczęściej
spotykane sprężarki. W sprężarce tłokowej powietrze jest zasysane do komory sprężania, której
wlot zostaje zamknięty. Następnie objętość komory się zmniejsza i powietrze jest sprężane. Jeżeli
ciśnienie osiągnie taką samą wartość jak ciśnienie panujące w rozgałęz
nym kanale wylotowym to
zawór zostaje otwarty i powietrze pod stałym ciśnieniem zostaje wypuszczone przy stale
zmniejszającej się objętości komory sprężania.
W sprężaniu dynamicznym powietrze zasysane jest do szybko obracającego się wirnika i
przyspieszane, aż do osiągnięcia dużej prędkości. Następnie gaz jest wypuszczany przez dyfuzer
(zwęższkę rozpraszającą), gdzie energia kinetyczna jest zmieniana na ciśnienie statyczne.
Wyróżniamy sprężarki dynamiczne o przepływie osiowym i promieniowym. Wszystkie są
przystosowane do dużych ilości przepływającego powietrza.
Sprężanie w kilku stopniach
Teoretycznie gaz może być sprężany izentropowo lub izotermicznie. Może to mieć miejsce jako
część przemiany odwracalnej. Jeżeli sprężony gaz może być natychmiast wykorzystany przy
temperaturze jaką osiągnął na końcu procesu sprężania to przemiana izentropowa będzie miała
pewne przewagi. W rzeczywistości gaz rzadko może być wykorzystywany bez
uprzedniego schłodzenia. Dlatego też częściej stosowana jest przemiana izotermiczna, która
wymaga również mniej pracy. W praktyce prowadzi się próby schładzania gazu w trakcie sprężania.
Praktycznym sposobem na zredukowanie zjawisk ogrzewania się gazu jest sprężanie w kilku
stopniach. Gaz jest schładzany po każdym stopniu sprężania i sprężany dalej. Podnosi to również
efektywność ponieważ współczynnik ciśnień w pierwszym stopniu jest zmniejszony. Pobór mocy
jest najmniejszy jeżeli każdy stopień ma ten sam stosunek ciśnień. Im więcej jest stopni sprężania
tym bardziej cały proces przypomina sprężanie izotermiczne. Jednakże istnieją ekonomiczne
ograniczenia liczby stopni sprężania, które mogą być zaprojektowane dla danej instalacji.
Porównanie sprężarek wyporowych i dynamicznych.
Sprężarka odśrodkowa jest maszyną o zróżnicowanej wydajności i stałym ciśnieniu, natomiast
sprężarka wyporowa jest maszyną o stałej wydajności i zmiennym ciśnieniu. Inną różnicą jest np.
to, że sprężarki wyporowe uzyskują większy spręż nawet przy małej prędkości w odróżnieniu od
osiągających dużą prędkość sprężarek odśrodkowych. Sprężarki odśrodkowe są natomiast
przystosowane do dużych ilości przepływającego powietrza.
Instalacje sprężarkowe
Istnieje kilka czynników, które mają wpływ na wybór między jedną dużą sprężarką, a kilkoma
małymi dostarczającymi tę samą ilość sprężonego powietrza. Na przykład koszt przestoju w
produkcji, dostępność energii elektrycznej, warianty dociążenia, koszt systemu sprężonego
powietrza i dostępna powierzchnia.
Scentralizowana instalacja sprężarkowa jest w większości przypadków rozwiązaniem wyboru,
ponieważ jest tańsza niż kilka ustawionych miejscowo sprężarek. Instalacja sprężarkowa może być
między sobą efektywnie połączona, co w rezultacie powoduje mniejsze zużycie energii. Centralna
instalacja ma również niższe koszty monitoringu i obsługi technicznej oraz lepsze możliwości
odzyskiwania energii. Mniejsza jest również powierzchnia zajmowana przez instalacje sprężarkową.
Filtry, chłodnice i inne urządzenia dodatkowe jak również wlot powietrza mogą być optymalne z
wymiarowane i zainstalowanie. A
atwiejsze jest również założenie izolacji akustycznej. System
obejmujący kilka różnej wielkości sprężarek może być sterowany sekwencyjnie w celu poprawienia
efektywności. Jedna duża sprężarka będzie miała trudności w przypadku dużych zmian poboru by
zrealizować je bez spadku efektywności pracy.
Zdecentralizowana instalacja sprężarkowa
System obejmujący kilka zdecentralizowanych sprężarek jest mniejszym i prostszym systemem
sprężonego powietrza. Wadą tego rozwiązania są trudności we wzajemnym dopasowaniu wydatków
sprężonego powietrza, większych nakładów pracy wymaga obsługa techniczna jak również trudniej
jest utrzymać rezerwę wydajności. Sprężarki zdecentralizowane mogą być wykorzystywane do
utrzymywania ciśnienia w systemie narażonym na duże spadki jeżeli w procesie pośrednim
zużywane jest czasowo zbyt dużo sprężonego powietrza. Innym rozwiązaniem w przypadku
występowania bardzo krótkich okresów wartości szczytowych jest umieszczenie buforów w
punktach strategicznych. Zakład lub budynek zaopatrywany z centralnej rozdzielni sprężonego
powietrza, który jest jedynym odbiorcą tego powietrza w pewnych okresach może być odcinany i
zaopatrywany z własnej sprężarki. Zaletą tego rozwiązania jest to, że unika się wtedy przecieków
w pozostałej części systemu, a miejscowa sprężarka może być przystosowana do mniejszych
poborów powietrza.
Wpływ warunków otoczenia na sprężarkę.
W celu dobrania właściwej sprężarki tam gdzie warunki otoczenia różnią się od tych które
podane są w danych technicznych należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:
" wysokość powyżej poziomu morza lub ciśnienie otoczenia
" temperaturę otoczenia
" wilgotność
" temperaturę czynnika chłodniczego
" typ sprężarki
" z
ródło zasilania
Te czynniki mają wpływ na:
" Maksymalne ciśnienie robocze
" Wydajność
" Pobór mocy
" Wymagania dotyczące chłodzenia
Najważniejszym czynnikiem są zmiany wartości ciśnienia wlotowego zależne od wysokości nad
poziomem morza. Na przykład oznacza to, że sprężarka, która na poziomie morza ma stosunek
ciśnień 8,0 na poziomie 3000 m n.p.m. będzie miała stosunek ciśnień 11,1 (pod warunkiem, że
ciśnienie robocze jest stałe). Wpływa to na efektywność i zużycia energii. Temperatura otoczenia,
wilgotność i temperatura czynnika chłodniczego oddziałują między sobą i mają w różnym stopniu
wpływ na wydajność sprężarek jedno - lub wielostopniowych, sprężarek dynamicznych lub
wyporowych.
W silnikach elektrycznych efektywność chłodzenia pogarsza się wraz z rozrzedzaniem się
powietrza na dużych wysokościach. W przypadku standardowych silników mogą one pracować na
wysokości do 1000m n.p.m. i w temperaturze otoczenia 40 0C bez pogarszania się danych
znamionowych.
Silniki spalinowe.
Zmniejszenie ciśnienia otoczenia, wzrost temperatury lub zmniejszenie wilgotności wpływają na
zmniejszenie się ilości tlenu w powietrzu wlotowym i co za tym idzie na moc silnika. Stopień
zmniejszania się mocy na wałku zależy od typu silnika i metody zasysania. Wilgotność odgrywa
mniejszą rolę (<1% /1000m) jeżeli temperatura spada poniżej 30 stopni celsjusza. Należy
zauważyć, że moc silnika spada bardziej gwałtownie niż moc na wałku sprężarki co oznacza, że
istnieje maksymalna wysokość robocza dla każdego układu sprężarka/silnik. Generalnie należy
poprosić dostawcę o wyliczenie i podanie odpowiednich danych dotyczących sprężarki, silnika i
sprzętu pobierającego sprężone powietrze.
Układy chłodzenia
Sprężarki chłodzone wodą.
Instalacje chłodzone wodą wymagają jedynie niewielkiej wentylacji w sprężarkowni ponieważ
większa część wytwarzanego ciepła odprowadzona jest przez wodę chłodzącą. Woda chłodząca
pochodząca ze sprężarek chłodzonych wodą zawiera w formie ciepła ok. 90% energii pobieranej
przez silnik elektryczny. System wody chłodzącej sprężarkę może być zaprojektowany w oparciu o
jedną z trzech głównych zasad: jako system otwarty bez systemu cyrkulacji wody, jako system
otwarty z systemem cyrkulacji wody i jako zamknięty system cyrkulacji.
Układy otwarte bez systemu cyrkulacji wody.
Układy otwarte bez systemu cyrkulacji wody są to układy w których woda pochodzi z
wodociągów miejskich, jeziora, rzeki, studni, jest używana do schładzania sprężarek i jest usuwana
jako woda ściekowa. System powinien być kontrolowany przez termostat po to by utrzymać
wymaganą temperaturę jak również po to by sterować poborem wody. Ciśnienie wody chłodzącej
powinno być niższe nić ciśnienie na które projektowane są elementy systemu. Generalnie system
otwarty jest łatwy i niedrogi do zainstalowania ale drogi w eksploatacji szczególnie wtedy gdy woda
chłodząca jest pobierana z wodociągów miejskich. Woda z jeziora lub rzeki jest zwykle bezpłatna
ale musi być filtrowana i oczyszczana aby mogła być używana bez niebezpieczeństwa zapchania
systemu chłodzenia. Co więcej woda z dużą zawartością wapnia może powodować osadzanie się
kamienia w chłodnicach co pogorszy skuteczność chłodzenia. To samo odnosi się do wody słonej,
której jednakże można używać pod warunkiem prawidłowego zaprojektowania i z wymiarowania
systemu.
Układy otwarte z systemem cyrkulacji wody.
Układy otwarte z systemem cyrkulacji wody są to systemy gdzie woda chłodząca ze sprężarki
jest powtórnie schładzana w wieży chłodniczej. Woda chłodząca jest rozpryskiwana w komorze
wieży chłodniczej przy jednoczesnym przedmuchu powietrza. W tym samym czasie część wody
paruje, a pozostała część jest schładzana do temperatury 2oC poniżej temperatury otoczenia.
Układy otwarte z systemem cyrkulacji wody są używane przede wszystkim przy ograniczonym
dostępie wody. Wadą jest tu fakt, że woda staje się zanieczyszczona przez otaczające ją powietrze.
Układ musi być uzupełniany za pomocą świeżej wody ze względu na fakt parowania.
Nierozpuszczalne sole są odkładane na gorących powierzchniach metalowych. Zmniejsza to
skuteczność rozproszenia ciepła wody chłodzącej. Woda musi być regularnie badana i pielęgnowana
przy pomocy środków chemicznych aby zapobiec rozwojowi glonów w wodzie. W czasie zimy gdy
sprężarka nie pracuje wieża chłodnicza musi być albo opróżniona lub też woda w niej musi być
podgrzana aby zapobiec zamarzaniu.
Układy zamknięte
W sprężarkach chłodzonych przy pomocy układu zamkniętego ta sama woda krąży między
sprężarką i pewnym rodzajem chłodnicy. Ta chłodnica jest z kolei chłodzona albo przy pomocy
innego obwodu wodnego albo przy pomocy powietrza. Generalnie jeżeli woda jest schładzana przy
pomocy innego obwodu wodnego to stosowany jest płaski wymiennik ciepła.
 Jeżeli woda ma być chłodzona powietrzem to wtedy stosowana jest bateria chłodząca
składająca się z rur i kołnierzy chłodzących. Powietrze jest zmuszone do ruchu wokół baterii przy
pomocy jednego lub więcej wentylatorów. Powietrze jest zwykle przed tym filtrowane po to by
uniknąć zapychania. Ta metoda jets odpowiednia jeżeli ograniczony jest dostęp wody. Wydajność
chłodzenia układu otwartego i zamkniętego jest w przybliżeniu taka sama tzn. woda sprężarki jest
schładzana do temperatury 5oC. wyższej od temperatury czynnika chłodniczego. Jeżeli woda jest
chłodzona przez powietrze to wymagany jest dodatek środka przeciw zamarzaniu np. glikolu.
Zamknięty układ chłodzenia jest napełniony czystą, zmiękczoną woda. Jeżeli glikol jest dodany do
wody w systemie przepływu woda musi być ponownie obliczona ponieważ typ i stężenie glikolu ma
wpływ na pojemność cieplną i lepkość. Dodanie środków chemicznych również ma wpływ na
przepływ wody chłodzącej przez punkty łączeniowe. Ważnym elementem jest również to by cały
system został dobrze wyczyszczony zanim zostanie napełniony po raz pierwszy. Właściwie
zainstalowany i uruchomiony układ zamknięty wymaga jedynie niewielkiego nadzoru i
charakteryzuje się niskimi kosztami utrzymania. W przypadku instalacji gdzie dostępna woda
chłodząca jest agresywna właściwe jest zastosowanie materiałów odpornych na korozję.