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 teraźniejszości 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 rozgałęźnym 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. Łatwiejsze 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

•   źródło 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 2^oC 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 5^oC. 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.

---