Wytwarzanie sprężonego powietrza

Sprężarki to urządzenia, które służą do uzyskiwania wysokiego ciśnienia sprężonego powietrza lub wymuszenia jego przepływu. Ich zadaniem jest zwiększenie ciśnienia medium roboczego powyżej ciśnienia atmosferycznego, czyli początkowego. Tego rodzaju urządzenia znajdują zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w pracach domowych.

Rodzaje sprężarek

Sprężarki powietrza są niezbędne do funkcjonowania wielu urządzeń znajdujących się w otoczeniu. Instalowane są chociażby w lodówce, gdzie odpowiadają za chłodzenie, ale znaleźć je można także w wielu innych domowych urządzeniach. Ze względu na cechy konstrukcyjne sprężarki można podzielić na dwie grupy – wyporowe oraz przepływowe.

W tych pierwszych ciśnienie zwiększane jest poprzez zasysanie oraz tłoczenie objętości gazu dzięki elementowi znajdującemu się w części napędzanej. Gaz tłoczony jest w postaci kolejnych dawek, a sprężanie powietrza odbywa się w zamkniętej objętości. Tego rodzaju urządzenia mogą wykonywać dwa rodzaje ruchów, w związku z czym wyróżnia się sprężarki o ruchu posuwisto-zwrotnym, nazywane także tłokowymi oraz sprężarki o ruchu obrotowym, czyli łopatkowe, zębate albo wirnikowe.

Sprężarki tłokowe

Sprężarki tłokowe to jedna z najbardziej popularnych grup sprężarek. Cieszą się one szerokim zastosowaniem przy wytwarzaniu sprężonego powietrza w instalacjach przemysłowych, jak również w innych działaniach gospodarki, chociażby jako maszyny przewoźne i stałe do sprężania powietrza służącego do zasilania narzędzi pneumatycznych, jak również do sprężania powietrza niezbędnego do rozruchu silników czy gazów w przemyśle chemicznym. Składają się z takich elementów jak komora ssania sprężarki, komora robocza, obszar tłoczenia oraz tłok.

Sprężarki tłokowe c.d

Tłok jest najważniejszym elementem sprężarki. To część wykonująca posuwisto-zwrotne ruchy i w ten sposób zasysająca powietrze atmosferyczne, sprężająca je i przesyłająca do obszaru tłoczenia. Dzięki tłokom sprężarek możliwe jest uzyskiwanie ciśnień wyjściowych od 0,1 MPa do nawet kilkunastu MPa, czyli kilkudziesięciu bar.

Sprężarki mogą działać jednostopniowo lub dwustopniowo. Przy działaniu jednostopniowym zwiększanie ciśnienia gazu następuje dzięki ruchowi posuwistego tłoka znajdującego się w cylindrze. Szerzej stosowanym rozwiązaniem są jednak sprężarki tłokowe działające dwustopniowo. Najwięcej korzyści w tym przypadku przynoszą duże urządzenia z ustawionym pionowo cylindrem niskiego ciśnienia lub znajdującym się poziomo cylindrem wysokiego ciśnienia. Większość sprężarek wyposażona jest w zawory samoczynne, które otwierają się i zamykają w reakcji na różnice ciśnień po odpowiednich stronach krążka zaworu. Zaletą tego rodzaju sprężarek jest zdolność do wytwarzania bardzo wysokich ciśnień. Sprawność ogólna urządzeń tłokowych wynosi od 50 do 75%.

Sprężarki wyporowe – membranowe

Tego rodzaju urządzenia składają się z tłoka, membrany oraz komory sprężania. Działanie sprężarek opiera się na ruchu tłoka, który przemieszcza się w zamkniętym cylindrze. Dzięki zmniejszającej się objętości powietrza następuje wzrost ciśnienia. Tłok w urządzeniu odpowiedzialny jest za poruszanie membrany. Znajduje się w oddzieleniu od komory sprężania, a taki brak bezpośredniego kontaktu ze sprężanym powietrzem gwarantuje, że nie zostanie ono zanieczyszczone olejem do smarowania tłoka. Membrana, której sprężarka zawdzięcza swoją nazwę, jest natomiast elastyczną przeponą stanowiącą jedną ze ścian komory sprężania.

Podczas działania urządzenia układ napędowy odkształca membranę, a tym samym następuje naprzemienne zmniejszanie oraz zwiększanie objętości komory. Membrana jest uaktywniana mechanicznie lub hydraulicznie. Tego rodzaju urządzenia wykorzystuje się przede wszystkim w pracy przy wysokich ciśnieniach. Sprężarki membranowe znajdują też zastosowanie we wszystkich dziedzinach, w których wymagane jest uzyskanie powietrza o bardzo wysokiej czystości. Z powodzeniem więc będą pełnić swoją funkcję w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym czy chemicznym.

Sprężarki wyporowe obrotowe

Szczególną kategorią sprężarek wyporowych są sprężarki wyporowe obrotowe, które konstrukcyjnie można podzielić ze względu na ilość wałów. Urządzenia te mogą bowiem występować z jednym, dwoma lub nawet z większą liczbą wałów. Możliwe jest także dokonanie podziału na poszczególne odmiany i wyróżnienie między innymi sprężarek śrubowych, sprężarek łopatkowych oraz sprężarek z tłokiem obrotowym, pierścieniem wodnym czy z dwoma wirnikami profilowymi. Tego rodzaju urządzenia działają poprzez sprężanie porcji gazu w przestrzeniach roboczych o zmiennej objętości.

Sprężarki śrubowe

Kolejny rodzaj sprężarek to sprężarki śrubowe, czyli urządzenia, które sprężone powietrze wytwarzają dzięki dwóm obracającym się wałom. Sprężarki śrubowe składają się z kanału wlotowego, asymetrycznych wirników śrubowych oraz kanału tłoczenia. Ich zasada działania jest bardzo prosta i opiera się o powstawanie wewnętrznych komór roboczych. To właśnie w nich następuje sprężanie powietrza pomiędzy dwoma wałami, które mają profil śruby i są asymetryczne względem siebie. Powietrze w komorach przemieszcza się następnie od strony ssania do kanału wylotowego. Tego rodzaju sprężarki powietrza cieszą się dużą popularnością ze względu na szereg zalet.

Przede wszystkim charakteryzują się wysoką wydajnością i pozwalają na pracę w cyklu 24 godzin. Gwarantują cichą pracę, pełną kontrolę nad parametrami i czasem, a także wymagają niewielkiej ilości energii.

Kolejne zalety sprężarek śrubowych to brak zjawiska pulsowania ciśnienia i wydatku, a także stała wydajność oraz ciśnienie na wyjściu. Wśród sprężarek śrubowych można wyróżnić urządzenia olejowe i bezolejowe. W śrubowych sprężarkach bezolejowych sprężanie powietrza następuje poprzez zmniejszenie przestrzeni pomiędzy dwoma obracającymi się wirnikami, przy czym nie ma miejsca uszczelnianie przy użyciu filmu olejowego.

Maksymalne ciśnienie takich ciężarek jest zwykle niższe niż w przypadku sprężarek olejowych, w związku z czym tego rodzaju urządzenia wyposaża się w system kilkuśrubowych elementów sprężających. Bezolejowe sprężarki powietrza znajdują zastosowanie przede wszystkim w takich gałęziach jak medycyna, farmaceutyka czy przemysł papierniczy. W przypadku sprężarek olejowych olej wtryskiwany jest do komory sprężania, co zapewnić ma większą szczelność pomiędzy obracającymi się śrubami, a także pozwolić na chłodzenie elementu sprężającego.

Dzięki filmowi olejowemu, który powstaje pomiędzy współpracującymi wirnikami przy korzystaniu z urządzenia nie ma bezpośredniego styku powierzchni. Tym samym olejowe sprężarki śrubowe cechuje długa żywotność. Olej separowany jest ze strumienia sprężonego powietrza, a w dalszej kolejności schładzany, filtrowany i kierowany ponownie do komory sprężania. Powietrze na wylocie oczyszczane jest natomiast z cząstek oleju w drodze separacji cyklonowej oraz filtracji. Sprawia to, że niepożądana mieszanina wody z oleju jest odprowadzana, dzięki czemu możliwe jest bezpieczna praca z urządzeniem. Standardowa sprężarka olejowa pozwala na osiągniecie ciśnienia roboczego 1,3 MPa, czyli 13 bar.

Sprężarki z dwoma współpracującymi profilowymi wirnikami

Tego rodzaju urządzenia nazywane są także sprężarkami Roots’a. Składają się z komory ssącej, kształtowych wirników oraz komory tłoczenia. Sprężarki z dwoma współpracującymi profilowymi wirnikami charakteryzują się tym, że podczas pracy urządzenia powietrze nie zmienia swojej objętości podczas przemieszczania od wlotu do wylotu. Przestrzeń robocza w sprężarkach powietrza Roots’a ma kształt współpracujących ze sobą wirników. Od strony wlotu przestrzeń ta jest coraz szersza, dzięki czemu możliwe jest zasysanie powietrza. Od strony tłoczenia zwęża się natomiast, gwarantując efektywne sprężanie powietrza.

Sprężarki wyporowe łopatkowe

Kolejna grupa sprężarek to sprężarki wyporowe łopatkowe złożone z takich elementów jak kanał ssania, mimośrodowy wirnik, a także kanał tłoczenia i ruchome łopatki. Sprężarki wyporowe łopatkowe zwiększają ciśnienie powietrza w komorach tworzonych pomiędzy zamontowanymi łopatkami i obudową sprężarki. W momencie pracy urządzenia ruch wirnika powoduje, że siła odśrodkowa dociska łopatki do ścianek korpusu, a tym samym uszczelnia komory robocze. Te z kolei wraz z obrotem zmniejszają swoją objętość, dzięki czemu po stronie tłoczenia sprężane jest powietrze. Objętość robocza, która zwiększa się od strony ssania, pozwala na efektywne zasysanie powietrza.

Sprężarki wyporowo-łopatkowe mają szereg zalet, wśród których należy wymienić przede wszystkim cichą pracę urządzenia pozbawioną wibracji, która zapewnia duży komfort podczas korzystania ze sprężarki. Oprócz tego urządzenia odznaczają się także prostą konstrukcją, która idzie w parze z łatwą naprawą oraz konserwacją. Sprężarki wyporowe łopatkowe oferują także wysoką czystość uzyskiwanego sprężonego powietrza, a także możliwość ciągłej pracy w systemie 24- godzinnym. Kolejną ważną zaletą tego rodzaju urządzeń jest także brak łożysk kulkowych, które generowałyby hałas czy byłyby podatne na zużycie.

Sprężarki przepływowe

Sprężarki przepływowe to urządzenia, w których sprężanie gazu następuje nie na skutek zamknięcia go w komorze o zmiennej objętości, jak ma to miejsce w przypadku wielu innych rodzajów urządzeń, ale na skutek zmiany energii kinetycznej strumienia gazu na energię potencjalną. Tego rodzaju urządzenia działają poprzez wykorzystanie zasady przepływu strumienia powietrza, a dzięki swojej konstrukcji znajdują szerokie zastosowanie w instalacjach czy urządzeniach, w których niezbędne jest duże natężenie przepływu. Wymagana prędkość przepływu gazu wymuszana jest przez szybko poruszające się elementy konstrukcyjne o kształcie łopatek osadzonych na wirniku. To właśnie wirnik jest elementem sprężającym powietrze.

Jego geometria powoduje, że w trakcie obracania się powstaje podciśnienie od strony zasysanego powietrza atmosferycznego. Tego rodzaju sprężarki można podzielić na dwie grupy – znajdziemy wśród nich turbosprężarki oraz sprężarki strumieniowe.