E‑BOOK

Spis treści

• Zasady nadzorowania i kontrolowania pracy sprężarekDOxhKEklBZasady nadzorowania i kontrolowania pracy sprężarek

• Sprężarki

  • Sprężarki wyporowe3Sprężarki wyporowe

    • Sprężarka tłokowa4Sprężarka tłokowa

    • Sprężarka śrubowa5Sprężarka śrubowa

    • Sprężarka łopatkowa6Sprężarka łopatkowa

    • Sprężarka membranowa7Sprężarka membranowa

    • Sprężarka z wirującymi tłokami tzw. dmuchawa Rootsa8Sprężarka z wirującymi tłokami tzw. dmuchawa Rootsa

  • Sprężarki przepływowe9Sprężarki przepływowe

    • Sprężarki osiowe10Sprężarki osiowe

    • Sprężarki promieniowe11Sprężarki promieniowe

• Netografia i bibliografiaD84rewnjrNetografia i bibliografia

Sprężarki

Jednym z najczęściej spotykanych w przyrodzie zjawisk jest tzw. zmiana ciśnienia. Mamy z nią do czynienia zarówno w otaczającej nas atmosferze, jak i w przypadku większości urządzeń technicznych. Należy przy tym pamiętać, że zmianie ciśnienia towarzyszą inne procesy, takie jak przemiany mechaniczne, chemiczne lub cieplne. Jednym z przykładów takiego zjawiska jest zachodzący w atmosferze przepływ powietrza od obszarów wyżu do obszarów niżu barycznego.

Proces, którego efektem jest przyrost ciśnienia, definiowany jest jako proces sprężający. W przypadku efektu odwrotnego, czyli spadku ciśnienia, proces taki nazywany jest rozprężającym. Analogicznie urządzenia, których głównym celem jest uzyskanie przyrostu ciśnienia w ośrodku ciekłym lub gazowym (tzw. ośrodek płynny), nazywane są urządzeniami sprężającymi. Inaczej mówiąc, sprężarki są to maszyny przepływowe, których zadaniem jest podwyższenie ciśnienia gazu.

Celem zwiększenia ciśnienia gazu w procesie sprężania może być:

• zwiększenie gęstości czynnika, aby ułatwić jego proces transportowy,

• pokonanie oporów przepływu,

• dostosowanie ciśnienia do wymagań procesu technologicznego,

• podwyższenie temperatury czynnika obiegowego w ziębiarkach i pompach grzejnych,

• uzyskanie dodatniego efektu Joule'a–Thomsona.

Zgodnie z zasadą zachowania energii zmianie objętości czynnika, będącej efektem procesu sprężania, towarzyszy wzrost energii. Występujący przyrost jest możliwy jedynie na skutek przekazania czynnikowi energii w innej postaci np. energii kinetycznej, energii cieplnej lub energii mechanicznej. Oznacza to, że sprężarki są urządzeniami, które są wykorzystywane przede wszystkim do pracy ciągłej, a ich działanie jest możliwe dzięki pobieraniu energii z zewnątrz.

Sprężarki można podzielić na grupy, biorąc za podstawę podziału kilka czynników, takich jak budowa, rodzaj obsługiwanego czynnika (powietrze lub inne gazy), liczbę stopni oraz mobilność (stałe lub przenośne).

Jednym z dwóch podstawowych parametrów stanowiących kryterium podziału sprężarek jest stosunek sprężania $\left(\xi \right)$ równanie $1$.

gdzie:
$p_t$ – ciśnienie tłoczne,
$p_s$ – ciśnienie ssawne.

Stosunek sprężania (równanie $1$.) jest to stosunek wartości ciśnienia gazu w przewodzie tłocznym, znajdującym się na wylocie ze sprężarki $\left(p_t\right)$, do wartości ciśnienia w przewodzie ssawnym na wlocie do sprężarki $\left(p_s\right)$. W zależności od wartości stosunku sprężania wyróżnia się trzy grupy sprężarek:

• Wentylatory, jeśli $\xi\leq 1,1$; przyrost ciśnienia nie przekracza $10 \mathrm{kPa}$. Urządzenia te wykorzystuje się do pokonania oporów przepływu.

• Dmuchawy, w których $1,1\lt\xi\leq 3$, są one wykorzystywane w hutnictwie, koksownictwie itp.

• Kompresory, gdy $\xi >3$. Wykorzystywane są w obiegach maszyn cieplnych, w procesach technologicznych i w instalacjach sprężania powietrza.

Drugim najważniejszym kryterium podziału sprężarek jest ich budowa. Na jej podstawie sprężarki dzieli się na:

• wyporowe,

• przepływowe.

W podziale tym można dodatkowo wyróżnić tzw. sprężarki chemiczne (termiczne), których zasada działania opiera się na zjawisku absorpcji i desorpcji.  Ze względu na odrębność tej grupy nie będą one tutaj omawiane.

Biorąc pod uwagę rozwiązania konstrukcyjne, jak również sposób funkcjonowania, sprężarki można podzielić na tłokowe, rotacyjne oraz rotodynamiczne tzw. wirowe. Sprężarki tłokowe i wirowe zaliczane są do maszyn wyporowych, czyli takich, które wykonują sprężenia gazu poprzez zmniejszenie objętości komory sprężania.

Sprężarki wirowe można podzielić na odśrodkowe oraz osiowe. W odróżnieniu od sprężarek wirowych osiowych (śmigłowych), w których gaz przepływa w kierunku równoległym do wirnika, w sprężarkach rotodynamicznych odśrodkowych kierunek przepływu gazu jest promieniowy w momencie jego sprężania. Podwyższenie ciśnienia gazu w sprężarkach odśrodkowych następuje w wyniku zwiększenia działania siły odśrodkowej. W sprężarkach osiowych zwiększenie prędkości gazu następuje w wyniku ruchu łopatek wirnika. Odpowiednie ukształtowanie kanałów przepływowych pozwala na zmniejszenie prędkości i zwiększenie ciśnienia.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarki wyporowe

Sprężarki wyporowe stosuje się w przypadku instalacji, w których ciśnienie gazu jest istotniejsze od jego przepływu. Ogólna zasada działania sprężarek wyporowych polega na tym, że sprężenie gazu występuje w wyniku zmniejszenia się objętości komory sprężania na skutek pracy tłoka wykonującego ruch posuwisto‑zwrotny lub ruch wirujący.

Do sprężarek wyporowych zalicza się:

• sprężarki tłokowe,

• sprężarki śrubowe,

• sprężarki łopatkowe,

• sprężarki membranowe,

• sprężarki spiralne,

• sprężarki Roots'a.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarki tłokowe

Najstarszą i najczęściej spotykaną jest sprężarka tłokowa, występująca w wersji jedno lub dwustopniowej. Organem roboczym sprężarki jest tłok, który wykonuje ruch posuwisto‑zwrotny. W wyniku pracy tłoka oraz obecności zaworów najpierw dochodzi do zassania czynnika, a następnie do jego sprężenia i wyparcia do miejsca przeznaczenia.

R1RJTuUFZQAxB

Na rysunku widać niebiesko‑granatowy schemat ogólny, przedstawiający ogólną budowę sprężarki tłokowej. Sprężarka tłokowa jest urządzeniem wyporowym czyli takim w którym sprężenie gazu występuje w wyniku zmniejszenia się objętości komory sprężania na skutek pracy organu roboczego którym jest tłok.
Podstawa sprężarki jest elementem o kształcie prostokąta. Na środku podstawy widać ślimakowaty kształt. Jest to jednostka napędowa. Podstawa sprężarki jest połączona w sposób prostopadły z podłużnym prostokątnym elementem, którym jest komora sprężania. W centralnej części komory znajduje się tłok. Podstawą tłoka jest prostokątny element którego długość odpowiada szerokości komory sprężania. Po obu stronach prostokąta znajdują się cienkie prostokątne elementy przyłączone w sposób prostopadły do podstawy tłoka. Cały element przypomina kształtem obróconą rzymską cyfrę jeden. Do tłoka poprowadzona jest czarna prosta na której końcu widać cyfrę $1$. Nad komorą sprężania widać podłużny prostokątny element umieszczony w sposób równoległy do podstawy. Na odcinku w którym górny prostokąt połączony jest z komorą sprężania narysowane są dwa zawory w kształcie młotków. Młotki są przeciwstawnie skierowane i równomiernie rozłożone na wspólnym odcinku. Do młotka widocznego z lewej strony ekranu poprowadzona jest prosta na której końcu znajduje się cyfra $2$ z opisem zawór.
W górnym prostokącie po bokach, narysowane są strzałki z grotami skierowanymi w prawą stronę. Jest to kierunek przepływu czynnika gazowego.
Pod rysunkami znajduje się opis następujących elementów: $1$ tłok, $2$ zawór.

R1BGRhgUoP0iA

Na rysunku widać niebiesko‑granatowy schemat, przedstawiający budowę sprężarki tłokowej. Sprężarka tłokowa jest urządzeniem wyporowym czyli takim w którym sprężenie gazu występuje w wyniku zmniejszenia się objętości komory sprężania na skutek pracy organu roboczego którym jest tłok.
Podstawą rysunku jest element w kształcie odwróconej do góry nogami literki U. Do elementu przypisana jest cyfra $6$ oznaczająca wał korbowy. Na środku wału korbowego znajduje się element w kształcie prostokąta, którego wnętrze podzielone jest na sześć dużych prostokątnych elementów rozłożonych w dwóch rzędach po trzy elementy oraz trzech cienkich prostokątów znajdujących się na dole. Pod elementem znajduje się część w kształcie wąskiego prostokąta. Na jej wysokości po obu stronach znajdują się dwa wąskie prostokąty które wskazują, że jest to wał. Po prawej stronie cienki prostokąt otoczony jest przez większy prostokąt o zaokrąglonych prawych wierzchołkach. Od górnej i dolnej krawędzi elementu biegną w górę cienkie prostokątne kształty zakończone czterema ostrymi nieregularnymi trójkątnymi formami wskazującymi, że jest to fragment rzutu. Do górnego elementu przypisana jest cyfra $1$ czyli tłok.
Poniżej prostokątnego elementu znajdującego się pod wałem korbowym widać cienki niewielki prostokąt. Środek geometryczny prostokąta stanowi środek pionowej i poziomej osi symetrii zaznaczonych za pomocą cienkich czarnych przerywanych linii. Od wału korbowego biegnie do góry cienki pionowy prostokąt z przypisaną cyfrą $7$ i jest to korbowód. W górnej części korbowodu znajduje się para dwuelementowych cienkich pionowych prostokątów tworzących z korbowodem kształt litery T. Do górnego prostokątnego elementu przypisana jest cyfra $5$ oznaczająca tłok. Korbowód znajduje się pośrodku prostokątnego elementu którego szerokość odpowiada podstawie sprężarki oraz wału korbowego. Jest to obudowa. Na górze obudowy po jej obu stronach znajduje się pięć małych prostokątów o zaokrąglonych zewnętrznych krawędziach. Do trzeciego prostokątu po lewej stronie przypisana jest cyfra $2$ oznaczająca zawór. Kształty te wraz z obudową przypominają w górnej części harmonijkę. Na górze urządzenia widać prostokątny element o zaokrąglonych górnych wierzchołkach. Jest to głowica oznaczona cyfrą $3$. Na środku głowicy widać dodatkowo półokrągły element.
W centralnej części głowicy znajduje się środek trzech czarnych okręgów kolejno wpisanych w siebie. Środek okręgów oznaczony jest liniami w kształcie znaku plus.
Pod rysunkami znajduje się opis następujących elementów: $1$ koło pasowe, $2$ użebrowany cylinder, $3$ głowica, $5$ tłok, $6$ wał korbowy, $7$ korbowód.

RpmfjuXkkhSfM

Na rysunku widać niebiesko‑granatowy schemat, przedstawiający budowę sprężarki tłokowej. Podstawę sprężarki stanowi osadzony na podstawie i dwóch niewielkich prostokątnych nogach, duży element prostokątny o zaokrąglonych górnych wierzchołkach. W środku geometrycznym prostokąta widać trzy okręgi o różnych promieniach. Środek każdego z okręgów stanowi środek geometryczny prostokąta. Przez cały element przebiegają przerywane linie tworząc krzyż, wskazujący osie symetrii. Na górze dużego prostokąta nad okręgami widać kolejny element prostokątny o szerokości mniejszej od podstawy. Element jest osadzony w punkcie odpowiadającym połowie odległości łuku. Na elemencie znajduje się pięć równomiernie osadzonych cienkich eliptycznych kształtów powodujących, że cały element wygląda jak harmonijka. W środku prostokąta znajduje się cienki pionowy podłużny prostokąt którego długość odpowiada punktowi w którym znajduje się czwarty od dołu eliptyczny kształt. Na górze urządzenia umieszczone są dwa prostokątne kształty znajdujące się w obrysie urządzenia oraz po prawej stronie element zbudowany z pionowo ustawionego trapezu równoramiennego do którego dłuższej krawędzi widocznej z lewej strony dołączony jest prostokąt. Do prostokąta przypisana jest cyfra $4$ wskazująca, że jest to filtr powietrza. Cyfra umieszczona jest nad prostokątem. Przed filtrem powietrza do prostokątnego elementu przypisana jest cyfra $8$ czyli zawór ssawny a do pierwszego prostokąta cyfra $9$ czyli zawór tłoczny.
Pod rysunkami znajduje się opis następujących elementów:$4$ filtr powietrza, $8$ zawór ssawny, $9$ zawór tłoczny (wylotowy).

W przypadku sprężarek tłokowych ruch tłoka do przodu i do tyłu jest powodowany poprzez przyłączony do niego trzpień i wał korbowy. W przypadku, gdy tylko jedna strona tłoka jest wykorzystywana przy sprężaniu, mówi się o tzw. sprężaniu jednostronnym. Gdy używane są obie strony tłoka, wtedy mamy do czynienia ze sprężaniem dwustronnym.

Stopień sprężania gazu ($\xi$) w przypadku sprężarek tłokowych wynosi zwykle nie więcej niż $4$. W przypadku dużych urządzeń $\xi$ jest nie większy niż $6$. Możliwe jest uzyskanie stopnia sprężenia zbliżonego do $8$, jednak takie wartości uzyskuje się tylko w specjalnych rodzajach sprężarek tłokowych.

Wadą tych urządzeń, w szczególności dużych sprężarek, jest energochłonność. Zaletą tego rozwiązania są duże możliwości adaptacyjne, pojemność oraz wydajność układu.

Sprężarki tłokowe znalazły zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Najczęściej wykorzystuje się je w przemyśle motoryzacyjnym oraz do zasilania urządzeń o napędzie pneumatycznym w przemyśle budowlanym.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarka śrubowa

Sprężarki śrubowe są dwuwałowymi maszynami, których organ roboczy (śruba) pracuje w sposób rotacyjny. Proces sprężania gazu następuje w wyniku zmniejszenia się przestrzeni występujących pomiędzy obracającymi się śrubami. Śruby są względem siebie dopasowane i umiejscowione w przestrzeni od otworów ssawnych do otworów tłocznych. Stosunek wartości ciśnienia tłocznego do ssawnego, tzw. stosunek sprężania, inaczej spręż, jest uzależniony od stopnia szczelności pomiędzy organami roboczymi i organem roboczym a obudową.

W przypadku sprężarek olejowych, powietrze z otoczenia zasysane jest przez filtr ($1$). Gaz podawany jest następnie przez regulator ssania do komory z organem roboczym – śrubami ($2$). Regulator ssania, wyposażony w zawór regulacyjny z zespołem elektrycznym, jest połączony z przetwornikiem ciśnienia odpowiadającym za pracę regulatora, czego efektem jest regulacja objętości podawanego gazu. Do sprężonego gazu w stopniu śrubowym ($2$) jest wtryskiwany olej, który został uprzednio oczyszczony w filtrze olejowym ($3$). Następnie mieszanina wtryskiwanego oleju i powietrza ulega sprężeniu w przestrzeniach pomiędzy organami roboczymi, po czym podawana jest do zbiornika separatora oleju ($4$). W separatorze wytrąca się większa część oleju zawartego w mieszaninie. Wstępnie oczyszczona mieszanina podawana jest do filtra dokładnego czyszczenia ($5$), z którego przepływa przez zawór minimalnego ciśnienia ($6$) do chłodnicy końcowej ($7$). W chłodnicy końcowej gaz zostaje schłodzony do temperatury większej o $10°\mathrm{C}$ od temperatury otoczenia. Zgromadzony w separatorze olej jest odprowadzony z powrotem przewodem ($8$) w obiegu zamkniętym do stopnia śrubowego ($2$). Za przepływ oleju przez chłodnicę ($9$) odpowiada termostat ($10$).

Zaletą sprężarek śrubowych jest niski koszt obsługi, możliwość ich przenoszenia oraz proste sterowanie. Za wady tego rozwiązania uważa się niską sprawność wynoszącą około $60-70\%$, wysokie koszty produkcji sprężonego powietrza, hałas oraz wytworzenie impulsów sprężonego powietrza (pulsowanie sprężonego powietrza).

W przypadku sprężarek śrubowych olejowych, olej odpowiada zarówno za smarowanie, jak również za uszczelnienie i chłodzenie stopnia śrubowego. W sprężarkach bezolejowych uzyskuje się ciśnienia rzędu $1 \mathrm{MPa}$, a w przypadku sprężarek bezolejowych z wtryskiem wody osiągane są wartości ciśnienia rzędu $1,3 \mathrm{MPa}$. W sprężarkach olejowych osiągane ciśnienie wynosi również $1,3 \mathrm{MPa}$.

Sprężarki śrubowe wykorzystywane są w kolejnictwie oraz w instalacjach przemysłowych, w których odpowiedzialne są za dostarczanie do urządzenia sprężonego powietrza.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarka łopatkowa

Sprężarka łopatkowa lub pompa łopatkowa jest rodzajem pompy wyporowej działającym na zasadzie obrotowego ruchu organu roboczego.

W przemyśle stosuje się najczęściej sprężarki łopatkowe z wtryskiem oleju. Ogólna zasada działania sprężarki łopatkowej rotacyjnej polega na sprężaniu powietrza wskutek zmiany objętości wynikającej z ruchu łopatek wirnika.

Powietrze podawane jest przez króciec wlotowy, którym trafia do komory sprężarki zbudowanej z wirnika z przesuwnymi łopatkami oraz cylindra sprężarki. W komorze sprężarki powietrze zostaje uwięzione między wirnikiem a ścianami stojana. Żeliwne łopatki w wyniku działania siły odśrodkowej ulegają swobodnemu wysunięciu ze szczelin wirnika. W czasie obrotu wirnika zassane powietrze z króćca wlotowego zostaje sprzężone w wyniku zmiany objętości. Podczas sprężania do komory wtryskiwany jest olej w celu redukcji tarcia, uszczelnienia oraz ochłodzenia komory. Mieszanina sprężonego powietrza jest następnie podawana do wstępnego separatora oleju, w którym dochodzi do odzyskania do $98\%$ wtryskanego oleju. Obieg oleju zachodzi bez konieczności zastosowania pompy olejowej. Wstępnie oczyszczona mieszanina podawana jest następnie do chłodnicy, gdzie następuje wytrącenie kondensatu. Sprężony czynnik jest usuwany przez króciec wylotowy. Odzyskany olej przed zawróceniem do komory jest przepuszczony przez chłodnice oleju i filtr. Zawór modulacji reguluje natomiast przepływ powietrza.

Zaletami sprężarek łopatkowych jest ich wysoka sprawność, niska awaryjność i niezmienna sprawność energetyczna. Wadą tego rozwiązania jest wysoki koszt zakupu oraz konieczność częstego cyklicznego serwisowania.

Sprężarki łopatkowe znalazły zastosowanie przede wszystkim w przemyśle kosmicznym (kosmonautyce), a także bezpieczeństwie przeciwpożarowym. Umożliwiają one uzyskanie ciśnienia wynoszącego do $6 \mathrm{MPa}$.

W zależności od budowy, sprężarki łopatkowe mogą pracować jako pompy próżniowe, sprężarki powietrza lub pompy cieplne.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarka membranowa

Sprężarki membranowe, inaczej przeponowe lub pompy membranowe to urządzenia, w których organem roboczym jest membrana, wykonana z gumy lub plastiku i poruszana za pomocą dźwigni. Zastosowanie membrany powoduje, że drobinki wtryskiwanego oleju nie przedostają się do sprężonego powietrza, dzięki temu gaz, mogący mieć kontakt z innym produktem, pozostaje czysty.

R1Lnh25D6EuOS

Animacja przedstawia zasadę działania sprężarki membranowej. Sprężarka membranowa jest rodzajem sprężarki w której organem roboczym jest membrana.
Przedstawiona na rysunku komora sprężania sprężarki jest w kształcie cylindra o orientacji pionowej. Na górze cylindra znajduje się elastyczna membrana która ulega odkształceniu w górę i w dół. Do przeciwległych boków komory dochodzą cienkie cylindryczne przewody w których umieszczone są niebieskie obracające się zasuwy. Wraz z wlotem czynnika do sprężarki ulega otwarciu zasuwa znajdują się po prawej stronie rysunku, zaś zasuwa znajdująca się na króćcu wylotowym ulega zamknięciu. Strumień czynnik gazowy wpływa do komory, wypełniając ją i powodując odkształcenie znajdującej się u góry membrany. Następnie następuje zamknięcie zasuwy na wlocie, otwarcie zasuwy na wylocie i opuszczenie membrany w dół co powoduje sprężenie czynnika i jego przemieszczenie do wylotu sprężarki.

Zasada działania sprężarki membranowej polega na sprężaniu powietrza przez jedną ze ścian komory sprężania, którą stanowi elastyczna przepona (membrana). Membranę wprawia w ruch układ napędowy. W wyniku odkształcania się membrany dochodzi do naprzemiennego zwiększenia lub zmniejszenia się objętości komory, czego konsekwencją jest sprężenie lub rozprężenie powietrza. Inaczej mówiąc odkształcenie membrany powoduje zmniejszenie objętości komory. Efektem mniejszej objętości komory jest ściśnięcie czynnika, który znajduje się w jej środku. Wynikiem tego procesu jest proces sprężania.

Ze względu na to, że powietrze u wylotu komory jest czyste (drobinki oleju nie przedostają się do niego), sprężarki membranowe znajdują zastosowanie w przemyśle medycznym, farmaceutycznym, spożywczym i kosmetycznym.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarka z wirującymi tłokami tzw. dmuchawa Roots'a

Pompa Roots'a jest sprężarką rotacyjną wykorzystywaną do sprężania gazu lub cieczy. Pompa Roots'a nazywana jest również sprężarką z wirującymi tłokami. Ze względu na swoją konstrukcję pozwala przede wszystkim na przetłaczanie czynnika. Jego sprężenie zachodzi dopiero w kanale wylotowym urządzenia.

Sprężarka Roots'a jest wyposażona w dwa takie same niestykające się ze sobą wirniki z kołami zębatymi osadzonymi na końcach. Koła zębate odpowiadają za synchronizację pracy organów roboczych wykonujących przeciwstawne obroty. Gdy wymagany jest regularny przepływ gazu, wirniki wyposażone są dodatkowo w $2$, $3$ lub $4$ łopatki (skrzydełka). Doprowadzony przez wlot sprężarki czynnik trafia do strefy niskiego ciśnienia (strefa a), skąd za pomocą wirników przepływa dalej. Na skutek zmiany objętości w komorach, która następuje wraz z obracaniem się wirników, dochodzi do stopniowego sprężania się czynnika. Efektem tego procesu jest przyrost ciśnienia (strefa b). Najwyższą wartość ciśnienia uzyskuje się przed wylotem (strefa c) w wyniku jego dławienia. Ciśnienie w tym obszarze ulega pulsacyjnym zmianom, powodując przepływ turbulentny, który wraz z impulsowym podawaniem ciśnienia może prowadzić do kawitacyjnego zużycia wirników oraz generowania hałasu przez pompę. Dodatkowo sprężaniu towarzyszy przyrost temperatury, co wymusza zastosowanie chłodzenia pompy najczęściej poprzez jej osadzenie w korpusie wodnym. Uzyskiwany stopień sprężenia – około $2$ – wraz z zachodzącym zjawiskiem dławienia powoduje, że sprężarkę Roots'a nazywa się dmuchawą Roots’a.

Sprężarka Roots’a, dzięki możliwości sprężania gazu lub cieczy, znalazła zastosowanie w miejscach, gdzie wymagane jest zwiększenie wydajności oraz uzyskiwanie próżni. Take sprężarki mogą też mieć dużą odporność na zjawiska korozji, dzięki czemu są stosowane w wielu sektorach przemysłu, np. w farmacji, zakładach chemicznych, oczyszczalniach ścieków, przemyśle medycznym oraz w licznych ośrodkach badawczych. Dawniej urządzenia te były stosowane w przemyśle wydobywczym, gdzie wykorzystywano je do dostarczania powietrza górnikom, a także w przemyśle hutniczym i spożywczym (młyny).

Spręż ($\xi$) w przypadku sprężarek Roots’a wynosi ok. $2$. Zaletą dmuchawy Roots’a jest praktycznie prostoliniowa zależność wydatku powietrza do prędkości obrotowej. Wadą jest konieczność precyzyjnej obróbki skomplikowanego zarysu wirnika oraz wąski zakres optymalnej sprawności w stosunkowo niewielkim zakresie prędkości obrotowej.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarki przepływowe

Sprężarki przepływowe tworzą grupę sprężarek, w których najważniejszą rolę podczas procesu sprężania stanowi kierunek przepływu czynnika. Kierunek przepływu jest bezpośrednio powiązany z energią kinetyczną układu, który przenosi się na przyrost ciśnienia powstałego w wyniku procesu sprężania. Spowodowane jest to tym, że przyrost ciśnienia następuje w wyniku zamiany energii kinetycznej pod postacią prędkości na energię potencjalną pod postacią ciśnienia. Występujący przyrost ciśnienia gazu spowodowany jest oddziaływaniem ruchomych elementów wirnika i nieruchomych elementów kierownicy, czyli tzw. nieruchomego elementu urządzenia, w którym następują zarówno zmiany energetyczne, jak i zmiany kierunku przepływu czynnika, np. cieczy i gazu.

W zależności od kierunku przepływu, sprężarki przepływowe można podzielić na osiowe i promieniowe. Wyróżnia się też sprężarki diagonalne, tzw. sprężarki pośrednie lub sprężarki osiowo–promieniowe, jednak ze względu na rzadkość ich występowania traktuje się je nie jako indywidualną grupę sprężarek, ale jako konstrukcje specjalne sprężarek osiowych lub konstrukcje specjalne sprężarek promieniowych. Wśród sprężarek przepływowych można jeszcze wyróżnić tzw. sprężarki typu Comprex (Compression–Expansion) pracujące według zasady impulsowego przepływu powietrza oraz sprężarki wirowe.

Sprężarki przepływowe można również podzielić ze względu na liczbę stopni sprężania na sprężarki jednostopniowe i wielostopniowe. Kolejny podział może być dokonany ze względu na prędkość przepływu gazu przez wewnętrzny element sprężarki. W takim przypadku wyróżnia się sprężarki poddźwiękowe i  naddźwiękowe. Sprężarki  poddźwiękowe to takie, w których gaz uzyskuje  prędkość niższą od prędkości dźwięku  – stopień sprężania $\le 1,3$.  Sprężarki naddźwiękowe natomiast działają w ten sposób, że gaz uzyskuje wyższą prędkość niż prędkość dźwięku – stopień sprężania $\le 2,5$.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarki osiowe

Sprężarka osiowa jest rodzajem sprężarki przepływowej, opartej na płatach, w której gaz, powietrze i płyn roboczy przepływają równolegle do osi obrotu wzdłuż wałka poprzez rowki wirnika stacjonarnego i obrotowego. W ten sposób prędkość czynnika ulega stopniowemu zwiększeniu.

Poziom energii płynu wzrasta wraz z przepływem czynnika na skutek działania łopat wirnika, które wywierają moment obrotowy na płyn. Nieruchome ostrza spowalniają płyn, przekształcając obwodowy składnik przepływu w ciśnienie.

Wynika to z tego, że łopatki wirnika wywierają moment obrotowy na czynnik, powodując wzrost jego energii kinetycznej. Nieruchome ostrza natomiast spowalniają czynnik, powodując przekształcenie obwodowego składnika przepływu w ciśnienie. Dzięki stałej prędkości obrotowej łopatek  przez cały czas jest wywierany niezmienny nacisk na czynnik.

Sprężarki osiowe są najczęściej napędzane przez silnik elektryczny, turbinę gazową lub parę. Schemat sprężarki oraz jej działanie przedstawiono na rysunku poniżej.

Działanie sprężarki osiowej polega na wprowadzeniu czynnika przez króciec ssawny, gdzie w układzie łopatkowym (układ zbudowany z elementów ruchomych, tak zwanych wieńców łopatkowych, oraz wieńców stojanowych, tak zwanej kierownicy) napotyka na kierownicę wstępną. Rolą kierownicy wstępnej jest początkowe zawirowanie gazu oraz likwidacja negatywnego zawirowania powstałego w króćcu ssawnym. Obrót łopatkowego wirnika powoduje przyspieszenie przepływającego czynnika, który następnie trafia na kierownicę zawirnikową. W obszarze kierownicy zawirnikowej dochodzi do uporządkowania kierunku przepływu oraz częściowej zamiany energii kinetycznej czynnika w energię potencjalną. Wypływający czynnik za ostatnim wieńcem stojanowym trafia na dyfuzor, który zamienia częściowo energię składowej osiowej prędkości na ciśnienie. Sprężony czynnik zbierany jest w kolektorze, z którego następnie jest wyprowadzany na zewnątrz. Obecne rozwiązania konstrukcyjne najczęściej są pozbawione występowania kierownicy wstępnej.

Sprężarki osiowe charakteryzują się dużą wydajnością oraz wysokim natężeniem przepływu w odniesieniu do ich wielkości i przekroju. Te cechy sprawiły, że znalazły one zastosowanie w systemach wentylacyjnych. W związku z dużą wartością prędkości obrotowej i możliwością połączenia z turbiną gazową, sprężarki osiowe wykorzystuje się do wytwarzania energii elektrycznej i napędu w np. statkach powietrznych.

Uzyskanie dużego przyrostu ciśnienia wymaga kilku rzędów płatów, co sprawia, że urządzenia te są złożone i kosztowne.

Najniższe natężenie przepływu w sprężarkach osiowych wynosi $15 {\mathrm{m}}^3·{\mathrm{s}}^{-1}$. Stosuje się je przy stałym wysokim objętościowym natężeniu przepływu i średniej wartości ciśnienia. Normalna wartość przepływu wynosi średnio $65 {\mathrm{m}}^3·{\mathrm{s}}^{-1}$, a wartość efektywnego ciśnienia $14 \mathrm{bar}$. Wartość stopnia sprężenia za wyjątkiem turbin gazowych nie przekracza $\mathrm{\xi }=6$. Niski spręż w przypadku sprężarek poddźwiękowych ($\mathrm{\xi }\le 1,3$), oraz naddźwiękowych ($\mathrm{\xi }\le 2,5$) stanowi niewątpliwą wadę tego rozwiązania.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Sprężarki promieniowe

Bezolejowe sprężarki odśrodkowe, zwane inaczej promieniowymi lub potocznie turbosprężarkami, są najczęściej występującymi w przemyśle sprężarkami dużych mocy. Charakteryzują się promieniowym przepływem gazu przez wirnik.

Schemat sprężarki oraz kierunek przepływu czynnika przez sprężarkę przedstawiono na rysunku poniżej.

W sprężarce promieniowej jednostopnoowej gaz płynie poprzez skrzynię wlotową (otwór wlotowy), trafiając na koło wirnikowe. W wyniku obrotu wirnika dochodzi do wzrostu ciśnienia czynnika oraz przyrostu energii kinetycznej. Następnie gaz transportowany jest na dyfuzor. W dyfuzorze, podobnie jak to miało miejsce w przypadku sprężarki osiowej, następuje zamiana energii kinetycznej na ciśnienie. W przypadku sprężarek jednostopniowych na wylocie gazu z dyfuzora proces sprężania prakycznie się kończy. Czynnik odbierany jest w kolektorze zbiorczym, a następnie trafia do wylotu spreżarki.

W przypadku wielostopniowych sprężarek promieniowych ogólna zasada działania sprężarki jest podobna jak dla urządzeń jednostopniowych. Różnice w tym typie urządzenia stanowi wprowadzenie częściowo sprężonego czynnika na kolejny stopień. Ogólnie mówiąc w przypadku sprężarek wielostopniowych liczbę stopni sprężarki określa liczba wirujących wieńców łopatkowych co wymusza zmianę konstrukcyjną urządzenia. W przypadku sprężarki wielostopniowej po wyjściu z dyfuzora gaz jest transportowany na kolejny stopień poprzez odpowiednio ukształtowane kanały, w tym tak zwany przewał oraz kanał nawrotny. Kanły są styczne do wirnika. Za drugim stopniem czynnik zbierany jest do kolektora międzystopniowego. Z kolektora międzystopniowego gaz kieruje się do pierwszej chłodnicy międzystopniowej, skąd po ochłodzeniu za pomocą międzystopniowej skrzyni wlotowej, wprowadza się czynnik na kolejny (trzeci stopień) sprężarki. Proces sprężania zakończony jest w momencie, gdy sprężony gaz odprowadza się rurociągami z kolektora końcowego do miejsca przeznaczenia.

Inaczej mówiąc, na każdym stopniu sprężania jest osiągana przez sprężarkę pewna część ogólnego przyrostu ciśnienia.

Opisana wyżej zasada działania pozwala zauważyć, że praca sprężarek przepływowych ma charakter ciągły, a dominującą rolę w procesie sprężania odgrywają przepływy czynnika przez poszczególne kanały. To sprawia, że teoria procesów sprężania opiera się na prawach dynamiki gazów.

Sprężarki promieniowe, m.in. ze względu na to, że mogą pracować w układzie szeregowym, znalazły zastosowanie w  przemyśle petrochemicznym, i gazowniczym (tłocznie gazu). Ustawienie szeregowe powoduje, że stosunek ciśnień w każdym stopniu sprężania jest niski, ale dzięki temu ustawieniu uzyskuje się dużą ilość stopni sprężania, co następnie przekłada się na wysokie ciśnienie wylotowe.

Rozwiązanie, w którym skrzynia przekładniowa zintegrowana ze stopniami sprężania umożliwia obracanie się wirników na szybkoobrotowych wałkach zębatych, stosowane jest w przypadku instalacji sprężonego powietrza. Wirnik jest w takim przypadku wykonany  z aluminium lub specjalnego stopu stali nierdzewnej. Może on mieć budowę albo otwartą, albo zamkniętą. Budowa otwarta jest najczęściej spotykana przy sprężaniu powietrza. Uzyskiwana prędkość obrotu w przypadku sprężarek promieniowych wynosi $15000-100000 \frac{\text{obr.}}{\text{min}}$. Uzyskiwane wysokie prędkości świadczą o tym, że wałek lub wałek zębaty sprężarki osadzony jest w łożyskach ślizgowych z warstwą olejową zamiast wałeczkowych. W sprężarkach bezolejowych wykorzystywane są łożyska z warstwą powietrzną lub aktywne łożyska magnetyczne. Montaż dwóch wirników na każdym końcu tego samego wałka stosowany jest w celu wyrównania obciążenia osiowego wynikającego z różnicy ciśnień.

W celu obniżenia zapotrzebowanej przez spreżarkę mocy stosuje się chłodzenie międzystopniowe. Schłodzony czynnik gazowy charakteryzuje się wyższą gęstością co bezpośrednio przekłada się na lepszy przebieg procesu sprężania.

Niewątpliwą zaletą sprężarek promieniowych jest wysoka wartość stopnia sprężenia. W układzie jednostopniowym urządzenie może uzyskać wartość stopnia sprężania wynoszącą około $1,2$ ($\mathrm{\xi }\le 1,2$), a w układach wielostopniowych urządzenia potrafią uzyskać wysoki stopień sprężania wynoszący około $3$. Należy pamiętać, że wartość stopnia sprężania uzależniona jest od rodzaju czynnika.

Powrót do spisu treści12Powrót do spisu treści

Powiązane materiały multimedialne

• Obsługa cysternDYuOLD42JObsługa cystern

• Oznakowanie cysternD8rtE1zwJOznakowanie cystern