Sprężarka — budowa, zasada działania i zastosowania

Istnieje wiele różnych typów sprężarek gazu. Dwie podstawowe kategorie to:

• Sprężarki wyporowe z dwiema podkategoriami:
• Reciprocating
• Rotary
• Sprężarki dynamiczne również z dwoma podkategoriami:
• Odśrodkowa
• Osiowy

Poniżej omówiono ważniejsze rodzaje w każdej z czterech podkategorii.

Sprężarki odśrodkowe

Sprężarki odśrodkowe wykorzystują łopatkowy obracający się dysk lub wirnik w ukształtowanej obudowie, aby wymusić skierowanie gazu na obrzeże wirnika, zwiększając jego prędkość. Sekcja dyfuzora (kanału rozbieżnego) przekształca energię prędkości w energię ciśnienia. Stosowane są głównie do ciągłej, stacjonarnej pracy w takich gałęziach przemysłu jak rafinerie ropy naftowej, zakłady chemiczne i petrochemiczne oraz zakłady przetwórstwa gazu ziemnego. Ich zastosowanie może obejmować zakres od 100 KM (75 kW) do tysięcy koni mechanicznych. Dzięki wielokrotnemu przestawianiu mogą one osiągać bardzo wysokie ciśnienia wyjściowe, przekraczające 10 000 psi (69 MPa).

Wiele dużych przedsięwzięć związanych z naśnieżaniem (np. ośrodki narciarskie) korzysta z tego typu sprężarek. Są one również stosowane w silnikach spalinowych jako doładowania i turbosprężarki. Sprężarki odśrodkowe są stosowane w małych silnikach turbin gazowych lub jako końcowy stopień sprężania w turbinach gazowych średniej wielkości.

Sprężarki diagonalne lub o mieszanym przepływie

Sprężarki diagonalne lub o przepływie mieszanym są podobne do sprężarek odśrodkowych, ale mają promieniową i osiową składową prędkości na wyjściu z wirnika. Dyfuzor jest często używany do skierowania przepływu ukośnego w kierunku osiowym. Sprężarka diagonalna ma dyfuzor o mniejszej średnicy niż równoważna sprężarka odśrodkowa.

Sprężarki o przepływie osiowym

W sprężarkach o przepływie osiowym do stopniowego sprężania strumienia gazu wykorzystuje się szereg łopatek wirnika przypominających wentylator. Stacjonarne łopatki stojana, umieszczone za każdym wirnikiem, przekierowują przepływ na następny zestaw łopatek wirnika. Powierzchnia przejścia gazu przez sprężarkę zmniejsza się, aby utrzymać w przybliżeniu stałą osiową liczbę Macha. Sprężarki o przepływie osiowym są zwykle stosowane w aplikacjach o wysokim przepływie, takich jak średnie i duże silniki turbin gazowych. Są one prawie zawsze wielostopniowe. Powyżej projektowego stosunku ciśnień 4:1 często stosuje się zmienną geometrię w celu poprawy działania.

Sprężarki tłokowe

Sprężarki tłokowe wykorzystują tłoki napędzane przez wał korbowy. Mogą być stacjonarne lub przenośne, jedno- lub wielostopniowe i mogą być napędzane silnikiem elektrycznym lub silnikiem spalinowym. Małe sprężarki tłokowe o mocy od 5 do 30 koni mechanicznych (KM) są powszechnie spotykane w zastosowaniach motoryzacyjnych i zazwyczaj są przeznaczone do pracy przerywanej. Większe sprężarki tłokowe o mocy do 1000 KM są nadal powszechnie spotykane w dużych zastosowaniach przemysłowych, ale ich liczba maleje, ponieważ są zastępowane przez różne inne typy sprężarek. Ciśnienie wylotowe może wahać się od niskiego do bardzo wysokiego ciśnienia (>5000 psi lub 35 MPa). W niektórych zastosowaniach, takich jak sprężanie powietrza, wielostopniowe sprężarki dwustronnego działania są uważane za najbardziej efektywne z dostępnych sprężarek, ale są one zazwyczaj większe, głośniejsze i droższe niż porównywalne urządzenia rotacyjne.

Sprężarki śrubowe

W sprężarkach śrubowych do wtłaczania gazu do mniejszej przestrzeni wykorzystuje się dwie obracające się śruby spiralne z siatką o dodatnim przemieszczeniu. Są one zazwyczaj używane do pracy ciągłej w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych i mogą być stacjonarne lub przenośne. Ich zastosowanie może wynosić od 3 KM (2,24 kW) do ponad 500 KM (375 kW) i od niskiego do bardzo wysokiego ciśnienia (>1200 psi lub 8,3 MPa). Są one powszechnie spotykane w ekipach naprawczych na poboczach dróg i zasilają narzędzia pneumatyczne. Ten typ jest również wykorzystywany w wielu doładowarkach silników samochodowych, ponieważ łatwo go dopasować do wydajności indukcyjnej silnika tłokowego.

Sprężarki spiralne

W sprężarce spiralnej, znanej również jako pompa spiralna lub spiralna pompa próżniowa, do pompowania lub sprężania płynów, takich jak ciecze i gazy, wykorzystuje się dwie przeplatające się łopatki o kształcie spirali. Geometria łopatek może być ewolwentowa, spiralna archimedesowa lub hybrydowa. Pracują one bardziej płynnie, cicho i niezawodnie niż inne typy sprężarek.

Często jeden ze zwojów jest nieruchomy, podczas gdy drugi orbituje mimośrodowo bez obracania się, zatrzymując i pompując lub ściskając kieszenie płynu pomiędzy zwojami.

Sprężarki membranowe

Sprężarka membranowa (znana również jako sprężarka membranowa) jest odmianą konwencjonalnej sprężarki tłokowej. Sprężanie gazu odbywa się poprzez ruch elastycznej membrany, zamiast elementu wlotowego. Ruch membrany w przód i w tył jest napędzany przez pręt i mechanizm korbowy. Tylko membrana i skrzynka sprężarki mają kontakt ze sprężanym gazem.

Sprężarki membranowe są używane do produkcji wodoru i sprężonego gazu ziemnego (CNG), jak również w wielu innych zastosowaniach.

Miscellany

Sprężarki powietrza sprzedawane i używane przez ogół społeczeństwa są często montowane na szczycie zbiornika do przechowywania sprężonego powietrza. Dostępne są sprężarki smarowane olejem i bezolejowe. Sprężarki bezolejowe są pożądane, ponieważ bez odpowiednio zaprojektowanego separatora olej może przedostać się do strumienia powietrza. Dla niektórych celów, na przykład jako sprężarka powietrza do nurkowania, nawet niewielka ilość oleju w strumieniu powietrza może być niedopuszczalna.

Prawo Charlesa mówi, że "kiedy gaz jest sprężany, temperatura wzrasta". Istnieją trzy możliwe zależności pomiędzy temperaturą i ciśnieniem w objętości gazu poddawanej sprężaniu:

• Izotermiczny - gaz pozostaje w stałej temperaturze przez cały czas trwania procesu. W tym cyklu energia wewnętrzna jest usuwana z układu w postaci ciepła w takim samym tempie, w jakim jest dodawana przez pracę mechaniczną sprężania. Sprężaniu lub rozprężaniu izotermicznemu sprzyja duża powierzchnia wymiany ciepła, mała objętość gazu lub długa skala czasu (tj. mały poziom mocy). W praktycznych urządzeniach, izotermiczne sprężanie jest zazwyczaj nieosiągalne. Na przykład, nawet pompka do opon rowerowych nagrzewa się podczas użytkowania.
• Adiabatyczny - W tym procesie nie ma wymiany ciepła do lub z układu, a cała dostarczona praca jest dodawana do energii wewnętrznej gazu, co skutkuje wzrostem temperatury i ciśnienia. Teoretyczny wzrost temperatury wynosi T2 = T1-Rc^((k-1)/k)), gdzie T1 i T2 wyrażone są w stopniach Rankine'a lub kelwinach, a k = stosunek ciepła właściwego (około 1,4 dla powietrza). Wzrost stosunku powietrza i temperatury oznacza, że sprężanie nie odbywa się zgodnie z prostym stosunkiem ciśnienia do objętości. Jest to mniej wydajne, ale szybkie. Adiabatycznemu sprężaniu lub rozprężaniu sprzyja dobra izolacja, duża objętość gazu lub krótka skala czasu (tj. wysoki poziom mocy). W praktyce zawsze będzie występował pewien przepływ ciepła, ponieważ stworzenie idealnego układu adiabatycznego wymagałoby idealnej izolacji cieplnej wszystkich części maszyny.
• Polytropic - To zakłada, że ciepło może wejść lub wyjść z systemu, i że praca wału wejściowego może pojawić się zarówno jako wzrost ciśnienia (zwykle użyteczna praca) i wzrost temperatury powyżej adiabatycznej (zwykle straty z powodu sprawności cyklu). Sprawność cyklu jest wtedy stosunkiem wzrostu temperatury przy teoretycznym 100 procentowym (adiabatycznym) vs. rzeczywistym (polytropowym).

Ponieważ sprężanie generuje ciepło, sprężony gaz musi być chłodzony pomiędzy etapami, dzięki czemu sprężanie staje się mniej adiabatyczne, a bardziej izotermiczne. Chłodnice międzystopniowe powodują kondensację, co oznacza obecność separatorów wody z zaworami spustowymi. Koło zamachowe sprężarki może napędzać wentylator chłodzący.

Na przykład w typowej sprężarce nurkowej powietrze jest sprężane w trzech stopniach. Jeśli każdy stopień ma stopień sprężania 7 do 1, sprężarka może wytworzyć 343 razy ciśnienie atmosferyczne (7 x 7 x 7 = 343 atmosfery).

Sprężarki gazu są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, gdzie potrzebne jest wyższe ciśnienie lub mniejsza objętość gazu:

• w transporcie rurociągowym oczyszczonego gazu ziemnego w celu przemieszczania go z miejsca wydobycia do odbiorcy.
• w rafineriach ropy naftowej, zakładach przetwórstwa gazu ziemnego, zakładach petrochemicznych i chemicznych oraz podobnych dużych zakładach przemysłowych do sprężania gazów pośrednich i końcowych.
• W urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyjnych do przenoszenia ciepła z jednego miejsca na drugie w obiegu czynnika chłodniczego: patrz Chłodnictwo z kompresją pary.
• w systemach turbin gazowych do sprężania zasysanego powietrza do spalania
• w przechowywaniu oczyszczonych lub wytworzonych gazów w małej objętości, butlach wysokociśnieniowych do zastosowań medycznych, spawalniczych i innych.
• w wielu różnych procesach przemysłowych, produkcyjnych i budowlanych do zasilania wszelkiego rodzaju narzędzi pneumatycznych.
• jako medium do przenoszenia energii, np. do zasilania urządzeń pneumatycznych.
• w samolotach ciśnieniowych w celu zapewnienia atmosfery nadającej się do oddychania o ciśnieniu wyższym niż ciśnienie otoczenia.
• w niektórych typach silników odrzutowych (takich jak turboodrzutowce i turbowentylatory) w celu dostarczenia powietrza niezbędnego do spalania paliwa silnikowego. Moc napędzająca sprężarkę powietrza do spalania pochodzi z własnych turbin odrzutowca.
• w nurkowaniu SCUBA, hiperbarycznej terapii tlenowej i innych urządzeniach podtrzymujących życie do przechowywania gazu oddechowego w małej objętości, takiej jak w butlach do nurkowania.
• w łodziach podwodnych do przechowywania powietrza do późniejszego wykorzystania jako pływalność.
• w turbosprężarkach i doładowaniach, aby zwiększyć wydajność silników spalinowych poprzez koncentrację tlenu.
• w transporcie kolejowym i ciężkim transporcie drogowym do dostarczania sprężonego powietrza do obsługi hamulców i różnych innych systemów (drzwi, wycieraczki, sterowanie silnikiem/skrzynią biegów itp.)
• w różnych zastosowaniach, takich jak dostarczanie sprężonego powietrza do napełniania opon pneumatycznych.

• Pneumatyka
• Pompa
• Pompa powietrza