Jak dobrać idealną sprężarkę przemysłową
30 czerwca, 2022
Przy wyborze sprężarki powietrza należy wziąć pod uwagę wiele rzeczy. W tym artykule wyjaśnimy, jaka sprężarka jest najbardziej odpowiednia, w zależności od zastosowania i potrzeb.
Dwie podstawowe zasady sprężania: wypornościowa i dynamiczna
Zanim przejdziemy do sprężarek i metod sprężania, przedstawimy i porównamy dwie podstawowe zasady sprężania gazu. Następnie przyjrzymy się różnym sprężarkom w tych kategoriach.
Istnieją dwie ogólne zasady sprężania powietrza (lub gazu): sprężanie wyporowe i sprężanie dynamiczne. Zasady te są oparte na teorii dotyczącej sposobu sprężania i odprowadzania powietrza.
W przypadku sprężania wyporowego powietrze jest zasysane do jednej lub kilku komór sprężania, które są następnie zamykane po stronie wlotu. Stopniowo zmniejsza się objętość każdej komory, a powietrze jest sprężane wewnętrznie. Gdy ciśnienie osiągnie projektowany konstrukcyjny współczynnik ciśnienia, następuje otwarcie portu lub zaworu. Powietrze jest następnie odprowadzane do układu wylotowego w wyniku ciągłego zmniejszania objętości komory sprężania.
W przypadku sprężania dynamicznego powietrze jest zasysane pomiędzy łopatkami szybko obracającego się wirnika sprężarki, a jego prędkość znacznie wzrasta. Gaz jest następnie odprowadzany przez dyfuzor, gdzie energia kinetyczna jest przekształcana w ciśnienie statyczne.
Sprężarki wyporowe
- stałe natężenie przepływu
- wyższe ciśnienie
- praca z małą prędkością
- mniejsze, stabilne zastosowania
- prostsza konstrukcja
Sprężarki wyporowe zapewniają stały przepływ powietrza, niezależnie od ciśnienia w układzie. Sprężają powietrze, pobierając jego stałą objętość i mechanicznie ją sprężając, np. za pomocą tłoków lub śrub obrotowych.
Sprężarki te zapewniają wyższe stosunki sprężania, nawet przy niższych prędkościach obrotowych, dzięki czemu doskonale sprawdzają się w mniejszych, stabilnych zastosowaniach, takich jak produkcja czy przemysł motoryzacyjny. Ich prosta konstrukcja zapewnia niezawodność i łatwą konserwację.
Sprężarki dynamiczne (turbosprężarki)
- zmienne natężenie przepływu
- zmienne ciśnienie
- większa prędkość
- zastosowania wysokonakładowe
- zaawansowana konstrukcja
Sprężarki dynamiczne wykorzystują obrotowe łopatki o dużej prędkości obrotowej do sprężania dużych ilości powietrza.
Ich natężenie przepływu i ciśnienie różnią się w zależności od prędkości roboczej, dzięki czemu nadają się do zastosowań wymagających znacznych ilości energii, takich jak wytwarzanie energii i HVAC. Ich skomplikowana konstrukcja została zoptymalizowana pod kątem zmiennych przepływów i wydajnej pracy z dużą prędkością.
Czym są sprężarki wyporowe?
Najprostszym przykładem sprężania wyporowego jest pompka rowerowa. Powietrze jest zasysane do cylindra i sprężane przez ruchomy tłok. Na tej samej zasadzie działają sprężarki tłokowe. Wykorzystują one tłok, którego ruch posuwisto-zwrotny jest realizowany przez korbowód i obracający się wał korbowy.
Jeśli do sprężania używana jest tylko jedna strona tłoka, jest to tzw. sprężarka jednostronnego działania. W przypadku użycia górnej i dolnej części tłoka jest to sprężarka dwustronnego działania. Stosunek sprężania jest ilorazem ciśnienia bezwzględnego po stronie wlotowej i wylotowej.
W związku z tym maszyna, która zasysa powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym (1 bar(a)) i spręża je do ciśnienia 7 bar, pracuje ze stosunkiem sprężania (7 + 1)/1 = 8.
Typy sprężarek wyporowych
- Sprężarki tłokowe: sprężarki, które wykorzystują tłoki napędzane przez wał korbowy do sprężania powietrza w cylindrze.
- Sprężarki orbitalne (spiralne): sprężarki, które wykorzystują dwie przeplatające się spirale do płynnego sprężania powietrza.
- Sprężarki śrubowe: sprężarki, które wykorzystują dwie obrotowe śruby spiralne do ciągłego sprężania powietrza.
- Rotacyjne sprężarki zębate: sprężarki, które do sprężania powietrza wykorzystują dwa niestykające się ze sobą i obracające się w przeciwnych warunkach wirniki z zębami.
- Sprężarki rotacyjne łopatkowe: sprężarki, które wykorzystują wirnik z łopatkami przesuwający się do wewnątrz i na zewnątrz w celu sprężenia powietrza wewnątrz komory cylindrycznej.
Na dwóch poniższych wykresach przedstawiono kolejno zależność pomiędzy ciśnieniem a objętością w przypadku teoretycznej sprężarki oraz rzeczywisty wykres dla sprężarki tłokowej.
Objętość skokowa to objętość cylindra, którą pokonuje tłok podczas fazy ssania. Objętość szkodliwa to objętość pod zaworami wlotowymi i wylotowymi oraz nad tłokiem. Ze względów mechanicznych musi on pozostawać w górnym punkcie obrotu tłoka.
Różnice pomiędzy objętością skokową a objętością ssawną są spowodowane rozprężaniem powietrza pozostałego w objętości szkodliwej przed rozpoczęciem ssania. Odpowiednia konstrukcja sprężarki, np. sprężarki tłokowej, skutkuje różnicą pomiędzy teoretycznym a rzeczywistym schematem p/V.
Zawory nigdy nie są całkowicie uszczelnione i zawsze występuje pewien stopień nieszczelności pomiędzy płaszczem tłoka a ścianą cylindra. Ponadto zawory nie mogą się całkowicie otwierać i zamykać bez minimalnego opóźnienia. Powoduje to spadek ciśnienia, gdy gaz przepływa przez kanały. Ze względu na tę konstrukcję gaz jest również podgrzewany podczas przepływu do cylindra.
Czym są sprężarki dynamiczne?
W sprężarce dynamicznej wzrost ciśnienia następuje podczas przepływu gazu. Przepływający gaz osiąga wysoką prędkość w wyniku obrotów łopatek wirnika. Prędkość gazu jest następnie przekształcana w ciśnienie statyczne, gdy jest on zmuszony do zmniejszenia prędkości w wyniku rozprężania w dyfuzorze.
W zależności od głównego kierunku przepływu gazu sprężarki te są określane jako promieniowe lub osiowe. W porównaniu ze sprężarkami wyporowymi niewielka zmiana ciśnienia roboczego sprężarek dynamicznych powoduje dużą zmianę natężenia przepływu.
Każda prędkość wirnika ma górny i dolny limit natężenia przepływu. Górna wartość graniczna oznacza, że prędkość przepływu gazu osiąga prędkość dźwięku. Dolna wartość graniczna oznacza, że przeciwciśnienie przekracza wzrost ciśnienia sprężarki, co oznacza przepływ powrotny wewnątrz sprężarki. To z kolei prowadzi do pulsacji, hałasu i ryzyka uszkodzeń mechanicznych.
Aby dowiedzieć się więcej na temat regulacji sprężarek dynamicznych i optymalizacji wydajności, zapoznaj się z niniejszym przewodnikiem regulacji sprężarek dynamicznych.
Typy sprężarek dynamicznych
- Sprężarki odśrodkowe: sprężarki, które wykorzystują wirnik do przyspieszenia i przekształcania prędkości powietrza w ciśnienie poprzez dyfuzor.
- Sprężarki osiowe: sprężarki, które sprężają powietrze przepływające równolegle do osi obrotu, powszechnie stosowane w silnikach odrzutowych oraz w zastosowaniach wymagających wysokich prędkości.
Jakie są dwie podstawowe zasady sprężania?
Powiązane artykuły
Przewodnik po dynamicznych typach sprężarek: Odśrodkowych i osiowych
16 marca, 2023
Jeśli potrzebujesz dużej mocy, dynamiczny kompresor jest idealnym wyborem. Są one dostępne zarówno w wersjach osiowych, jak i promieniowych.
Czym jest sprężone powietrze?
4 sierpnia, 2022
Sprężone powietrze jest wszędzie wokół nas, ale co to dokładnie jest? Przedstawiamy wprowadzenie w świat sprężonego powietrza a także podstawowe zasady działania sprężarki.