Mechanizmy sprężające, sprawności

Generalnie sprężarki dzielimy na przepływowe (turbosprężarki) oraz wyporowe (tłokowe, łopatkowe, śrubowe). Zasadniczą różnicą jest reguła fizyczna, która ma zastosowanie w rozpatrywanych konstrukcjach. Obecnie sprężarki tłokowe, za wyjątkiem zastosowań hobby i wysokociśnieniowych, straciły znaczenie w przemyśle. Turbosprężarki są stosowane przy dużych i bardzo dużych przepływach, maszyny łopatkowe i śrubowe pracują w zakresie od ułamków do 100 m³/min pojedynczo, (do 500 - 600 m³/min w systemach). Tym niemniej te trzy typy agregatów mają wspólny zakres mocy od 75 do 630 kW przy przemysłowych ciśnieniach roboczych 6-10 bar.

Rys. 1. Stopień sprężający turbo.

Podstawą fizyczną działania turbosprężarek jest równanie momentów pędów strumienia (równanie Eulera). M=m(r2*c2-r1*c1). M symbolizuje moment przekazywany czynnikowi gazowemu przez wirnik, m - niezmienny na wlocie i wylocie strumień masy, r - promień wirnika, c - składową prędkości obwodowej na wlocie i wylocie. Sprawność typowych turbosprężarek osiowych: Ingersoll Rand Centac C50MX3 CV2 (pozioma, wielostopniowy napęd przekładniowy, wydajność 51,82 m³/min, moc na wale 289 kW) - wynosi 5,57 kW/m³/min. Dla porównania, dla takich samych warunków pracy (temperatura 20 st. C., ciśnienie atmosferyczne 760 mm Hg, ciśnienie robocze 6 bar) sprężarka łopatkowa WITTIG ROW 460 (pozioma, napęd bezpośredni, wydajność 49,17 m³/min, moc na wale 250 kW) - ma sprawność 5,08 kW/m³/min. W tym przypadku różnica w sprawności jest związana z innymi podstawami fizycznymi funkcjonowania tych konstrukcji.

Rys. 2. Śrubowy stopień sprężający.

Podstawą termodynamiczną działania sprężarek wyporowych jest równanie gazu doskonałego (równanie Clapeyrona) p1*v1/T1=const. Symbol p oznacza ciśnienie, v - objętość, T - temperaturę. W praktyce zawsze mamy do czynienia z częściową wymianą ciepła z otoczeniem - przemianą politropową p1*v1n=p2*v2 n, gdzie potęga n jest wykładnikiem politropy o wartości mniejszej od 1,4. Dla procesów intensywnie chłodzonych wewnętrznie wykładnik politropy zbliża się do wartości 1 sprowadzając sprężanie do najbardziej sprawnej przemiany izotermicznej. Dotyczy to rozwiązań z intensywnym wtryskiem oleju dla sprężarek łopatkowych i śrubowych. Mimo takich samych pryncypiów działania sprawności tych stopni znacznie się różnią.

Rys.3. Łopatkowy stopień sprężający.

Gorsze sprawności stopni śrubowych wynikają z istnienia wstecznego strumienia powietrza poprzez szczeliny pomiędzy wirnikami a korpusem, szczeliny pomiędzy wirnikami, wirnikami a pokrywami bocznymi oraz szkodliwymi przestrzeniami przy otworze wylotowym sprężonego powietrza. Są to problemy techniczne. Ponadto śrubowa technologia ma także mniejszą sprawność związaną z termodynamiką. Przyczyną jej jest temperatura wewnątrz stopnia sprężającego. Rozwiązania wtrysku oleju w konstrukcji śrubowej i łopatkowej są inne. Stopień śrubowy zazwyczaj posiada jeden otwór wtrysku oleju o średnicy (zależnie od jego wielkości) 3, 4, 5 i więcej milimetrów. By przez taki otwór dokonać dokładnego rozpylenia oleju, potrzeba dużej różnicy ciśnień (zasada prądownicy w sikawce strażackiej). A w tym przypadku nie dysponujemy odpowiednim ciśnieniem. W efekcie czego rozdrobnienie oleju, zmieszanie się ze sprężanym medium i odbierania ciepła jest ograniczone. Przy stopniu łopatkowym także nie dysponujemy wysokim ciśnieniem wtrysku oleju chłodzącego. Ale tutaj wykorzystano zasadę prysznica. Na całej długości czynnej stopnia, w korpusie, wykonanych jest szereg otworów o niewielkiej średnicy, przez które olej jest wtryskiwany do przestrzeni sprężania. Jego rozpylenie, zmieszanie się ze sprężanym medium i odebranie ciepła jest nieporównywalnie korzystniejsze. Uzyskujemy niższą temperaturę procesu sprężania (w sprężarkach firm WITTIG i Pneumofore, przy ciśnieniu 7 barów temperatura wewnętrzna nie przekracza 80 st. C.!), co skutkuje lepszą sprawnością termodynamiczną. Sprawność typowych sprężarek śrubowych: Atlas Copco GA 75 (pozioma, zębaty napęd przekładniowy, wydajność 13,22 m³/min, moc na wale 82,5 kW) - 6,24 kW/m³/min. Dla porównania, dla takich samych warunków pracy (temperatura powietrza 20 st. C., ciśnienie atmosferyczne 760 mm Hg, ciśnienie robocze 7,5 bar) sprężarka łopatkowa WITTIG ROL 120 (pionowa, napęd bezpośredni, wydajność 12,60 m³/min, moc na wale 72,5 kW) - 5,75 kW/m³/min.