Bez kategorii

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.

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.

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.

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.

Andrzej M. Araszkiewicz

Proce sprężania (przyrostu ciśnienia) jest formą przemiany energii. Proces ten opisują prawa termodynamiki. Jeśli założymy ciągły przepływ medium przez maszyny sprężające i powietrze potraktujemy jako gaz doskonały, to podstawowe równanie równowagi termodynamicznej dla stałej ilości gazu przybiera bardzo elegancką postać:

pv/T=R

Jest to prawo Clapeyrona, zwane także równaniem gazu doskonałego. Określa ono zależność pomiędzy trzema parametrami termodynamicznymi: ciśnieniem absolutnym (p), objętością właściwą (v) i temperaturą (T). Parametr (R) to indywidualna stała gazowa. Dla powietrza jest równa 287 [m²/(s²K)]. Dla dwóch stanów „1” oraz „i” równanie gazu doskonałego wygląda następująco:

p₁V₁/T₁=p_iV_i /T_i

gdzie V_i=v_im, gdzie m jest masą gazu.

W zależności od niezmienności jednego z parametrów otrzymujemy:

1.przemianę izotermiczną przy stałej temperaturze [T= const]. p₁V₁=p₂V₂
2.przemianę izochoryczną przy stałej objętości [V= const]. p₁/T₁=p₃/V₃
3.przemianę izobaryczną przy stałym ciśnieniu [p= const]. V₁/T₁=V₄/T₄
4.przemianę adiabatyczną (gdy proces sprężania jest bardzo szybki i nie uwzględniamy wymiany ciepła z otoczeniem [delta Q= 0]. p₁V₁^k=p₅V₅^k.. Parametr k jest wykładnikiem przemiany adiabatycznej. Dla powietrza przyjmuje wartość 1,4.

W praktyce mam do czynienia z częściową wymianą ciepła. Taka przemiana nazywa się politropową.

p₁V₁ⁿ=p₅V₅ⁿ

Parametr (n) jest w tym przypadku wykładnikiem politropy. Jego wartość jest mniejsza od 1,4. Zależy ona od wydzielania, dostarczania bądź odbierania ciepła w procesie sprężania. Ma on dla praktyki technicznej największe znaczenie. Gdy podczas sprężania zachodzi dostarczanie ciepła (na przykład ciepło tarcia), to otrzymujemy przemianę adiabatyczną nieodwracalną (n>k). Taki przypadek sprężania występuje w wyporowych agregatach tłokowych i rotacyjnych bezolejowych. Przy bardzo intensywnym wewnętrznym chłodzeniu (wtrysku oleju) możemy przyjąć, że przybliżamy się do najbardziej sprawnej energetycznie przemiany izotermicznej (n=1). Ze względu na sposób rozwiązania wtrysku chłodzącego medium na całej długości przestrzeni sprężania i jego skuteczność (zasada prysznica) najbliżej idealnej przemiany izotermicznej pracują łopatkowe sprężarki rotacyjne. Sprężarki śrubowe, mające punktowy tylko wtrysk chłodzącego medium, uzyskują gorsze sprawność termodynamiczne.

Patent na sprężarkę łopatkową (wtedy „wietrzak obrotowy”) uzyskał w 1908 roku Karl Wittig, właściciel zakładów mechanicznych KARL WITTIG GmbH, które rozpoczęły produkcję takich maszyn.

Pierwsze przemysłowe sprężarki rotacyjne wytwarzano ze stopniami sprężającymi wyposażonymi w 24 stalowe łopatki. Smarowanie metodą kroplową zapewniała wielotłoczkowa pompa mechaniczna z systemem szklanych oliwiarek punktowych. W 1913 roku firma KARL WITTIG GmbH sprzedała licencje na sprężarki „Wittig System” do wielu firm (większość ich w latach 50 XX wieku, już jako część koncernu Manessmann AG, odkupiła).

Do dzisiaj, mimo znacznego postępu w konstrukcji łopatkowych stopni sprężających, pierwotna koncepcja Wittiga o dużej ilości cienkich łopatek, ze smarowaniem kroplowym, jest optymalną konstrukcją dla takich mediów jak metan, biogazy itp.

Sprężarka łopatkowa należy do grupy jednowirnikowych maszyn wyporowych. Elementem roboczym jest wał, mimośrodowo umieszczony w cylindrycznym otworze, nie stykający się z jego powierzchnią. W wycięciach wału – kanałach – umieszczone są suwliwie łopatki. Podczas wirowania, dociskane siłą odśrodkową do „zanikającego” korpusu, łopatki dzielą komorę roboczą na kilka mniejszych, zmieniających się objętości. W tych komorach, przy największej objętości zasysane jest gazowe medium. Następnie sprężane przy zmniejszającej się wraz z ruchem wirowym objętości pomiędzy korpusem, wirnikiem i sąsiednimi łopatkami. Wylot sprężonego gazu umieszczony jest w okolicy maksymalnego zbliżenia wirnika do korpusu.

W zastosowaniach przemysłowych spotykamy głównie sprężarki łopatkowe z wtryskiem oleju. Spełnia on kilka istotnych funkcji. Powoduje intensywne schładzanie wewnętrzne sprężanego gazu, zbliżając proces do najbardziej sprawnej energetycznie termodynamicznej przemiany izotermicznej. Ponadto wytwarza film olejowy, po którym poruszają się łopatki, przez co ich zużycie jest pomijalne (około 0,04 mm na 100 000 godzin pracy). Doszczelnia także technologiczne pasowania robocze, zapobiegając wstecznemu strumieniowi sprężanego medium. Magistrala olejowa z dyszami wtrysku umieszczona jest w poprzek komory sprężania, na całej roboczej długości. Skutkuje to doskonałym rozpyleniem oleju wzmagającym proces chłodzenia wewnętrznego. W związku z tym ilość wtryskiwanego oleju jest niewielka, wynosząca tylko do 2% objętości komory. Ten fakt wraz z niską temperaturą sprężania (dla sprężu 7 bar nieprzekraczającą 78-82 st. C.) powoduje, że resztkowa pozostałość oleju w sprężonym powietrzu nie przekracza 1 ppm. Korpus wykonywany jest z żeliwa szarego o podwyższonej wytrzymałości. Wirnik to monolityczny stalowy walec ulepszony cieplnie. Ruchome łopatki (monolityczne) wykonane są ze specjalnego stopu aluminium zawierającego krzem, wanad, molibden i domieszkę manganu.

Sterowanie sprężarką łopatkową działa według bardzo prostego i przejrzystego algorytmu. Przy wyłączonej maszynie elektrozawór odciążający (9) i sterujący (12) są otwarte. Przy starcie zamyka się zawór odciążający, zaś sterujący pozostaje otwarty. Następuje klasyczny rozruch gwiazda/trójkąt, bądź za pomocą przemiennika częstotliwości. Wirnik zaczyna się obracać wytwarzając ciśnienie w sprężarce. Przenosi się ono na zbiornik separacji i otwartym elektrozaworem sterującym podawane jest na tłok (2), który zamyka zawór wlotowy. Przepływ powietrza odbywa się w obiegu wewnętrznym. Po uzyskaniu obrotów roboczych zostaje zamknięty elektrozawór sterujący i do sprężarki poprzez otwarty zawór wlotowy i filtr zostaje zasysane powietrze z otoczenia. Maszyna zaczyna pracować z pełną wydajnością, podnosząc wewnętrzne ciśnienie powyżej progu zadziałania zaworu minimalnego ciśnienia (15) i dostarczając medium do sieci. W przypadku osiągnięcia w sieci górnego zadanego ciśnienia sprężarka zaczyna pracować na biegu jałowym. Zostaje otwarty elektrozawór sterujący, podając ciśnienie na roboczą stronę tłoka, który zamyka zawór wlotowy. Jednocześnie elektrozawór odciążający, otwierając się, powoduje spadek ciśnienia wewnętrznego do wartości 1,2 bara, przy czym zostaje zamknięty. Sprężarka pracuje na wewnętrznym obiegu powietrza, przy ciśnieniu 1,2 bara – koniecznym do podtrzymania krążenia oleju. Ten stan skutkuje bardzo małym zużyciem energii, poniżej 20% pełnego obciążenia. W sytuacji spadku ciśnienia do dolnego zadanego poziomu, zamykają się obydwa elektrozawory i następuje cykl pracy. Jeśli ciśnienie dłużej utrzymuje się na niezmiennym poziomie, zostają otwarte dwa elektrozawory i wyłącza się silnik elektryczny. Cykl pracy może rozpocząć się od nowa. Elektrozawór 13 i siłownik 3 występują w opcji systemu z płynną regulacją wydatku poprzez dławienie na ssaniu.

Praca w systemie odciąż, dociąż czy modulacji (dławienia) na ssaniu nie jest optymalnym energetycznie systemem sterowania. Zdecydowanie korzystniejszą metodą jest zmiana obrotów wirnika, by ilość wytwarzanego powietrza dokładnie dostosować do chwilowego zapotrzebowania odbiorników. Technologia łopatkowa idealnie nadaje się do regulacji obrotami za pomocą przemiennika częstotliwości. Specyficzną cechą, jedynie dla tego rozwiązania, jest omal stała sprawność energetyczna w całym zakresie sterowania. Zmiennoobrotowe sprężarki łopatkowe pracują zazwyczaj w zakresie 50% do 120% obrotów stopnia sprężającego. Dolnym ograniczeniem jest prędkość, przy której siła odśrodkowa nie jest w stanie docisnąć łopatek do zanikającego cylindra (lewy rysunek). Przy nadmiernych prędkościach obrotowych nacisk łopatek może przeciąć film olejowy i spowodować ich kontakt metaliczny z korpusem (prawy rysunek). Graniczna prędkość liniowa to 29-30 m/sek.

Andrzej M. Araszkiewicz

IN-TECH Polska,
01-652 Warszawa, ul. Potocka 4 L U 6
intech@intechpolska.eu
www.intechpolska.eu

 
DZIAŁ INNOWACYJNO-WDROŻENIOWY:
sieci, awangardowe technologie

Andrzej M. Araszkiewicz
+48 503 123 320
a.araszkiewicz@intechpolska.eu

DZIAŁ TECHNICZNY:
produkcja, serwis,

Łukasz Araszkiewicz
+48 509 672 539
l.araszkiewicz@intechpolska.eu

WIZERUNEK FIRMY:
media, konferencje

Paulina Araszkiewicz
+48 512 148 636
p.araszkiewicz@intechpolska.eu

• Jesteśmy firmą rodzinną, od 2001 roku oferujemy najlepsze, autorskie rozwiązania systemowe dla sprężonych gazów.
• Na sprężonym powietrzu znają się wszyscy. My znamy się najlepiej.
• Nasze rozwiązania po prostu sprawdzają się, po inżyniersku, bez marketingowych trików.
• Wszystko co robimy, robimy dobrze, jeżeli ma być kompromis z jakością, nie robimy wcale.
• Nie staramy się być firmą tanią, wiedza, nowatorstwo i doskonałość musi kosztować.
• Jeśli oczekujecie najlepszych, najbardziej efektywnych rozwiązań, to jesteśmy dla was idealnym partnerem.
• Jesteśmy firmą elitarną i taką zamierzamy pozostać.

STRONA W PRZYGOTOWANIU

O audytach – krytycznie

Generalnie audyty energetyczne są potrzebne. Zwłaszcza dotyczące energetyki sprężonego powietrza. Według moich wieloletnich obserwacji, w 80% zakładów przemysłowych możemy zmniejszyć koszty wytwarzania sprężonego i to nawet do 50%. Tylko trzeba wiedzieć jak to zrobić.
I to nie koniecznie poprzez kosztowne modernizacje.

1. Mierzyć każdy może

Przyrządy pomiarowe do przepływu sprężonego powietrza – zwłaszcza te profesjonalne – z dobrym oprogramowaniem, nie są tanie. Proste, niewielkiej dokładności przepływomierze – to już znacznie mniejszy wydatek. Wiele firm, wychodząc naprzeciw „generowaniu oszczędności” samodzielnie je kupuje i wykonuje pomiary. I zazwyczaj nic z tego nie wynika. Wyniki pomiarów wychodzą „dziwne”. Jeszcze gorzej z ich interpretacją. Najgorzej z prawidłowymi zaleceniami.

2. Wykonamy audyt

Wiele firm, na fali zainteresowania obniżeniem kosztów produkcji, oferuje wykonanie audytów, najlepiej kompleksowych. Piękne strony internetowe, jeszcze piękniejsze zapewnienia handlowców i najpiękniejsze, najniższe ceny. Kto da się skusić? Niestety wielu. I będzie to trwało da czasu, gdy jedynym kryterium pozostanie cena usługi. Najniższa. Nie będę dyskutował o innych aspektach takich kompleksowych audytów, za wyjątkiem sprężonego powietrza. Tu praktyczna wiedza i doświadczenie większości oferentów jest marginalna. Bardzo często otrzymujemy pytania od takich firm, co z tym sprężonym powietrzem można zrobić i jakie zalecenia należy inwestorowi przedstawić. Odpowiedź jest jedna – wykonamy odpowiednią pracę, przedstawimy wyniki i zalecenia – ale odpłatnie. I tu zazwyczaj rozmowy urywają się.

3. Cudowne skrzynki

Jest to metoda bardzo tania, licząca ilość załączeń sprężarek, czas biegu jałowego i postoju. Ewentualnie ilość otwarć i zamknięć zaworu wlotowego. Chętnie oferowana przez dostawców sprężarek. Podłączają „cudowną skrzynkę” i rejestrują stan maszyn. Tanie, proste i praktyczne, ale niewiele wnoszące. Ta naprawdę, określające wykorzystanie sprężarki – czas pracy pod obciążeniem. Na tej podstawie obliczany jest i przedstawiany wydatek maszyny.   Tylko, że nikt nie podaję, że z błędem przekraczającym często 30%.

4. Co w sieci syczy

Nieszczelności. Główny winowajca strat, zwłaszcza w starych rurociągach. Także najprostsze do wykrycia i opracowania zaleceń. Ultradźwiękowe detektory nieszczelności są stosunkowo tanie. Tu bardzo zachęcam do samodzielnych działań. Mogą naprawdę pomóc.

 5. Absurdy

Kilka przykładów zaleceń poaudytowych. Niestety na poważnie. W jednej z hut szkła, firma stwierdziła, że system jest w zasadzie poprawny, ale stosowane są za drogie materiały eksploatacyjne do sprężarek. Zaleciła zakupy tańszych filtrów, separatorów i tańszego oleju. Najtańszego – do nisko obciążonych sprężarek tłokowych. Zabójczego dla stosowanych sprężarek rotacyjnych. To na szczęście nie zostało zrealizowane, dzięki naszej interwencji a po wykonanej zmianie nastaw, system zaczął pracować zdecydowanie efektywniej. W fabryce okien – genialnie określono chorobę – za mało powietrza. Także znaleziono lekarstwo – zakup kolejnej sprężarki. A wystarczyła tylko niewielka korekta sieci i przeniesienie zbiornika, co zasugerowaliśmy. W innym przypadku audytor nakazał usunięcie nieszczelności. Także w czujnikach punktu rosy. W kolejnym zalecono zakup sprężarki 30 kW. Po zmianie konfiguracji systemu doskonale sprawuje się maszyna 7,5 kW. W firmie przetwórstwa tworzyw sztucznych audytor zsumował zapotrzebowanie powietrza dla poszczególnych wtryskarek. Otrzymał absurdalny wynik około 5 m³/min. Był bardzo zdziwiony, że firmę zasila maszyna o wydajności 5 razy mniejszej. I powietrza wystarcza. Nie rozumiał, że zastosowaliśmy system z dużym zbiornikiem, gdzie zgromadzona energia w zupełności wystarcza do krótkich „strzałów” przy zdmuchiwaniu detali. Inny przykład, jakże typowy. Ciśnienie. Sugerowanym „cudownym eliksirem” jest jego podniesienia na sprężarkach. Jest to w wielu przypadkach nawet możliwe, ale bardzo drogie w kosztach energii. Często „wrzucane są” urządzenie o bardzo rożnych parametrach do jednej instalacji. Mieliśmy przypadek gdzie zasilenie malutką sprężarka 10 barową 0,4 m³/min jednego urządzenia pozwoliło utrzymać ciśnienie robocze w zakładzie (36 m³/min) na 8 barach, na przekór zaleceniom „fachowców”.

6. Zamiast podsumowania

Generalnie audyty energetyczne są potrzebne. Zwłaszcza dotyczące energetyki sprężonego powietrza. Tylko należy powierzać je specjalistom. Wtedy doskonałe efekty można uzyskać bardzo szybko. Tylko, że w Polsce są 2, może 3 firmy, które tak naprawdę wiedzą, o co w tym sprężonym powietrzu chodzi.

Proces PSA = Pressure Swing Absorption (adsorpcja zmiennociśnieniowa) podczas której azot jest adsorbowany pod ciśnieniem przez złożę węglowego sita molekularnego (CMS). Generatory azotu składają się z par adsorberów wypełnionych CMS dla zapewnienia ciągłej produkcji. Osuszone i oczyszczone powietrze pod odpowiednim ciśnieniem wpływa do adsorbera gdzie następuje wzrost ciśnienia. Tlen zawarty w powietrzu wchodzi w porowatą strukturę sita molekularnego a azot jest przepuszczany do zbiornika magazynowego (buforowego) Gdy w pierwszym adsorberze generatora azotu ciśnienie wzrasta drugi pozostaje w stanie spoczynku – bez ciśnienia. Część wyprodukowanego gazu jest używana do regeneracji sita molekularnego generatora azotu w adsorberze znajdującym się w stanie spoczynku. Węglowe Sito Molekularne stanowi złoże adsorpcyjne, którym wypełnione są adsorbery. Sito jest całkowicie regenerowalne, a jego żywotność w generatorach azotu wynosi ponad 60 000 roboczogodzin.