Jak działa sprężarka śrubowa i dlaczego sprężone powietrze jest drogie

W zakładzie, w którym przepracowałem 25 lat, sprężone powietrze było wszędzie: w siłownikach na liniach, chwytakach, zaworach, pistoletach do przedmuchiwania, w narzędziach pneumatycznych w warsztacie. Leciało z rur jak woda z kranu i większość ludzi tak je traktowała, jak coś, co po prostu jest. Dopiero kiedy dział energetyczny policzył, ile kosztuje miesiąc pracy sprężarkowni, na odprawie zrobiło się cicho.

W utrzymaniu ruchu mówiło się, że najtańsza energia to ta, której nie wypuściłeś w powietrze. Ze sprężonym powietrzem widać to najlepiej. Zanim dotrze do siłownika, energia z sieci przechodzi przez silnik, wirniki, olej, chłodnice i kilometry rur, i na każdym etapie trochę jej ubywa.

Z czego się składa

1. Filtr ssący i zawór ssący - oczyszczają powietrze z kurzu i decydują, czy sprężarka w ogóle pobiera powietrze.
2. Stopień sprężający - obudowa z dwoma wirnikami śrubowymi, jednym wypukłym i jednym wklęsłym.
3. Silnik z napędem - zwykle elektryczny, połączony z wirnikami bezpośrednio, przez przekładnię albo pasy.
4. Zbiornik separatora z olejem - oddziela olej od sprężonego powietrza i zawraca go do obiegu.
5. Chłodnice - jedna dla oleju, druga dla sprężonego powietrza.
6. Osuszacz i zbiornik sieciowy - usuwają wodę z powietrza i trzymają zapas ciśnienia dla zakładu.

Dwa wirniki, które się nie dotykają

Najważniejsze w tej maszynie są dwa wirniki. Jeden ma wypukłe zęby, drugi wklęsłe bruzdy, i obracają się zazębione w ciasnej obudowie, jak dwie spirale wkręcone jedna w drugą. Powietrze wpada z jednej strony do przestrzeni między zębami. Kiedy wirniki się obracają, ta przestrzeń przesuwa się wzdłuż osi i jednocześnie się zmniejsza. Zamknięte w niej powietrze nie ma dokąd uciec, więc rośnie jego ciśnienie. Na drugim końcu otwiera się okno wylotowe i sprężone powietrze wychodzi.

Ruch jest ciągły, bez tłoka i bez zaworów, które otwierałyby się przy każdym obrocie. Dlatego sprężarka śrubowa pracuje równo, jest cichsza od tłokowej i dobrze znosi pracę na trzy zmiany.

W sprężarkach olejowych, których w zakładach jest najwięcej, do stopnia sprężającego wtryskuje się olej. Ma trzy zadania: uszczelnia szczeliny między wirnikami a obudową, smaruje łożyska i, co najważniejsze, odbiera ciepło. Sprężanie mocno grzeje powietrze. Bez oleju temperatura na wylocie byłaby nie do przyjęcia.

Prąd, który wychodzi kratką wentylacyjną

Stąd właśnie wysoki rachunek. Przy sprężaniu prawie cała energia z silnika zamienia się w ciepło. Część trafia do oleju, część do sprężonego powietrza, trochę oddaje obudowa. Producenci sprężarek i opracowania o odzysku ciepła podają, że z obiegu oleju da się odzyskać rząd 90 procent energii pobranej przez silnik. Czyli energia, która zostaje w powietrzu jako zdolność do wykonania pracy, to niewielka część rachunku za prąd.

W wielu zakładach to ciepło po prostu ucieka kratką wentylacyjną na zewnątrz. Tam, gdzie ktoś o tym pomyślał, gorący olej przez wymiennik podgrzewa wodę użytkową albo ogrzewa halę. Pamiętam zimę, kiedy w naszej sprężarkowni było cieplej niż w biurze kierownika, a kierownik szczerze tego zazdrościł.

Drugą wielką stratą są nieszczelności. Opracowania o audytach sprężonego powietrza podają, że w typowych instalacjach ucieka nimi zwykle od jednej piątej do nawet jednej trzeciej wytworzonego powietrza. Nieszczelne szybkozłączki, pęknięte węże, przetarte uszczelki w zaworach, źle uszczelnione gwinty. Każdy syk oznacza pracującą sprężarkę, za którą ktoś płaci.

Niedzielne nasłuchiwanie

Najlepszy znany mi sposób szukania wycieków jest stary jak świat. W niedzielę, kiedy hala stała, a sprężarka dalej trzymała ciśnienie w sieci, chodziliśmy we dwóch po hali i słuchaliśmy. W ciszy słychać każdy syk. Miejsca znakowaliśmy kawałkiem taśmy, a w poniedziałek szły zgłoszenia. Dziś są detektory ultradźwiękowe, które wyłapują to, czego ucho nie usłyszy, ale zasada została ta sama.

Sama sprężarka wymaga regularnej obsługi według dokumentacji: wymiany filtrów powietrza i oleju, wymiany oleju i wkładu separatora, kontroli pasów, czyszczenia chłodnic. Przy zatkanej chłodnicy rośnie temperatura oleju i sprężarka wyłącza się na zabezpieczeniu w najmniej odpowiednim momencie, zwykle w piątek po drugiej zmianie. Łożyska wirników mają swoją trwałość i po wielu tysiącach godzin stopień sprężający idzie do przeglądu albo regeneracji.

Dużo zależy też od sterowania. Prostsza sprężarka pracuje na dwa stany. Kiedy ciśnienie w sieci spadnie do dolnej granicy, zawór ssący się otwiera i maszyna tłoczy powietrze. Kiedy dojdzie do górnej, zawór się zamyka, a silnik kręci się dalej na biegu jałowym. Na tym biegu dalej pobiera wyraźną część prądu, a nie daje ani litra powietrza. Sprężarki z przemiennikiem częstotliwości zmieniają obroty silnika i dopasowują wydajność do tego, ile zakład w danej chwili zużywa. W hali, gdzie zapotrzebowanie mocno się zmienia w ciągu doby, różnicę widać na rachunku. Tam, gdzie sprężarka cały czas pracuje pełną mocą, jest mniejsza.

Zostaje jeszcze woda. Powietrze z hali zawsze niesie wilgoć, a po sprężeniu i ochłodzeniu skrapla się ona w kondensat. Dlatego za sprężarką stoi osuszacz, a w najniższych punktach sieci odwadniacze. Kondensat ze sprężarek olejowych zawiera olej i bez oczyszczenia nie wolno go wylewać do kanalizacji.

Zbiorniki sprężonego powietrza to urządzenia ciśnieniowe. Większe podlegają dozorowi technicznemu i są okresowo badane. Nikt rozsądny nie spawa przy nich niczego na własną rękę.