Jak działa sprężarka śrubowa? Zasada działania i zastosowania

1878 rok, Hanower i pierwsza opatentowana sprężarka śrubowa kręcąca się na prymitywnych jeszcze wirnikach. Dziś podobne urządzenie pracuje być może kilka metrów od Ciebie w hali lub warsztacie. Z tego tekstu dowiesz się, jak działa sprężarka śrubowa, z czego się składa i gdzie opłaca się ją zastosować.

Jak zbudowana jest sprężarka śrubowa?

W nowoczesnym kompresorze śrubowym najważniejsza jest precyzja dopasowania części. Od jakości wirników, obudowy i układu olejowego zależy zarówno ciśnienie, jak i żywotność całej maszyny. W wielu modelach całość zamknięta jest w wygłuszonej obudowie, co pozwala postawić urządzenie nawet w pobliżu stanowisk pracy.

Serce układu stanowi stopień śrubowy. To w nim powstaje sprężone powietrze, które później trafia do sieci zakładowej albo do konkretnej maszyny. Reszta podzespołów ma za zadanie dostarczyć czyste powietrze, podać olej, odseparować go oraz schłodzić gotowy strumień.

Wirniki i obudowa

Stopień śrubowy tworzą dwa współpracujące wirniki umieszczone w precyzyjnie obrobionej obudowie. Jeden wirnik jest napędzany bezpośrednio przez silnik elektryczny, drugi obraca się z nim w sprzężeniu, tworząc zamknięte komory sprężania. Wirnik męski ma zwykle mniej zębów niż wirnik żeński, co poprawia szczelność i ogranicza straty.

W przeszłości stosowano profile symetryczne, które miały większe opory przepływu. Przełom przyniósł asymetryczny profil wirnika, a jeszcze lepszy wynik dał profil SIGMA opracowany przez firmę KAESER KOMPRESSOREN. Zastosowanie takiego bloku śrubowego pozwala obniżyć zapotrzebowanie na energię nawet o 15–20 procent w porównaniu ze starszymi konstrukcjami.

Układ olejowy i separacja

W sprężarkach olejowych do komór sprężania wtryskiwany jest specjalny olej. Smaruje łożyska i zęby wirników, uszczelnia przestrzenie międzyśrubowe oraz odbiera ciepło powstające podczas sprężania. Olej przechodzi przez filtr, a jego temperatura jest kontrolowana przez termostat i chłodnicę.

Mieszanina powietrza i oleju trafia następnie do zbiornika separatora. Tam cięższe cząstki opadają grawitacyjnie, a resztę przejmuje filtr dokładnej separacji. Większość oleju wraca cienką rurką do stopnia śrubowego, a z kompresora wychodzi już niemal czyste sprężone powietrze. Jego końcowe schłodzenie odbywa się w chłodnicy końcowej, gdzie temperatura spada zwykle do około 10°C powyżej temperatury otoczenia.

Dobrze dobrany blok śrubowy z dopracowanym systemem separacji potrafi obniżyć koszty energii nawet o jedną piątą w porównaniu z klasycznymi rozwiązaniami.

Jak działa sprężarka śrubowa krok po kroku?

Wydaje się, że sprężarka tylko “zasysa i tłoczy” powietrze. W praktyce każdy etap ma znaczenie dla trwałości, efektywności energetycznej i jakości powietrza w instalacji. Wiele modeli sterowanych przetwornicą częstotliwości na bieżąco dopasowuje prędkość obrotową do chwilowego zapotrzebowania.

Przebieg pracy sprężarki śrubowej można podzielić na kilka wyraźnych faz. Od jakości filtracji i regulacji ssania zależy, czy wirniki będą pracować w czystym środowisku i z właściwym obciążeniem.

Zasysanie powietrza

Cykl rozpoczyna się od zasysania powietrza przez filtr wlotowy. Element filtracyjny zatrzymuje pył, drobne cząstki metalu i inne zanieczyszczenia, które w przeciwnym razie działałyby jak papier ścierny na wirniki. Za filtrem znajduje się regulator ssania z zaworem, który dostosowuje ilość powietrza do aktualnego poboru w instalacji.

Elektroniczny sterownik współpracuje z przetwornikiem ciśnienia i na bieżąco ocenia, czy sprężarka ma pracować z pełną wydajnością, czy przejść w tryb odciążenia. Dzięki temu kompresor nie pobiera niepotrzebnie energii, gdy zapotrzebowanie na powietrze spada, na przykład podczas przerwy w produkcji.

Sprężanie w stopniu śrubowym

Po przejściu przez regulator ssania powietrze trafia do komór tworzonych przez profile wirników i obudowę. W czasie obrotu objętość tych komór zmniejsza się, a ciśnienie rośnie aż do wartości zadanej na sterowniku. W sprężarkach olejowych do tej przestrzeni jest wtryskiwany oczyszczony olej, który chłodzi i uszczelnia proces sprężania.

Gotowa mieszanina powietrza z olejem opuszcza stopień śrubowy i wpływa do zbiornika separatora. Tam rozdziela się na dwie fazy. Sprężone powietrze płynie dalej do układu dystrybucji, a olej krąży w zamkniętym obiegu przez filtr i chłodnicę, po czym wraca do miejsca wtrysku.

Chłodzenie i regulacja wydajności

Za zbiornikiem separatora sprężone powietrze przechodzi przez zawór minimalnego ciśnienia oraz chłodnicę końcową. To w tym miejscu zbliża się temperaturą do warunków otoczenia, co ogranicza powstawanie kondensatu w sieci. W wielu instalacjach tuż za sprężarką montuje się także osuszacz, aby dodatniej jakości wymagały na przykład linie malarskie.

Sprężarki śrubowe z falownikiem kontrolują obroty silnika w zależności od odczytu z czujnika ciśnienia. Gdy pobór powietrza rośnie, urządzenie przyspiesza, a gdy maleje, zwalnia. Taki sposób pracy szczególnie mocno obniża rachunki za prąd w zakładach, gdzie zapotrzebowanie na sprężone powietrze wyraźnie się zmienia w ciągu dnia.

Sprężarka śrubowa pracująca w trybie regulacji częstotliwości potrafi ograniczyć zużycie energii elektrycznej nawet o kilkadziesiąt procent względem prostego modelu włącz/wyłącz.

Jakie są rodzaje sprężarek śrubowych?

Wybór typu kompresora śrubowego zależy głównie od wymaganej czystości powietrza, stabilności zapotrzebowania oraz budżetu na inwestycję. Innej maszyny potrzebuje lakiernia, a innej linia pakowania leków czy mleka. Różnice konstrukcyjne wpływają także na serwis i zużycie energii.

Na rynku spotkasz trzy podstawowe grupy rozwiązań. Każde z nich sprawdzi się w innej sytuacji, dlatego warto dobrze przeanalizować projekt instalacji sprężonego powietrza.

Sprężarki olejowe

Sprężarki olejowe to najczęściej spotykany typ w warsztatach, zakładach produkcyjnych i budownictwie. Olej wtryskiwany do stopnia śrubowego zapewnia bardzo dobre chłodzenie i wysoką trwałość wirników. Takie urządzenia bez problemu wytrzymują długą pracę ciągłą, często w trybie trzyzmianowym.

Minusem jest obecność śladowych ilości oleju w sprężonym powietrzu. Dla większości narzędzi pneumatycznych nie stanowi to problemu, ale w branżach higienicznych trzeba stosować dodatkowe filtry lub sięgnąć po konstrukcję bezolejową.

Sprężarki bezolejowe

W sprężarkach bezolejowych stopień śrubowy pracuje bez wtrysku oleju. Stosuje się powłoki o bardzo niskim współczynniku tarcia i staranną obróbkę wirników. Dzięki temu strumień powietrza ma bardzo wysoką czystość, co jest niezbędne na przykład w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i medycznym.

Taka konstrukcja zwykle jest droższa w zakupie i stawia większe wymagania serwisowe. W zamian daje pewność, że do produktu nie dostaną się żadne opary oleju z instalacji pneumatycznej, co w wielu procesach ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo konsumenta.

Sprężarki o zmiennej wydajności

Ostatnia grupa to sprężarki śrubowe z regulacją wydajności za pomocą przetwornicy częstotliwości. Ten typ występuje zarówno w wersji olejowej, jak i bezolejowej. Pracuje szczególnie oszczędnie tam, gdzie zapotrzebowanie na powietrze mocno się waha w czasie zmiany.

Falownik płynnie zmienia prędkość obrotową silnika. Sprężarka nie musi wtedy wejść w cykl częstych rozruchów i zatrzymań, co wydłuża żywotność elementów napędu i ogranicza zużycie energii elektrycznej.

Gdzie stosuje się sprężarki śrubowe?

Są zakłady, w których bez sprężarki śrubowej nie ruszy żadna linia produkcyjna. Stały, pozbawiony pulsacji strumień sprężonego powietrza zasila tam dziesiątki urządzeń. Inne firmy używają kompresora tylko okresowo, na przykład podczas piaskowania czy malowania konstrukcji.

Sprężarki śrubowe pracują także w środkach transportu oraz instalacjach przemysłowych niezwiązanych bezpośrednio z produkcją. Kompresor może obsługiwać systemy hamulcowe, siłowniki pneumatyczne albo stacje uzdatniania wody.

Przemysł i produkcja

W klasycznych zakładach produkcyjnych sprężone powietrze zasila narzędzia pneumatyczne, siłowniki, chwytaki, stoły podciśnieniowe oraz liczne zawory automatyki. Stały przepływ powietrza bez pulsacji jest tu ogromną zaletą, bo pozwala utrzymać powtarzalne parametry pracy maszyn.

W budownictwie kompresory śrubowe obsługują piaskarki, pompy do betonu, systemy malarskie i ciężkie młoty pneumatyczne. Ich zaletą jest niski poziom hałasu w porównaniu ze sprężarkami tłokowymi o podobnej wydajności. Praca na budowie staje się dzięki temu mniej uciążliwa dla operatorów i otoczenia.

Branże z wysokimi wymaganiami higienicznymi

W przemyśle farmaceutycznym oraz medycznym powietrze bywa traktowane jak surowiec produkcyjny. Służy do suszenia, transportu proszków lub bezpośrednio kontaktuje się z lekiem. W takich miejscach używa się niemal wyłącznie sprężarek bezolejowych z rozbudowanym systemem filtracji.

W sektorze spożywczym kompresory śrubowe odpowiadają między innymi za pakowanie próżniowe, sterowanie maszynami rozlewniczymi, czyszczenie i sortowanie produktów. Nawet niewielka ilość oleju w powietrzu mogłaby zepsuć całą partię wyrobów, dlatego tak duże znaczenie ma tu wysoka kultura pracy i czystość sprężonego powietrza.

Jak wybrać i dbać o sprężarkę śrubową?

Dobór kompresora śrubowego często decyduje o kosztach mediów technicznych w całym zakładzie. Za słaby model będzie pracował na granicy możliwości, z kolei zbyt duży niepotrzebnie podniesie rachunki za prąd. Znaczenie ma też renoma producenta oraz lokalna dostępność serwisu.

Na rynku znajdziesz rozwiązania takich marek jak KAESER KOMPRESSOREN czy BOGE, które stawiają na profilowane wirniki i rozwinięte systemy sterowania. W wielu firmach właśnie od tych urządzeń zaczyna się projektowanie całej instalacji sprężonego powietrza.

Na co zwrócić uwagę przy wyborze?

Przed zakupem warto odpowiedzieć sobie na kilka konkretnych pytań dotyczących potrzeb zakładu i warunków pracy urządzenia. Pomaga w tym lista podstawowych parametrów, które dobrze jest przeanalizować z dostawcą sprzętu:

• wymagany przepływ powietrza oraz ciśnienie robocze w instalacji,
• charakter pracy instalacji, czyli stałe lub zmienne zapotrzebowanie na powietrze,
• dostępna przestrzeń montażowa i dopuszczalny poziom hałasu,
• rodzaj chłodzenia sprężarki, powietrzem lub wodą,
• wymagania co do czystości sprężonego powietrza w danej branży,
• dostępność autoryzowanego serwisu i części zamiennych w okolicy,
• funkcje sterownika, na przykład możliwość pracy w sieci wielu kompresorów.

Wielu inwestorów bierze pod uwagę nie tylko cenę zakupu, ale też całkowity koszt posiadania. Obejmuje on energię, serwis, przestoje i wymianę filtrów. Przy pracy w trybie ciągłym różnica w efektywności energetycznej szybko zwraca wyższą cenę urządzenia.

Jak wygląda codzienna eksploatacja?

Sprężarka śrubowa odwdzięcza się długą i stabilną pracą, jeśli spełnisz kilka warunków związanych z obsługą. Chodzi zarówno o proste czynności na miejscu, jak i regularne przeglądy wykonywane przez serwis. W wielu zakładach tworzy się nawet krótką checklistę dla obsługi zmiany:

• kontrola poziomu i stanu oleju w sprężarce,
• sprawdzenie filtrów powietrza i oleju oraz ich okresowa wymiana,
• oczyszczenie wlotów chłodzących i sprawdzenie pracy wentylatorów,
• kontrola ustawionego ciśnienia roboczego i odczytu z przetworników,
• obserwacja nietypowych dźwięków lub wzrostu temperatury pracy,
• regularne przeglądy zgodnie z harmonogramem producenta.

Stałe monitorowanie takich parametrów jak ciśnienie, temperatura i liczba godzin pracy między przeglądami pozwala wcześnie zauważyć odchylenia. Wtedy serwis ma szansę zareagować, zanim dojdzie do awarii całego układu, a linia produkcyjna zatrzyma się z powodu braku sprężonego powietrza.

Dobrze serwisowana sprężarka śrubowa potrafi bez przestojów przepracować w jednej instalacji nawet kilkadziesiąt tysięcy godzin.