Sprężanie powietrza jest procesem, w którym znaczna część energii dostarczanej do sprężarki zostaje zamieniona w ciepło. W przypadku sprężarek śrubowych o stałej wydajności, które pracują ze stałą prędkością obrotową silnika, skuteczne odprowadzanie tego ciepła ma bezpośredni wpływ na stabilność parametrów pracy, trwałość podzespołów, jakość sprężonego powietrza oraz koszty eksploatacji. Szczególne znaczenie ma to w sprężarkach śrubowych olejowych, w których olej pełni jednocześnie funkcję środka smarnego, czynnika uszczelniającego i medium odbierającego ciepło ze stopnia sprężającego.
System chłodzenia nie jest więc jedynie dodatkiem zabezpieczającym sprężarkę przed przegrzaniem. Stanowi integralną część całego procesu sprężania i wpływa na to, z jaką sprawnością urządzenie przekształca energię elektryczną w użyteczne sprężone powietrze. Właściwie zaprojektowany układ powinien utrzymywać temperaturę oleju i elementu śrubowego w bezpiecznym zakresie, a jednocześnie ograniczać ryzyko kondensacji wilgoci w obiegu olejowym.
Dlaczego sprężarka śrubowa wymaga skutecznego chłodzenia?
W sprężarce śrubowej powietrze jest zasysane do elementu sprężającego, a następnie jego objętość stopniowo zmniejsza się pomiędzy wirnikami. W ramach procesu kompresji wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie temperatura medium roboczego. Dodatkowo w układzie na wytwarzanie ciepła mają wpływ również tarcie, straty mechaniczne oraz praca silnika i łożysk.
W sprężarkach olejowych część tego ciepła jest przejmowana bezpośrednio przez olej wtryskiwany do komory sprężania. Krąży on w zamkniętym obiegu i wielokrotnie odbiera ciepło powstające podczas sprężania. Dlatego istotne jest jego odpowiednie schładzanie umożliwiające ponowną wydajną pracę. Zbyt wysoka temperatura może przyspieszać degradację środka smarnego i pogarszać jego właściwości, natomiast zbyt niska temperatura zwiększa ryzyko kondensacji pary wodnej. Woda przedostająca się do oleju może z kolei powodować pogorszenie smarowania, korozję oraz przyspieszone zużycie elementów sprężarki. Temperatura robocza musi zatem być nie tylko możliwie niska, ale przede wszystkim odpowiednio kontrolowana.
Jak działa obieg chłodzenia oleju w sprężarce śrubowej?
W typowej olejowej sprężarce śrubowej olej znajdujący się w separatorze jest kierowany do chłodnicy oleju. Po schłodzeniu olej przechodzi przez filtr, a następnie wraca do elementu śrubowego. W konstrukcjach chłodzonych powietrzem ciepło jest przekazywane do strumienia powietrza przepływającego przez wymiennik. W kompresorach chłodzonych wodą stosowany jest natomiast wymiennik, który przekazuje ciepło do obiegu wodnego.
Istotnym elementem układu jest termostatyczny zawór obejściowy. Jego zadaniem jest kontrolowanie drogi przepływu oleju w zależności od temperatury. Podczas rozruchu zimnej sprężarki olej może ominąć chłodnicę, dzięki czemu urządzenie szybciej osiąga właściwą temperaturę pracy. Po jej osiągnięciu zawór stopniowo kieruje olej przez chłodnicę, umożliwiając skuteczne odprowadzanie nadmiaru ciepła. Takie rozwiązanie ogranicza zarówno ryzyko przegrzania, jak i pracy z nadmiernie zimnym olejem.
W sprężarkach chłodzonych powietrzem za wymuszanie przepływu odpowiada wentylator, który kieruje powietrze przez chłodnicę oleju oraz chłodnicę końcową sprężonego powietrza. Oba wymienniki mogą być projektowane jako oddzielne sekcje, co ułatwia kontrolowanie temperatury poszczególnych mediów i ogranicza ryzyko niekorzystnych zjawisk termicznych. W przypadku urządzeń chłodzonych wodą ciepło z oleju odbierane jest przez wodny wymiennik ciepła.
Warto podkreślić, że układ chłodzenia oleju i układ chłodzenia sprężonego powietrza są ze sobą powiązane, ale pełnią różne funkcje. Chłodnica oleju chroni przede wszystkim element sprężający i układ smarowania, natomiast chłodnica końcowa obniża temperaturę powietrza opuszczającego sprężarkę. Schłodzenie sprężonego powietrza powoduje również wykroplenie części zawartej w nim pary wodnej, dlatego za chłodnicą często znajduje się separator kondensatu.
Stała wydajność a praca układu chłodzenia
Sprężarka śrubowa o stałej wydajności pracuje z zasadniczo stałą prędkością obrotową silnika. Nie oznacza to jednak, że przez cały czas dostarcza identyczną ilość sprężonego powietrza do instalacji. W zależności od zapotrzebowania układ sterowania przełącza urządzenie między stanem obciążenia i odciążenia. Przy zapotrzebowaniu na powietrze sprężarka pracuje pod obciążeniem, natomiast po osiągnięciu określonego ciśnienia może przejść w tryb odciążenia.
Ma to bezpośrednie znaczenie dla gospodarki cieplnej urządzenia. W okresach dużego zapotrzebowania sprężarka generuje znaczną ilość ciepła, dlatego chłodnica oleju i wentylator muszą zapewnić odpowiednią zdolność odprowadzania energii cieplnej. Przy mniejszym obciążeniu warunki termiczne zmieniają się, a właściwe sterowanie temperaturą oleju pozwala utrzymać parametry niezbędne do prawidłowego smarowania i ograniczyć ryzyko kondensacji.
W nowoczesnych konstrukcjach stosuje się rozbudowane układy monitorowania temperatury, które kontrolują między innymi temperaturę oleju, powietrza oraz warunki pracy urządzenia. W prostszych rozwiązaniach za utrzymanie odpowiednich parametrów odpowiada przede wszystkim termostatyczny zawór obejściowy i układ wentylacji. Niezależnie od poziomu zaawansowania automatyki podstawowa zasada pozostaje taka sama: ciepło powstałe podczas sprężania musi zostać skutecznie odebrane i odprowadzone do otoczenia lub do zewnętrznego obiegu chłodzącego.
2.