Sprężanie gazu to proces polegający na poborze energii zewnętrznej w celu uzyskania energii potencjalnej ciśnienia gazu. Sprężarka wytwarza sprężony gaz. Dlatego też podstawowe parametry sprężarki śrubowej są nierozerwalnie związane z czterema czynnikami: ciśnieniem, przepływem, mocą i mocą właściwą.
Podstawowe parametry sprężarki śrubowej – ciśnienie
Uzyskiwanie energii potencjalnej ciśnienia sprężonego powietrza to podstawowa funkcja sprężarek powietrza, a sprężarki śrubowe nie są tu wyjątkiem. Silnik główny sprężarek śrubowych zwiększa ciśnienie powietrza, pobierając energię z zewnątrz. Im wyższe ciśnienie, tym więcej energii jest zużywane i tym większe zapotrzebowanie na energię dla silnika głównego. Zazwyczaj sprężarki powietrza dzielimy na cztery kategorie w zależności od ciśnienia wyjściowego:
Niskie ciśnienie: 0,2~1,0 MPa
Średnie ciśnienie: 1,0~10 MPa
Wysokie ciśnienie: 10~100MPa
Ultrawysokie ciśnienie: powyżej 100 MPa
Sprężarki śrubowe zazwyczaj charakteryzują się ciśnieniem wyjściowym 0,2–4,0 MPa, co oznacza, że ich wydajność, wykonalność i ekonomiczność są w tym zakresie lepsze. Wynika to z konstrukcji i sposobu pracy modułu sprężarki, a jednocześnie jest to segment ciśnieniowy o największym zapotrzebowaniu na rynku.
Ciśnienie sprężonego powietrza wytwarzane przez sprężarkę powietrza mierzy się głównie za pomocą współczynnika ciśnień, czyli stosunku ciśnienia wyjściowego Pd do ciśnienia ssania Ps. Im wyższy współczynnik, tym wyższe ciśnienie wyjściowe.
Wzór ε=Pd/Ps (6)
W przypadku silnika głównego sprężarki śrubowej powietrza rozróżnia się stosunek ciśnień wewnętrznych i stosunek ciśnień zewnętrznych.
Stosunek ciśnień wewnętrznych: stosunek ciśnienia w objętości międzyzębnej silnika głównego do ciśnienia ssania, który jest określany przez położenie i kształt otworów ssących i wydechowych;
Stosunek ciśnienia zewnętrznego: stosunek ciśnienia w rurze wydechowej do ciśnienia ssania. Ciśnienia ssania i wydechu wymagane dla danych warunków pracy lub przepływu procesu.
Gdy stosunek ciśnienia wewnętrznego ≠ stosunek ciśnienia zewnętrznego, silnik główny będzie zużywał więcej energii; gdy stosunek ciśnienia wewnętrznego = stosunek ciśnienia zewnętrznego, silnik główny jest w najlepszym stanie.
W przypadku głównego silnika sprężarki śrubowej powietrza, gdy główny silnik, temperatura otoczenia, ciśnienie ssania, prędkość obrotowa głównego silnika i inne czynniki są takie same, im wyższe ciśnienie wyjściowe, tym wyższe zużycie energii.
Podstawowe parametry sprężarki śrubowej – przepływ
Przepływ zazwyczaj składa się z przepływu masowego i objętościowego. W specyfikacjach i normach przemysłowych dotyczących systemów sprężarek powietrza, jako metodę pomiaru przepływu zazwyczaj stosujemy przepływ objętościowy, który w moim kraju nazywany jest również przepływem objętościowym spalin lub przepływem znamionowym: przy wymaganym ciśnieniu spalin, objętość gazu tłoczonego przez sprężarkę powietrza w jednostce czasu jest przeliczana na stan wlotowy, tj. wartość ciśnienia ssania w rurze dolotowej pierwszego stopnia oraz temperaturę i wilgotność ssania. Jednostką jest m3/min. Przepływ objętościowy dzieli się na rzeczywisty przepływ objętościowy i standardowy przepływ objętościowy.
Zazwyczaj próbki, selekcje i tabliczki znamionowe maszyn wykorzystują standardowy przepływ objętościowy. Ze względu na branżę, region i zastosowanie, standardowy przepływ objętościowy w zapotrzebowaniu rynku sprężonego powietrza ma dwie definicje, zależne od różnic w stanie standardowym (temperatura, ciśnienie i komponenty):
Stan standardowy to ciśnienie P = 101,325 kPa; temperatura standardowa T = 0°C; wilgotność względna 0%. Jest on często spotykany w gazach przemysłowych, przemyśle chemicznym lub dokumentach przetargowych i określany jako „kwadrat standardowy”, zazwyczaj oznaczony symbolem wzoru „VN” i jednostką Nm3/min.
Stan standardowy to ciśnienie P = 101,325 kPa; temperatura standardowa T = 20°C; wilgotność względna wynosi 0%. Jest on powszechnie stosowany w normach dla przemysłu sprężonego powietrza i nazywany jest „standardowymi warunkami pracy”. Symbolem jest zazwyczaj „V”, a jednostką m3/min.
Zazwyczaj standardowym natężeniem przepływu stosowanym w branży sprężarek powietrza jest to drugie. Przeliczenie natężenia przepływu w obu stanach można obliczyć za pomocą wzoru:
V(m3/min)=1,0732VN(Nm3/min) Wzór (7)
W przypadku głównego silnika sprężarki śrubowej powietrza, w tych samych warunkach, im większa odległość między środkami wirników, tym większy wydatek objętościowy; im wyższa prędkość obrotowa silnika głównego, tym większy wydatek objętościowy.
V natężenie przepływu objętościowego = qv objętość sprężania silnika głównego × n prędkość głowicy Wzór (8)
qv=CΨqv0Z1n=CΨCn1nλD3 Wzór (9)
Gdzie Z1 — liczba zębów wirnika męskiego; n — prędkość wirnika męskiego; λ — współczynnik kształtu wirnika; D — średnica zewnętrzna wirnika męskiego.
Dlatego też, w trosce o oszczędność, zazwyczaj ograniczamy liczbę typów silników głównych i możemy dostosować objętość spalin sprężarki powietrza, ustalając prędkość obrotową silnika głównego w taki sposób, aby sprostać zapotrzebowaniu rynku.
Jednakże prędkość obrotowa głównego silnika sprężarki śrubowej nie może być nieskończenie wysoka, zazwyczaj między 800 a 10 000 obr./min. Dlatego producenci głównych silników śrubowych opracowują silniki główne o różnych zakresach przepływu objętościowego, aby spełnić wymagania przepływowe sprężarki śrubowej.
Moc właściwa i obliczenia końcowej sprężarki śrubowej
Moc na wale zużywana przez strumień objętości w jednostce czasu podczas pracy zespołu sprężarki powietrza. Jednostką mocy właściwej jest: kW/(m3/min).
Wzór obliczeniowy jest następujący:
SER koniec sprężania = Pd koniec sprężania/qv Wzór (10)
Pd air end – moc na wale air end;
qv – przepływ objętościowy powietrza na jednostkę czasu
Jego konkretna wartość mocy wynosi:
Końcówka powietrzna SER = 117/23,1 = 5,065 (kW/(m3/min))
Im mniejsza wartość mocy właściwej sprężarki śrubowej, tym mniejsze zużycie energii i lepsza wydajność sprężarki. W warunkach stałego przepływu, im wyższe ciśnienie wyjściowe, tym większa moc na wale sprężarki, a tym samym większa moc właściwa.
Każda sprężarka śrubowa ma optymalną wartość mocy właściwej, która jest związana z prędkością obrotową silnika głównego. Gdy prędkość obrotowa silnika głównego jest zbyt niska, wzrasta nieszczelność, zmniejsza się objętość gazu, a wartość mocy właściwej rośnie; gdy prędkość obrotowa silnika głównego jest zbyt wysoka, wzrasta tarcie, wzrasta moc na wale, a wartość mocy właściwej rośnie. Musi jednak istnieć optymalna prędkość, przy której wartość mocy właściwej jest najniższa. Dlatego nie jest do końca prawdą stwierdzenie, że im większy silnik główny, tym bardziej energooszczędny.
Projektując sprężarki śrubowe i sprężarki o zmiennej częstotliwości, musimy zapewnić jakość, uwzględniając jednocześnie ekonomiczność, standaryzację i modułowość silnika głównego. Dlatego do projektowania i rozwoju sprężarek śrubowych o różnych ciśnieniach i przepływach wykorzystamy krzywą mocy właściwej silnika głównego.
Czas publikacji: 17 lipca 2024 r.
