Sprężarki, kompresory

Sprężarki wirowe, zwane inaczej sprężarkami przepływowymi dzielą się na sprężarki osiowe, sprężarki promieniowe i sprężarki osiowo-promieniowe. Wszystkie te rodzaje mogą być jednostopniowe, jak również wielostopniowe. Ilość owych stopni określana jest przez liczbę wirujących wieńców łopatkowych. Innym sposobem podziału sprężarek wirowych jest podział ze względu na prędkość gazu. Wg tej zasady można wyróżnić sprężarki wirowe naddźwiękowe i sprężarki wirowe poddźwiękowe. Sprężarki poddźwiękowe mają dość szeroki zastosowanie, natomiast sprężarki naddźwiękowe stosowane są tylko w lotnictwie. Sprężarki wirowe dostarczają dużych ilości sprężonego gazu, jednak przyrost ciśnienia uzyskiwany dzięki nim jest stosunkowo niewielki. Przyjmuje się bowiem, że w teoretycznej sprężarce wirnikowej krzywa sprężania jest adiabatą, ale że nie uwzględnia się strat w przypadku sprężarek teoretycznych, dlatego też przemiana adiabatyczna, która w niej zachodzi jest przemianą odwracalną, czyli izentropową. Można więc przyjąć, że proces sprężania w rzeczywistej sprężarce odbywa się adiabatycznie. Jednak ze względu na występujące straty spowodowane ciepłem tarcia wydzielającym się w sprężarce przemiana ta nie jest odwracalna i może być traktowana jako przemiana politropowa.

Sprężarki krzywkowe, zwane także sprężarkami z wirującymi tłokami są trwałe, posiadają zwartą konstrukcję i dostarczają niezaolejonego gazu. Ich wydajność może sięgać nawet do 6000 m3/h. Sprężarki krzywkowe stosowane są najczęściej jako sprężarki o niskim sprężu (v = 1,2 ÷ 14). Prędkość obrotowa tłoków owych sprężarek mieści się w granicach 300 ÷ 9500 obrotów na minutę. Organem czynnym sprężarki krzywkowej jest wirnik roboczy wyposażony w tłoki o kształtach krzywek. W tego typu sprężarce mogą występować także dwa wirniki robocze. Są to wirnik roboczy i wirnik pomocniczy, zwany biernym. Obracają się one w przeciwnych kierunkach i są napędzane przy pomocy tej samej przekładni zębatej znajdującej się na zewnątrz kadłuba sprężarki. Dzięki odpowiednio dobranym kształtom tłoków i cylindra w czasie obrotu tłoki pozostają w stałym styku z gładzią cylindra. Najbardziej znane i najczęściej stosowane sprężarki z wirującymi tłokami są sprężarki typu Roots. W obudowie tego typu sprężarki znajdują się dwa przeciwbieżnie obracające się wirniki, z których każdy może mieć dwa lub trzy tłoki. Między tymi tłokami a obudową tworzą się komory. Objętość owych komór wzrasta po stronie ssania, spada zaś po stronie tłoczenia. Dość dużą wadą sprężarki typu Roots jest hałas spowodowany jej pulsującym działaniem. Dawniej często używano ich jako dmuchawy w hutnictwie oraz do przepłukiwania i doładowywania silników spalinowych. Przez ich hałaśliwość jednak w silnikach spalinowych nie są już obecnie stosowane.

Do głównych zespołów sprężarek tłokowych należą: kadłub, zwany inaczej skrzynią korbową, głowica, układ korbowy i układ zaworowy. Sprężarki tłokowe posiadają m.in. takie elementy, które w swojej budowie zbliżone są do odpowiadających im elementów silników spalinowych. Należą do nich: cylindry, wały korbowe, korbowody, łożyska, a w pewnym sensie także tłoki i głowice. Zasadnicza różnica pomiędzy sprężarką a silnikiem spalinowym tkwi w budowie zaworów. Sprężarki w większości posiadają zawory samoczynne, które zamykają się i otwierają wskutek powstanie różnicy ciśnienia po obu stronach zaworu. Do najczęściej spotykanych zaworów w sprężarkach tłokowych należą zawory grzybkowe, pierścieniowo-płytkowe oraz listwowe. Najczęściej stosowanymi zaworami są zawory pierścieniowo-płytkowe z 1, 2 lub 3 pierścieniami. W zaworze dwupierścieniowym ssawnym płytki zamykające dociskane są do gniazda sprężynami walcowymi. Sprężyny te znajdują się pomiędzy gniazdem a zderzakiem. Gniazdo bezsprężynowego zaworu listwowego posiada kilka podłużnych szczelin, przez które przepływa gaz. Szczeliny te przykrywają zwieradła w postaci cienkich sprężystych listew, które pod ciśnieniem gazu wyginają się. Zawory grzybkowe zaś, ponieważ ich masa jest dość duża, stosowane są tylko w nielicznych wolnobieżnych sprężarkach o układzie poziomym.

Sprężarki tłokowe mogą być różnorodnie skonstruowane. Jedną z możliwości podziału sprężarek tłokowych jest podział w zależności od liczby stopni sprężania. Ze względu na to sprężarki tłokowe dzielimy na jednostopniowe i wielostopniowe. Sprężanie zaś może odbywać się w jednym lub kilku cylindrach. To znów sprawia, że rozróżnia się sprężarki tłokowe jednostronnego działania i sprężarki dwustronnego działania, a także sprężarki różnicowe. W tych pierwszych gaz sprężany jest za pomocą tłoka tylko po jednej stronie, w drugich zaś po obu stronach. W sprężarce różnicowej tłok ma kilka różnych średnic. Tak jak to się odbywa i w przypadku silników spalinowych, sprężarki mogą być chłodzone powietrzem lub wodą. Sprężarki chłodzone powietrzem posiadają wentylator umieszczony na wale sprężarki, który wymusza przepływ chłodzącego powietrza. Ono z kolei omywa użebrowany cylinder. Tego rodzaju sprężarki mogą pracować w temperaturze otoczenia niższej niż 0°C. Chłodzenie wodą jest w takiej temperaturze niemożliwe, ale za to zapewnia ono lepszą wymianę ciepła. W sprężarkach chłodzonych wodą chłodząca woda przepływa przez odpowiednie kanały korpusów cylindrów i głowic. W sprężarkach wielostopniowych są oprócz tego chłodnice międzystopniowe. Sprężarki tłokowe mogą być smarowane olejem lub być bezsmarowe. W przypadku tych drugich bowiem gładź cylindrowa nie wymaga smarowania. Jeżeli zaś chodzi o liczbę cylindrów i ich układ to w małych i dużych sprężarkach szybkobieżnych stosowane są cylindry stojące albo układy widlaste W (rzadziej V) o promieniowym ustawieniu osi cylindrów, natomiast w sprężarkach średnich i dużych wolnobieżnych stosuje się układ L lub cylindry leżące. Jeżeli zaś chodzi o przeznaczenie sprężarek tłokowych to mogą być one stacjonarne, czyli ustawiane na fundamencie lub przewoźne - zamontowane na wózku przewoźnym.

Sprężarka z pierścieniem wodnym jest jednym z rodzajów sprężarek rotacyjnych. Poza ową sprężarką do sprężarek rotacyjnych zaliczamy: sprężarki łopatkowe, sprężarki z wirującymi tłokami, czyli tzw. sprężarki krzywkowe oraz sprężarki śrubowe. Sprężarka z pierścieniem wodnym przypomina swoją budową sprężarkę łopatkową. Zasadniczą różnicą pomiędzy tymi sprężarkami jest to, że kadłub sprężarki z pierścieniem wodnym jest częściowo wypełniony wodą. Pierścień wodny powstaje dzięki odrzuceniu wody na ścianki kadłuba. Odrzucenie wody natomiast następuje w wyniku ruchu obrotowego wirnika. Wytworzony w ten sposób pierścień wodny ma charakter uszczelniający, a wewnętrzna powierzchnia tego pierścienia pełni rolę cylindra. Na okrągłym kadłubie umieszczony jest mimośrodkowo wirnik z łopatkami.  Takie położenie powoduje, że między pierścieniem wodnym a piastą wirnika powstają komory o sierpowych przekrojach poprzecznych. Do owych komór doprowadzany jest gaz pod niskim ciśnieniem, a odprowadza się z nich gaz w postaci sprężonej. Sprężarki z pierścieniem wodnym występują w postaci  sprężarek pojedynczego i podwójnego działania. Omówiona wyżej wersja dotyczy sprężarek pojedynczego działania tzw. jednokomorowe. Różnica pomiędzy sprężarką pojedynczego a sprężarką podwójnego działania tzw. dwukomorową polega na tym, że w sprężarce dwukomorowej okrągły wirnik znajduje się w kadłubie o eliptycznym kształcie. Dzieli on przestrzeń cylindra na dwie komory pracujące równolegle. Niestety zastosowanie sprężarek z pierścieniem wodnym jest ograniczone, ponieważ sprężony przez nie gaz cechuje się dużą wilgotnością.

1. Pierścień wodny 2. Wirnik łopatkowy 3. Cylindryczny korpus 4. Kanał ssawny 5. Kanał tłoczny

Zasadniczą różnicą w budowie kompresorów klimatyzacji samochodowej jest rodzaj wykorzystanej w nich sprężarki. Sprężarki możemy podzielić na tłokowe, łopatkowe i spiralne. Sprężarki tłokowe dzielą się z kolei na sprężarki o stałej wydajności oraz sprężarki o zmiennej pojemności skokowej. Jaka jest zatem różnica pomiędzy tymi sprężarkami? Pierwsza ze sprężarek tłokowych posiada dwa tłoki wykonujące podczas każdego cyklu dwa suwy -  suw ssania i suw tłoczenia. Podczas suwu ssania w sprężarce o stałej wydajności para czynnika chłodniczego zasysana jest do cylindra za pomocą zaworu niskiego ciśnienia. Początek tłoczenia ma miejsce w momencie, gdy tłok znajduje się w najniższym punkcie. To z kolei powoduje zwiększenie ciśnienia i temperatury czynnika chłodniczego. Gdy ciśnienie granicznego zaworu wysokiego ciśnienia zostaje przekroczone następuje jego otwarcie, po czym sprężona para czynnika przepływa do przewodów od strony wysokiego ciśnienia. Do takich sprężarek należą m.in. Sanden SD709, Nippon Denso 10P15C, Zexel TM-15. Druga ze sprężarek tłokowych, a mianowicie sprężarka o zmiennej pojemności skokowej działa, gdy układ jest wyciszony. W tego rodzaju sprężarkach to zmiana pojemności skokowej reguluje przepływ czynnika chłodniczego. Tłoki napędza skośna krzywa tarczowa o regulowanym kącie nachylenia. Zmiany tego kąta regulowane są przez znajdujący się na sprężarce jednokierunkowy zawór. Mierzy on najczęściej ciśnienie ssania. Sprężarkami o zmiennej pojemności skokowej są np. Sanden SD7V16, Harrison V5, czy Zexel DCW17B.