Compresor elicoidal
Un compresor elicoidal este un compresor volumic rotativ, cu rotoare profilate sub forma unor roți dințate cu lobi înclinați.[1][2] Aceste compresoare sunt folosite de obicei în aplicații industriale și înlocuiesc compresoarele cu piston acolo unde sunt necesare debite mai mari de gaz comprimat, de exemplu pentru instalațiile de refrigerare mari, sau pentru acționarea uneltelor cu aer comprimat, cum ar fi ciocanele pneumatice sau cheile de impact. La rotoare de dimensiuni mici, scăpările inerente dintre rotoare devin semnificative. Ca urmare, pentru compresoare mici acest tip de mecanism este mai puțin potrivit decât compresoarele cu piston.
Un compresor elicoidal este identic cu o pompă elicoidală, cu excepția faptului că volumul camerelor dintre lobi se micșorează, comprimând gazul dintre ele. Astfel, forma lobilor rotoarelor unui compresor elicoidal se schimbă pe lungimea rotoarelor, în timp ce la o pompă elicoidală forma lobilor rămâne constantă.
Într-un compresor elicoidal procesul de comprimare a gazului este o mișcare continuă, astfel încât pulsațiile sau fluctuațiile de debit sunt foarte mici față de cele care apar la compresoarele cu piston. Ca urmare, compresoarele elicoidale sunt semnificativ mai silențioase și produc mult mai puține vibrații decât compresoarele cu piston, chiar și la dimensiuni mari. În plus, sunt și eficiente din punct de vedere energetic.
Istoric
[modificare | modificare sursă]Compresorul elicoidal a fost brevetat pentru prima dată în 1878 de Heinrich Krigar în Germania, însă brevetul a expirat fără a fi construit un compresor funcțional.[3][4]
Compresorul elicoidal modern cu lobi elicoidali a fost dezvoltat în Suedia de Alf Lysholm, care era inginerul șef la Ljungstroms Angturbin. Lysholm a dezvoltat compresorul elicoidal în timp ce căuta o modalitate de a rezolva problema pompajului(d) la turbinele cu gaze. Inițial Lysholm a luat în considerare un compresor Roots, dar a constatat că acesta nu putea genera un raport de presiuni suficient de ridicat. În 1935 frații Ljungstrom au brevetat un compresor elicoidal, care ulterior a fost licențiat pe scară largă altor producători. În 1951 Ljungstroms Angturbin AB a fost redenumită Svenska Rotor Maskiner (SRM).[3][5][6]
În 1952 compania de inginerie scoțiană James Howden a utilizat prima mașină de tăiat Holroyd pentru a produce rotoare de compresoare elicoidale, reducând considerabil atât costurile, cât și timpul de fabricație.[3][4]
În 1954 Howden și SRM au dezvoltat împreună primul compresor elicoidal cu injecție de ulei. Injecția uleiului a asigurat atât răcirea, ceea ce a permis rapoarte de presiuni mai mari, cât și eliminarea angrenajelor de sincronizare. Primul compresor de aer elicoidal cu injecție de ulei disponibil comercial a fost introdus în 1957 de Atlas Copco.[3][4]
Vanele fluture au fost dezvoltate de SRM în anii 1950, permițând îmbunătățiri ale controlului debitului, care fusese un factor limitator pentru aplicațiile compresoarelor elicoidale.[3][4]
Rotoarele cu forme diferite („rotoare asimetrice”) au fost brevetate inițial de SRM și ulterior introduse comercial de Sullair în 1969. Introducerea rotoarelor asimetrice a îmbunătățit etanșarea, crescând și mai mult randamentul compresoarelor elicoidale.[3]
Modul de lucru
[modificare | modificare sursă]
Pentru a comprima gazul, compresoarele rotative elicoidale utilizează două rotoare spiralate angrenate foarte strâns. Într-un compresor elicoidal cu funcționare uscată, un angrenaj exterior asigură că rotoarele mamă și tată au o aliniere precisă fără contact,[1] altfel s-ar produce o uzură rapidă. Într-un compresor elicoidal cu injecția de ulei, uleiul închide spațiul dintre rotoare, asigurând atât o etanșare cu lichid, cât și transmițând energie mecanică între rotoare, permițând ca un rotor să fie acționat doar de celălalt.
Gazul este aspirat prin ferestrele de aspirație și este transportat între lobii rotoarelor în mișcare. Rotoarele comprimă gazul, care iese prin ferestrele de refulare aflate la celălalt capăt al rotoarelor. Zona de lucru este volumul dintre lobii rotoarelor mamă și tată. Acest volum este mai mare la capătul dinspre aspirație și scade de-a lungul rotoarelor până la capătul dinspre refulare. La capătul dinspre aspirație lobul tată este mult mai mic decât cel mamă, dar dimensiunile relative își inversează proporțiile de-a lungul lungimilor ambelor rotoare (lobii rotorului tată devin mai mari, iar cei ai rotorului mamă mai mici) până când, la refulare, spațiul dintre fiecare pereche de lobi devine mult mai mic. Această reducere a volumului produce comprimarea gazului înainte de refulare.[6][7]
Eficacitatea acestui mecanism depinde de potrivirea precisă a distanțelor dintre rotoarele spiralate și dintre rotoare și cameră pentru etanșarea camerelor de comprimare. Însă unele scăpări sunt inevitabile și trebuie utilizate viteze mari de rotație pentru a minimiza raportul dintre debitul scăpat și debitul refulat.
Spre deosebire de suflantele Roots, compresoarele elicoidale moderne sunt fabricate cu profile diferite la cele două rotoare: rotorul tată are lobi care se angrenează cu rotorul mamă. De obicei, rotorul tată are mai puțini lobi decât rotorul mamă, astfel încât se rotește mai repede. Inițial, compresoarele elicoidale erau fabricate cu profiluri simetrice ale cavităților rotoarelor, dar versiunile moderne utilizează rotoare asimetrice, forma exactă a rotoarelor făcând obiectul brevetelor.[8]
Dimensiuni
[modificare | modificare sursă]Puterea necesară antrenării compresoarelor elicoidale este dată de obicei în kW (sau CP), debitul în metri cubi normali pe minut (m3N/min), iar suprapresiunea realizabilă în bar. Dimensiunile acestor unități sunt comparabile cu cele ale unui compresor tipic cu două trepte. Pe măsură ce puterea crește, compresoarele elicoidale devin mai eficiente. Un compresor cu piston de 200 kW este un echipament mare, care necesită o fundație specială, spații pentru clădiri și instalatori înalt calificați pentru a amplasa echipamentul. Însă un compresor elicoidal de 200 kW poate fi amplasat într-un atelier obișnuit folosind un stivuitor obișnuit. În industrie, un compresor elicoidal de 200 kW este în general considerat un echipament compact.
Compresoarele elicoidale sunt disponibile în mod obișnuit în gama de 5 până la 500 kW și pot produce debite de aer care depășesc 250 m3N/min. În timp ce presiunea produsă de un compresor elicoidal cu o singură treaptă este limitată la 17 bar, un compresor elicoidal în două trepte poate furniza presiuni de până la 40 bar.
Compresoarele elicoidale tind să funcționeze lin, cu vibrații mici, neavând nevoie de o fundație specializată sau un sistem de montare. De obicei compresoarele elicoidale sunt montate folosind suporturi amortizoare din cauciuc, concepute pentru a absorbi vibrațiile de înaltă frecvență. Acest lucru este valabil mai ales în cazul compresoarelor elicoidale care funcționează la viteze de rotație mari.
Aplicații
[modificare | modificare sursă]Compresoarele elicoidale sunt utilizate în general pentru a furniza aer comprimat pentru aplicații industriale mari, care care au o cerere continuă de aer, cum ar fi fabricile de ambalare a alimentelor și fabricile cu sisteme automate de fabricație, deși un număr suficient de mare de cereri intermitente, împreună cu o oarecare capacitate de stocare, va fi și ea o sarcină continuă adecvată. Pe lângă unitățile fixe, compresoarele elicoidale sunt de obicei montate pe remorci tractate și antrenate de motoare diesel. Aceste sisteme portabile de comprimare sunt de obicei compresoare folosite în construcții. Compresoarele pentru construcții sunt utilizate pentru a furniza aer comprimat ciocanelor pneumatice, uneltelor de nituire, pompelor pneumatice, operațiunilor de sablare și sistemelor industriale de vopsire.
Compresoare uscate
[modificare | modificare sursă]Într-un compresor uscat (fără injecție de apă sau ulei), aerul este comprimat în întregime prin acțiunea rotoarelor, fără ajutorul vreunei garnituri de etanșare. De obicei, acestea realizează o presiune maximă de refulare mai mică. Totuși, compresoarele uscate multietajate, unde aerul este comprimat de mai multe trepte de rotoare, pot atinge presiuni de peste 10 bar și volume de ieșire de peste 50 m3N/min.
Compresoarele uscate sunt utilizate în aplicații în care nu este acceptabilă antrenarea uleiului în gazul refulat, cum ar fi în cercetarea medicală și producerea de semiconductori. Totuși, lipsa uleiului nu exclude necesitatea filtrării, deoarece hidrocarburile și alți contaminanți proveniți din aerul ambiant trebuie și ei eliminați înainte de utilizare. În consecință, pentru a asigura calitatea aerului comprimat este adesea necesară o tratare a aerului identică cu cea de la un compresor elicoidal cu injecție de ulei.
Compresoare cu injecție de ulei
[modificare | modificare sursă]
Într-un compresor elicoidal cu injecție de ulei uleiul este introdus[9] în camerele de comprimare pentru a ajuta la etanșare și a asigura răcirea gazului. Uleiul este separat de gazul refulat, răcit, filtrat și reciclat. Uleiul captează particulele nepolare din gaz, reducând eficient concentrația de particule din gazul comprimat. Este un fapt obișnuit ca o parte din uleiul din compresor să fie antrenat în aval de compresor în fluxul de gaz comprimat. În multe aplicații, acest lucru este rezolvat prin vase de coalescență/filtrare.[10] Uscătoarele de aer comprimat dotate cu cu filtre de coalescență interne reci sunt concepute pentru a elimina mai mult ulei și apă decât filtrele de coalescență aflate în aval de uscătoarele de aer, deoarece, după ce aerul este răcit și umiditatea este îndepărtată, aerul rece este utilizat pentru a răci aerul aspirat, ceea ce reduce încălzirea aerului comprimat. În alte aplicații, acest lucru este remediat prin utilizarea unor rezervoare tampon care reduc viteza locală a aerului comprimat, permițând uleiului să se condenseze, să iasă din fluxul de aer și să fie eliminat din sistemul de aer comprimat prin intermediul echipamentelor de gestionare a condensului.
Compresoarele elicoidale cu injecție de ulei sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații, inclusiv comprimarea aerului, răcirea gazelor, prelucrarea hidrocarburilor și utilizarea energiei din surse de căldură cu nivel termic scăzut.[11][12] Gama dimensiunilor se întinde de la compresoare de aer mici, pentru ateliere, până la compresoare industriale grele, de 8400 kW, cu presiuni de ieșire de până la 60 bar.[13] Noile compresoare de aer elicoidale cu injecție de ulei consumă mai puțin de 5 mg de ulei la 1 m3N de aer comprimat.[14]
Lubrifianți
[modificare | modificare sursă]Uleiul PAG este polialchilen glicol, numit și poliglicol(d). Unele versiuni pot fi folosite în alimentație și sunt biodegradabile. Lubrifianții PAG sunt utilizați de cei mai mari doi producători de compresoare de aer elicoidale din SUA[15] Compresoarele cu injecție de ulei PAG nu sunt utilizate pentru vopsirea prin pulverizare, deoarece uleiul PAG va dizolva multe dintre vopsele. Vopselele din rășină epoxidică bicomponent cu întărire prin reacție sunt rezistente la uleiul PAG.
Poliglicolii nu sunt compatibili cu unsori pe bază de ulei mineral. Un amestec de poliglicoli cu uleiuri minerale are ca rezultat o pastă gelatinoasă și lipicioasă.[15] Unsoarea siliconică tolerează poliglicolii. Unii dintre producătorii de sisteme de control pneumatic aplică unsoare siliconică pe garnituri și în etanșări.[16][17]
Compresoarele lubrifiate cu ulei mineral (dar nu cu ulei PAG) sunt recomandate pentru etanșările care folosec unsori pe bază de uleiuri minerale, cum ar fi la supapele pneumatice de mare viteză cu 4 căi și la cilindrii de aer care funcționează fără lubrifianți cu ulei mineral. Un producător și-a evaluat supapele pneumatice de mare viteză cu 4 căi la o durată de viață de 50 de milioane de cicluri, dacă nu sunt expuse la uleiuri poliglicol.[18]
Uleiul polialfaolefinic (PAO) este compatibil cu unsorile pe bază de ulei mineral.[19]
Compresoare elicoidale conice
[modificare | modificare sursă]Compresorul elicoidal conic, dezvoltat relativ recent, este, de fapt, o variantă spiralată conică a unui compresor volumic la care rotoarele formează un angrenaj interior excentric (orbital). Nu are inerenta fantă între rotoare, prin care, chiar în cazul compresoarelor elicoidale bine proiectate, apar scăpări semnificative prin ansamblu. Acest lucru permite rotoarelor mult mai mici să aibă o eficiență practică, deoarece la dimensiuni mai mici, zona de refulare nu devine o porțiune la fel de mare din zona de transport ca în cazul compresoarelor elicoidale drepte. Împreună cu diametrul descrescător al rotorului în formă de con, acest lucru permite rapoarte de comprimare mult mai mari într-o singură treaptă, cu pulsații de ieșire mai mici.[20]
Scheme de încărcare
[modificare | modificare sursă]Pentru compresoarele elicoidale există mai multe scheme de încărcare, fiecare cu avantajele și dezavantajele sale.[21]

Pornit/oprit
[modificare | modificare sursă]Într-o schemă de încărcare de tip pornit/oprit comenzile compresorului acționează relee care conectează și deconectează alimentarea motorului în funcție de nevoile de aer comprimat. În majoritatea cazurilor, dacă sarcina, intermitentă sau nu, corespunde cu compresorul, este necesar un rezervor de stocare semnificativ; rezervorul de stocare necesar va fi adesea mai mare decât poate da compresorul.[22]
Încărcat/descărcat
[modificare | modificare sursă]Într-o schemă de tip încărcat/descărcat compresorul rămâne în funcțiune continuu. Totuși, atunci când cererea de aer comprimat este satisfăcută sau redusă, în loc să se deconecteze alimentarea compresorului, se folosește o supapă care reduce debitul compresorului până la, de obicei, 25 %, „descărcând” astfel compresorul.[22] Acest regim reduce numărul de cicluri de pornire/oprire pentru motoarele electrice de antrenare în cadrul unei scheme de încărcare de tip pornire/oprire, prelungind durata de viață a echipamentului cu o modificare minimă a costurilor de operare. Atunci când o schemă de tip încărcat/descărcat este combinată cu un temporizator pentru a opri compresorul după o perioadă predeterminată de funcționare continuă fără descărcare, aceasta este cunoscută drept schemă duală. Această schemă de încărcare necesită rezervor de stocare, deoarece există doar două debite de producție. Majoritatea compresoarelor de aer antrenate de motoare diesel utilizează această metodă.
Reglat continuu
[modificare | modificare sursă]În loc să pornească și să oprească compresorul și producerea aerului comprimat să se realizeze intermitent, o supapă de reglare, așa cum este descrisă mai sus, variază continuu debitul în funcție de cerere. Acest lucru produce o presiune de refulare constantă într-o gamă largă de debite cerute, însă consumul total de energie poate fi mai mare decât în cazul unei scheme de tip încărcat/descărcat.[23] Atunci când compresorul este la mers în gol, el poate consuma 70 % din consumul de energie corespunzător sarcinii maxime.
Datorită ajustării limitate a consumului de energie al compresorului în funcție de debitul de aer comprimat refulat, reglarea continuă este o metodă de încărcare în general ineficientă în comparație cu antrenarea cu viteză variabilă. Totuși, la utilizările unde nu este posibilă oprirea și reluarea frecventă a funcționării compresorului, cum ar fi atunci când un compresor este acționat de un motor cu ardere internă și funcționează fără prezența unui recipient de aer comprimat, reglarea continuă este o metodă potrivită. Dacă sarcina nu depășește niciodată capacitatea compresorului, debitul de aer reglabil continuu elimină necesitatea unui rezervor de stocare mare.
Volum de lucru variabil
[modificare | modificare sursă]Utilizată de companiile de compresoare Quincy Compressor, Kobelco, Gardner Denver, Kaishan USA și Sullair, metoda cu volum de lucru variabil modifică procentul din lungimea rotoarelor care funcționează pentru a comprima aerul, permițând fluxului de aer să ocolească porțiuni ale rotoarelor. Deși acest lucru reduce consumul de energie în comparație cu o schemă de reglare continuă, un regim încărcat/descărcat poate fi mai eficient împreună cu un rezervor de stocare mare (uzual cu un volum de 10 ori debitul pe minut). Dacă un rezervor de stocare mare nu este practic, un sistem cu volum de lucru variabil poate fi foarte eficient, în special la mai mult de 70 % din sarcina maximă.[24]
O modalitate prin care se poate realiza un debit variabil este prin utilizarea mai multor supape la aspirația compresorului, fiecare fiind situată într-o poziție corespunzătoare refulării. În cazul supraalimentării automobilelor acest lucru este analog cu funcționarea unei supape de ocolire.
Turație variabilă
[modificare | modificare sursă]În timp ce un compresor de aer antrenat cu viteză variabilă poate oferi cel mai mic cost energetic de funcționare fără vreo reducere apreciabilă a duratei de viață față de un compresor în regim încărcat/descărcat întreținut corespunzător, dacă cererea de aer este constantă, un invertor cu frecvență variabilă pentru o antrenare cu viteză variabilă adaugă de obicei un cost semnificativ la un astfel de compresor, reducând beneficiile sale economice față de un compresor cu regim încărcat/descărcat dimensionat corespunzător. Totuși, antrenarea cu viteză variabilă oferă o relație aproape liniară între consumul de energie al compresorului și debitul de aer, permițând cea mai eficientă funcționare pe o gamă foarte largă de debite de aer. Compresorul va trebui în continuare să intre în modul de pornit/oprit pentru o cerere foarte mică, deoarece eficiența scade rapid la debite mici din cauza scăpărilor printre rotoare. În medii dure (fierbinți, umede sau cu praf), pentru a avea durata de viață așteptată componentele electronice ale acționărilor cu viteză variabilă pot necesita protecție.[25]
Suflante de supraalimentare
[modificare | modificare sursă]
Suflantele elicoidale sunt cunoscute ca suflante Lysholm, dpă inventatorul lor, Alf Lysholm.[26] La tipul Whipple rotorul tată are trei lobi, iar cel mamă cinci lobi. la tipul Kenne-Bell rotorul tată are patru lobi, iar cel mamă șase lobi. Prin comparație, suflantele Roots au întotdeauna același număr de lobi la ambele rotoare, de obicei 2, 3 sau 4.
Avantaje comparative
[modificare | modificare sursă]Suflanta elicoidală are scăpări reduse și pierderi parazite reduse față de tipul Roots. Suflanta este de obicei antrenată direct de arborele cotit al motorului printr-o curea sau angrenaj. Spre deosebire de suflantele Roots, suflantele elicoidale au comprimare internă (în interiorul carcasei) pe măsură ce aerul trece prin dispozitiv, în loc să se bazeze pe presiunea din aval de refulare pentru a comprima aerul.[27]
Cerința ca prelucrarea să se facă pe mașini de înaltă precizie cu comandă numerică face ca suflanta elicoidală să fie mai scumpă față de cele pentru alte forme de supraalimentare.
Companii precum Ford, Mazda, Mercedes și Mercury Marine folosesc pentru supraalimentarea motoarelor suflante elicoidale, datorită caracteristicilor lor. Deși unele turbosuflante sunt potrivite și fiabile, de obicei acestea nu asigură o supraalimentare completă până aproape de turația maximă a motorului, în timp ce suflantele Roots și cele elicoidale oferă o supraalimentare imediată la orice sarcină. În plus, suflantele elicoidale pot menține o supraalimentare rezonabilă la turații mai mari mai bine decât alte suflante volumice.
Note
[modificare | modificare sursă]- 1 2 Bazil Popa (coord.) ș.a., Manualul inginerului termotehnician, vol. II, București: Editura Tehnică, 1986, pp. 285–286
- ↑ Negru, 1986, p. 82
- 1 2 3 4 5 6 en Brown, Royce N (martie 1997). Compressor Sizing and Selection. Gulf Professional Publishing. pp. 95–96. ISBN 0-88415-164-6.
- 1 2 3 4 en Laing, P O (martie 1968). „The place of the screw compressor in refrigeration”. Paper Presented to the IMechE Grimsby Branch. Institution of Mechanical Engineers (IMechE).
- ↑ en Meher-Homji, Cyrus B (). „The Historical Evolution of Turbomachinery”. Proceedings of the 29th Turbomachinery Symposium. American Society of Mechanical Engineers (ASME).
- 1 2 Negru, 1986, p. 83
- ↑ en Fundamentals of natural gas processing.
- ↑ en Stosic, Nikola; Smith, Ian K; Kovacevic, Ahmed; Mujic, Elvedin. „Geometry of screw compressor rotors and their tools” (PDF). Centre for Positive Displacement Compressors, City University London. Accesat în .
- ↑ en Workflow - oil injected air compressor
- ↑ en Technical Centre Discusses oil-flooded screw compressors including a complete system flow diagram.
- ↑ en Abdan, S; Basha, N; Kovacevic, A; Stosic, N; Birari, A; Asati, N (). „Development and Design of Energy Efficient Oil Flooded Screw Compressors”. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 604 (1). Bibcode:2019MS&E..604a2015A. doi:10.1088/1757-899X/604/1/012015
. ISSN 1757-8981. - ↑ en Fujiwara, M; Osada, Y (). „Performance analysis of an oil-injected screw compressor and its application”
. International Journal of Refrigeration. 18 (4): 220–227. doi:10.1016/0140-7007(95)00008-Y. ISSN 0140-7007. - ↑ en „Compressors Sourcing Supplement 2019”. Compressor Tech Two. . ISSN 1085-2468.
- ↑ en „BCAS - Not Published”. www.bcas.org.uk.
- 1 2 en „Polyalkylene Glycol Synthetic PAG Oil Explained”. www.machinerylubrication.com.
- ↑ en IMI Norgren, Assembly Greases, accesat 2026-05-11
- ↑ en MOLYKOTE® 44 Light High Temperature Grease, accesat 2026-05-11
- ↑ en Parker Pneumatic Division, accesat 2026-05-11
- ↑ en IKV Group. „PAO Oils”.
- ↑ en Dmitriev, Olly; Tabota, Eugene; Euring, Ian Arbon; Fimeche, Ceng (). „A miniature Rotary Compressor with a 1:10 compression ratio”. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 90. doi:10.1088/1757-899X/90/1/012055
. - ↑ Negru, 1986, pp. 94-95
- 1 2 Negru, 1986, p. 99
- ↑ Negru, 1986, pp. 95–99
- ↑ en „Improving Compressed Air System Performance” (PDF). Arhivat din original (PDF) la . Accesat în .
- ↑ en „Compressors | The full benefits of VSD compressors - Part II | Plant Services”. Arhivat din original la . Accesat în .
- ↑ en „LysholmArticle”.
- ↑ en Twin Screw vs. Roots supercharging Arhivat în , la Wayback Machine., Kenne Bell
Bibliografie
[modificare | modificare sursă]- Liviu Dan Negru, Compresoare volumice rotative (curs), Timișoara: Litografia IPTVT, 1986
Legături externe
[modificare | modificare sursă]
Materiale media legate de compresor elicoidal la Wikimedia Commons