Współczesna technologia projektowania i produkcji sprężarek, jak również pomp nie analizuje i nie bierze pod uwagę sprężarek lub pomp bez części ruchomych. Tymczasem warto przyjrzeć się temu nowemu rozwiązaniu.

Rys. 3. Sprężarka elektromagnetyczna

Zależnie od zastosowania i przeznaczenia, podstawową funkcją sprężarki jest sprężenie gazu lub innego medium i przetłoczenie go z niskociśnieniowej części układu chłodniczego do części wysokociśnieniowej.
Analizując postęp w rozwoju projektowania i produkcji sprężarek (skoncentrujmy się tylko na sprężarkach, nie zapominając, że poniższa analiza odnosi się również do pomp), zauważymy, że każda nowa generacja sprężarek charakteryzuje się znacznie wyższą sprawnością energetyczną i wyższym poziomem technologicznym. Również każda nowa generacja sprężarek ma mniej części ruchomych od jej poprzedniczki, co zdecydowanie wydłuża ich żywotność i łatwość obsługi.
Na rysunku 1. przedstawione są zmiany w efektywności sprężarek w zależności od konstrukcji. Jak wynika z tego rysunku, każda nowa generacja sprężarek ma wyższą sprawność energetyczną. Analizując budowę dotąd znanych sprężarek, zauważymy również, że każda następna ich generacja posiada mniej części ruchomych, co przedstawiono na rysunku 2. Szukając nowych i przyszłościowych rozwiązań sprężarek, musimy wziąć pod uwagę możliwość zastosowania nowych materiałów, nowych technologii, jak i możliwych do zastosowania nowych czynników chłodniczych.
Jednocześnie musimy pamiętać, że przyszłość sprężarek leży w całkowicie nowym spojrzeniu na ich projektowanie i produkcję. Zwróćmy uwagę na fakt, ile to lat idea sprężarki spiralnej czekała na wprowadzenie do produkcji. Było to związane z zupełnie nową, nieznaną technologią, a sprężarki tłokowe i rotacyjne spełniały wymagania tamtych czasów.
Analizując rysunek 2., zauważymy, że konstrukcja naszej podstawowej sprężarki, tj. sprężarki tłokowej, znanej od dziesiątków lat, z którą mieliśmy do czynienia w przeszłości i będziemy bez wątpienia mieli do czynienia w przyszłości, ma 15 części niezbędnych do sprężenia gazu. W przeciwieństwie do niej, sprężarka spiralna, wprowadzona na rynek przed kilkunastu laty, posiada tylko dwie ruchome części zapewniające sprężenie gazu. Wynika z tego podstawowy wniosek, że sprężarki przyszłościowe nie będą miały części ruchomych. Może to zabrzmieć abstrakcyjnie, ale jak wiemy z przeszłości, abstrakcyjny sposób myślenia prowadzi do rozwoju techniki – w tym przypadku techniki sprężania gazu.

Nowe spojrzenie na projektowanie sprężarek
Poniżej zostanie opisane i przeanalizowane całkowicie nowe spojrzenie na projektowanie sprężarek i ich pracę. Ten całkowicie nowy rodzaj pracy sprężarki będzie polegał na zastosowaniu pola elektromagnetycznego do wymuszania przepływu czynnika chłodniczego, a w niektórych szczególnych przypadkach także na zastosowaniu nanotechnologii. Ten nowy sposób podejścia do projektowania sprężarek, wyeliminuje nie tylko części ruchome, ale również całkowicie usunie olej z obiegu chłodniczego.
Jak wiemy z praktyki, wyeliminowanie oleju zdecydowanie podwyższy sprawność energetyczną układu i jego osiągi. Poza tym, sprężarka bez części ruchomych i bez konieczności smarowania, będzie mogła pracować w każdych warunkach otoczenia, nawet w przestrzeni kosmicznej, gdzie nie ma grawitacji. Sprężarka bez części ruchomych będzie charakteryzowała się ciągłą zmianą natężenia przepływu czynnika chłodniczego pomiędzy 10 proc. (a może i mniej) i 200 proc. tzw. wydajności nominalnej. Bardzo prawdopodobne jest, że w przypadku proponowanej sprężarki bez części ruchomych, pojecie „nominalna wydajność chłodnicza” zaniknie. Projektant systemu chłodniczego będzie dobierał sprężarkę nie według jej tzw. wydajności chłodniczej, lecz według masowego natężenia przepływu czynnika chłodniczego i wymaganych ciśnień. Ta nowa sprężarka da projektantowi instalacji chłodniczej możliwość doboru sprężarki, bazując tylko i wyłącznie na wymaganych parametrach pracy instalacji, a producent sprężarki będzie mógł łatwo wyprodukować nawet jednostkowe ilości sprężarek po bardzo niskich kosztach, gdyż podstawowe elementy sprężarki będą te same.

Wyższość sprężarki bez części ruchomych nad sprężarką standardową
Podstawową funkcją sprężarki chłodniczej (i nie tylko chłodniczej) jest sprężenie czynnika chłodniczego w stanie gazowym do ciśnienia niezbędnego do skroplenia tego czynnika w skraplaczu, który może być chłodzony wymuszonym obiegiem otaczającego powietrza lub wodą. Jednocześnie każda sprężarka chłodnicza musi zapewnić wymagane wydajności chłodnicze układu i masowe natężenie przepływu czynnika chłodniczego. Zanim przejdę do omówienia budowy sprężarki bez części ruchomych, chciałbym krótko omówić niewątpliwe zalety sprężarki bez części ruchomych, które mogą być scharakteryzowane w poniżej wyszczególnionej kolejności:
- żywotność sprężarki będzie praktycznie nieograniczona, ze względu na brak części ruchomych i elementów trących. Żywotność obecnie produkowanych sprężarek wynosi od 12 do 15 lat, w zależności od typu i jej wielkości;
- wyeliminowanie zaworów ssących i tłocznych;
- ciągła bezstopniowa zmiana natężenia przepływu czynnika chłodniczego/wydajności chłodniczej;
- nieposiadająca zaworów ssących i tłocznych sprężarka bez części ruchomych zapewnia szybkie wyrównanie ciśnień w czasie postoju sprężarki, nawet w układzie z zaworem rozprężnym;
- wyeliminowanie części ruchomych i elementów trących pozwala na całkowite wyeliminowanie oleju z układu chłodniczego. Wyeliminowanie oleju spowoduje: # podwyższenie sprawności wymienników ciepła, # podwyższenie sprawności energetycznej systemu chłodniczego, # obniżenie kosztów eksploatacji instalacji chłodniczej, # obniżenie kosztu sprężarki z uwagi na wyeliminowanie oleju smarowego;
- ta sama sprężarka będzie pracować jako: LBP, MBP i HBP, jak również jako HST i LST. W tym przypadku zdecydowanie zmniejszy się ilość modeli sprężarek, a więc produkcja sprężarek i ich dobór będzie prostszy i łatwiejszy;
- ta sama sprężarka będzie mogła pracować z każdego typu zaworem rozprężnym, rurką kapilarną lub każdym innym elementem rozprężnym;
- sprężarka bez części ruchomych będzie mogła pracować w standardowym układzie chłodniczym, w układzie pompy ciepła, jak również z układem odszraniania parownika parami, bez potrzeby rozbudowy automatyki kontrolnej;
- sprężarka bez części ruchomych będzie bardzo tania w produkcji i eksploatacji;
- z uwagi na to, że sprężarka bez części ruchomych nie wymaga smarowania, będzie mogła być użyta w każdych warunkach i niezależnie od grawitacji;
- bezgłośna praca sprężarki;
- nie ulęgająca zniszczeniu w przypadku zalania sprężarki ciekłym czynnikiem chłodniczym.

Jak z powyższej analizy wynika, sprężarki bez części ruchomych będą z pewnością sprężarkami przyszłości. Ich produkcja będzie wymuszona najpierw przez producentów domowych urządzeń chłodniczych, a później przez producentów handlowych urządzeń chłodniczych.

Sprężarka elektromagnetyczna (...)

Inne technologie zwiększania ciśnienia tłoczenia sprężarki (...)

Stanowisko badawcze sprężarki elektromagnetycznej (...)

Wnioski (...)

Zdaję sobie sprawę, że proponowane tu rozwiązanie jest innowacyjne. Miejmy jednak na uwadze fakt, że tempo, w jakim odbywa się postęp techniczny, jak i potrzeba oszczędności energii oraz ochrony środowiska pozwolą, a jednocześnie wymuszą, pracę nad sprężarkami bez części ruchomych. Obecnie znane czynniki chłodnicze z grupy węglowodorów mają najlepsze własności do przetłaczania ich przy użyciu pola elektromagnetycznego. Są również bardzo podatne na zmianę ich własności elektromagnetycznych poprzez jonizację (zmiana ilości atomów wodoru na orbicie zewnętrznej cząsteczki czynnika chłodniczego).
Początkowe zastosowanie sprężarek bez części ruchomych przewiduję w małych (domowych i mniejszych) układach chłodniczych oraz w zastosowaniach specjalnych, np. tam gdzie nie ma grawitacji. Zdaję sobie sprawę, że przekonanie przemysłu do sprężarki elektromagnetycznej bez części ruchomych zajmie trochę czasu, gdyż mało kto lubi zmieniać przyzwyczajenia. Dodatkowy czas jest również potrzebny na przebadanie sprężarki elektromagnetycznej i dobór najlepszego czynnika chłodniczego. W tym przypadku projektant sprężarki powinien bardzo blisko współpracować z fizyko-chemikiem w celu znalezienia najlepszego czynnika chłodniczego. Cały proces może potrwać kilka lat, ale omówiony wyżej kierunek prac badawczych w zakresie nowych sprężarek bez części ruchomych, mam nadzieję, został określony.

LITERATURA
WESOLOWSKI A.:Compressor or pump without moving parts. USA Patent Pending. Nr US 61/454,701. Filing date March 21, 2011.

AUTOR:
Andrzej WESOŁOWSKI