Sprężarka jednośrubowa, podobnie jak sprężarka tłokowa, większość energii zużywa na sprężenie czynnika, a tylko niewielka ilość energii jest zużywana na opory własne sprężarki.

Rys. 1. Sprężarka półhermetyczna jednośrubowa J&E Hall

Sprężarki dwuśrubowe i jednośrubowe – różnice
Oprócz sprężarek dwuśrubowych produkowane są też sprężarki jednośrubowe (rys. 1.). Sprężarka jest wtedy wyposażona tylko w jedną śrubę umieszczoną centralnie. Po bokach śruby znajdują się dwie gwiazdy, których zdaniem jest zamykanie przestrzeni sprężania sprężarki. Gwiazdy są wykonane z materiałów kompozytowych, a ich trwałość wynosi 25 tys. godzin. Jest to długi czas, tym bardziej, jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że przy tych sprężarkach serwis olejowy również przeprowadzamy co 25 tys. godzin pracy. Co wpływa na tak dużą żywotność oleju, a co za tym idzie, dużą żywotność sprężarek jednośrubowych?
Zanim to wyjaśnimy, spójrzmy na serce tych sprężarek. Na rysunku 2. pokazano śrubę wraz z gwiazdami. Śruba ma płaską powierzchnię zewnętrzną, która obraca się w cylindrze. Jak pamiętamy, w sprężarkach dwuśrubowych odległość między śrubą a cylindrem jest niewielka, a na ściance cylindra utrzymuje się film oleju, który zapewnia ograniczone tarcie. Odległość między cylindrem a śrubą jest na tyle niewielka, że brak filmu oleju powoduje zatarcie sprężarki dwuśrubowej. Dokładność wykonania śruby gwarantuje bardzo dużą gładkość powierzchni, co zmniejsza tarcie i ryzyko uszkodzenia cylindra i samej śruby. Również cylinder sprężarki jest wykonany w sposób zapewniający dużą gładkość powierzchni.
W przypadku sprężarki jednośrubowej sprawa wygląda inaczej. Powierzchnia śruby nie tylko nie jest gładka, ale wręcz specjalnie chropowata. Na rysunku 3. widzimy w dużym powiększeniu powierzchnię śruby. Jak widać, cała powierzchnia zewnętrzna pokryta jest małymi dziurkami. Są tam tylko w jednym celu – by na powierzchni śruby był olej. W sprężarkach jednośrubowych na cylindrze sprężarki nie jest tworzony film oleju. Olej też nie jest elementem zmniejszającym tarcie. Odległość między powierzchnią śruby a cylindrem jest na tyle duża, że w przypadku braku oleju nie dojdzie do uszkodzenia. Olej na powierzchni śruby odpowiada za uszczelnienie, więc jego brak spowoduje wyłącznie brak szczelności sprężarki, a więc brak jej wydajności. Ponieważ olej nie służy do smarowania, a jedynie do uszczelniania powierzchni cylindra i śruby, jego zużycie jest dużo niższe niż w sprężarkach dwuśrubowych. Jest to związane przede wszystkim z faktem, że w czasie uszczelniania olej nie nagrzewa się tak intensywnie, jak w przypadku smarowania. Nagrzewanie się oleju jest stopniowe i równomierne, a w przypadku typowego filmu olejowego jest ono bardzo intensywne w punkcie styku śruby i cylindra. Budowa sprężarki jednośrubowej eliminuje również film olejowy na powierzchni czoła śrub, bo powierzchnia ta nie spełnia wymagań smarowania i uszczelnienia. Jedynym miejscem styku dwóch współpracujących elementów na tyle blisko siebie umieszczonych, by był potrzebny film olejowy, są gwiazdy uszczelniające. Wykonanie tych elementów z materiałów kompozytowych zapewnia im nie tylko długą żywotność, ale też zmniejszone tarcie. Dzięki temu również w tym miejscu olej spełnia głownie zadanie uszczelnienia, a nie smarowania.
Olej służy nie tylko do smarowania i uszczelniania, ale też do chłodzenia łożysk sprężarek. Na rysunku 4. widzimy, jakie siły działają na łożyska sprężarki dwuśrubowej w trakcie pracy. Sprężany czynnik odpycha od siebie śruby na zewnątrz. Równocześnie wzajemne działanie na siebie, jak również sprężanie czynnika powoduje, że śruby chcą się „wykręcić” z korpusu sprężarki. Siły te zaznaczone są strzałkami z ostrymi grotami. Białe strzałki pokazują ssanie czynnika, a czarne – jego tłoczenie.

Rys. 2. Śruba i gwiazdy sprężarki jednośrubowej

Dodatkowym utrudnieniem jest brak miejsca. Wiadomo, że im większa średnica łożyska, tym większe obciążenia może przenosić. Niestety, łożyska jednej i drugiej śruby muszą się zmieścić koło siebie, a konieczność przenoszenia tak dużych obciążeń powoduje, że stosuje się nie jedno łożysko, ale zespół łożysk – na każdą śrubę oddzielnie. Mimo wszystko, łożyska są znacznie obciążone i wymagają ciągłego smarowania oraz chłodzenia. Praca łożysk też ma więc wpływ na żywotność oleju. Brak doprowadzenia oleju do sprężarki dwuśrubowej lub nawet jego znaczne zużycie i utrata właściwości smarnych powoduje też, pomijając uszkodzenie śrub i gładzi cylindra, uszkodzenie pnia chłodzonych łożysk. Musimy pamiętać, że brak oleju nie powoduje utraty wydajności sprężarki dwuśrubowej, a w czasie jej pracy na sucho, jest cały czas sprężany.
Jak to wygląda w przypadku sprężarki jednośrubowej? Na rysunku 5. pokazano siły, które działają w tego typu sprężarce w czasie pracy. Jak widać, wszystkie siły, działające na śrubę, wzajemnie się równoważą. Dzięki temu łożyska nie są obciążone i nie ma potrzeby stosowania dużych łożysk. A jeżeli nawet byłaby taka potrzeba, nie mamy żadnych ograniczeń w ich średnicy, ponieważ nie mamy w sprężarce jednośrubowej konieczności stosowania koło siebie dwóch łożysk, które wzajemnie ograniczałyby swoją średnicę maksymalną. Dzięki temu olej też nie jest aż tak nagrzewany, jak w przypadku sprężarek dwuśrubowych. Co by się stało, gdyby zabrakło oleju do smarowania i chłodzenia łożysk? Łożyska by się przegrzały? Nie, ponieważ, jak już wspomnieliśmy, sprężarka bez oleju nie ulega zatarciu i zniszczeniu, ani też nie zwiększają się opory jej pracy, lecz przeciwnie – sprężarka zaczyna pracować jałowo, przez co i łożyska nie są w żaden sposób obciążone i nie przegrzewają się. To wszystko wpływa na przedłużoną tak znacznie eksploatację sprężarek jednośrubowych bez wymiany oleju.
Musimy jednak pamiętać, że praca bez oleju nie może trwać wiecznie, a wszelkie tego typu anomalie powinny być wychwycone przez aparaturę kontrolno- pomiarową lub obsługę urządzenia, a sama sprężarka powinna zostać wyłączona. W sprężarce dwuśrubowej brak oleju zawsze zostawia ślady zwiększonego zużycia, a często może zniszczyć sprężarkę, zanim system zabezpieczeń ją zatrzyma. Zniszczenie sprężarki może nastąpić nawet już po odłączeniu zasilania, ale w trakcie jeszcze obrotów śrub spowodowanych ich bezwładnością. W sprężarce jednośrubowej nie ma tego ryzyka i jest możliwa nawet jej dłuższa praca.

Rys. 5. Siły działające w sprężarce jednośrubowej

Sprężarka jednośrubowa – zasada działania
Czas omówić zasadę działania sprężarki jednośrubowej. Na rysunku 6. przedstawiono trzy etapy sprężania. Widzimy na nim tylko jedną stronę śruby, ale analogiczny proces odbywa się po drugiej stronie, dzięki czemu siły działające na śrubę i łożyska wzajemnie się znoszą. Na pierwszej części rysunku widzimy etap zasysania czynnika. Czynnik jest zasysany zgodnie ze strzałkami do przestrzeni ograniczonej jednostronnie przez gwiazdę B, a napełniona przestrzeń między zwojami jest zaznaczona na żółto. Po drugiej stronie odbywa się identyczne napełnienie przestrzeni między zwojami, z tym że przestrzeń jest ograniczona gwiazdą A. Na tym etapie gwiazdy uszczelniają i zamykają przestrzeń swoją górną powierzchnią, nie przygotowaną do sprężania czynnika. Na gwiazdy też nie działa czynnik zasysany, ale ciśnienie tłoczenia, panujące po drugiej stronie powierzchni gwiazd. W drugim etapie przestrzenie napełnione czynnikiem zostają zamknięte przez gwiazdy. Widoczna przestrzeń, zaznaczona żółtym kolorem, zostaje zamknięta przez gwiazdę A, a przestrzeń po drugiej stronie śruby przez gwiazdę B. W tym momencie gwiazdy rozpoczynają proces sprężania czynnika, a na ich powierzchnie działają siły od strony, która odpowiada za zamknięcie i uszczelnienie przestrzeni sprężania. Po zamknięciu górnej przestrzeni przez gwiazdę A, przestrzeń sprężania zostaje otwarta przez śrubę B po stronie tłoczenia. W trzecim etapie czynnik zaznaczony na żółto jest sprężany przez gwiazdę A i przetłaczany na stronę wysokiego ciśnienia. Warto zwrócić uwagę na jeszcze jeden drobny szczegół - po zatrzymaniu sprężarki nie mamy efektu obrotu śruby w przeciwną stronę, jak to ma miejsce w sprężarkach dwuśrubowych. Eliminuje to konieczność montażu zaworu zwrotnego na tłoczeniu sprężarki (choć i tak warto go zamontować) oraz nie powoduje niebezpiecznego wirowania śrub w przeciwnym kierunku. Jak wiemy, sprężarki dwuśrubowe mogą ulec uszkodzeniu w trakcie ruchu śrub w przeciwnym kierunku wirowania i to nie tylko w przypadku włączonego silnika (złe podłączenie silnika powoduje zmianę kierunku obrotów silnika elektrycznego), ale też w trakcie swobodnego obrotu śrub, spowodowanego przepływem czynnika ze strony wysokiej na niską.
Na zakończenie opisu budowy sprężarek jednośrubowych należy wspomnieć jeszcze tylko o jednym rozwiązaniu. Sprężarki jednośrubowe są produkowane nie tylko w wersji z dwoma gwiazdami, ale można też spotkać sprężarki małej mocy z jedną gwiazdą. Obniża to koszty produkcji sprężarki, ponieważ koszt gwiazdy wykonanej z materiału kompozytowego jest wysoki. Dzięki zastosowaniu jednej gwiazdy obniża się też wydajność sprężarki, co powoduje, że sprężarki jednośrubowe są dostępne już dla mniejszych wydajności. Ten typ sprężarek jednośrubowych traktujmy jednak raczej jako ciekawostkę i w miarę możliwości stosujmy jednak sprężarki jednośrubowe z dwoma gwiazdami, chociaż koszt ich produkcji jest wyższy.

Rys. 11. Schemat linii olejowej dla sprężarki śrubowej bez zabudowanego odolejacza

Regulacja wydajności sprężarek jednośrubowych (...)

Linie olejowe sprężarek śrubowych (...)

Zespoły wielosprężarkowe (...)

Agregaty sprężarkowe (...)

Rys. 17. Schemat linii wyrównania oleju dla sprężarek kompaktowych pracujących w parze na jednej instalacji

Sprężarki śrubowe ze zintegrowanym odolejaczem (kompaktowe)
Na koniec wrócimy jeszcze do sprężarek śrubowych, wyposażonych w zintegrowany odolejacz (rys. 1. i 4. z poprzedniego artykułu oraz 16.). Jak już wspomnieliśmy, sprężarki te są przewidziane do pracy na krótkich, kompaktowych instalacjach, najczęściej z jedną sprężarką w układzie chłodniczym. Agregaty sprężarkowe z odolejaczem możemy łączyć w dowolnie duże układy, a tu przecież mamy do czynienia ze sprężarką z odolejaczem, czyli prawie to samo. Jak mówi jedna ze znanych reklam, prawie robi sporą różnicę. Odolejacz stosowany w tych sprężarkach ma dużo mniejszą skuteczność, niż odolejacze centralne oraz odolejacze stosowane w agregatach sprężarkowych. Spora część oleju krąży więc w całym układzie, a nie tylko w układzie linii olejowej. Druga kwestia to ilość oleju. W odolejaczach stosowanych w agregatach sprężarkowych znajduje się bardzo duży bufor olejowy, który pozwala na bezpieczną pracę sprężarki, bez ryzyka braku oleju. Dodatkowo na linii olejowej znajdują się czujniki przepływu oleju, a w odolejaczu czujniki poziomu oleju. W przypadku śrubowych sprężarek kompaktowych (tak też są nazywane sprężarki ze zintegrowanym odolejaczem) odolejacz ma dużo niższy bufor oleju. Wprawdzie w odolejaczu znajdują się czujniki poziomu, jednak konstrukcja sprężarki zakłada, że olej będzie wracał do sprężarki ssaniem, po przebyciu krótkiej instalacji chłodniczej. Cała linia olejowa jest zabudowana wewnątrz sprężarki i z tego powodu nie mamy informacji o prawidłowym przepływie oleju. Zastosowanie zewnętrznych chłodnic oleju jest bardzo rzadkie w tego typu sprężarkach, ponieważ są one wykorzystywane w aplikacjach klimatyzacyjnych, a tam olej najczęściej nie wymaga chłodzenia. A brak chłodnicy powoduje, że nie jest wykonywana dodatkowa linia olejowa z dodatkowym czujnikiem przepływu. Sprężarki kompaktowe nie mają również wejścia do automatycznego uzupełniania oleju. Tego typu sprężarki nie mogą pracować wspólnie w jednej instalacji. Każda sprężarka musi pracować na oddzielnym, niezależnym, układzie chłodniczym. Praca dwóch sprężarek tego typu w jednym układzie powoduje, że jedna sprężarka „podbiera” olej drugiej sprężarce, szczególnie w czasie postoju tej drugiej. By w takim układzie nie zabrakło oleju w czasie pracy, układy są przepełniane olejem. W efekcie w instalacji znajduje się nawet kilkukrotnie większa od potrzebnej ilość oleju. Przy mniejszej ilości oleju po prostu co jakiś czas brakuje oleju w jednej ze sprężarek i czujnik poziomu wyłącza sprężarkę z pracy. Przepełnienie instalacji olejem jest jednak niebezpieczne, szczególnie dla sprężarek dwuśrubowych. Nadmiar oleju osadza się w instalacji, zmniejszając jej wydajność i zwiększając zużycie prądu.
Ale nie to jest największym niebezpieczeństwem. Nadmiar oleju może, szczególnie w instalacjach z impulsowymi lub silnikowymi zaworami rozprężnymi, w olbrzymiej masie zostać nagle zassany przez sprężarkę z parownika, co zawsze powoduje nieodwracalne uszkodzenia sprężarki, a najczęściej kończy się jej całkowitym uszkodzeniem. Zassany olej dostaje się między śruby, powodując ich rozepchnięcie. Olej nie jest tak ściśliwy, jak czynnik w stanie gazowym, więc i rozepchnięcie śrub jest większe niż w czasie normalnej pracy. W efekcie ulegają zniszczeniu śruby i uszkodzona zostaje gładź cylindrów. Uszkodzeniu mogą ulec też silnik elektryczny i łożyska sprężarki. Po takim uszkodzeniu naprawa sprężarki jest kosztowna, a w większości przypadków nieopłacalna, ze względu na konieczność wymiany śrub sprężarki i jej korpusu. Ograniczenie naprawy do jako takiego spasowania śrub i cylindrów powoduje, że taka sprężarka traci bardzo dużo z wydajności, a zużycie energii wzrasta, ze względu na zwiększone opory własne sprężarki. Należy zatem zapamiętać, że każda sprężarka śrubowa kompaktowa powinna pracować na samodzielnej, indywidualnej i krótkiej instalacji chłodniczej. Niedopuszczalne jest łączenie tych sprężarek w zespoły składające się z trzech i więcej sprężarek na jednej instalacji chłodniczej. Dlaczego trzech? Ponieważ jest dopuszczalne łączenie tych sprężarek po dwie na jednej instalacji. Trzeba jednak wykonać specjalną linię olejową wyrównania oleju między sprężarkami.
Na rysunku 17. mamy pokazany schemat takiego rozwiązania. Na sprężarce C1 znajduje się czujnik poziomu oleju w odolejaczu L1. Gdy poziom oleju jest za niski, odpowiedni impuls idzie do sterownika OLC. Sterownik OLC decyduje o uzupełnieniu oleju w sprężarce C1. Z króćca poboru oleju z odolejacza R2 sprężarki C2 olej jest przekazywany na ssanie sprężarki SV1. Ilość oleju jest dozowana za pomocą zaworu elektromagnetycznego V1 sterowanego sterownikiem OLC. W ten sposób zostaje uzupełniony poziom oleju w sprężarce C1. Jeżeli brak oleju zostanie stwierdzony w sprężarce C2 za pomocą czujnika poziomu L2, sterownik OLC otworzy elektrozawór V2, dzięki czemu olej zostanie pobrany ze sprężarki C1 przez spust R1 i podany na ssanie sprężarki SV2. Jeżeli w obu odolejaczach będzie za niski poziom oleju, sterownik OLC wyłączy obydwie sprężarki. Ponowne uruchomienie będzie możliwe po uzupełnieniu oleju w sprężarkach.
Rozwiązanie takie możemy stosować tylko w niektórych sprężarkach, ponieważ nie wszyscy producenci zgadzają się na takie łączenie sprężarek kompaktowych. Nie wszystkie sprężarki kompaktowe posiadają też odpowiednie króćce i przyłącza, by można było wykonać takie połączenie. Należy też pamiętać, że również w tym przypadku sprężarki mogą pracować tylko na krótkich instalacjach chłodniczych, najczęściej zawartych w obrębie jednego urządzenia, np. agregat do schładzania cieczy. Wielokrotnie możemy spotkać się z instalacjami z dwiema sprężarkami kompaktowymi, pracującymi na wspólnej instalacji, ale zwróćmy uwagę, że, niestety, najczęściej nie mają one systemu wyrównania oleju. I jest to błąd popełniany nie tylko przez instalatorów, ale też niektórych producentów zespołów sprężarkowych. Pamiętajmy, że takie rozwiązanie jest nieprawidłowe i prędzej czy później spowoduje zniszczenie sprężarek.
Artykuł ten nie wyczerpuje tematu. W kolejnym przybliżymy układy regulacji wydajności, oparte na automatyce zamontowanej poza sprężarką, które skutecznie regulują wydajnością parownika, nawet w przypadku stałej wydajności sprężarki.