Mazání vzduchových kompresorů M. Klimeš Počítačová podpora konstruování, Vysoké učení technické Brno, Technická 2, Brno 616 69, Česká republika
Mazání vzduchových kompresorů je jedním z nejdůležitějších aspektů při jejich provozování. Správná a bezporuchová funkce kompresoru záleží na vhodností a kvalitě zvoleného oleje pro daný typ kompresoru. Se zlepšující se kvalitou a výkonností olejů pro mazání vzduchových kompresorů a s rozvojem moderních výrobních technologii se mění i používané konstrukce kompresorů. Dříve se používaly v hojné míře pístové vzduchové kompresory a pro jejich mazání byly použity minerální oleje, ale postupem času byly minerální oleje nahrazovány syntetickými a pístové kompresory vytlačovány rotačními kompresory.
1. ÚVOD Tlakový vzduch je v průmyslu velmi oblíbeným a široce používaným médiem pro přenos energie [1]. Proto je velmi důležité, aby jeho výroba byla co nejvíce efektivní a přitom šetrná k přírodě. Tlakový vzduch je vyráběn v kompresorech, jichž se týká tento článek a to především jejich mazání a olejům které se ve vzduchových kompresorech používají. Z důvodu širokého používání tlakového vzduchu v průmyslu prošla technologie výroby tlakového vzduchu vývojem a je stále zdokonalována. Proto také existuje široké spektrum vzduchových kompresorů. První vzduchové kompresory které lidé používali, byly lidské plíce. Stlačený vzduch byl primitivními lidmi foukán do žhavého popela a tím zažehli oheň. Zdravé lidské plíce jsou schopny produkce 0.1m3/min a stlačit ho na tlak 0.08bar. Lidské plíce jsou také považovány za nejspolehlivější a na údržbu nejméně náročné kompresory. Ve středověku se objevily první mechanické kompresory, které byly ručně poháněné kožené měchy [3]. Později se objevily první mechanické kompresory – byly to kožené měchy ručně stlačované. Dnešní ruční měchy vypadají jako na obrázku 1.
http://www.ecompressedair.com
Obr. 1.
Dále vedl vývoj k účinnějším nožním měchům a to kolem roku 1500 p.n.l. Ruční a nožní měchové kompresory, společně s kompresory pohaněnými vodním kolem poskytovaly stlačený vzduch více než dva tisíce let než se objevil první pístový kompresor, ten byl zkonstruován v roce 1762 a byl schopný dodat tlak 1bar. Při budování Alpského tunelu Mt. Cenis v roce 1857 byl porve použit stlačený vzduch ve velkém měřítku. Kompresory byly umístěny na obou stranách tunelu a byl z nich rozváděn stlačený vzduch k vrtačkám a sbíječkám[3]. Ještě v 80. letech byly pro výrobu tlakového vzduchu používány převážně pístové kompresory. Souviselo to s jejich konstrukční a technologickou příbuzností se spalovacími motory.
Všechny kompresory mají čtyři hlavní základní podmínky.
dosaženo když teplota stlačeného vzduchu která opouští mezichladič je stejná jako na vstupu do kompresoru. Aby bylo dosaženo minimálního příkonu pro kompresor je důležité, aby procento stlačení bylo stejné přes všechny stupně. Někdy je obtížné zařídit dokonalé chlazení, protože výměníky tepla jsou drahé a nebo je voda nedostupná. Mezistupňový chladič chladí vzduch na 9 – 12°C pod teplotu okolního vzduchu. Výběr nejlepšího počtu kompresních stupňů závisí na provozním tlaku a na požadované výkonnosti[3].
2.1. Rozdělení do stupňů
2.3. Zdvihový objem kompresoru a objemová účinnost
S rozvojem moderních výrobních technologii a to především CNC strojů a s příchodem nových konstrukčních materiálů se velmi rozšíříly rotační kompresory. Jejích podíl na trhu se stale zvyšuje pro jejich dobré vlasnosti [1]. 2. PRINCIP KOMRESORŮ
Během kompresního procesu se zvyšuje teplota a tlak, jak je patrno z obrázku 2. Toto je známo jako polytropická komprese.
Teoreticky se kapacita kompresoru rovná zdvihovému objemu nebo množství vzduchu nasátého do kompresního prostoru. Reálná kapacita kompresoru je však snižována poklesem tlaku na vstupu, předehřátím nasávaného vzduchu, netěsnostmi a expanzí vzduchu v kompresním prostoru. Objemová účinnost je procento z dodávaného množství lomeno zdvihovým objemem[3]. 2.3. Měrná spotřeba energie
http://www.ecompressedair.com
Obr. 2
Kompresory jsou rozděleny do stupňů pro snížení teplot a dosažení lepší kompresní účinnosti. Teplý vzduch je při opouštění předcházejícího stupně chlazen než vstupuje do dalšího stupně. Tento chladící proces se nazývá mezistupňové chlazení. S vícestupňovou kompresí se také zvyšuje objemová účinnost[3]. 2.2. Mezistupňové chlazení Výměník tepla nebo mezistupňový chladič se používá pro ochlazení vzduchu mezi jednotlivými stupni. Mezichladič je chlazen buď vzduchově nebo kapalinou (vodou). Dokonalého mezichlazení je
Měrná spotřeba energie je definována jako podíl vstupního výkonu dodávaného na klikový hřídel ku dodávanému množství vzduchu[3]. 3. DRUHY KOMPRESORŮ Nyní se kompresorová technologie rozděluje do dvou základních skupin. Na pístové kompresory a na rotační kompresory. Tyto skupiny se dále dělí jak je vidět z obrázku 3[3]. Tento obrázek dělí kompresory ještě na dynamické, ale ty nejsou obsahem tohoto článku, proto se jimi nebudeme zabývat.
Veškerá komprese se uskutečňuje nad pístem. Jednočinné pístové kompresory se dělají buď jako jednostupňové nebo více stupňové a jsou chlazeny buď vzduchem nebo kapalinou (vodou).
http://www.ecompressedair.com
Obr. 3
3.1. Pístové kompresory Pístové kompresory byly první moderní vzduchové kompresory. Tyto kompresory využívají pohybu pístu ke stlačení nízkotlakového vzduchu na vysokotlaký. Používají se buď jako jednočinné nebo dvojčinné. Každé z těchto uspořádání využívá různé rozvržení válců[3]. 3.1.1. Jednočinné pístové kompresory Tento typ vzduchových kompresorů využívá v podstatě stejné součástky jako spalovací motor ( píst, kliková hřídel,…) jak je vidět na obrázku 4. Plant Engineering magazine
Obr. 4.
Jednočinné kompresory jsou mazány dvěma způsoby. Buď tlakově olejovým čerpadlem a nebo rozstřikem. Tlakové mazání se hodí spíše pro stálé zatížení kompresor, zatímco mazání rozstřikem je vhodnější pro střídavé zatížení. Jednočinné pístové kompresory jsou dostupné ve třech možných konstrukcích, buď jako mazané, nemazané a málo mazané[3]. 3.1.2. Dvojčinné pístové kompresory Tato konstrukce pístového kompresoru využívá dvojčinný píst ( komprese probíhá na obou stranách pístu ). Tyto kompresory jsou dostupné v provedení jednoválcovém, víceválcovém a v uspořádání jednostupňovém nebo vícestupňovém jak je vidět na obrázku 5. Jednoválcový jednostupňový a dvouválcový dvoustupňový jsou nejběžněji používané typy těchto kompresorů. Tyto kompresory jsou nejčastěji chlazeny vodou nebo vzduchem. Mazání kompresorů je zajištěno tlakovým čerpadlem. Jsou navrženy pro stálou činnost[3]. http://www.ecompressedair.com
Obr. 5.
3.2. Rotační kompresory 3.2.1. Rotační šroubové kompresory 3.2.1.1. Mazané rotační kompresory Rotační šroubové kompresory jsou nejvíce aplikované v průmyslovém provozu a to v rozsahu od 30kW do 370kW. Vyrábějí se buď mazané nebo nemazané varianty kompresorů. Jejich široké použití je zapříčiněno jejich jednoduchou konstrukcí, jednoduchou instalací, klidným chodem, malým nárokům na údržbu, dlouhé životnosti a dostupné pořizovací ceny. Srdce mazaného rotačního šroubového kompresoru tvoří komprimační jednotka. Ta se skládá ze dvou spirálových rotorů umístěných uvnitř statoru. Každý rotor má svá ložiska která zachycují jak axiální tak radiální síly. Mazací olej je vstřikován přímo do kompresního prostoru válců, aby utěsňoval rotory a ochlazoval stlačený vzduch. Toto chlazení dovolí stlačiv vzduch až na 13.8bar při jednostupňovém uspořádání. Znázornění takového kompresoru je na obr. 6.
Během normální činnosti kompresoru je okolní vzduch nasáván přes vzduchový filtr do rotorů. Vstupující vzduch je smíchán s olejem. Tato směs je stlačena a dále je odvedena do olejového odlučovače. Olejový odlučovač je nádrž pro olej který je odloučen od vzduchu. Stlačený vzduch dále proudí do vzduchového chladiče, kde je jeho teplota snižována z přibližně 90°C na 4 až 9°C pod teplotu nasávaného vzduchu. Chladný vzduch pak vstoupí
http://www.ecompressedair.com
Obr. 7.
do odlučovače vlhkosti a zde je oddělena kondenzovaná kapalina ze vzduchu. Stlačený vzduch pak opouští kompresor. Horký olej proudí z olejového odlučovače do olejového chladiče skrz ventil řídící teplotu. Tento ventil řídí míchání horkého a studeného oleje, tak aby teplota oleje byla ideální. Oběh oleje je zajištěný tlakovým rozdílem mezi olejovým odlučovačem a ložisky a kompresní komorou. Tento oběh je znázorněn na obrázku 7[3]. 3.2.1.2. Bezmazné rotační kompresory
Plant Engineering magazine
Obr. 6
Pokročilé technologie jako je výroba textilii, jídel, nápojů, léků, chemikálii, vytvořila významný požadavek na čistý a suchý stlačený vzduch. Tyto kompresory jsou vyžadovány hlavně tam, kde by styk s mazivem mohl snížit kvalitu výrobku. Bezmazné rotační kompresory se standardně vyrábějí o výkonu od 35kW do 75kW. Tyto kompresory nabízejí stejné výhody jako kompresory mazané, ale bez maziva v kompresní
komoře. Bezmazné rotační kompresory pracují ve dvou fázích. Toto uspořádání je zvoleno pro zvýšení celkové efektivity a snížení výstupní teploty. Toto je uděláno pro zvýšení efektivity mezistupňového chladiče a minimalizování konečné výtlačné teploty. První stupeň stlačí nasávaný vzduch na 2bary. Pak vzduch proudí do mezistupňového chladiče a poté do druhého stupně. Druhý stupeň zvyšuje tlak na 9barů. Tento stačný vzduch pak proudí do dochlazovače. Mezistupňový chladič je chlazen vodou nebo vzduchem. Vodní chlazení je preferovaná metoda, protože se více redukuje vlhkost vzduchu[3]. Tento oběh je znázorněn na obrázku 8. http://www.ecompressedair.com
zmenšování objemu kontinuálně stlačován. K výstupu stlačeného vzduchu dochází na horní straně statoru, kde je objem komory nejmenší a stlačení největší.[7] Funkce je zřejmá i z obrázku 8.
Obr. 7.
www.kompresory.com
obr. 8.
4.OLEJE PRO VZDUCHOVÉ KOMPRESORY 4.1. Bezpečnost a kvalita
3.2.2.
Lamelové rotační kompresory
Lamelové rotační kompresory jsou jednostupňově pracující vícekomorové kompresory. V kruhovém válci, jednotce statoru, rotuje excentricky uložený rotor s podélnými drážkami. V těchto drážkách se pohybují ocelové lamely, které se při rotaci odstředivou silou vysunují ke stěně statoru a tak vznikají jednotlivé komory. Ke stlačování dochází v těchto objemově rozdílných komorách. Přes sací filtr a sací regulátor vstupuje vzduch do komor. Otáčením se komory pohybují směrem nahoru, vzduch v komorách je uzavřen a pomocí
V průběhu let progresivní zlepšení kompresorových olejů způsobilo velký pokrok v rozvoji kompresorové technologie, moderní oleje velmi přispěly ke zvýšení výkonu a délky života průmyslových kompresorů. [2] V dnešní době je výzkum nejvíce zaměřen na bezpečnost olejů a to hlavně na samovznícení a exploze uvnitř kompresorů a výtlačného potrubí. Použitý olej má mít vysoký bod vzplanutí (malou odpařivost), vycházet z válce v kapalné formě a být snadno zachycen v odlučovači. Za příčinu výbuchů se dříve považovaly páry z lehčích podílů , které se vzněcují od horkých usazenin nebo od horkých kapek těžkých podílů oleje. Proto musí být kompresorové oleje složeny z velmi příbuzných a co nejužších frakcí. Nepřipouští se míšení těžkých a lehkých složek k dosažení žádoucí viskozity[5]. Vznícení je dnes způsobeno pouze exotermickou reakcí (uvolňování tepla) a oxidační reakcí s usazeninami karbonu, které se vytváří za teploty vyšší než je samovolný bod vzplanutí oleje. Zkušenosti ukazují že tyto usazeniny se dají
podstatně zredukovat vhodným výběrem oleje a jeho antioxidantů a aditiv. Nicméně použití sebelepšího oleje nic neřeší pokud je zanedbaná údržba. Pro kompletní bezpečí musí být v pořádku jak olej, tak musí být zajištěna vysoká péče o systém[2].
jsou méně důležité u ležatých kompresorů, kde je způsob mazání krátkodobí, protože trvale přiváděný čerstvý olej prochází válcem a ventily do odlučovače. Je však významný u stojatých kompresorů, kde jsou válce mazány z klikové skříně jako u spalovacích motorů a mazací soustava je oběhová s filtrací, tedy dlouhodobá[5].
4.2. Kritéria pro volbu oleje 4.2.2. Výstupní tlak Hlavní kritéria pro volbu oleje: - teplota na výstupu - výstupní tlak - čistota nasávaného vzduchu 4.2.1. Teplota na výstupu Základní úkoly mazacího oleje jsou u všech pístových vzduchových a plynových kompresorů stejné: olej musí mazat jak válec a ucpávky, tak i jiné části, tj. hlavní a ojniční ložiska, křižákové čepy a vedení, v případě pístní čepy. Podmínky pro mazání jednotlivých součástí jsou odlišné. Proto se u ležatých kompresorů používají oddělené mazací soustavy s oleji rozdílných vlastností. U stojatých kompresorů toto není možné a volí se jeden olej podle podmínek vnitřních součástí. Tyto podmínky jsou určující pro volbu oleje s vyhovující viskozitou a žádoucím chemickým složením[5]. Teplota závisí na kompresním poměru, na Poissonově konstantě k a na množství odvedeného tepla během komprese. Část kompresního tepla je odváděno chlazením válců. Buď vzduchem, vodou nebo olejem. U jednostupňových kompresorů muže být teplota snižována chlazením vstupního plynu. U vícestupňových kompresorů jsou zařazovány mezichladiče. Teploty určují viskozitu oleje. Při nejvyšší teplotě musí být viskozita dostatečně velká, aby nedošlo ke styku kovových ploch a aby olej plnil i těsnící funkci. Ale zase nemůže být viskozita příliš velká, aby při startu nezůstával olej v klidnějších místech kompresoru a nesmáčel tak celou třecí plochu. Vzhledem k vysokým teplotám a to hlavně u jednostupňových kompresorů musí mít olej dobrou tepelnou stálost. Ve vzduchových kompresorech, kde se olej stýká se vzduchem v tenké vrstvě mezi pístem a válcem, tudíž musí být olej dostatečně odolný proti okysličení za tepla. Tyto požadavky
Zvýšený tlak má sklon vytlačovat olej z prostoru mezi pístními kroužky a stěnou válce a tlačit kroužky proti stěně. Vzniká nebezpečí mezného tření. Proto musí být viskozita dost velká a navíc jsou žádoucí dobré protioděrové vlastnosti oleje[5]. 4.2.3. Čistota nasávaného vzduchu S nasávaným vzduchem přichází do kompresoru i prach. Při prašnosti okolo 11g/m3 , což je typické pro průmyslové provozy, může kompresor nasát za měsíc až 1kg prachu. V důsledku toho mohou vznikat tuhé usazeniny. Proti jejich vzniku musí být zařazena účinná filtrace. Jak oleje, tak i nasávaného vzduchu. Další složkou je vlhkost. Čím vyšší je teplota nasávaného vzduchu, tím bývá větší jeho relativní vlhkost. Vlhkost může při větších tlacích kondenzovat v kompresoru a při výstupu z kompresoru v mezichladičích, koncových chladičích, rozvodech a zásobnících stlačeného vzduchu a vyvolávat tak korozi. V kompresoru se může jevit koroze jako nepatrná, ale při pohybu pístu se rez neustále stírá a korozi se vystavuje čistý povrch. Od oleje se proto očekává vyžaduje schopnost adsorbovat se na plochách a vytlačit z nich vodu[5]. 4.3. Specifikace olejů 4.3.1. Specifikace olejů podle ISO 6521 Uvedená výkonová klasifikace ISO 6521 vhodně dělí stroje na stlačování plynů do hlavních konstrukčních skupin a součastně zahrnuje i zohlednění pracovních podmínek:
Klasifikace kompresorových olejů ISO 6521 ISO – L – D_ _ 1. písmeno – L – Maziva, průmyslové oleje, podobné produkty 2. písmeno – D – Kompresory, dmychadla 3. písmeno – A – Vzduchové kompresory - V – Vývěvy - G – Plynové kompresory - R – Chladivové kompresory 4. písmeno – A – Normální pracovní podmínky - zdvihové pístové kompresory - B – Těžké pracovní podmínky - G – Normální pracovní podmínky - rotační kompresory - H – Těžké pracovní podmínky -
C,D,E – Označení pro pracovní podmínky plynové a chladivové kompresory
-
C,D,E,F – Označení pro pracovní podmínky vývěvy
Aby užitné vlastnosti kompresorových olejů byly podle této klasifikace určeny úplně, jsou za písmennými symboly ještě připojena čísla vyjadřující viskozitní třídu oleje. Určení použití konkrétného oleje je ještě podmíněno znalostí koncových teplot na výtlaku příslušného druhu kompresoru, jak je v klasifikaci uvedeno následovně: _________________________________________ Symbol Oblast Koncová teplota Výtlačný ISO-Lpoužití na výtlaku tlak _________________________________________ DAA Pístové kompresory do 180°C do 7 MPa - normální zatížení DAB Pístové kompresory nad 180°C nad 7 MPa - těžké zatížení DAG Rotační kompresory do 100°C - normální zatížení
DAH Rotační kompresory nad 100°C Podstatně delší dobu než uvedená klasifikace ISO je hlavně v západoevropských zemích v praxi využívaná klasifikace kompresorových olejů podle normy DIN 4.3.2. Specifikace olejů podle DIN 51506 Její výkonové a viskozitní skupiny jsou partné z následujícího přehledu:
Skupina
Viskozitní třídy ISO VG
VB, VBL VC, VCL VD, VDL
22, 32, 46, 68, 100, 150, 220, 320, 460 32, 46, 68, 100, 150 32, 46, 68, 100, 150
Rovněž u této klasifikace je určení vhodného oleje pro určitý kompresor podmíněno znalostí koncových teplot dosahovaných ve výtlačné části kompresoru. Uvedená norma DIN platí pro kompresorové oleje na ropné bázi a pro kompresory s mazaným kompresním prostorem (pístové a lopatkové kompresory) se ztrátovým mazáním a pro kompresory bez chlazení pomocí nástřiku mazacího oleje. Pro kompresory s chlazením nástřikem oleje a také pro syntetické kompresorové oleje tato norma neplatí i když je často pro jejich vývoj a charakteristiku používaná. Mimo oleje dle DIN 51506 jsou výrobci kompresorů předepisovány i další druhy mazacích olejů, například: -
Turbokompresory, šroubové kompresory a případně další: Turbínové oleje dle DIN 51515, hydraulické oleje dle DIN 51524
-
Mobilní kompresory: Motorové oleje pro 4 – dobé spalovací motory.
Jak vyplývá z výše uvedených klasifikací lze z nich získat přesné informace pro volbu výkonové skupiny oleje, ale co se týká určení nejvhodnější viskozity oleje pro určité typy kompresorů, takové údaje chybí. Tak pro orientační určení viskozity oleje alespoň pro vzduchové kompresory platí: Pro teploty na výtlaku do 140°C a výtlačný tlak do 15MPa oleje s viskozitou do 12mm2/s Pro teploty od 140 do 160°C a výtlačné tlaky od 15 do 30MPa oleje viskozitou od 12 do 16mm2/s Pro teploty na výtlaku nad 180°C a výtlačné tlaky nad 30MPa oleje o viskozitě od 16 do 25mm2/s
zlepšuje mazivost. Tyto kompresory jsou často osazeny speciálními uhlíkovými pístními kroužky a jejich válce pak nepotřebují mazání. Pro mazání kompresoru přepravujících speciální druhy aktivních plynů je nutno volit speciální maziva, většinou neuhlovodíková, individuálně podle přepravovaného aktivního plynu. Např. Válce kompresorů které přepravují chlór jsou mazány 98% kyselinou sírovou. Válce kompresorů pro přepravu SO2 ( oxid siřičitý ) se nemažou vůbec, protože SO2 maže sám[5]. 4.
U ostatních typů kompresoru je nezbytné volit viskozitu oleje podle předpisu výrobce kompresoru[4]. 4.4. Oleje pro mazání kompresorů přepravujících chemicky aktivní plyny Při volbě oleje je třeba brát ohled na přepravovaný plyn. Zatím uvedené specifikace se týkaly olejů do vzduchových kompresorů. Inertní plyny, kromě vzduchu, mají jen malý vliv na změnu vlastností použitého oleje. Uhlovodíkové plyny zřeďují olej, zmenšují viskozitu a kondenzují na stěnách chlazených válců, mohou tedy smývat olejový film. V případě přepravování těchto plynů se u ropných olejů volí větší viskozita, nebo se zvyšuje obsah přísad ke zvětšení přilnavosti oleje ke kovovému povrchu. Nebo se volí oleje polyglykolové inhibované antioxidantem nebo oleje polyfenyléterové, v nich jsou uhlovodíky omezeně rozpustné. Pro mazání kompresorů pro přepravu chemicky aktivních plynů jsou ropné oleje nevhodné, spíše vlastně nepoužitelné. Protože při styku oleje s kyslíkem za zvýšeného tlaku a zvýšené teploty dochází k prudké oxidaci a k explozi. Příčina této exploze je dána tím, že se smísí olejové páry s horkým kyslíkem a vytvoří se výbušná směs. Proto se k mazání kompresorů přepravujících kyslík používá těžko zápalné syntetické oleje nebo jen destilovaná voda obsahující 5 – 7% glycerolu, který
CHARAKTERISTIKY OLEJŮ
5.1. Pístové kompresory U pístových kompresorů má olej tři základní funkce, hlavní je mazání ložisek a válce. Dále pomáhá utěsňovat prostor kolem pístních kroužků a ventilů a tím zvyšuje účinnost kompresoru a snižuje jeho zahřívání. Přispívá k chlazení skříně klikového hřídele a přispívá k ochraně klikového hřídele před korozí ze vzdušné vlhkosti. V malých jednostupňových kompresorech se olej k ložiskům a na stěnu válce dostává rozstřikem při brodění klikového hřídele, ale u větších kompresorů je třeba komplexní mazání pomocí mazacích systémů. Válce dvojčinných kompresorů nemohou být mazány rozstřikem, protože nejsou otevřeny pro skříň klikového hřídele. Dva systémy mazání jsou proto nezbytné, jeden pro mazání ložisek a smýkadla křižáku a druhý dodává olej přímo do válců. V některých případech se stejný olej používá jak pro mazání ložisek ,tak i válců, ale olej pro válce musí být pečlivě dodávaný protože nedostatečné mazání vede k rychlému opotřebení a přehnané mazání vede k nahromadění usazenin karbonu ve válcích a ventilech. Počet a umístění mazacích bodů pro mazání válců se volí podle velikosti a typu kompresoru. Malé válce mají jeden bod v hlavě válců a to poblíž sacího ventilu, větší válce mají dva nebo více. V každém případě je olej rozprostřen klouzáním pístu a prouděním vzduchu. V pístovém kompresoru musí být mezi pístními kroužky a
válcem velmi tenký olejový film zatímco je vystaven teplu stlačeného vzduchu. Takové podmínky vysoce přispívají k oxidaci, pokud olej není dostatečně kvalitní muže se z něho stávat lepkavá usazenina okolo drážek pístního kroužků a může přilepit pístní kroužek, čímž způsobí, že vzduch může pronikat mezi pístním kroužkem a válcem[2]. 5.2. Lamelové rotační kompresory Mazací systémy lamelových kompresorů se mění podle velikosti a výkonu pohonného agregátu. Kompresory malé a přenosné nemají ani externí chlazení ani mezistupňové chlazení, proto všechno nezbytné chlazení obstarává olej, ten je hojně vstříknut do přicházejícího proudu vzduchu nebo přímo do kompresní komory. Tato metoda je známá jako zaplavovací chlazení a olej je obvykle chlazen než dokončí cyklus. Olej je nesen ven z kompresního prostoru válců se vzduchem a musí být oddělen. Odlučovač obsahuje přepážky které odloučí kapičky oleje a ty klesají na spodní část odlučovače. Zkapalněná voda je následně oddělena od oleje ve filtru, poté jde olej zpátky do oběhu. Lamelová čerpadla vyššího výkonu mají vodní chlazení válců. Mazadlo nemá téměř žádnou chladící funkci a je použito v podstatně menším množství. V některých jednotkách je olej dodávaný pouze do ložisek a průsakem maže lamely, v jiných případech je olej dodáván hloubkovými vrty v rotoru. Toto je ovšem totální ztráta, protože olej vyjde ven s vytlačeným vzduchem. Ve vratném cyklu musí olej mazat a je vystaven nepříznivému vlivu vysoké teploty. Lamely mají velké požadavky na mazavost oleje. Jejich třecí rychlosti v kombinaci s vysokým výtlačným tlakem. Když je lamela ve vysunuté pozici (jednou za oběh) hrozí ohybové zatížení mezi stranou lamely a jejím pouzdrem. Olej musí stále mazat mezi nimi, aby mohla lamela volně klouzat. Také musí vzdorovat utváření lepkavých usazenin, které způsobují omezení pohybu lamel a tudíž prosakování a v horším případě i rozbití lamely[2]. Vhodná viskozita pro lamelové kompresory je ve třídách ISO VG 100 a ISO VG 150, což je při klasifikaci pro automobilové oleje SAE 30 a SAE 40.
www.kompresory.com
obr. 9.
Na obrázku 9. je vidět kde je vstřikován olej do rotačních lamelových kompresorů (na počátku komprese). Také je z obrázku patrná funkce oleje jako těsnění mezi statorem a lamelami[5].
5.3. Šroubové rotační kompresory V mazaných rotačních kompresorech má olej hodně funkcí, ale tři z nich jsou nejdůležitější. Mazání všech třecích ploch, odvod tepla vznikajícího při stlačování plynu a těsnění pohyblivých ploch kompresoru. Olej je vstřikován přímo do kompresoru, tam smáčí povrchy, maže součásti a zajišťuje chlazení. Při změnách teploty a tlaku kondenzuje ze vzduchu relativní vlhkost, proto musí olej tuto vlhkost odlučovat a také musí chránit kompresor proti korozi. Olej musí mít dobré mazací vlastnosti, aby snižoval třecí ztráty, opotřebení a tím zvyšuje životnost a spolehlivost kompresoru. Teplo které olej odvádí, snižuje teplotu vzduchu a stěn kompresoru, tím se zvyšuje objemová účinnost a může se zvýšit kompresní poměr. Teplota vzduchu v kompresoru je udržována množstvím oleje vstříknutého do něj. Tato teplota se udržuje mezi 80 až 100°C. Ohřátý olej je pak odlučován od stlačeného vzduchu, následně ochlazován a pak vracen do oběhu. Olej tedy musí používat vysoce stabilní základový olej. Pro menší nároky se používají vysoce rafinované ropné oleje, používá se úzká frakce pro dosažení malých ztrát odpařováním a
dobrou stabilitu. Vyšší stabilita a lepší vlastností poskytují hydrokrakované oleje. Nejlepší vlastnosti ovšem mají oleje syntetické. Jsou to polyalfaolefinové oleje (POA, SHC, syntetické uhlovodíky). Pokud požadujeme biologickou odbouratelnost jsou vhodné esterové oleje. Viskozita je také důležitá pro provoz kompresoru a musí splňovat několik protichůdných požadavků. Aby měl olej dobré mazací a těsnící vlastnosti, měla by být pracovní viskozita mezi 5 až 15mm2/s, ale zároveň by měl mít olej dobrou tekutost při rozběhu kompresoru a viskozita by neměla být vyšší než 500mm2/s. Další požadavky na olej jsou: vysoká odolnost proti stárnutí, dobré odlučování vody a vzduchu, vysokou přilnavost a ochranu proti opotřebení. Přirozené vlastnosti olejů se zlepšují vhodnými přísadami. Vhodná viskozita pro šroubové kompresory má viskozitu ve třídách ISO VG 32, ISO VG 46 a ISO VG 68, což je při klasifikaci pro automobilové oleje SAE 10W, SAE 15W, SAE 20W[5]. 6.
POHLED NA POUŽÍVANÉ OLEJE VE VZDUVHOVÝCH KOMPRESORECH
6.1. Celkový pohled Málo mazacích odvětví je složitější než vytvoření ideálního oleje pro vzduchové kompresory. Uvnitř kompresoru je mazivo mixováno a stlačováno se stlačovaným vzduchem. Oxidační účinky vzduchu, vysoký tlak, vysoké teploty a vlhkost která kondenzuje ze stlačeného vzduchu[6]. Všechny tyto nepříznivé vlivy působící na olej jsou již zmiňovaný a popsány výše, kromě jedné a tou je biologická odbouratelnost oleje. 6.2. Minerální oleje Jsou dostačující v některých kompresorech které nevyžadují náročné mazání, většina kompresorů, ale vyžaduje mazání velmi náročné. Protože syntetická maziva jsou vhodnější pro mazání kompresoru, používají se minerální oleje v kompresorech je omezeně. Minerální oleje jsou stále v některých aplikacích používány, ačkoli mají sklon k tvoření příliš tenkých filmu za vysokých teplot a příliš tlustých filmů za nízkých teplot. I
když minerální oleje obsahují aditiva ke zvýšení viskozity a snížení bodu tuhnutí (nejnižší teplota za které je olej tekutý) nejsou kompletně postačující, protože jsou značně nestálé. Mají nízkou termickou a oxidační stálost, vytvářejí karbonové usazeniny a navíc mají krátkou dobu života, jenž činí pouze 1000hod provozu[6]. 6.3. Syntetické oleje Syntetická maziva mají delší životnost a jsou na trhu již 35 let. Jsou založeny na diesterové bazi, PAOs (poly alpha olefints), PAGs (polyalkylene glycols), silikonech a dalších směsích. Syntetická maziva nabízejí mnoho výhod oproti olejům minerálním, mají lepší mazací vlastnosti, vysoký index viskozity v širokém pásmu teplot a dlouhou životnost, která se pohybuje od 2000hod do 10000hod. Zatímco syntetická maziva jsou zlepšena oproti minerálním, které nejsou schopné poskytnout všechny požadované fyzikální vlastnosti a výkonnosti pro moderní kompresory. Zlepšení jedné vlastnosti syntetického oleje jde často na úkor jiných vlastností. Na příklad oleje na diesterovém základě mají široký rozsah pracovních teplot, ale nebezpečně nízký bod vzplanutí ( teplota při které se začne vypařovat a vznítí se ) a malou hydrolytickou stabilitu. Oleje na bázi PAGs mají dobré vlastnosti za vysokých teplot ale mají špatnou oddělitelnost od vody. A silikony jsou těžko biologicky odbouratelné[6]. Tyto syntetické oleje, ale nabízejí ve všech směrech podstatně lepší vlastnosti než oleje minerální a proto jsou velmi hojně používány. 6.4. Oleje na polyesterovém základě Budoucnost? Byl vyvinut nový olej na polyesterovém základě ( POD ) jako biologicky odbouratelné mazivo pro vzduchové kompresory. Zastánci této další generace mazadel tvrdí, že ve srovnání s jinými mazivy, toto nabídne nadřazené výkonnostní vlastnosti, delší životnost a navíc přínos z jeho biologické odbouratelnosti, což je dnes definováno jako průmyslový standart.
Ve srovnání s ostatními oleji na trhu, tento má neuvěřitelný výkon. Nyní je používán tento olej asi v tisíci vzduchových kompresorů a tyto kompresory pracuji velmi dobře. Olej byl testován 16000 hodin provozu a stále se choval dobře. Olej je v U.S. zapsán jako patent pod číslem 5,895,778. Je založen na bázi polyol esteru jako základu a přísad jenž zahrnují antioxidanty, hydrolytické stabilizátory a korozní inhibitory. Touto kombinací dosáhneme všech požadovaných výkonnostních vlastností. Jednotlivé kombinace prodlouží život oleje, zajistí nízký bod tuhnutí, vysoký bod vzplanutí, dobrou oddělitelnost oleje od vzduchu a snížení zápachu.V patentu stojí že přípravek je zvláště vhodný pro rotační šroubové kompresory. Tento olej také splňuje nynější požadavky na biologickou odbouratelnost podle ASTM. V souvislosti s oleji pro vzduchové kompresory schopnými biologického rozkladu je definovaný test, který změří kolik látky se promění za působení oxidu uhličitého a vody po jistém množství dnů. První maziva byla testována podle Commision for Environmental Cooperation L-33-T-82. V dnešní době jsou testy složitější, takové jako ASTM D5864-00, který vyžaduje aby 60 až 80 procent mazadla bylo rozloženo do 28 dní, tento test se stal průmyslovým standardem[6]. 6.4.1.
Malé výhody ze schopnosti biologické odbouratelnosti
Schopnost biologického rozkladu je známá asi 25 let, ale experti souhlasí, že výhody ze schopnosti biologického rozkladu (samo od sebe ) jsou poměrně málo důležité. Říkají, že schopnost biologického rozkladu nepředčí výkonnostní vlastností oleje při jeho výběru. Nikdo si v průmyslu nekoupí olej jen proto že je biologicky rozložitelný. Koupí si olej protože má dobré výkonné vlastnosti. V USA je málo ekonomických výhod pro biologicky rozložitelné oleje, protože cena je moc vysoká v porovnání s minerálními a většinou syntetických mazadel. Nicméně biologicky rozložitelné oleje mají určité výhody díky tradičním čistým ropným mazivům, které mají v některých
aplikacích vysoké kluzné vlastnosti a stabilní viskozitu přes široké pásmo teplot. Skutečná výhoda použití pravých eko-citlivých tekutin je jejich dopad na prostředí v případe jejich úniku. V případě úniku tekutiny šetrné k životnímu prostředí, se počítá že škody by byly podstatně menší než při úniku klasických tekutin. Nakonec, ale experti varují ze biologicky rozložitelné se nerovná bezpečné k životnímu prostředí. Tim Last , kompresorový specialista z Atlas Copca vysvětluje: „Olej schopny biologického rozkladu může být vysoce toxický a škodlivý pro životní prostředí. Navíc když by byl olej nový, byl úplně schopný biologického rozkladu a šetrný k životnímu prostředí, co by se s ním stalo kdyby se používal v kompresoru po tisíce hodin, jak by již dále mohl být plně biologicky odbouratelný nebo šetrný k přírodě.“ A také jeden z hlavních faktorů při výběru mazadla je jeho cena. A biologicky odbouratelné oleje jsou drahé. Jejich vysoká cena je obvykle daná vysokou cenou aditiv míchaných s mazadlem, aby zlepšily výkonnost oleje[6].
[1] DOBEŠ, P. Mazání rotačních kompresorů. Tribotechnické informace, leden 2003, s. 5 - 6 [2] WILEY & SONS, John. Mechanical Engineers' Handbook. WESTON-HAYS. J. 2nd Edition, 1998. 2376 s. ISBN 0-471-13007-9 [3] http://www.ecompressedair.com/libary/aircompressors.shtml#intro [4] ŠIMÁNEK, M. Oleje pro mazání rotačních kompresorů. Tribotechnické informace, říjen 2001, s 8 - 9 [5] ŠTĚPINA, Václav, VESELÝ, Václav, Maziva v tribologii. 1. vyd. Bratislava, 1985. 408 s. SÚKK 1823/I-84 [6] JACOBSON. A, Air compressors lubricants: The next generation. Tribology & Lubrication Technology, Jul 2004, s. 30 [7] www.kompresory.com
