Współczesna inżynieria systemów sprężonego powietrza ewoluowała z prostego dostarczania medium roboczego w stronę zaawansowanego zarządzania energią. Sprężarka nie jest już postrzegana jako odrębne urządzenie, lecz jako kluczowe ogniwo w łańcuchu termodynamicznym zakładu. Analiza bilansu energetycznego standardowej sprężarki śrubowej ujawnia zdumiewający fakt. Niemal 100% energii elektrycznej dostarczanej do napędu jest konwertowane na ciepło. Żyjemy w dobie gwałtownie rosnących cen prądu oraz coraz surowszych norm środowiskowych. Bezpowrotne rozpraszanie tej energii w atmosferze stanowi kosztowny błąd operacyjny. Systemy odzyskiwania ciepła marki KAESER pozwalają na wykorzystanie do 96% tej energii. Przekształcają one sprężarkownię w wydajne źródło ciepła procesowego i grzewczego. Niniejszy artykuł dedykowany jest przede wszystkim inżynierom utrzymania ruchu, dyrektorom technicznym oraz projektantom instalacji przemysłowych.
 

Termodynamika odzyskiwania ciepła

 
Zrozumienie potencjału odzyskiwania ciepła wymaga spojrzenia na proces sprężania z punktu widzenia fizyki. Podczas gdy potocznie mówi się o „zużyciu” energii przez sprężarkę, z perspektywy termodynamiki mamy do czynienia z jej transformacją. Silnik zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną, która w bloku śrubowym służy do zmniejszenia objętości powietrza. W tym procesie energia mechaniczna zamienia się w energię sprężonego powietrza i w energię cieplną. Objawia się to gwałtownym wzrostem temperatury sprężonego powietrza.

Interesujący jest fakt, że sprężarka przekształca pracę w potencjał energetyczny sprężonego powietrza. Jednak ta energia staje się użyteczna dopiero w punkcie poboru. Wtedy sprężone powietrze rozpręża się w narzędziu lub siłowniku, pochłaniając ciepło z otoczenia. Pozostała część energii musi zostać odprowadzona z wnętrza sprężarki, aby zapobiec jej przegrzaniu i zapewnić ciągłość pracy. Systemy odzyskiwania ciepła są zaprojektowane tak, aby przechwytywać to ciepło na różnych etapach obiegu chłodzenia.

Z powyższego zestawienia wynika, że kluczowym medium nośnym dla energii cieplnej jest olej chłodzący. Pełni funkcję nie tylko smarną i uszczelniającą, ale przede wszystkim chłodzącą. Przechwycenie 76% energii z obiegu oleju stanowi fundament większości przemysłowych instalacji rekuperacyjnych.

Inżynieria odzyskiwania ciepła za pomocą gorącego powietrza

Jest to najprostszy pod względem konstrukcyjnym system odzyskiwania ciepła. Zarazem jest to niezwykle efektywna metoda, wykorzystująca bezpośrednio nagrzane powietrze chłodzące sprężarki. Zamknięta budowa stacjonarnych sprężarek śrubowych pozwala na precyzyjne kierowanie jego strumieniem.

Najczęściej odbywa się to kanałami wentylacyjnymi z wykorzystaniem wentylatora sprężarki. W przypadku dłuższych kanałów konieczne jest zastosowanie dodatkowego wentylatora. Powietrze chłodzące najpierw przechodzi przez chłodnice oleju i powietrza. Następnie jest wypychane przez wentylator do kanałów wentylacyjnych. Inżynierowie KAESER KOMPRESSOREN zwracają uwagę na konieczność stosowania izolowanych kanałów. Zabieg ten minimalizuje straty przesyłowe gorącego powietrza oraz ogranicza wzrost temperatury otoczenia w sprężarkowni.

Automatyka wykorzystania ciepła z gorącego powietrza

Kluczowym elementem systemu jest układ przepustnic (klap). Kierują one ogrzane powietrze do odpowiednich miejsc w zależności od warunków temperaturowych. W najprostszym wariancie przepustnice są uruchamiane ręcznie. Jednak dla zapewnienia stabilności cieplnej obiektu oraz automatyzacji procesu zaleca się stosowanie siłowników. Pozwala to na zintegrowanie działania przepustnic z systemem automatyki sprężarkowni. Dzięki temu system automatycznie kieruje strumień gorącego powietrza do wnętrza hali produkcyjnej lub magazynu w okresie grzewczym. Natomiast latem odprowadza go na zewnątrz budynku.

Płytowy wymiennik ciepła PTG

Inny system odzyskiwania ciepła ze sprężarek śrubowych opiera się na wykorzystaniu wymienników ciepła. Stosowane są dwa rodzaje wymienników: powietrze-woda lub olej-woda. Takie rozwiązanie stosuje się, gdy odbiornik ciepła znajduje się w znacznej odległości od sprężarkowni. Również, gdy proces technologiczny wymaga gorącego medium ciekłego. Firma KAESER KOMPRESSOREN oferuje systemy wymienników płytowych PTG (Plate Type Group). Są one montowane wewnątrz obudowy sprężarki (dla serii od 5,5 kW) lub jako moduły zewnętrzne.

Konstrukcja i parametry techniczne wymienników płytowych

Serce systemu PTG stanowi płytowy wymiennik ciepła wykonany z wysokogatunkowej stali nierdzewnej. Wymiennik ten jest wpięty w obieg oleju chłodzącego sprężarki śrubowej. Gorący olej przepływa przez wymiennik, oddając energię wodzie procesowej lub grzewczej, zanim trafi do standardowej chłodnicy powietrznej urządzenia. Zapewnia to prawidłową pracę urządzenia nawet wtedy, gdy odzyskiwanie ciepła nie jest w danym momencie wykorzystywane. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest uzyskanie wody o temperaturze do +70°C, a na specjalne życzenie nawet do +90°C. Efektywność odzysku energii w tym systemie wynosi do 76% całkowitej mocy zainstalowanego silnika sprężarki.

Wymiennik płaszczowo-rurowy

Warto zwrócić uwagę na wybór materiału wymiennika w zależności od jakości wody. Dla wody miękkiej i demineralizowanej standardowe wymienniki płytowe są optymalne. Inaczej jest w przypadku wody o wysokiej twardości lub agresywnej chemicznie (np. woda morska). W takich sytuacjach rekomenduje się wymienniki płaszczowo-rurowe. Charakteryzują się większą odpornością na korozję i łatwością czyszczenia mechanicznego.

Inteligentne zarządzanie temperaturą (ETM)

Wielkość odzyskiwanego ciepła nie jest wartością stałą. Zmienia się ona wraz z zapotrzebowaniem na sprężone powietrze oraz temperaturą otoczenia. Aby zmaksymalizować zyski, firma KAESER KOMPRESSOREN zintegrowała systemy odzyskiwania ciepła z nadrzędnym sterowaniem sprężarką śrubową Sigma Control. Kluczową innowacją jest tu elektroniczny układ zarządzania temperaturą (Electronic Thermal Management - ETM). Tradycyjne sprężarki śrubowe wykorzystują mechaniczny zawór termostatyczny, który otwiera obieg oleju do chłodnicy przy stałej temperaturze. ETM zastępuje to rozwiązanie elektronicznie sterowanym zaworem, którego pracą zarządza algorytm wewnątrz Sigma Control.

System ETM monitoruje temperaturę wlotową powietrza oraz ciśnienie tłoczenia, obliczając w czasie rzeczywistym punkt rosy. Algorytm utrzymuje temperaturę oleju na poziomie bezpiecznym (powyżej punktu rosy). Cel to zapobiec kondensacji wilgoci wewnątrz bloku śrubowego, co mogłoby doprowadzić do degradacji oleju i zatarcia łożysk. Jednocześnie, w trybie odzyskiwania ciepła, ETM pozwala na podniesienie temperatury oleju do bezpiecznego maksimum. Zwiększa to temperaturę w wymienniku PTG i pozwala na uzyskanie cieplejszej wody wyjściowej.

Gdzie można stosować odzyskiwanie ciepła?

Bezpośredni odzysk pozwala na wykorzystanie do 96% dostarczonej energii elektrycznej. To idealne rozwiązanie dla obiektów o dużej kubaturze, gdzie sprężarkownia znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie stref wymagających podgrzewania. Przykładem mogą być magazyny wysokiego składowania lub warsztaty. Bezpłatne ciepło ze sprężarek pozwala na wyłączenie lub znaczne ograniczenie pracy konwencjonalnych nagrzewnic gazowych.

Dodatkowym zastosowaniem jest możliwość wstępnego ogrzania powietrza dla palników w kotłowniach lub procesów suszenia w przemyśle ceramicznym i drzewnym. Podniesienie temperatury powietrza wlotowego do palnika o każde 10°C przekłada się na mierzalne oszczędności w zużyciu paliwa gazowego. W skali roku generuje to znaczne korzyści finansowe.

Przemysł motoryzacyjny i obróbka powierzchniowa

W branży automotive woda podgrzana przez sprężarki znajduje szerokie zastosowanie w procesach czyszczenia części. Wstępne podgrzanie wody do mycia silników, skrzyń biegów czy elementów nadwozia przed lakierowaniem pozwala na oszczędność gazu ziemnego. Gorąca woda zwiększa skuteczność chemicznych środków myjących, skracając czas cyklu produkcyjnego.

Kolejnym obszarem jest galwanotechnika. Wanny procesowe w galwanizerniach wymagają utrzymywania stabilnej temperatury. Jest to niezbędne dla zachowania jakości powłok. Odzysk ciepła ze sprężarek śrubowych pozwala zasilać wężownice w wannach bez dodatkowego obciążania zakładowej kotłowni.

Przemysł spożywczy i mleczarski

W zakładach mleczarskich systemy sprężonego powietrza są zintegrowane z centrum energetycznym zakładu. Odzyskana energia służy do pasteryzacji, mycia zbiorników (CIP - Clean-in-Place) oraz przygotowania ciepłej wody dla zaplecza socjalnego. W tym sektorze szczególnie istotne jest stosowanie wymienników płaszczowo-rurowych. Gwarantują one, że woda mająca kontakt z żywnością lub personelem pozostaje wolna od zanieczyszczeń.

Oczyszczalnie ścieków i procesy komunalne

Dmuchawy marki KAESER mogą uczestniczyć w procesie odzyskiwania ciepła. W oczyszczalniach ścieków procesy napowietrzania generują ogromne ilości ciepła. Energia ta może być wykorzystana do podgrzewania osadów w komorach fermentacyjnych, co przyspiesza produkcję biogazu. Ciepło z rurociągów tłocznych dmuchaw może ogrzewać budynki techniczne w okresie zimowym za pomocą dodatkowych chłodnic powietrza montowanych na rurociągu.

Ekonomia i zwrot z inwestycji w instalację odzyskiwania ciepła

Za wdrożeniem systemu rekuperacji przemawiają twarde dane finansowe. Ceny energii elektrycznej dla przemysłu w Polsce należą do najwyższych w Europie. Czas zwrotu z inwestycji (ROI) ulega znacznemu skróceniu.

Analiza oszczędności na przykładzie sprężarki 45 kW

Rozważmy sprężarkę śrubową o mocy 45 kW, pracującą w systemie trójzmianowym (ok. 6000 godz/rok).

• Moc cieplna do odzyskania (76%): 45 kW x 0,76 = 34,2 kW
• Roczna energia odzyskana: 34,2 kW x 6000 godz. = 205 200 kWh
• Koszt 1 kWh ciepła z gazu ziemnego dla zakładów przemysłowych: 0,35 PLN.
• Roczna oszczędność finansowa: 205 200 kWh x 0,35 PLN = 71 820 PLN

Koszty instalacji modułu PTG i niezbędnych prac hydraulicznych w zależności od sytuacji to wydatek rzędu 40 000 - 60 000 PLN. Te dane nie wymagają komentarza. W przypadku zastępowania ogrzewania elektrycznego (np. termy) lub oleju opałowego, zyski są jeszcze większe.

Warto pamiętać, że powyższe wyliczenia nie uwzględniają dodatkowych korzyści finansowych, wynikających z systemów wsparcia dla inwestycji proekologicznych. Istnieje szereg mechanizmów wspierających efektywność energetyczną, pozwalających obniżyć nakłady inwestycyjne. Instalacja odzyskiwania ciepła odpadowego marki KAESER idealnie wpisuje się w kryteria tych programów. Zwłaszcza gdy jest elementem szerszej modernizacji stacji (np. wymiana starych sprężarek na nowe).

Konserwacja systemów odzyskiwania ciepła ze sprężarek śrubowych

Z punktu widzenia utrzymania ruchu systemy odzysku ciepła marki KAESER są zaprojektowane jako urządzenia bezobsługowe. Jednak wymagają okresowej kontroli w ramach standardowych przeglądów sprężarki.

1. Kontrola zakamienienia

   Jeśli system pracuje na wodzie twardej bez stacji uzdatniania, po pewnym czasie sprawność wymiany ciepła spadnie. Powinno się monitorować różnicę temperatur (Delta T) między olejem a wodą. Spadek Delta T przy stałych przepływach sugeruje konieczność czyszczenia wymiennika.

2. Monitorowanie szczelności

   Szczególnie w wymiennikach płaszczowo-rurowych konieczna jest okresowa kontrola manometru.

3. Czystość chłodnic sprężarki

   Przy zastosowaniu instalacji odzyskiwania ciepła standardowe chłodnice powietrzne sprężarki muszą pozostać sprawne i czyste. W przypadku awarii (np. zatrzymanie pompy obiegowej wody), sprężarka musi być w stanie oddać całą energię do otoczenia.

~ autor: Robert Ryt – 21.10.2026 r.

Powrót do KAESER Blog