Title: Criteria for the selection of a pneumatic compressor for the needs of a dental laboratory

Streszczenie: Artykuł prezentuje pięć najważniejszych kryteriów, według których można dobrać odpowiednią sprężarkę do laboratorium protetycznego.

Słowa kluczowe: sprężarka, laboratorium protetyczne, frezarka

Summary: The article presents the five most important criteria by which you can choose the appropriate compressor for a dental laboratory.

Keywords: compressor, dental laboratory, milling machine

Zasilenie w sprężone powietrze frezarki odbywa się z użuciem instalacji pneumatycznej, na którą składają się: sprężarka, zbiornik (zbiorniki), układ filtrów, przewody, zawory oraz osuszacz. Frezarka protetyczna wymaga zastosowania sprężarki, która dostarczy sprężone powietrze o parametrach takich jak ciśnienie (3-7 barów) oraz temperatura (20-40°C), gdzie norma ISO 8573-1 definiuje dopuszczalne zanieczyszczenia, wilgotność oraz zawartość oleju. Istnieje wiele kryteriów, według których można dobrać sprężarkę dla pracowni protetycznej.

Pierwszym kryterium jest to, czy sprężarka jest olejowa, czy bezolejowa, co ma wpływ na decyzję, jakie odbiorniki powietrza zostaną włączone do instalacji sprężonego powietrza. Sprężarek olejowych nie należy stosować do zasilania foteli stomatologicznych, jednak po zastosowaniu bloku filtrów węglowych mogą zasilać odbiorniki powietrza w pracowniach protetycznych, w tym: frezarkę, piaskarkę, dmuchawki. Wkłady filtrów wymagają okresowej wymiany, co stanowi pewną niedogodność takiego rozwiązania. Korzyścią zastosowania kompresora olejowego jest niższy koszt zakupu takich kompresorów, nawet o 40-60% w porównaniu do kompresorów bezolejowych. Sprężarki olejowe są zazwyczaj bardziej wydajne od swoich bezolejowych odpowiedników.

Drugim kryterium jest poziom hałasu generowany przez sprężarkę, zależny od konstrukcji sprężarki, która jest zazwyczaj proporcjonalna do jej ceny. Istnieje wiele typów sprężarek, ale najczęściej w protetyce stosowane są sprężarki: tłokowe, śrubowe, łopatkowe oraz sporadycznie spiralne. Sprężarka tłokowa generuje najwięcej hałasu (tab. 1), a jego poziom zależy od konstrukcji układu napędowego.

W budżetowych kompresorach stosowana jest przekładnia pasowa, z kolei w rozwiązaniach zaawansowanych technicznie (jednocześnie droższych) stosowany jest bezpośredni napęd silnikiem elektrycznym wału korbowodowego z tłokami pracującymi w cylindrach, podobnie jak to ma miejsce w silnikach pojazdów samochodowych (fot. 1).

W celu zmniejszenia hałasu kompresora stosowane są specjalne obudowy wyciszające, dostępne opcjonalnie, których wadą jest pogorszenie wymiany ciepła z otoczeniem, a więc wyższa temperatura pracy kompresora.

Sprężarki tłokowe cechują się stosunkowo niedużą wydajnością wyrażaną w m³/min lub l/min, dlatego nie są zalecane do dużych pracowni oraz centrów frezowania, szczególnie jeżeli mają pracować w trybie ciągłym. W takim przypadku warto rozważyć sprężarkę śrubową, której zaletami są wyższa trwałość oraz mniejszy poziom hałasu (tab. 2). Sprężarka śrubowa zbudowana jest z dwóch spiralnych śrub, które, obracając się względem siebie, zwiększają ciśnienie powietrza. Tego rodzaju sprężarki również można podzielić na modele bezolejowe oraz olejowe wymagające filtrów w celu uzdatnienia powietrza do celów protetycznych. Sprężarki śrubowe powinny pracować w cyklu ciągłym, największe ich zużycie następuje w trakcie ciągłego włączania ze stanu „zimnego” oraz wyłączania po kilkudziesięciu sekundach pracy. Jeśli sprężarka śrubowa pracuje krótko (30-120 s) z dłuższymi przerwami (5-10 min), olej nie osiąga odpowiedniej temperatury, co powoduje tworzenie się dużej ilości wilgoci w oleju (kondensacja), co w efekcie prowadzi do zwiększonych kosztów eksploatacji oraz skrócenia okresu żywotności bloku śrubowego. W przypadku sprężarki śrubowej należy zapewnić cykl pracy, w którym czas uzupełnienia zbiornika był równy czasowi przestoju lub dłuższy. Zbiornik ciśnieniowy o pojemności 250 l w połączeniu ze sprężarką o mocy 7 kW nie jest dobrym wyborem. Sprężarka taka często napełnia zbiornik ciśnieniowy, co pociąga za sobą dużo niepotrzebnych kosztów energii i może powodować problemy, ponieważ olej nie osiąga odpowiedniej temperatury. Zbliżone zastosowania oraz budowę do sprężarek śrubowych mają sprężarki łopatkowe, które jeszcze lepiej są przystosowane do pracy ciągłej oraz emitują niższy poziom hałasu.

Sprężarki tłokowe są najczęściej wyposażone w podstawowe oprzyrządowanie. Za sterowanie załączaniem frezarki odpowiada przełącznik sterowany ciśnieniem w zbiorniku (presostat). Jego zadaniem jest włączanie i wyłączanie silnika sprężarki przy odpowiednim ciśnieniu włączania i wyłączania. Wartość ta jest zawsze ustawiona przez producenta, jednak można ją doregulować (zwykle w zakresie 6-8 barów). Za zbiornikiem znajduje się reduktor ciśnienia stosowany w celu ustawienia stałego ciśnienia powietrza w instalacji rozprowadzonej po laboratorium/gabinecie. W reduktory zazwyczaj wyposażane są również wszystkie odbiorniki powietrza, np. frezarka, piaskarka itp. Dodatkowe reduktory służą do ustawienia ciśnienia wejściowego na poszczególnych urządzeniach korzystających ze sprężonego powietrza, jeśli zachodzi potrzeba ustalenia ciśnienia niższego niż dostarczanego z instalacji. Frezarki protetyczne zazwyczaj zużywają 50-70 litrów powietrza na minutę pracy pod ciśnieniem ok. 6 barów, co oznacza, że 90-litrowy zbiornik stanowi magazyn powietrza na ok. 2-3 minuty pracy frezarki, uwzględniając początkowe ciśnienie w zbiorniku na ok. 9 barów. Sprężarki śrubowe ze względu na konstrukcję umożliwiają dodatkową regulację ciśnienia poprzez zmianę prędkości wirnika; najczęściej odbywa się to z użyciem układu falownika.

Kryterium trzecie to pojemność zbiornika używanego do przechowywania sprężonego powietrza. Wielkość zbiornika dobiera się na podstawie liczby urządzeń zasilanych sprężonym powietrzem. Sprężarki są najczęściej dostępne w dwóch wariantach konfiguracji, ze zintegrowanym zbiornikiem lub z wydzielonym zbiornikiem lub zbiornikami w przypadku instalacji rozbudowywanych. Sprężarki bez zbiornika mają mniejsze rozmiary zewnętrzne i mogą być z łatwością umieszczone w załomie muru lub schowku pod schodami, z kolei zbiornik może zostać zainstalowany na ścianie lub zostać zabudowany. Zdarzają się przypadki, kiedy sprężarkę trzeba zainstalować na strychu lub w piwnicy, a na jej wniesienie nie pozwalają gabaryty, wtedy oddzielenie sprężarki (zespołu pompującego) od zbiornika ukazuje swoje zalety. Pojemność zbiornika dobiera się do wydajności sprężarki. Zbiorniki w sprężarkach dla foteli stomatologicznych mają zazwyczaj małe pojemności (35-50 l) i są zintegrowane ze sprężarkami o wydajności 50-100 l/min. Sprężarki do zasilania frezarek protetycznych o wydajnościach 100-300 l/min wymagają zbiorników o pojemnościach 50-200 litrów. Wysoko wydajne sprężarki śrubowe i łopatkowe o wydajnościach powyżej 300 l wymagają odpowiednio dużych zbiorników – 300-500 l. Zaletą sprężarki śrubowej jest to, że można ją obciążyć w 100%, dlatego współpracujący zbiornik nigdy nie jest zbyt duży. Sprężarka śrubowa może pracować bez przerwy, aby w sposób ciągły napełniać zbiornik powietrza. Sprężarka tłokowa nie powinna być w pełni obciążona, więc zbiornik powietrza nie powinien być zbyt duży w stosunku do efektywnej wydajności sprężarki. Dobrym punktem wyjścia dla sprężarek tłokowych jest to, że zbiornik powietrza powinien mieć około 50% efektywnej wydajności, tj. sprężarka o efektywnej wydajności 160 l/min powinna mieć zbiornik 90 l. Istotne jest również to, jak producent kompresora wyznacza jego przepływ, czasami podawana jest ilość powietrza zasysanego przez sprężarkę, zamiast tzw. wydajności efektywnej, mierzonej za pomocą swobodnego wydatku powietrza FAD (ang. Free Air Delivery). Wydajność sprężarki jest wtedy przeliczana do standardowych warunków panujących przy wlocie powietrza, czyli do ciśnienia wlotowego 1 bara oraz temperatury wlotowej 20°C.

Kryterium czwarte to wymagana klasa czystości powietrza definiowana zgodnie z normą ISO 8573-1 i podawana zazwyczaj przez producenta podłączanego urządzenia do instalacji sprężonego powietrza, np. frezarki (tab. 3).

Frezarki mają różne wymagania w zakresie ciśnienia oraz natężenia przepływu powietrza, np. frezarka CORiTEC 150i PRO wymaga ciśnienia co najmniej 3 barów przy natężeniu przepływu 50 l/min, natomiast frezarka CORiTEC 350i PRO wymaga ciśnienia w zakresie 6,5-9 barów przy natężeniu przepływu powietrza 80 l/min. Praktyczne zastosowanie mają kompresory tłokowe oraz śrubowe.

Warto nadmienić, że relatywnie tanie azjatyckie sprężarki nie spełniają tych wymagań, co może pociągać za sobą ryzyko skrócenia czasu trwałości wrzeciona lub doprowadzić do jego uszkodzenia. Zanieczyszczenia w postaci cząstek stałych (drobin) przedostają się do układu pneumatycznego sprężarki poprzez powietrze zasysane z otoczenia, powstają również w urządzeniach dostarczających i magazynujących sprężone powietrze: przewodach pneumatycznych, zbiornikach oraz blokach zaworowych. Cząstki takie uwalniane zostają na drodze fizykochemicznej (korozja, zgorzeliny, cząstki starzejących się i uszkadzanych uszczelnień) lub drogą mechaniczną jako skutek zużywania się części ruchomych w sprężarkach. Zaolejenie powietrza w instalacji to efekt zastosowania sprężarek olejowych (tłokowych lub śrubowych), jednakże nawet sprężarki bezolejowe dostarczają do instalacji pewne szczątkowe ilości zanieczyszczeń olejowych. Woda w naturalny sposób dostaje się do sprężarki w postaci pary wodnej, w zasysanym przez sprężarkę powietrzu atmosferycznym. Woda może również przedostawać się ze zbiorników sprężonego powietrza umieszczanych za sprężarkami. Ilość zawartej wody w medium roboczym zależy od temperatury powietrza i jego wilgotności względnej definiujących tzw. punkt rosy, w którym może rozpocząć się proces skraplania powietrza przy ustalonym ciśnieniu. Powietrze powinno być maksymalnie suche, czyli nie może zawierać wilgoci (rosy), której obecność może doprowadzić do przyśpieszonego zużycia systemu łożysk wrzeciona frezarki. Wystąpienie zawilgocenia powietrza może być również konsekwencją ekspozycji przewodów pneumatycznych na duże wahania temperatury, np. na zewnątrz budynku, co może powodować lokalne zawilgocenie powietrza transportowane przewodem bezpośrednio do frezarki. W celu przeciwdziałania pojawieniu się wilgoci w sprężonym powietrzu stosowane są urządzenia osuszające, tzw. „osuszacze”, które mogą być zintegrowane z kompresorem lub stanowić niezależne urządzenie. Najczęściej stosowane są osuszacze ziębnicze lub osuszacze adsorbcyjne sprężonego powietrza. Adsorbcyjne osuszacze sprężonego powietrza oczyszczają sprężone powietrze poprzez adsorbcję wilgoci. Proces osuszenia zachodzi, gdy sprężone powietrze zawierające wilgoć jest przepuszczane przez zbiornik z adsorbentem, który więzi wilgoć w adsorbencie (aktywowany tlenek glinu, żel krzemionkowy, chlorek litu, sita molekularne) (fot. 2). Ziębnicze osuszacze sprężonego powietrza oczyszczają to powietrze poprzez schłodzenie go do temperatury bliskiej temperaturze zamarzania wody, które powoduje skroplenie zawartej w powietrzu wilgoci.

Najbardziej wymagające pod tym względem są fotele stomatologiczne, dla których zalecana jest klasa czystości „0”, czyli powietrze przygotowane w sposób lepszy niż to definiuje norma ISO 8573-1. Oczywiście tak czystym powietrzem można zasilać również wszystkie pozostałe odbiorniki, w tym: frezarkę, piaskarkę, stół protetyczny.

Kryterium piąte definiuje położenie zbiornika w instalacji sprężonego powietrza, gdzie istnieją dwie opcje jego montażu. Pierwsza to zbiornik sprężonego powietrza umieszczony zaraz za sprężarką jako tzw. zbiornik „mokry” lub za osuszaczem jako tzw. zbiornik „suchy”. Jeżeli w instalacji pneumatycznej zbiornik usytuowany jest jako „mokry” na wylocie ze sprężarki przed osuszaczem, to wtedy zapewnione jest dobre chłodzenie sprężonego powietrza oraz częściowe wykroplenie kondensatu i innych zanieczyszczeń. Dodatkowo umieszczenie zbiornika „mokrego” przed osuszaczem daje dużą możliwość kontroli działania sprężarki. Wadą tego rozwiązania jest konieczność dopasowania wydajności osuszacza powietrza do maksymalnego poboru powietrza z instalacji. W przypadku poboru szczytowego, które przekracza wydajność sprężarki, pewna ilość powietrza będzie pobierana ze zbiornika w celu uzupełnienia wydajności sprężarki. Może to powodować przeciążenie osuszacza i w konsekwencji wilgoć znajdująca się w powietrzu przedostanie się do dalszej części systemu sprężonego powietrza. Z kolei zaletą takiego rozwiązania jest to, że, jeżeli nie zadziała drenaż kondensatu umieszczony w dnie zbiornika, to kondensat zgromadzi się na jego dnie i nie przedostanie się dalej do osuszacza. Umieszczenie zbiornika zaraz na wylocie sprężarki to także najlepszy sposób na redukcję liczby cykli sprężarki, gdyż wtedy sprężarka postrzega zbiornik jako „całkowitą efektywną pojemność”. O tym problemie piszę w dalszej części artykułu. Innym wyborem jest umieszczenie zbiornika po stronie „suchej” instalacji sprężonego powietrza, czyli za osuszaczem, co pozwala na magazynowanie w zbiorniku powietrza przefiltrowanego i osuszonego. Takie położenie zbiornika w instalacji eliminuje zagrożenie przeciążenia osuszacza, natomiast nie ma wtedy możliwości obniżenia temperatury kondensatu oraz jego odseparowania przed wejściem powietrza do osuszacza. Wadami takiego rozwiązania jest spadek wydajności na skutek strat ciśnienia w osuszaczu oraz filtrach. W konsekwencji nie jest możliwe zmniejszenie liczby cykli sprężarki. Jeżeli regulator sprężarki zostanie ustawiony na zakres zmian ciśnienia 0,7 bara, to załóżmy, że strata ciśnienia na osuszaczu wyniesie 0,25 bara, z kolei w filtrach będzie to 0,2 bara. Łączna różnica ciśnień wyniesie wtedy zaledwie 0,25 bara (0,7 – 0,25 – 0,2 = 0,25 bara) tolerancji na zmianę ciśnienia w zbiorniku. W efekcie magazynowanie powietrza w zbiorniku będzie mniej efektywne (stosunek: 0,25/0,7), co oznacza, że cykle sprężarki będą w przybliżeniu trzykrotnie częstsze. Sprężarka postrzega wtedy zbiornik powietrza jako trzykrotnie mniejszy, gdyż „patrzy” na niego przez spadki ciśnień na osuszaczu oraz filtrach. Najlepszym, równocześnie kosztownym rozwiązaniem jest posiadanie obu zbiorników tzw. „mokrego” oraz „suchego”, których objętości w przybliżeniu można określić jako ¹/₃ wymaganej objętości po stronie „mokrej” oraz ²/₃ po stronie „suchej” instalacji. Umieszczenie czujnika ciśnienia na zbiorniku suchym zabezpiecza przed powstaniem problemu ze zmniejszeniem efektywności zbiornika, a także zapewni lepszą regulację ciśnienia w zakresie zmiennych warunków poboru powietrza. Posiadanie zarówno „mokrego”, jak również „suchego” zbiornika sprężonego powietrza minimalizuje obciążenia szczytowe osuszacza, buforując i równoważąc zapotrzebowanie na powietrze w całej instalacji, co jest dodatkową korzyścią. Wszystkie zbiorniki w instalacji powinny być wyposażone w drenaż kondensatu oraz odpowiednie zawory bezpieczeństwa zgodne z obowiązującymi wymogami UDT. Drenaż jest realizowany jako manualny (zawór upustowy) oraz automatyczny (zawór elektromagnetyczny). Ceny drenażu automatycznego nie są wysokie (od 600 zł brutto), a zabezpiecza on przed korozją dna zbiornika na skutek przebywania tam przez dłuższy czas kondensatu, którego objętość może osiągać ilości liczone w litrach. Ogólnie warto zakupić zbiorniki wykonane ze stali stopowej ocynkowanej, co pozwala zdecydowanie wydłużyć ich żywotność.

fot. archiwum autorów

Fot. 1. Wnętrze kompresora tłokowego z napędem bezpośrednim

Fot. 2. Osuszacz ziębniczy Atlas Copco F5

Tab. 1. Hałas emitowany przez przykładowe sprężarki w zależności od ich konstrukcji

Tab. 2. Kategorie charakteryzujące dwie podstawowe grupy sprężarek do zastosowań w protetyce i stomatologii

Tab. 3. Klasy czystości powietrza wymagane przez typowe frezarki protetyczne (pole szare)