Умение работать с воздухом

Типов компрессорного оборудования сегодня в мире великое множество – винтовые, поршневые, роторные (ротационно-пластинчатые или шиберные), центробежные и спиральные. В зависимости от требуемой частоты вращения, мощности и диапазона регулирования параметров приводом компрессоров могут быть электродвигатель, газовая турбина либо двигатель внутреннего сгорания (дизельный или бензиновый). По типу сжимаемого газа компрессоры делятся на воздушные, пропан-бутановые, кислородные, водородные и для сжатия специальных газов, по типу транспортировки – на переносные, передвижные и стационарные.

Их можно классифицировать также по производительности или подаче воздуха (Q) и давлению (Pmax), по типу использования масла (маслозаполненные, безмасляные), с водяным или воздушным охлаждением, с прямой передачей или ременным приводом и т. д.

Винтовой компрессор – это ротационная машина объемного принципа действия. Главными достоинствами винтовых компрессоров принято считать их компактность, отсутствие вибраций, низкий уровень шума, удобную и экономичную эксплуатацию, малое энергопотребление. Это оборудование отвечает самым строгим современным требованиям, предъявляемым пользователями сжатого воздуха.

Существуют две модификации винтовых компрессоров – с одинарным винтом и с двойным. В моделях с одинарным винтом одна или две шестерни-сателлиты подсоединены к ротору с боков. Сжатие паров хлад-агента происходит с помощью вращающихся в разные стороны роторов. Их вращение обеспечивает центральный ротор в виде винта. Пары хладагента поступают через входное отверстие компрессора, охлаждают двигатель, затем попадают во внешний сектор вращающихся шестерен роторов, сжимаются и выходят через скользящий клапан в выпускное отверстие. Модели с двойным винтом отличаются наличием двух роторов – основного и приводного. В винтовых компрессорах нет впускных и выпускных клапанов. Всасывание хладагента постоянно происходит с одной стороны компрессора, а его выпуск – с другой. При таком способе сжатия паров уровень шума гораздо ниже, чем у поршневых компрессоров.

Винтовые маслозаполненные компрессоры Remeza: слева – BK7E с ременным приводом, справа – BK7A открытого типа

У всех винтовых компрессоров совершенно определенная степень сжатия, зависящая от конфигурации окна нагнетания. В имеющихся в продаже компрессорах, как правило, есть несколько фиксированных значений степени сжатия.

Чтобы снизить потери в зазорах между зубьями и впадинами, в полость винтовых компрессоров впрыскивают масло, которое повышает герметичность зазоров. Кроме того, масляная среда способствует охлаждению сжимаемых паров хладагента. Охлаждение впрыском масла позволяет поддерживать температуру в конце сжатия в допустимых пределах, вот почему винтовые компрессоры подходят для достижения высокого перепада давления и высокой степени сжатия.

Производительность небольших винтовых компрессоров значительно ниже, чем поршневых, тогда как крупные модели не уступают по рабочим параметрам турбокомпрессорам. К тому же вследствие высоких значений объемного КПД и низких температур в конце сжатия винтовые компрессоры обеспечивают такие температуры испарения, которые в поршневых компрессорах достигаются только при двухступенчатом цикле.

Из главных достоинств винтового компрессора можно отметить высокую надежность работы, большой моторесурс, малую изнашиваемость основных деталей. Такие установки хорошо работают на любых газах и их смесях, частота вращения ротора и степень давления регулируются плавно.

Винтовая компрессорная станция ПВ-10/8М1 (ОАО «Машзавод», г. Чита)

Есть у винтового компрессора и недостатки: сложность устройств и механизмов, позволяющих регулировать степень сжатия газовой среды; обязательное наличие в машине отделителя масла и маслоохладителя; неэффективная работа устройств промежуточного всасывания (экономайзера) при снижении подачи компрессора на 15...20% от максимальной величины.

В поршневом компрессоре воздух сжимается в замкнутом пространстве цилиндра в результате возвратно-поступательного движения поршня. Конструктивно поршневой компрессор представляет собой агрегат, состоящий из компрессорной головки, электропривода, ресивера и устройства автоматического регулирования давления (прессостат).

В компрессоре одноступенчатого сжатия захват воздуха происходит при движении поршня из верхнего положения в нижнее. При этом нагнетательный клапан находится в открытом положении, затем он автоматически закрывается, и поршень при обратном ходе сжимает воздух. При достижении поршнем верхней точки нагнетательный клапан вновь открывается, и сжатый воздух выталкивается из цилиндра. В компрессоре двухступенчатого сжатия воздух сжимается дважды, в результате давление нагнетания увеличивается до 1373,4 МПа (14 кгс/см²).

Малогабаритный поршневой безмасляный компрессор FIAC FX 95 класса Hobby

Поршневые компрессоры производительностью от 0,1 до 2 м³/мин выгодно применять на сравнительно небольших производствах, где используется сжатый воздух давлением от 6 до 16 атм. Установки производительностью до 0,25 м³/мин используют как источник сжатого воздуха для пневмоинструмента, окрасочных работ, опрессовки газовых и водяных труб, в комбинированных силовых установках и т. п. Их изготавливают на базе двухцилиндровой одноступенчатой компрессорной головки. Компрессоры производительностью до 0,6 м³/мин применяют на строительно-отделочных работах и также изготавливают на базе двухцилиндровой одноступенчатой компрессорной головки.

Компрессорные установки производительностью до 1 м³/мин применяют в гаражах, на строительных, дорожных и промышленных предприятиях, а также на линиях по производству пластиковых бутылок. Их обычно изготавливают на базе двухцилиндровой двухступенчатой компрессорной головки. Установки производительностью до 2 м³/мин изготавливают на базе четырехцилиндровой двухступенчатой компрессорной головки, а применяют в гаражах, на строительных и промышленных предприятиях, используют для привода двух отбойных молотков и одного пневмомолота, для обеспечения сжатым воздухом кузнечного производства, на линиях по розливу жидкостей и др.

Некоторые компрессорные установки имеют привод от вала отбора мощности трактора. Их монтируют на шасси и применяют в коммунальных и дорожных службах для обеспечения аварийных работ.

Компрессорная станция ПД-20R – совместная разработка чешской компании Atmos Chrast и российской «Автопартнер»

В ротационно-пластинчатом (шиберном) компрессоре на роторе нарезаны пазы, в которых установлены пластины. Воздух поступает между рабочими пластинами и корпусом-статором, при вращении ротора он сжимается. Сжатие происходит за счет уменьшения объема рабочих полостей между пластинами вращающегося ротора и цилиндром-статором компрессора. В процессе сжатия в полость сжатия впрыскивается масло, которое охлаждает воздух, смазывает трущиеся детали и улучшает компрессию, образуя в цилиндре сжатую масляно-воздушную смесь. В зависимости от степени сжатия воздуха бывают одно- и двухступенчатые системы сжатия. Сжатая смесь поступает в маслосборник, где происходит отделение воздушной среды от масла. Окончательно воздух очищается от масла в специальном устройстве, называемом маслоотделителем. Ротационно-пластинчатые компрессоры большой мощности особенно эффективны в дорожном строительстве для привода пневмоинструмента большой мощности, например отбойных молотков.

Принцип действия центробежного компрессора основан на создании пониженного давления в приемной камере. Его рабочий орган – турбинные колеса с индукторными лопатками, которые при вращении подают воздух из приемной трубы в промежуточный охладитель. Центробежные компрессоры изготавливают с двумя или четырьмя ступенями сжатия и используют там, где требуется большая подача воздуха, от 33 000 до 100 000 м³/ч, и давление до 12,7 МПа.

Компрессоры Rotair серии MDVN отличаются уникальной системой впрыска масла

Сжатие воздуха в спиральном компрессоре производится двумя спиралями. Одна из них неподвижна, другая (орбитальная спираль) закреплена на валу электродвигателя и при вращении вала совершает круговые (не вращательные) движения. Максимальное давление, создаваемое такими устройствами на выходе, не превышает 7,0...10,0 МПа. В промышленности спиральные компрессоры применяют редко.
Во всех видах компрессоров воздух при сжатии нагревается. На выходе из одноступенчатого компрессора его температура может превышать 150 °С. Часть выделяемого тепла поглощается деталями и элементами конструкции компрессора, что приводит к изменению тепловых зазоров в узлах трения. В лучшем случае это грозит ускоренным износом механизма компрессора, в худшем – немедленным выходом из строя в результате заклинивания. Эти факторы учитывают при проектировании.

Для уменьшения температуры узлов компрессора применяют принудительное охлаждение – обдув воздухом. В качестве нагнетателя обычно используют вентилятор электродвигателя или шкив коленчатого вала компрессора. Чтобы повысить эффективность охлаждения, корпус головки изготавливают из сплавов с высокой теплопроводностью и оснащают радиаторами. Такие меры наиболее просты и дешевы, но недостаточны для того, чтобы обеспечить продолжительную непрерывную работу компрессора. Поэтому компрессор изначально рассчитывается на эксплуатацию со строго определенными перерывами, необходимыми для нормализации теплового режима.

Безмасляный спиральный компрессор Atlas Copco SF4

Определяя максимальное давление, развиваемое компрессором, следует иметь в виду, что система автоматического регулирования давления всех компрессоров настроена таким образом, что обеспечивает поддержание давления в ресивере с допуском –2 бар от максимального значения. Это означает, что в процессе работы компрессора с Pmax=8 бар давление на выходе может изменяться в диапазоне от 6 до 8 бар, у 10-барного – соответственно от 8 до 10 бар. Заводские регулировки пользователь может изменить только в сторону уменьшения минимального давления.

Оптимальным считается следующий режим работы:

накачал максимальное давление;

отключился – перешел в режим холостого хода;

выключился полностью (давление осталось выше минимального);

включился (давление достигло минимального);

Компрессорная станция ПКС-7/100 производства ОАО «Уральский компрессорный завод» на шасси автомобиля «Урал»

накачал максимальное давление.

Рассчитывая требуемый режим эксплуатации компрессора, его объемную производительность, нужно соблюсти правильный баланс между оптимальным давлением и средним воздухопотреблением. Эти параметры связаны между собой через коэффициент, который больше 1 для компрессоров всех серий. Это означает, что подача компрессора должна быть всегда больше, чем среднее воздухопотребление. Если сжатого воздуха производится больше, чем расходуется, компрессор всегда будет работать в оптимальном режиме, с периодами автоматического отключения.

Существует ошибочное мнение, что чем больше емкость ресивера, тем стабильнее будет работать компрессор. Дело в том, что для наполнения ресивера до максимального давления, когда автоматика отключает компрессор, требуется время. При необоснованном увеличении объема ресивера компрессор будет трудиться непрерывно на его восполнение, выходя из допустимого режима работы. Объем ресивера связан как с производительностью компрессора, так и с характером воздухопотребления.

По этой причине компрессорная головка одной производительности может комплектоваться ресиверами нескольких типоразмеров, объем которых различается в несколько раз. Вот почему объем ресивера должен быть таков, чтобы компрессор наполнял его за 3...4 мин. Если потребности в сжатом воздухе примерно равные по времени, то в целях экономии средств можно ограничиться минимальным ресивером. Если возможны пиковые нагрузки, лучше предпочесть больший ресивер.

Грамотно выбрать компрессор означает определить его производительность и объем ресивера таким образом, чтобы при эксплуатации он работал в режиме расчетного использования. Несоответствие режима работы паспортному значению приводит либо к неэффективному использованию компрессора, либо к сокращению его ресурса и преждевременному выходу из строя. О том, какие модели компрессоров можно приобрести на российском рынке и чем различается это оборудование, мы расскажем в одной из ближайших публикаций.

(Начало. Продолжение см. «ОС», № 7, 2005 г.)