Виды компрессоров

Виды компрессоров

Компрессор — это машина для сжатия воздуха. По устройству различают компрессоры:

· объёмные (поршневые, ротационные), в которых сжатие газа происходит при уменьшении замкнутого объёма;

· лопаточные (центробежные и осевые) в которых силовое воздействие на газ осуществляется вращающимися лопатками, и струйные, принцип действия которых подобен струйным насосам.

Поршневые компрессоры — одни из самых распространённых видов компрессоров. Оптимальное решение для задач, не требующих сверхпроизводительности. Эта технология используется для сжатия воздуха с начала ХХ века, в силу простоты технической реализации. Поршневые компрессоры, до недавнего времени, являлись основным типом воздушных компрессоров.

Винтовые компрессоры являются подтипом роторных компрессоров. Винтовые компрессоры отличаются высокой надёжностью и малыми габаритами.

Мембранный компрессор по принципу действия скорее можно отнести к поршневым компрессорам. Сжатие газа в этих компрессорах происходит в процессе уменьшения объема камеры сжатия, вследствие поступательного движения поршня. В роли поршня выступает круглая гибкая мембрана, зажатая по периметру между крышкой и цилиндром.

Компрессоры могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми. Последние используются для получения больших давлений. Поршневые компрессоры широко используются в установках с двигателями внутреннего сгорания.

Компрессоры строятся стационарными и передвижными; горизонтальными, вертикальными и с наклонным расположением цилиндров; одноступенчатыми и многоступенчатыми; одноцилиндровыми и многоцилиндровыми.

Рис. 1. Винтовая пара Конструкция винтового компрессора запатентована в 1934 году. Надежность в работе, малая металлоемкость и габаритные размеры предопределили их широкое распространение. Винтовые компрессоры успешно конкурируют с другими типами объемных компрессорных машин, практически полностью вытеснив их в передвижных компрессорных станциях, судовых холодильных установках. Типовая конструкция компрессора сухого сжатия работает без подачи масла в рабочую полость. Компрессор имеет два винтовых ротора. Ведущий ротор с выпуклой нарезкой соединен непосредственно или через зубчатую передачу с двигателем.

На ведомом роторе нарезка с вогнутыми впадинами. Роторы расположены в разъёмном корпусе, имеющем один или несколько разъемов. В корпусе выполнены расточки под винты, подшипники и уплотнения, а также камеры всасывания и нагнетания.

Высокие частоты вращения винтовых компрессоров определяют применение в них опорных и упорных подшипников скольжения.

Между подшипниковыми камерами и винтовой частью роторов, в которых сжимается газ, расположены узлы уплотнений, состоящие из набора графитовых и баббитовых колец. В камеры между группами колец подается запирающий газ, препятствующий попаданию масла из подшипниковых узлов в сжимаемый газ, а также газа в подшипниковые камеры.

Касание винтов роторов при отсутствии смазки недопустимо, поэтому между ними оставляют минимальный зазор, обеспечивающий безопасную работу компрессора, а синхронная частота вращения ведущего и ведомого роторов обеспечивается наружными синхронизирующими шестернями. Винтовые поверхности роторов и стенок корпуса образуют рабочие камеры. При вращении роторов объём камер увеличивается, когда выступы роторов удаляются от впадин и происходит процесс всасывания. Когда объём камер достигает максимума, процесс всасывания заканчивается и камеры оказываются изолированными стенками корпуса и крышками от всасывающего и нагнетательного патрубков.

При дальнейшем вращении во впадину ведомого ротора начинает внедряться сопряженный выступ ведущего ротора. Внедрение начинается у переднего торца и постепенно распространяется к нагнетательному окну. С некоторого момента времени обе винтовые поверхности объединяются в общую полость, объем которой непрерывно уменьшается благодаря поступательному перемещению линии контакта сопряженных элементов в направлении к нагнетательному окну. Дальнейшее вращение роторов приводит к вытеснению газа из полости в нагнетательный патрубок. Из-за того, что частота вращения роторов значительна и одновременно существует несколько камер, компрессор создает равномерный поток газа.

Отсутствие клапанов и неуравновешенных механических сил обеспечивают винтовым компрессорам высокие рабочие частоты вращения, т. е. получать большую производительность при сравнительно небольших внешних габаритах.

Маслозаполненные компрессоры допускают меньшие скорости вращения, чем компрессоры «сухого сжатия». Масло в рабочую полость винтового компрессора подается с целью уменьшения перетечек через внутренние зазоры, смазки винтового зацепления роторов и охлаждения сжимаемого газа.

Преимущества винтового компрессора:

· высокий коэффициент полезного действия (до 99%); работа в непрерывном интенсивном режиме; низкий уровень шума и вибрации; возможность установки непосредственно вблизи потребителя; снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха; безопасность и высокая надежность; длительный период работы между техническими обслуживаниями.

Рис. 2. Общий вид винтовых компрессоров Принципиальная схема и цикл одноступенчатого одноцилиндрового горизонтального компрессора представлен на рис. 3. При движении поршня 2 слева направо давление газа в цилиндре становится меньше давления во всасывающем патрубке. Всасывающий клапан (клапаны обозначены цифрой 3) открывается и по мере движения поршня вправо полость цилиндра заполняется газом теоретически по линии 4−1. При обратном движении поршня справа налево всасывающий клапан закрывается и поршень сжимает газ теоретически по кривой 1−2, пока давление в цилиндре не достигнет давления Р2, равного давлению газа в нагнетательной линии трубопровода. Открывается нагнетательный клапан и поршень выталкивает газ в нагнетательную линию трубопровода при постоянном давлении Р2 (линия 2−3). В начале нового хода поршня слева направо вновь открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает с Р2, до Р1 теоретически мгновенно (линия 3−4) и процесс повторяется.

Рис. 3. Принципиальная схема и идеальный цикл компрессора простого действия При рассмотрении идеального цикла поршневого компрессора принимают следующие допущения: 1. Отсутствуют сопротивления движению потока газа (в том числе и в клапанах). 2. Давление и температура газа во всасывающей и нагнетательной линиях постоянны. 3. Давление и температура газа в период всасывания, так же как и в период выталкивания газа из цилиндра, не меняются.

4. Мертвое (вредное) пространство в цилиндре компрессора отсутствует. 5. Нет потерь мощности на трение и нет утечек газа.

При изотермическом процессе газ сжимается по кривой 1−2″ ', при адиабатическом 1−2″, а при политропическом 1−2 или 1−2'. Рассматривая политропический процесс 1−2, видим, что за этот период цикла объем газа уменьшится с V1 до V2, давление изменится от р1 до р2, а температура — от Т1 до Т2. При нагнетании газа в трубопровод (2−3) давление и температура газа остаются неизменными (р2 и Т2). Весь объем газа V2 переходит в нагнетательный трубопровод. За период 3−4 в цилиндре снижается давление до давления во всасывающем трубопроводе (р1). Период всасывания (4−1) характеризуется постоянным давлением Р1 и температурой газа Т1, в цилиндр поступает объем газа, равный V1. Работа сжатия газа от давления всасывания р1 до давления нагнетания р2 в цилиндре компрессора за время одного цикла характеризуется площадью индикаторной диаграммы, ограниченной линиями, которые соединяют точки 1−2-3−4. В случае идеального процесса, когда исключены все непроизводительные потери энергии, затрачиваемая энергия равна полезной. Таким образом, индикаторная диаграмма в этом случае дает величину затрачиваемой и полезной работы. При изотермическом процессе газ сжимается без нагрева и выходит с меньшей температурой, чем при адиабатическом или политропическом процессах. Поскольку компрессор предназначен только для сжатия и перемещения газа, то повышение его температуры не является полезной для нас частью работы. Поэтому изотермический процесс (без нагрева газа) более выгоден. При этом процессе на сжатие газа от давления р1 до давления р2 затрачивается меньше энергии (см. рис. 3, площадь 1−2″ '-3−4 наименьшая). Однако изотермический процесс трудно осуществить на практике, и компрессоры работают при политропическом или адиабатическом процессе. В реальном компрессоре в силу сопротивления нагнетательного клапана и трубопровода давление р2* (точка m на рис.4) в конце сжатия и при нагнетании выше давления р2 среды, куда происходит нагнетания. Поэтому нагнетание изобразится линией 2-m-3. Выступ m в начале нагнетания обусловлен инерцией нагнетательного клапана. От точки 3 рабочее тело, оставшееся во вредном пространстве, расширяется — линия 3−4 (рис.4), и реальная индикаторная диаграмма компрессора замыкается.

Рис. 4. Реальная индикаторная диаграмма поршневого компрессора При поступлении в цилиндр рабочее тело получает тепло от стенок цилиндра, так как температура его при всасывании ниже температуры стенок. Кроме того, оно получает тепло от смешения с газом или паром, оставшимся во вредном пространстве от предыдущего цикла работы и расширившимся до давления всасывания р1*. В результате температура рабочего тела t1* оказывается больше температуры

· тело получает тепло от стенок цилиндра, так как температура его при всасывании ниже температуры стенок. Кроме того, оно получает тепло от смешения с газом или паром, оставшимся во вредном пространстве от предыдущего цикла работы и расширившимся до давления всасывания р1*. В результате температура рабочего тела t1* оказывается больше температуры

· среды t1, из которой происходит всасывание. Поэтому объем рабочего тела, действительно всасываемого в цилиндр за один ход поршня, т. е. всасываемый

· объем при параметрах р1* и t1*, изображается на индикаторной диаграмме отрезком Vд. Рабочий объем цилиндра — объем между крайними положениями поршня — обозначен Vт.

Отношение л = (1)

определяет уменьшение производительности компрессора, обусловленное наличием вредного пространства, понижением давления и повышением температуры при всасывании, и называется объемным коэффициентом,(коэффициентом подачи компрессора, коэффициентом производительности). Можно принимать л = 0,8 ч 0,85. На форму индикаторной диаграммы, помимо других факторов, влияет величина объёма между днищем поршня в крайнем левом положении и крышкой. Перед всасыванием всегда сначала происходит расширение сжатых газов, которые содержатся в указанном объёме (кривая 3 — 0), затем начинается всасывание непосредственно (кривая 0 — 1) при давление ниже атмосферного.

Коэффициенты полезного действия и затрата мощности на привод компрессора Для определения полезной внешней работы в компрессоре при сжатии газа необходимо вычислить интеграл:

l* =? v dp (2)

что требует знания зависимости между объёмом v и давлением p в процессе сжатия, установление которой в общем случае представляет значительные трудности. Поэтому процесс сжатия в компрессоре принимают таким, чтобы вычисление интеграла оказалось достаточно простым. В качестве такого процесса выбирают обратимый адиабатный или изотермический процесс. Но тогда величина l*, вычисленная в каком-либо из этих процессов, отнесенная к li* (работе сжатия в реальном процессе, её называют так же индикаторной работой), представляет собой в сущности некоторый условный коэффициент, который характеризует степень приближения работы реального компрессора к работе компрессора с выбранным процессом сжатия. компрессор винтовой мощность привод Работу сжатия газа в компрессоре для любого процесса можно найти, используя формулы технической термодинамики.

Так, для обратимого адиабатного процесса полезная внешняя (техническая) работа (для m/м=1 кмоль):

l* = (г/(г -1) · { (P1· х 1) · [1 — (P2/P1) (г -1)/ г] }; (3)

для идеального газа

l*= (г/(г -1) · { (R· T1) · [1 — (P2/P1) (г -1)/ г] } (4).

Из формул (3) и (4) следует, что работа сжатия в компрессоре величина отрицательная (работа совершается над газом). Однако для удобства расчётов её определяют как положительную, по абсолютной величине.

В этом случае формулы можно записать так:

l* = (г/(г -1) · { (P1· х 1) · [ (P2/P1) (г -1)/ г — 1] } (кДж/кмоль) (5)

l*= (г/(г -1) · { (R· T1) · [ (P2/P1) (г -1)/ г-1] }

Для единицы массы (1 кг) идеального воздуха работа сжатия (техническая) компрессора:

l*= (г/(г -1) · { (R*· T1) · [ (P2/P1) (г -1)/ г-1] } (6).

Здесь R*= R/м =8.314 кдж/(кмоль· 0К) /29 кг/кмоль=0,287 кдж/ кг 0К. Работа, потребляемая компрессором при изотермическом сжатии:

l*= P1· х 1 · ln (P2/P1).

Работа lе* на валу компрессора больше индикаторной работы li* вследствие наличия механических потерь при вращении вала в подшипниках, трения поршня о стенки цилиндра и др. Потери эти учитываются механическим к.п.д.

зм = li*/ lе* (7)

Отношение зе = l*/ lе *= зi? зм (8)

называется эффективным к.п.д. компрессора. Мощность Ni, затрачиваемая внутри цилиндра реального компрессора при производительности v (в м3/с) и плотности рабочего тела при входе в компрессор с1 (в кг/м3), может быть определена по формуле (М = v? с массовый расход воздуха)

Ni = (l*?v ?с1 / зi) = (lад*?v?с1 /зi ад) = (lиз *?v?с1/зi из) (9) Здесь l*, lад* и lиз* берутся в кДж/кг.

Мощность на валу компрессора:

Nе = Ni / зм (10)

Выше отмечалось, что индикаторную работу (а, следовательно и мощность) компрессора можно определить по индикаторной диаграмме, измеряя её площадь. Используя масштаб, единицы площади затем можно перевести в ед. работы.

Полный адиабатный КПД компрессора:

зад= Nад/ Nе = m· l*/(ф · Nе) (11)

Здесь Nадполная теоретическая мощность. Её определяют через полезную внешнюю работу l*:

Nад = L*/ф = m· l*/ф = M· (i2-i1); (12)

Для идеального газа :

Nад = M· ср · (Т2 — Т1). (13)

Здесь М= m/фмассовый расход газа в кг (воздуха), ср — удельная изобарная теплоёмкость.

Режим работы поршневого компрессора Сжимаясь в цилиндре поршневого компрессора, воздух нагревается. На выходе из одноступенчатого компрессора его температура превышает 1500С. При этом часть тепла поглощается деталями и элементами конструкции головки компрессора, что приводит к повышению их температуры и изменению тепловых зазоров в узлах трения. Если не обеспечить отвод тепла, головка не успевает охлаждаться. Последствия представить несложно: температура смазываемых узлов возрастает выше допустимого уровня, полностью выбираются тепловые зазоры. В «лучшем» случае это грозит ускоренным износом механизма компрессора, в худшем — немедленным выходом из строя в результате заклинивания. Это учитывается при проектировании компрессора. Для обеспечения теплосъема применяют принудительное охлаждение компрессорной головки — обдув воздухом. В качестве нагнетателя обычно используется вентилятор электродвигателя или шкив коленчатого вала компрессора. Чтобы повысить эффективность охлаждения, корпус головки изготавливают из сплавов с высокой теплопроводностью и делают оребренным. Такие меры наиболее просты и дешевы, но недостаточны для того, чтобы обеспечить продолжительную непрерывную работу поршневого компрессора. Поэтому поршневой компрессор изначально рассчитывается на эксплуатацию с обязательным наличием перерывов, необходимых для нормализации теплового режима головки. Количественно режим эксплуатации оценивается коэффициентом внутрисменного использования (Кви), показывающим, какую часть времени компрессор способен работать непрерывно. Отечественный стандарт определяет три вида режимов работы компрессора: кратковременный (Кви = 0,15), непродолжительный (Кви = 0,5) и продолжительный (Кви = 0,75). Способность дольше работать в непрерывном режиме означает в конечном счете большую надежность и ресурс техники. Она достигается использованием более совершенных материалов и схемных решений, больших запасов прочности конструктивных элементов, что, естественно, отражается на стоимости продукции. Как обеспечивается требуемый режим эксплуатации компрессора? Прежде всего, рассчитывая его объемную производительность, нужно учесть правильный баланс между этой важнейшей характеристикой и средним воздухопотреблением. Эти параметры связаны между собой через коэффициент, зависящий от класса компрессора, который больше единицы для компрессоров всех серий. Это означает, что подача компрессора должна быть всегда больше, чем среднее воздухопотребление. Величина запаса по производительности тем больше, чем ниже положение, занимаемое компрессором в «табели о рангах». Отдав предпочтение более дешевой технике (например, полупрофессиональной серии), необходимо заложить в расчеты больший запас по производительности. Функцию хранения запасенного сжатого воздуха выполняет ресивер, а в случае разветвленной пневмосети — также и внутренний объем магистралей. В этом заключается наиважнейшая роль ресивера наряду с демпфированием пиковых нагрузок, сглаживанием пульсаций давления и охлаждением сжатого воздуха. Может сложиться мнение, что чем больше емкость ресивера, тем легче жизнь компрессора. Это мнение ошибочно. Дело в том, что для наполнения ресивера до максимального давления, когда автоматика прессостата (устройства автоматического регулирования) отключает компрессор, требуется время, и немалое. 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 отличается в несколько раз. В среднем объем ресивера таков, что компрессор способен наполнить его за 3−4 мин. Если потребности в сжатом воздухе примерно равномерные по времени, то в целях экономии средств можно ограничиться минимальным ресивером. Если возможны пиковые нагрузки, лучше предпочесть больший. Итак, грамотно выбрать компрессор для заданного воздухопотребления означает определить его производительность и объем ресивера таким образом, чтобы при эксплуатации данный компрессор работал в режиме внутрисменного использования, на который он рассчитан. Несоответствие режима работы паспортному значению приводит либо к неэффективному использованию компрессора, либо к сокращению его ресурса и преждевременному выходу из строя. Срок службы пневмооборудования и затраты на его ремонт в значительной степени определяются качеством сжатого воздуха. Известно, что главным врагом пневматических машин является грязный воздух с высоким содержанием частиц пыли. При этом, мелкие частицы, а их в воздухе промышленных зон более 80%, легко проходят сквозь входные воздушные фильтры компрессорных установок.

Далее, после сжатия, в трубопроводах пневмосистемы эти частицы смешиваются с водяным конденсатом, парами масла, окалиной и создают эмульсию с довольно агрессивными свойствами. Такая эмульсия вызывает интенсивную коррозию и ускоренный износ деталей пневмооборудования, что, в свою очередь, ведет к увеличению длительности простоев оборудования и значительному росту затрат на его ремонт. Для безотказной работы пневмооборудования должным образом должна производиться подготовка сжатого воздуха. Приводим типовую схему подготовки сжатого воздуха с использованием поршневого компрессора:

Грамотная схема подготовки сжатого воздуха в случае применения поршневого компрессора. А — поршневой компрессор; Б — воздушный охладитель сжатого воздуха; Вциклонный сепаратор; Г — ресивер; Д — фильтр предварительной очистки (3 мкм.) с влагоотделителем; Е — холодильный осушитель воздуха; Ж — фильтр промежуточной очистки (1 мкм.) с влагоотделителем; З — фильтр для удаления масла (0,01 мкм.) с влагоотделителем;И — выходной угольный фильтр для удаления запахов.

Типовая схема установки для подготовки сжатого воздуха с использованием винтового компрессора:

А — винтовой компрессор; Г — ресивер; Д — фильтр предварительной очистки (3 мкм.) сжатого воздуха с влагоотделителем;Е — холодильный осушитель; Ж — фильтр промежуточной очистки с влагоотделителем;

З — фильтр для удаления масла (0,01 мкм.) с влагоотделителем;

И — угольный фильтр для удаления запахов. Обратите внимание на то, что в составе второй схемы отсутствует охладитель сжатого воздуха. Это объясняется тем, что сжатый воздух в поршневом компрессоре может нагреваться до 120єС, в то время, как в осушитель холодильного типа он должен поступать с температурой не более 55 градусов. Именно поэтому сжатый воздух после поршневого компрессора требует предварительного охлаждения. Из винтового же компрессора выходит сжатый воздух с температурой не более 50 градусов, и его для осушения нет необходимости предварительно охлаждать.

1. Теплотехника — Баскаков А. П. 1991 г.

2. Теплотехника — Крутов В. И. 1986 г.

3. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция — Тихомиров К. В. 1981 г.57.

4. Теплотехнические измерения и приборы — Преображенский В.П.1978 г.