Принцип работы промышленного компрессора

Промышленный компрессор – устройство объемного или динамического принципа действия, применяемое для сжатия газа (преимущественно воздуха) до уровня давления, необходимого в производственном процессе. Компрессорное оборудование используется практически во всех экономических сферах от рядового закручивания гаек до перекачки нефтепродуктов или шлифовки космических аппаратов перед нанесением защитных слоев.

Содержание:

Общие сведения о промышленных компрессорах
Устройство промышленных компрессоров
Принцип работы промышленного компрессора
Типы промышленных компрессоров
Виды промышленных компрессоров
Основные характеристики промышленных компрессоров
Преимущества и недостатки промышленных компрессоров
Сфера применения промышленных компрессоров
Популярные бренды промышленных компрессоров
Ремонт промышленных компрессоров

Общие сведения о промышленных компрессорах

Первый аналог компрессора появился еще в 1650 году. Его изобрел немецкий физик Герике. Примечательно, что он был поршневым, и в фундаментальных принципах ничем не отличался от современного (только приводился в действие руками). Позже в 1765 году русский инженер Ползунов усовершенствовал немецкую модель, объединив ее с паровым двигателем и добавив еще один цилиндр – производительность увеличилась многократно.

Свой вклад в доведение компрессора до привычных форм вложили десятки ученых (напрямую или косвенно) – Бойль, Фурье, Джоуль, Менделеев и другие. Постепенно мощность росла. В 1857 году при строительстве туннелей впервые применили пневматический бурильный молот, который работал в паре с поршневым компрессором.

Сегодня перед производителями стоят следующие задачи:

повышение экологической безопасности при производстве и применении компрессоров;
снижение габаритов без потери производительности;
достижение сверхвысокого уровня давления с минимальными тратами топлива;
упрощение конструкции, обеспечение ремонтопригодности.

Еще одно направление работы – поиск универсальных материалов (легких, прочных, стойких к агрессивным средам).

Устройство промышленных компрессоров

Детальная схема элементов промышленного компрессора

Стандартная система по сжатию воздуха состоит из следующих элементов:

Корпус. Обязательно герметичный, металлический, с набором уплотнительных колец и прокладок из эластичных материалов. Крепежные детали корпуса должны выдерживать вибрационные возмущения, возникающие в процессе работы.
Двигатель. В редких случаях не применяется энергия вращения (например, в струйных компрессорах двигатель вообще не нужен). Обычно в давление преобразуется именно механическое усилие.
Блок сжатия или разгона воздуха. Основной конструктивный элемент, в котором происходит наращивание давления. Либо за счет сжатия объема газа механически, либо влиянием на кинетическую энергию потока.
Подводящие и отводящие трубопроводы. Чаще всего снабжаются клапанами, открывающимися только в одну сторону (это не позволяет воздуху покидать объем в произвольном направлении).
Фильтрационный блок. Может стоять на входе, выходе или сразу в двух местах. Бывают модели без стационарной системы фильтрации. Основные функции фильтров – не допустить проникновения в рабочую камеру твердых абразивных частиц, удалить из нагнетаемого потока пары масла или другого смазочного вещества.
Ресивер. Емкость, в которой хранится сжатый газ. Некоторые производственные циклы не нуждаются в хранении запаса воздуха, поэтому он подается к рабочему месту напрямую. Ресиверы имеют жесткую конструкцию, рассчитанную на определенный уровень внутреннего давления.

На любом компрессоре присутствуют блок управления. Иногда он ограничен только кнопками включения-отключения. В мощные промышленные компрессоры интегрируются микропроцессорные системы, сенсорные экраны, регуляторы мощности, устройства релейной защиты и т. д.

Поэтапная схема принципа действия промышленного компрессора

У всех компрессоров вне зависимости от конструктивных особенностей один принцип действия: воздух поступает в рабочую камеру, проходит через стадию сжатия и отправляется в ресивер или к потребителю (пневмоинструмент, уборочный инвентарь, производственный конвейер и т. д.) под давлением.

Процесс нагнетания определен видом компрессора и компрессионным блоком. Это могут быть поршень, винт, мембрана, турбина, «кулачки», шестеренки и другие элементы. Выходной поток получается либо пульсирующим, либо равномерным. Компенсация пульсаций – одна из полезных функций ресивера помимо аккумулирования давления.

Типы промышленных компрессоров

Типовые промышленные компрессоры на одном фото

Типы компрессоров, применяемых в промышленности:

По питанию. Используются преимущественно производительные электрические компрессоры с двигателем, работающим от сети 220 или 380 В. Дизельные и бензиновые агрегаты тоже есть. Их главное преимущество – автономность (можно использовать, например, на удаленной стройке). Но при повышении мощностей расход топлива становится слишком большим.
По типу привода. С коаксиальным (прямым) или ременным приводом. Первый применяется в бытовых агрегатах – так они становятся дешевле и проще в устройстве. Ременный привод – промышленный выбор. Он надежнее и производительнее.
По системе охлаждения. Водяная либо воздушная. Охлаждение на основе вентиляторов проще устроено, но сильно шумит и создает дополнительные воздушные потоки в помещении. Водяная система бесшумная, однако ее придется обслуживать: устанавливать дополнительные насосы, радиаторы, использовать дорогие медные трубки для теплообмена, регулярно проверять на наличие протечек. Небольшие модели могут поставляться без дополнительных охладителей. Такие устройства приспособлены для кратковременных включений.
По смазке. Бывают масляные и безмасляные компрессоры. Масло продлевает срок службы «трущихся» элементов конструкции. Минус – возможность проникновения масляных паров в сжатый воздух. Безмасляные модели «чистые», но сильно шумят. Иногда не спасают даже специальные звукоизоляционные кожухи, поэтому работать в одном помещении с таким компрессором без защиты органов слуха крайне не рекомендуется.
По наличию ресивера. Некоторые небольшие агрегаты поставляются сразу с ресивером. Его емкость варьируется в пределах от 50 до 150 литров. Когда речь идет о больших запасах сжатого воздуха, ресивер придется покупать отдельно (поставлять его в комплекте нецелесообразно).
По количеству ступеней:
- одноступенчатые (воздух сжимается в рабочей камере за один цикл);
- многоступенчатые (сжатие газа происходит последовательно в нескольких камерах, что повышает конечное давление и производительность).
По мобильности. Передвижные либо стационарные. Существуют мобильные компрессорные станции, приспособленные к работе на предприятиях, где сжатый воздух требуется только на определенном этапе производства.

Также есть классификации по использованным материалам в конструкции, наличию или отсутствию дисплея, системы автоматизации, измерительных приборов и т. д.

Виды промышленных компрессоров

По принципу действия массу промышленных компрессоров можно поделить на два больших вида – объемные и динамические. Наибольшую популярность заслужили объемные: именно их применяют на крупных металлургических заводах, электростанциях, в нефтедобывающей отрасли.

Объемного действия

Суть заключается в изменении объема газа механическим путем внутри рабочей камеры. Воздух сжимается, не имея выхода наружу за счет герметичности конструкции и системы обратных клапанов. Объемные компрессоры бывают поршневыми, мембранными и роторными.

Поршневые

Поршневой компрессор вид сбоку в разрезе

Подразделяются также на:

свободнопоршневые;
с механизмом движения:
- кривошипно-шатунные,
- кулисные,
- кулачковые.

Главный элемент конструкции – поршень. За счет вращения вала он двигается назад-вперед, постоянно сжимая новую порцию газа и отправляя ее дальше через обратный клапан. Количество цилиндров напрямую сказывается на мощности.

Мембранные

Здесь тоже есть поршень (поэтому такие компрессор иногда называют мембранно-поршневыми). Но между ним и воздушной средой дополнительно установлена полимерная эластичная мембрана. Поршень двигается вперед, энергия через гидравлическую полость передается мембране, которая выгибается и сжимает газ. Преимущество решения – чистый воздух на выходе, поскольку он контактирует только с трубками и мембранами, минуя смазанные маслом компоненты.

Роторные

Вид сбоку роторного компрессора в разрезе

Сжатие в таких компрессорах происходит за счет движения ротора. Подвиды:

пластинчатые;
жидкостно-кольцевые;
с катящимся ротором;
винтовые;
шестеренчатые;
роторно-поршневые.

Использовать клапаны не нужно, поскольку воздух не может попасть обратно в рабочую камеру, минуя ротор. Здесь не требуется строгая балансировка, поэтому скорость вращения очень высокая.

Динамического действия

Принцип действия основан не на сжатии рабочей камеры, а на разгоне частиц воздуха и перенаправления их в емкость. В результате кинетическая энергия потока превращается в энергию давления.

Турбокомпрессоры

Подвиды турбокомпрессоров:

радиальные:
- центростремительные,
- центробежные;
осевые;
диагональные;
вихревые.

В турбокомпрессорах повышенную кинетическую энергию молекулы воздух приобретают после контакта с лопастным ротором особой формы. За счет отсутствия зазоров, плавной проточной части и мощного привода газу не остается ничего другого, как разгоняться и попадать в единственный доступный объем – ресивер.

Струйные

Схема принципа действия струйного компрессора

Струйные (эжекторные) компрессоры встречаются не так часто, как остальные. В основном эжектор применяется в насосах по перекачке жидкостей (например, на гидроэлектростанциях), а не газов. Принцип действия основан на выпуске заранее сжатого воздуха, который выступает в качестве активного потока. Он, двигаясь внутри трубы с огромным давлением, «захватывает» или «засасывает» газ из пассивного патрубка. Очевидные плюсы – никаких движущихся элементов, подводить энергию к эжектору не нужно, масло отсутствует. Но требуется активный поток.

Основные характеристики промышленных компрессоров

Технические характеристики, влияющие на выбор:

Мощность привода (кВт). От этого параметра зависят давление и производительность. В промышленности применяются мощные агрегаты, поэтому уделяется время расчету энергопотребления. Если двигатель электрический, важно правильно подобрать питающие кабеля и установить подходящие по силе тока защитные автоматы.
Давление на выходе (МПа). По характеристике компрессоры подразделяются на четыре категории:
- низкого давления (до 1,2 МПа) – для пневмоинструмента и технических нужд;
- среднего давления (1,2–10 МПа) – сжижение и транспортировка газов;
- высокого давления (10–100 МПа) – разделение сред, синтез;
- сверхвысокого давления (более 100 МПа) – сложные промышленные процессы и научные исследования.
Производительность (м³/мин). Неотрывно связана с мощностью, скоростью вращения вала и видом компрессора, его принципом действия. Параметр показывает максимальный объем перекаченного воздуха или другого газа за минуту. Если характеристика у оборудования ниже 10 м³/мин, он считается низким по производительности, к средней категории относятся аппараты с показателем от 10 до 100 м³/мин. Высокопроизводительными называют компрессоры, перекачивающие более 100 м³/мин.
Вес и габариты (мм, кг). Чем компактнее и легче устройство, тем проще его перевозить и монтировать на месте. Важен параметр для мобильных компрессоров. Некоторые модели перемещаются исключительно кранами и другими грузоподъемными машинами.
Объем ресивера (л). Если он присутствует в комплекте. Стандартный объем, поставляемый известными заводами-изготовителями – 50 литров. Иногда он достигает 150 л. Если нужна емкость большего объема, ее производят на заказ отдельно от компрессора.

Некоторые характеристики связаны с отраслью, в которой применяется оборудование. Например, для работы с природным газом изготавливаются компрессоры со взрывозащищенным корпусом. Есть пожаробезопасные вариации без масла, сейсмоустойчивые с подставками, компенсирующими вибрации. Отдельную категорию составляют компрессоры для электроэнергетических станций.

Преимущества и недостатки промышленных компрессоров

Наибольшей популярностью пользуются поршневые (мембранно-поршневые) и роторные винтовые компрессоры. Рассмотрим их плюсы и минусы. Преимущества поршневых компрессоров:

используются в сферах, где воздух нужно подавать порциями (не на постоянной основе);
не восприимчивы к загрязнению всасываемого газа (применимы на фасовочных складах, в пыльных помещениях, местах помола зерновых и т. д.);
помимо воздуха могут сжимать агрессивные едкие газы;
лучший в финансовом и эксплуатационном плане вариант, когда не нужна производительность более 200 л/мин;
доступная цена и долговечность.

Недостатки:

высокие энергозатраты;
необходимость в частом обслуживании по сравнению с винтовыми (в среднем каждые 500 моточасов);
сильные вибрации и шум.

Преимущества винтовых компрессоров:

тихая работа (возможно нахождение людей в помещении без защиты органов слуха);
компактные размеры и вес;
упрощенная транспортировка с места на место;
чистый воздух на выходе (без масляных паров);
способны работать без остановки длительные периоды времени;
низкие затраты на электроэнергию;
плавная регулировка производительности.

Недостатки:

высокая стоимость;
сложность технического обслуживания.

Там, где производственный процесс требует непрерывной подачи воздуха, винтовые компрессоры – лучший вариант. Поршневые и мембранные подходят для режима кратковременного нагнетания. Они чаще включаются и отключаются в течение рабочего дня.

Сфера применения промышленных компрессоров

Сам по себе сжатый воздух присутствует практически на каждом предприятии (хотя бы для питания пневмоинструмента). Сферы, в которых без компрессоров не обойтись:

нефтехимическое производство;
сельское хозяйство;
пищевая промышленность;
медицина и фармацевтика;
металлургия;
машиностроение;
строительство;
научные исследования.

Компрессоры применяются на гидроэлектростанциях, в покрасочных цехах, пескоструйных аппаратах, автосервисах, лабораториях. Без сжатого воздуха не работают пневматические ножницы, пилы, гайковерты и т. д.

Ремонт промышленных компрессоров

Две разновидности промышленных компрессоров

Чаще всего встречаются следующие неисправности:

Падение производительности. Возможные причины: разгерметизация корпуса, поломка обратных клапанов, засорение фильтров, износ уплотнительных колец и прокладок. Первым делом ремонтники чистят систему и ищут явные утечки. Если это не помогло, агрегат разбирается для замены уплотнений и осмотра поршней.
Перегрев. Возможно, неправильно работает система охлаждения (жидкость перестала циркулировать, или вентилятор не развивает нужные обороты). Если компрессор масляный, нужно проверить качество жидкости, вязкость и дату последней замены.
Металлический стук. Свидетельствует о деформационных неполадках внутри корпуса. В первую очередь проверяется главный рабочий узел (поршень, шестерни, винты и т. д.). Заодно стоит осмотреть соединительные болты в районе посторонних звуков.
Чрезмерный нагар. Почти со стопроцентной уверенностью можно говорить о некачественной смазке либо превышении ее уровня. Для ремонта придется разбирать компрессор, очищать детали от нагара и заливать новую жидкость.
Снижение давления в ресивере, когда компрессор отключен. Воздух выходит из системы через обратный клапан, который придется менять или ремонтировать.
Долгий старт. Возможно, присутствует механическое засорение в рабочей камере или в трубопроводах. Либо с трудом открывается какой-то клапан (не подходит по номинальному давлению).

На промышленных предприятиях предпочитают регулярно проводить технического обслуживание, чтобы избежать вышеописанных неприятностей и простоя оборудования. Правила, помогающие продлить срок службы техники:

Нельзя допускать раскручивания болтов. Это неизбежно происходит из-за вибраций, поэтому периодически болты следует подкручивать вручную.
В зависимости от загруженности компрессора и условий работы воздушные фильтры чистятся не реже 1 раза в месяц. Полная замена проводится ежегодно.
Перед каждым запуском и в течение рабочей смены осматриваются уровень масла и его цвет. Посветлевшая структура свидетельствует о попадании воды. Полная замена масла – в среднем каждые 500 часов. Разрешено заливать только те марки, которые допускаются производителем.
Ежедневно (особенно при интенсивном или непрерывном рабочем цикле) сливается конденсат через специальную запорную арматуру.
Перед пуском проверяются натяжение приводного ремня и отсутствие на нем повреждений.

Промышленные компрессоры периодически выводятся в плановый ремонт для осмотра цилиндров, поршней, выявления внутренних дефектов, оценки состояния мембраны и других мероприятий в зависимости от вида оборудования. Некоторые повреждения не устранить без привлечения завода-изготовителя. Все потому, что детали подогнаны очень плотно и вытачиваются на станках с ЧПУ на заказ.