Поршневые компрессоры
Компрессоры > Виды и типы
Поршневые компрессоры
Поршневые компрессоры были изобретены первыми и являются самыми распространёнными из всех компрессоров. Это объясняется тем, что принцип действия поршневого компрессора достаточно прост, а требования к изготовлению основных элементов невысоки.
Поршневые компрессоры являются компрессорами объёмного типа с поршневой системой сжатия. Это означает, что воздух сжимается в закрытом объёме за счёт возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре и продвигается в направлении повышенного давления. Движение поршня обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом от вала с приводным двигателем. Компрессоры поршневые можно чаще всего видеть там, где применение связано с высоким давлением.
Конструкция и принцип действия
Основной узел поршневого нагнетательного оборудования - это непосредственно сам компрессор. В нем происходит сжатие среды, на работу с которой рассчитан агрегат. В компрессорах холодильников, например, это хладагент, а в различных нагнетателях воздуха - какой-либо газ (чаще всего воздух).
Общий принцип действия поршневого компрессора схож с работой двигателя внутреннего сгорания. Однако, если в ДВС поршень приводит через шатун во вращение коленвал, то компрессоре все наоборот - вращающийся коленвал через шатун приводит в движение поршень.
Основные узлы компрессора - это рабочий цилиндр, находящийся в нем поршень, закреплённый на шатуне, и клапаны, которые называются всасывающим и нагнетательным. Также есть коленчатый вал, к которому присоединён шатун.
Первый цикл работы компрессора происходит при движении поршня в направлении от крышки цилиндра, в которой расположены клапаны. При этом внутренний объём цилиндра в этой его части (полость между стенками, крышкой с клапанами и поршнем) увеличивается. За счёт этого происходит разряжение, преодолевающее жёсткость пружины всасывающего клапана и открывающее его. Через него в цилиндр втягивается воздух. Нагнетательный клапан всё это время плотно закрыт.
Во время второго цикла, когда поршень начинает двигаться в направлении крышки с клапанами, воздух начинает сжиматься, так как объем цилиндра в этой его части уменьшается. Под действием создаваемого при этом давления всасывающий клапан закрывается. Когда давление превысит значение, на которое рассчитана жёсткость пружины нагнетательного клапана, тот открывается и выпускает из цилиндра воздух, который выходит под давлением. Это давление называется рабочим и задаётся жёсткостью пружины нагнетательного клапана.
С целью снижения износа цилиндровых стенок и поршня в узел цилиндра подают масло, что приводит к ухудшению качества подаваемого воздуха, к которому в процессе сжатия подмешиваются мелкие частички масла. Поэтому в случае использования технологией производства чистого воздуха, на выходе из компрессора устанавливают сепаратор, который помогает убрать из воздушного потока частички масла.
Для сбора сжатого воздуха, устранения пульсации давления, отделения конденсата и масла используется ресивер, который может служить корпусом, на котором смонтированы узлы и детали компрессора.
Привод компрессорной группы обеспечивается электрическим или другим двигателем.
Поршневые компрессоры также оснащаются предохранительным клапаном. Он служит для ограничения максимального давления в ресивере и отрегулирован на давление открывания, превышающее давление нагнетания не более чем на 10%.
Основные типы
Основные модели поршневых компрессорных установок можно классифицировать по принципу работы и смазывания, типу привода, уровню конечного давления, количеству ступеней сжатия и виду исполнения.
Поршневые компрессорные установки могут быть одинарного (бескрейцкопфные) или двойного действия (крейцкопфные) – то есть классифицироваться по количеству циклов сжатия за одно возвратно-поступательное движение поршня. Бескрейцкопфные компрессоры компактны, имеют сравнительно простой механизм движения, небольшой вес, единую систему смазки. Однако во время их работы происходит утечка газа в картер через поршень, из-за чего картер находится в работе под давлением, а масло в нем контактирует с перекачиваемым маслом. Кроме того одинарное действие поршня не даёт возможности эффективно задействовать цилиндр. Поэтому компрессоры большой мощности и высокого давления, а также горизонтальные компрессоры изготавливаются всегда крейцкопфными.
По расположению цилиндров поршневые компрессоры могут быть горизонтальными, вертикальными или угловыми (V или W-образными).
У вертикальных установок цилиндры расположены вертикально. Такие компрессоры могут быть изготовлены с одной до четырёх ступеней сжатия и иметь одно- и двухрядное исполнение.
У горизонтальных компрессорных установок цилиндры могут размещаться как с одной стороны, так и с двух на коленчатом валу (с односторонним или двусторонним размещением). Оппозитное исполнение (расположение цилиндров с двух сторон на коленчатом валу) применяют в поршневых компрессорах средней и высокой производительности. В этом случае поршни двигаются на встречу друг другу. Таким компрессорам присущи высокая динамичность и уравновешенность, компактность и небольшой вес. Установки с небольшой или средней производительностью имеют прямоугольную конструкцию и угловое размещение цилиндров. Благодаря улучшенной производительности, оппозитные компрессоры используются чаще, чем стандартные устройства.
У угловых компрессоров цилиндры размещены в одних рядах вертикально, а в других - горизонтально. Это прямоугольные компрессоры, цилиндры их могут быть наклонены и установлены V-образно или W-образно.
По количеству цилиндров различают одно - двух- и многоцилиндровые поршневые компрессоры.
Двухцилиндровые компрессоры могут быть одно- и двухступенчатыми.
Двухцилиндровый одноступенчатый компрессор имеет два цилиндра одинакового размера. Оба они, работая в противофазе, поочерёдно всасывают воздух, сжимают его до максимального давления и вытесняют в линию нагнетания.
Двухцилиндровый двухступенчатый компрессор также имеет два цилиндра, но уже разного размера. В цилиндре первой ступени воздух сжимается до некого промежуточного значения, затем охлаждается в межступенчатом охладителе и дожимается до максимального давления в цилиндре второй ступени. Роль межступенчатого охладителя выполняет специальная медная трубка. Она обеспечивает промежуточное охлаждение сжатого воздуха, благодаря чему процесс сжатия приближается к идеальному, повышая тем самым КПД поршневой группы. Размеры цилиндров подобраны таким образом, чтобы на каждой ступени сжатия совершалась примерно одинаковая работа.
По способу снижения силы трения поршневые агрегаты бывают масляные и безмасляные (сухого трения или сухого сжатия).
Масляные компрессоры с прямым приводом находят широкое применение при изготовлении мебели, в автомобильном сервисе, а также при ремонтных работах, связанных с реконструкцией фасадов. Масляные компрессоры на ременном приводе используются в случаях потребления большого количества воздуха. Надёжная система охлаждения предотвращает двигатель от чрезмерного перегрева и износа. Это позволяет использовать двигатель компрессора в постоянном режиме работы.
Безмасляные компрессоры имеют существенно меньший ресурс, в сравнение с масляными моделями. Этот тип компрессоров применяется для систем, в которых обязательным условием является подача чистого воздуха. Такой компрессор не требует смазывания цилиндропоршневой группы. Сжатый воздух, производимый подобными устройствами, не имеет масляных примесей, поэтому они применяются в пищевой промышленности, фармацевтике, медицине.
По количеству ступеней сжатия поршневые компрессорные установки бывают одноступенчатыми, двухступенчатыми, и многоступенчатыми. Для промышленных компрессоров высокого давления используется многоступенчатое сжатие, обеспечивающее достаточное охлаждение воздуха перед очередной ступенью, повышающей степень сжатия. В компрессорах многоступенчатого сжатия важно не допускать чрезмерного повышения температуры сжимаемого газа (не более 180 °С), так как существует опасность взрыва и возгорания. Максимальное число ступеней в современных компрессорах, как правило, семь.
По взаимному расположению мотора и компрессорной головки компрессоры делятся на установки с прямым (коаксиальные) или с ременным приводом (аксиальные).
В коаксиальных компрессорах двигатель и головка расположены на одной оси, а их валы соединены напрямую В этих агрегатах муфта соединяет коленвал с электрическим приводом, что исключает потери мощности вследствие трения. Конструктивное исполнение данных компрессоров довольно компактно. Они обеспечивают существенную экономию электрической энергии, демонстрируют более низкий уровень шума относительно агрегатов с ременным приводом, и имеют более высокий показатель КПД.
В аксиальных компрессорах двигатель и головка установлены параллельно друг другу, и вал последней приводится во вращение через ременную передачу электрическим или другим двигателем, что обеспечивает высокую производительность и продолжительность эксплуатации. Компрессоры данного типа могут работать по несколько часов непрерывно. Чаще всего они применяются в строительстве, в шиномонтажных мастерских, на станциях технического обслуживания.
По уровню давления на выходе поршневые компрессоры делят на агрегаты низкого давления (диапазон от 5 до 12 бар), среднего (диапазон от 2 до 100 бар) и высокого (диапазон от 0 до 1000 бар).
По виду исполнения поршневые агрегаты могут быть стационарными или мобильными (передвижными, переносными, самоходными).
Область применения
Поршневые компрессоры используются для пневмооборудования, не требовательного к большому минутному расходу воздуха под давлением. Они незаменимы при получении высоких цифр давления сжатого воздуха, удобны в случаях, когда подразумеваются частые остановки и запуски оборудования. Отлично зарекомендовали себя в неблагоприятных эксплуатационных условиях при пониженных и повышенных температурах, в условиях запылённости среды.
Поршневые компрессорные станции промышленного применения активно используют на электростанциях, сталелитейных заводах, в текстильном производстве, на военных объектах, в гидравлических системах, для заправки баллонов.
Поршневые компрессоры, предназначенные для частного использования, применяются для покраски автомобилей, стен, пескоструйной обработки деталей и пр.
Безмасляные компрессоры данного типа используются в медицине для заполнения баллонов дыхательных аппаратов, где необходимо нагнетать чистый воздух без дополнительных примесей (влаги, углеводородов, масла).
Поршневые газовые компрессоры масляного типа способны сжимать гелий, водород, природный газ, азот и другие газы.
Преимущества и недостатки
К преимуществам поршневых компрессоров относят такие как:
1. Невысокая цена оборудования. Можно однозначно утверждать, что поршневой компрессор является эффективным и достаточно дешёвым в эксплуатации агрегатом, особенно в ситуации, когда требуется производственная мощность до 200 л/мин при оптимальном давлении от 20-30 атмосфер. В сравнении с ценами на другие типы оборудования для производства сжатого воздуха (центробежное, винтовое и т.д.), поршневые компрессоры стоят значительно меньше, имея приблизительно равные своим конкурентам технические характеристики.
2. Простота конструкции, которая обеспечивает возможность осуществлять техническое обслуживание своими силами, а также минимальное количество расходных материалов. Высокая ремонтоспособность страхует от лишних затрат, например, на покупку новых запчастей.
3. Принцип работы поршневого компрессора позволяет использовать его кратковременно, исключая необходимость бесперебойной работы агрегата (например в случае когда требуется сделать длительную паузу в потреблении воздуха).
4. Поршневые агрегаты хорошо адаптированы для работы в сложных условиях. Такие компрессоры без проблем обеспечат сжатым воздухом фасовочные помещения, угольные склады, технические центры помола зерна и прочие сферы.
5. Возможность использования для создания высокого давления и для работы с агрессивными газами.
Основными недостатками называют:
1. Неравномерное, импульсное поступление сжатого воздуха (для сглаживания пульсации и выравнивания давления в системе используются ресиверы).
2. Высокий уровень шума и вибрации, из-за чего поршневое компрессорное оборудование обычно устанавливается в отдельно стоящем здании, на специальном фундаменте.
3. Достаточно низкая производительность - до 5 кубометров воздуха в минуту, что ограничивает области применения.
4. Повышенный расход электроэнергии.
5. Достаточно частое техническое обслуживание. Межсервисный интервал, как правило, составляет до 500 часов. Поэтому для непрерывности процесса на предприятии требуется наличие дублирующего оборудования, что часто не предусмотрено условиями производства.