Как работает воздушный компрессор? Объяснение поршня и винта

Ан воздушный компрессор работает путем втягивания окружающего воздуха и механического уменьшения его объема, что сближает молекулы воздуха и повышает давление. Этот накопленный сжатый воздух затем доставляется по трубе или шлангу к электроинструментам, накачиванию шин, распылению краски или управлению промышленными процессами. Основной принцип одинаков для всех типов компрессоров: энергия (электричества или топлива) преобразуется в потенциальную энергию, хранящуюся в виде сжатого воздуха.

Двумя наиболее широко используемыми технологиями являются поршневой воздушный компрессор (также называемый поршневым компрессором) и винтовой воздушный компрессор (роторно-винтовой компрессор). Каждый из них использует принципиально разные механизмы сжатия воздуха, что приводит к различным профилям производительности, потребностям в обслуживании и идеальным вариантам использования. Понимание того, как работает каждый из них и как выбирать между ними, является практической целью этой статьи.

Основной принцип: как работает любой воздушный компрессор

Каждый воздушный компрессор, независимо от конструкции, следует одной и той же термодинамической последовательности:

1. Потребление: Атмосферный воздух (приблизительно 14,7 фунтов на квадратный дюйм / 1 бар на уровне моря) всасывается в камеру сжатия через впускной клапан или порт, обычно фильтруемый для удаления пыли и твердых частиц.
2. Сжатие: Механический элемент — поршень, пара винтовых винтов, вращающаяся лопасть или улитка — уменьшают объём захваченного воздуха. По закону Бойля (P₁V₁ = P₂V₂ при постоянной температуре) уменьшение объема вдвое увеличивает давление в два раза.
3. Разряд: Когда давление достигает заданного уровня, выпускной клапан открывается и сжатый воздух выбрасывается в ресивер или непосредственно в распределительную линию.
4. Хранение и регулирование: Реле давления контролирует давление в резервуаре и включает и выключает двигатель (в поршневых компрессорах) или модулирует производительность (в винтовых компрессорах) для поддержания давления в заданном диапазоне.

При сжатии выделяется значительное количество тепла — температура воздуха внутри одноступенчатого поршневого компрессора может превышать 150°C (302°F). во время сжатия. Управление этим теплом посредством промежуточного, дополнительного охлаждения или впрыска масла является важной задачей проектирования, которая разделяет различные типы компрессоров.

Как работает поршневой воздушный компрессор

Поршневой воздушный компрессор использует один или несколько цилиндров, оснащенных поршнями, приводимыми в движение коленчатым валом — тот же фундаментальный механизм, что и двигатель внутреннего сгорания, но наоборот: вместо расширения газа, толкающего поршень вниз для выработки мощности, электродвигатель или двигатель приводит поршень в движение для сжатия газа.

Цикл сжатия — шаг за шагом

Каждый оборот коленчатого вала приводит поршень в полный цикл впуска и сжатия:

• Ход вниз (впуск): Поршень движется вниз, создавая в цилиндре зону низкого давления. Впускной клапан открывается, и атмосферный воздух устремляется внутрь, заполняя объем цилиндра.
• Ход вверх (сжатие): Впускной клапан закрывается. Поршень движется вверх, постепенно сжимая захваченный воздух. Давление быстро растет по мере уменьшения объема.
• Разряд: Когда давление в цилиндре превышает давление в баке, выпускной клапан принудительно открывается и сжатый воздух подается в ресивер или выходную линию.
• Возврат: Поршень снова начинает движение вниз, выпускной клапан закрывается (предотвращая обратный поток), и цикл повторяется — обычно От 500 до 1800 раз в минуту в зависимости от скорости двигателя и количества цилиндров.

Одноступенчатые и двухступенчатые поршневые компрессоры

Количество ступеней сжатия определяет максимально достижимое давление и эффективность:

• Одноступенчатый: Воздух сжимается один раз в одном цилиндре от атмосферного давления непосредственно до давления нагнетания — обычно 90–135 фунтов на квадратный дюйм (6–9 бар) . Простой, компактный и недорогой. Лучше всего подходит для периодического использования в мастерской.
• Двухэтапный: Воздух сжимается в первом (большом) цилиндре до промежуточного давления около 40–60 фунтов на квадратный дюйм, охлаждается в промежуточном охладителе, затем снова сжимается во втором (меньшем) цилиндре до конечного давления подачи 150–175 фунтов на квадратный дюйм (10–12 бар) . Промежуточное охлаждение значительно сокращает работу, необходимую на втором этапе, повышая энергоэффективность на 10–15% по сравнению с одноступенчатыми конструкциями при том же конечном давлении.

Масляные и безмасляные поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры выпускаются с двумя вариантами смазки, которые существенно влияют на качество воздуха и техническое обслуживание:

• С масляной смазкой: Стенки цилиндров и подшипники смазываются маслом, что снижает износ и увеличивает время непрерывной работы. Однако небольшое количество масляного аэрозоля попадает в сжатый воздух, что непригодно для пищевой, фармацевтической или малярной промышленности без последующей фильтрации. Замена масла требуется каждые 500–1000 часов.
• Без масла: Цилиндры покрыты ПТФЭ (тефлоном) или другими самосмазывающимися материалами, обеспечивающими Безмасляный воздух класса 0 согласно ISO 8573-1. Более высокая первоначальная стоимость и более короткий срок службы поршня/колец, чем у моделей с масляной смазкой, но это необходимо для применений с чистым воздухом.

Ключевые показатели производительности поршневых компрессоров

Чтобы оправдать ожидания, типичные характеристики поршневого воздушного компрессора попадают в следующие диапазоны:

• Диапазон мощности: от 0,5 до 30 л.с. (0,37–22 кВт) для большинства коммерческих/промышленных объектов
• Скорость потока: от 1 до 100 CFM (0,03–2,8 м³/мин)
• Рабочий цикл: 50–75% для большинства моделей поршней (время работы не может превышать 75% любого 10-минутного периода)
• Типичный срок службы: 5 000–15 000 часов до капитального ремонта.

Как работает винтовой воздушный компрессор

В винтовом воздушном компрессоре используются два взаимосвязанных винтовых ротора — ведущий ротор (с выпуклыми лопастями) и женский ротор (с вогнутыми канавками), которые вращаются в противоположных направлениях внутри точно обработанного корпуса. Воздух сжимается непрерывно, а не дискретными тактами, что делает винтовые компрессоры предпочтительным выбором для непрерывная промышленная работа, где потребность в сжатом воздухе никогда не прекращается .

Последовательность сжатия в винтовом компрессоре

В отличие от возвратно-поступательного движения поршня вперед-назад, сжатие в винтовом компрессоре представляет собой плавный, непрерывный вращательный процесс:

1. Потребление: Когда роторы вращаются, воздух втягивается в открытое впускное отверстие на впускном конце и задерживается в пространствах между кулачками ротора и стенкой корпуса.
2. Транспортировка и герметизация: Зацепление роторов постепенно закрывает захваченные воздушные карманы по мере их перемещения по длине роторов от впускного к выпускному концу.
3. Сжатие: По мере того, как лепестки более плотно прилегают к выпускному отверстию, объем захваченного воздуха постоянно уменьшается, а давление растет. Типичные степени сжатия варьируются от от 7:1 до 13:1 в один этап.
4. Разряд: Когда захваченный воздушный карман достигает выпускного отверстия на выпускном конце роторов, он выбрасывается в систему сепаратора/приемника под полным давлением нагнетания.

Масляные и безмасляные винтовые компрессоры

Большинство винтовых воздушных компрессоров, используемых в промышленности и промышленности, являются маслозаполненными конструкциями:

• Маслозакачиваемые (затопленные): Во время сжатия масло впрыскивается непосредственно в камеру сжатия. Он одновременно выполняет три функции — смазку роторов, охлаждение сжимаемого воздуха (поддержание температуры нагнетания ниже 100°C) и герметизацию крошечных зазоров между роторами и корпусом. Затем масло отделяется от сжатого воздуха в сепараторе, расположенном ниже по потоку, и направляется на переработку. Унос масла в подаваемом воздухе обычно 2–5 частей на миллион , что приемлемо для большинства промышленных применений.
• Безмасляный винт: Роторы изготовлены с очень жесткими допусками, поэтому они никогда не соприкасаются и не требуют внутренней смазки. Внешние распределительные шестерни обеспечивают синхронизацию роторов. Они производят действительно безмасляный воздух (ISO 8573-1, класс 0), но требуют двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением для управления теплом, что делает их значительно больше и дороже — обычно Капитальные затраты на 30–50 % выше чем эквивалентные модели с впрыском масла.

Винтовые компрессоры с регулируемой скоростью (VSD)

Значительным достижением в технологии винтовых компрессоров является интеграция Привод с регулируемой скоростью (VSD) , который регулирует скорость двигателя в реальном времени в соответствии с фактической потребностью в воздухе. Винтовые компрессоры с фиксированной скоростью тратят энергию на холостом ходу на полной скорости, когда потребность падает; Компрессор с ЧПУ может пропорционально снижать скорость двигателя, экономя 20–35% затрат на электроэнергию в приложениях с переменным спросом — а это большинство производственных сред. Поскольку на энергию приходится до 80% стоимости срока службы компрессора, технология VSD обычно обеспечивает окупаемость инвестиций в течение 2–4 лет.

Ключевые показатели производительности винтовых компрессоров

• Диапазон мощности: от 5 до 500 л.с. (3,7–375 кВт)
• Расход: от 20 до 3000 куб. футов в минуту (0,6–85 м³/мин)
• Рабочий цикл: 100% — рассчитан на непрерывную работу 24/7
• Типичный срок службы: 40 000–80 000 часов до капитального ремонта при правильном обслуживании.
• Уровень шума: 60–75 дБ(А) — значительно тише, чем аналогичные поршневые модели.

Поршневой и винтовой воздушный компрессор: прямое сравнение

Выбор между поршневым воздушным компрессором и винтовым воздушным компрессором зависит от рабочего цикла, требований к расходу, бюджета и условий эксплуатации. В следующей таблице приведены критические различия:

Другие типы воздушных компрессоров, о которых стоит знать

Хотя на рынке доминируют поршневые и винтовые компрессоры, некоторые другие технологии занимают определенные ниши:

Роторно-лопастной компрессор

Использует смещенный от центра ротор с подпружиненными лопастями внутри цилиндрического корпуса. Когда ротор вращается, лопасти скользят внутрь и наружу, захватывая и сжимая воздушные карманы между лопастями, ротором и стенкой корпуса. Выходной сигнал непрерывный и относительно плавный. Типичный диапазон давления: 7–10 бар . Распространен в стоматологических кабинетах, шиномонтажных центрах, на предприятиях легкой промышленности. Более низкая первоначальная стоимость, чем у винтовых компрессоров небольшой производительности (до ~ 50 куб. футов в минуту).

Спиральный компрессор

Два спиральных (свитковых) элемента — один фиксированный, другой вращающийся — сжимают воздух в карманах все меньшего размера по мере движения вращающейся спирали. Спиральные компрессоры производят очень небольшую вибрацию, низкий уровень шума (обычно ниже 65 дБ) и в большинстве конструкций не содержат масла. Они широко используются в медицинских воздушных системах, лабораториях и производстве электроники, где Безмасляный воздух класса 0 и тихая работа. являются обязательными. Типовые размеры: 1–15 л.с.

Центробежный (турбо) компрессор

Использует высокоскоростное рабочее колесо, вращающееся со скоростью 15 000–50 000 об/мин, для придания скорости воздуху, которая затем преобразуется в давление в диффузоре. Полностью безмасляная конструкция. Обеспечивает очень высокие скорости потока — от От 500 до 100 000 куб. футов в минуту — при умеренном давлении (4–10 бар). Используется на крупных химических заводах, сталелитейных заводах, предприятиях по очистке сточных вод и крупных автомобильных сборочных предприятиях. Очень высокие капитальные затраты, но чрезвычайно низкое удельное энергопотребление в больших масштабах.

Объяснение критически важных характеристик воздушного компрессора

При выборе или сравнении воздушных компрессоров следующие характеристики фактически определяют, будет ли устройство соответствовать вашим потребностям:

CFM (кубические футы в минуту) — фактический расход

CFM является наиболее важной спецификацией. Он описывает объем воздуха, подаваемый компрессором при заданном давлении, а не рабочий объем цилиндра или роторов. Всегда сравнивайте СКФМ (Стандартный CFM) при требуемом давлении подачи (например, 90 фунтов на квадратный дюйм или 125 фунтов на квадратный дюйм), а не пиковом CFM при нулевом давлении. Распространенной ошибкой является выбор компрессора с номинальной производительностью 10 кубических футов в минуту при давлении 40 фунтов на квадратный дюйм для инструмента, которому требуется 8 кубических футов в минуту при 90 фунтов на квадратный дюйм — фактическая производительность при 90 фунтах на квадратный дюйм может составлять всего 5–6 кубических футов в минуту, вызывая хронические перепады давления.

PSI/Бар — максимальное давление

Максимальное номинальное давление нагнетания определяет, сможет ли компрессор удовлетворить самую высокую потребность в давлении в вашей системе. Как правило, выбирают компрессор мощностью Давление инструмента на 25–30 % выше максимального требуемого. для учета перепадов давления в трубопроводах и обеспечения запаса для одновременного использования инструментов. Большинству инструментов для мастерских требуется давление 70–100 фунтов на квадратный дюйм; для большинства промышленных процессов требуется давление 100–175 фунтов на квадратный дюйм.

Размер бака (галлоны/литры)

Резервуар-ресивер действует как буфер, хранящий сжатый воздух для удовлетворения краткосрочных пиков нагрузки и сокращающий количество циклов запуска и остановки двигателя. Бак большего размера позволяет инструментам с периодически высокой нагрузкой (например, ударным гайковертам) работать дольше, прежде чем мотоцикл заработает. Для поршневого компрессора бак на 60 галлонов Двигатель мощностью 5 л.с. может работать 30–45 секунд и отдыхать 90–120 секунд при умеренном использовании в мастерской — что вполне соответствует пределу рабочего цикла 50–75%.

Удельная мощность (кВт на м³/мин или л.с. на куб. фут/мин)

Это показатель эффективности, который имеет наибольшее значение для расчета эксплуатационных затрат. Лучшие винтовые компрессоры с впрыском масла достигают удельной мощности 5,5–6,5 кВт на м³/мин при 7 бар. Поршневые компрессоры обычно достигают производительности 7–9 кВт на м³/мин при том же давлении, что на 20–40 % менее эффективно. При сроке службы компрессора в 40 000 часов эта разница в удельной мощности напрямую приводит к десяткам тысяч долларов затрат на электроэнергию.

Как правильно выбрать воздушный компрессор для вашего применения

Используйте эту схему принятия решений, чтобы подобрать тип и размер компрессора в соответствии с вашими фактическими требованиями:

1. Рассчитайте общую потребность в воздухе. Перечислите все инструменты или процессы, в которых одновременно будет использоваться сжатый воздух. Сложите их требования по ОВЛХ при необходимом вам давлении. Добавить 25% запас прочности для будущего расширения и утечек в системе (отраслевые исследования показывают, что до 30% сжатого воздуха теряется из-за утечек в обычных системах).
2. Определите свой рабочий цикл. Если вам нужен сжатый воздух более 60–70% каждого рабочего часа, поршневой компрессор перегреется и преждевременно выйдет из строя. Выбирайте винтовой компрессор для постоянного или почти непрерывного потребления.
3. Оцените требования к качеству воздуха. Пищевая, медицинская, электронная и фармацевтическая промышленность требуют безмасляного воздуха класса 0 по стандарту ISO 8573-1. Это означает безмасляный поршневой, спиральный или безмасляный винтовой компрессор, а не агрегат с впрыском масла, даже с последующей фильтрацией, для самых строгих условий эксплуатации.
4. Оцените операционную среду. Пыльная или жаркая среда снижает производительность и срок службы компрессора. В ограниченном пространстве требуются более тихие винтовые или спиральные конструкции. Взрывозащищенные двигатели обязательны в опасных средах.
5. Рассчитайте общую стоимость жизненного цикла, а не только цену покупки. Винтовой компрессор, стоимость которого составляет 8000 долларов США, но работает при производительности 6 кВт/м³/мин, будет иметь более низкую общую стоимость владения в течение 10 лет, чем поршневой компрессор стоимостью 2000 долларов США, который работает при производительности 8,5 кВт/м³/мин в непрерывном режиме, поскольку электричество в течение 10 лет затмевает разницу в капитальных затратах.

Основные задачи по техническому обслуживанию воздушных компрессоров

Независимо от типа системы сжатого воздуха требуют регулярного технического обслуживания для поддержания производительности, эффективности и безопасности. Заброшенные компрессоры не только преждевременно выходят из строя, но и потребляют значительно больше энергии — исследования показывают, что компрессор, не обслуживаемый в плохом состоянии, может использовать На 20–30 % больше электроэнергии чем хорошо обслуживаемая единица, производящая ту же продукцию.

График технического обслуживания поршневого компрессора

• Ежедневно: Слейте конденсат из ресивера (вода скапливается из влаги сжатого воздуха и вызывает ржавчину и коррозию внутри).
• Каждые 3 месяца или 500 часов: Очистите или замените фильтр воздухозаборника; проверить натяжение и состояние ремня (модели с ременным приводом); проверить состояние клапанов на доступных головках.
• Каждые 6–12 месяцев или 1000 часов: Заменить компрессорное масло (модели с масляной смазкой); проверьте и замените поршневые кольца, если выходное давление снизилось; проверить работу предохранительного клапана.
• Каждые 2000–5000 часов: Полная проверка и ремонт клапана; проверка подшипников; измерение диаметра цилиндра на предмет износа.

График технического обслуживания винтового компрессора

• Ежедневно: Проверьте уровень масла (модели с впрыском масла); проверить рабочие параметры на панели контроллера; убедитесь в отсутствии кодов неисправностей или сигналов тревоги по температуре.
• Каждые 2000 часов: Замените элемент воздухомасляного сепаратора; заменить компрессорное масло и масляный фильтр; заменить элемент впускного воздушного фильтра.
• Каждые 4000–8000 часов: Проверьте и смажьте подшипники двигателя и вентилятора; осмотреть муфту или ременную передачу; очистите ребра охладителя (засорение охладителей является основной причиной отключений из-за перегрева).
• Каждые 16 000–24 000 часов: Капитальный ремонт, включая проверку ротора, замену подшипников и замену комплекта уплотнений — необходим для поддержания эффективности и предотвращения катастрофических отказов.