Компрессорное оборудование. Особенности выбора

Автор: Московкина Елизавета, специалист отдела технологического оборудования ООО «ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ и ТЕХНОЛОГИИ», [email protected]

Сжатый воздух – это один из самых востребованных источников электроэнергии, применяемых на промышленных предприятиях. Многие производственные процессы основаны на его использовании: приведение в движение пневматических устройств, пескоструйная обработка и покраска поверхностей, прессование материалов и т. д. При выборе компрессора необходимо руководствоваться, прежде всего, видом производимых работ. Также большое значение имеют такие характеристики компрессора, как производительность, объем ресивера, требования к чистоте сжатого воздуха, уровень шума, энергопотребление и т. д.

Перед тем, как покупать компрессор, необходимо подсчитать количество потребителей сжатого воздуха, определить их рабочие параметры (давление и номинальный расход воздуха) и предполагаемый режим работы. Рабочие параметры пневмоинструмента или пневмо-оборудования указываются в паспорте. Если по каким-либо причинам эта информация отсутствует, можно у своих коллег или любого продавца пневмооборудования выяснить характеристики аналогичных устройств. Как правило, возможная небольшая ошибка не будет роковой. Пневмоинструмент используется в работе не непрерывно, а время от времени, соответственно изменяется текущее воздухопотребление.

Универсального компрессора не существует, так как задачи, для выполнения которых может применяться компрессорное оборудование, слишком различные. Однако в большинстве случаев может быть вполне достаточно агрегата, способного обеспечить давление 6-8 атм.
Обыватели часто выбирают компрессоры по объему ресивера, как правило, в пределах 24-50 л, но больше не означает лучше. Гораздо важнее остальные параметры оборудования.

Нередко один и тот же блок с двигателем устанавливают на модели с разными по объему ресиверами. Таким образом, выбор в пользу большего ресивера повлечет за собой только большую трату средств, а на практике от этого не будет никакой пользы. Большой ресивер выгоден только тогда, когда сжатый воздух используется периодически в течение дня. В этом случае двигатель не будет запускаться каждый раз, когда необходима небольшая порция воздуха под избыточным давлением. Так, например, при покраске дома от большого ресивера мало толку – сойдет и маленький.

А вот производительность компрессора действительно важный параметр. Чтобы не платить больше и не испытывать дефицит сжатого воздуха необходимо прикинуть потребление всех пневмоинструментов, которые могут быть одновременно использованы с данным компрессором. Сделать это не сложно. У каждого компрессорного оборудования имеются паспортные данные, где указан расход воздуха в л/мин. Аналогичным образом выражена и производительность компрессора. Но тут есть один нюанс. Различия характеристик, рассчитанных по входу и на выходе, могут достигать существенной величины. Производительность компрессора, согласно ГОСТ, - это объем ВЫХОДЯЩЕГО из него воздуха, пересчитанный на физические условия всасывания. В большинстве случаев физические условия на входе в компрессор соответствуют нормальным: температура 20 °С, давление 1 бар. ГОСТ также допускает возможность отклонения реальных характеристик компрессора от указанных в паспортных данных на величину ±5%. Зарубежные производители, не знакомые с содержанием российских ГОСТов, определяют производительность поршневого компрессора иначе, что порой приводит к ошибкам. В паспортных данных на импортную технику указывается теоретическая производительность компрессора (производительность по входу), которая определяется геометрическим объемом воздуха, который поместится в рабочей полости компрессора за один цикл всасывания, умноженный на количество циклов в единицу времени. При этом теоретическая производительность поршневого компрессора (по входу) отличается от выходной производительности в большую сторону. Очень часто характеристики производительности компрессора, рассчитанные на входе (по всасыванию) и на выходе, существенно отличаются: к уменьшению наполнения цилиндра приводят потери воздуха во всасывающих и нагнетательных клапанах, недовытесненный "мертвый" объем воздуха. Из практики известно, что реальная "выходная" мощность, например, бытовых компрессоров едва ли превышает 50% от заявляемой теоретической производительности. Таким образом, запас производительности для отечественной техники должен быть 10-20%, а для зарубежной – 35-40%.

Ещё один важный параметр – КВИ (коэффициент внутрисменного использования). Чем он выше, тем дольше агрегат может работать без остановки. По отечественному стандарту КВИ = 0,15 – кратковременная работа, 0,5 – непродолжительная и 0,75 – продолжительная. Следует понимать, что данный параметр отражает работу самого компрессора, и не означает прекращение подачи сжатого воздуха, который будет поступать из ресивера до полного его опустошения.

Рис.1. Компрессор Bambi BB15

Поршневые машины (см. рис. 1) подходят при фрагментарной потребности в сжатом воздухе. Если необходим непрерывный цикл, то лучше выбирать винтовые компрессоры. Последние, напротив, не должны эксплуатироваться в прерывистом режиме, поскольку имеют требования к постоянной температуре компрессорного блока.

Что касается энергообеспечения компрессора, то выбор осуществляется между однофазными и трехфазными электрическими моделями. При необходимости работать на выезде, можно выбрать агрегат, работающий непосредственно от двигателя внутреннего сгорания либо от генерированного электричества. Встречаются также мобильные комплекты, состоящие из электрогенератора, компрессора и сварочного аппарата – этих средств вполне хватает для обеспечения небольшого строительного объекта.

По назначению все компрессоры подразделяются на:

• бытовые;
• профессиональные;
• индустриальные модели.

По назначению все компрессоры подразделяются на:

• бытовые;
• профессиональные;
• индустриальные модели.

Все они имеют различия в производительности, рабочем давлении и моторесурсе. Так, для небольшой мастерской, гаража или дачи достаточно будет приобрести модель производительностью на выходе до 300 л/мин. Профессиональные компрессоры предназначаются для длительной работы в производственных условиях. Они имеют более сложную конструкцию и соответственно высокую цену. Для бытовых нужд их приобретать не стоит, поскольку они не вырабатывают значительную часть своего моторесурса.

Еще один немаловажный критерий выбора – давление. При выборе компрессора (см. рис. 2-4) не стоит уделять первостепенного значения максимальному давлению, развиваемому компрессором, указанному в его технических характеристиках. Даже качественные модели не всегда соответствуют заявленным значениям. Бывает, что производители недорогих компрессоров заявляют максимальное давление до 20 атмосфер. Для портативного прибора это очень большая цифра, скорее всего, нереальная.

Рис.2. Поршневой компрессор BambiVT150 с вертикальным ресивером

Рис. 3. Безмасляный поршневой компрессор с горизонтальным ресиверомTWIN Cylinder REMEZA СБ4/C-50.OLD20

Рис. 4. Поршневой безмасляный промышленный компрессор Jun-Air OF301-4B

Кроме того стоить обратить внимание на способ крепления оборудования к компрессору (см. рис. 5-7). В большинстве моделей компрессоров в комплекте нет штуцеров для соединения с необходимым оборудованием. Штуцер, закрепленный на воздушном шланге, может быть резьбовым - такой способ крепления штуцера к ниппелю является наиболее надежным. Имеются и другие конструкции штуцеров, например, быстросъемный. В некоторых условиях такой тип штуцера будет наиболее предпочтителен. Если штуцер выполнен из латуни, он будет стойким к коррозии.

Рис. 5. Байонетное соединение с наружной резьбой 1/4"

Рис. 6. Переходник штуцер М1/4" быстросъемный

Рис. 7. Полиуретановый шланг с быстросъемным соединением

Еще одним немаловажным критерием при выборе компрессора является наличие осушителя воздуха, который предназначен для удаления парообразной влаги из сжатого воздуха. В подавляющем большинстве случаев осушитель необходим. Поскольку, парообразная влага конденсируется в трубопроводах пневматической сети и, в конечном итоге, достигает оборудования, которое потребляет сжатый воздух. Таким образом, срок полезной эксплуатации оборудования может быть сокращён. Осушитель воздуха для компрессора – в большинстве случаев это осушитель сжатого воздуха, который встроен в компрессорную станцию. Такое расположение обеспечивает компактность конструкции. Существует несколько типов осушителей:

• Рефрижераторные;
• Адсорбционные;
• Мембранные.

Наиболее часто используются рефрижераторные (см. рис. 10), поскольку точка росы +3^оС, которую обеспечивает большинство рефрижераторных осушителей, достаточно. Рефрижераторный осушитель воздуха работает по тому же принципу, что холодильник и кондиционер. При помощи хладагента, влага из воздуха осаждается и удаляется по конденсатоотводчикам. Рефрижераторный осушитель воздуха наиболее популярен, так как в обслуживании обходится дешевле других. На его работу не повлияет случайное попадание масла. Однако при неполной мощности воздушного потока этот тип осушителей воздуха не экономичен. 

Адсорбционные осушители (см. рис. 9) применяют, когда требуется очень высокое качество воздуха. Применяются осушители с точкой росы -20^оС, -40^оС, -70^оС. В осушителях этого типа воздух осушается при прохождении через адсорбент. Адсорбент же осушается продуванием осушенным воздухом. В регенерации адсорбента участвует тепло полученное от сжатия воздуха. Но адсорбционные осушители могут быть использованы только в безмасляных компрессорах. Обслуживание этого типа осушителей для компрессора обходится достаточно дорого и сжатый воздух на выходе дорожает примерно на четверть.

Действие мембранного типа осушителей воздуха (см. рис. 8) основывается на способности специальных мембран пропускать пар, но не пропускать воздух. Мембранные осушители достаточно экономичны и эффективны, но на входе они должны иметь хорошие фильтры, чтобы мембрана не загрязнялась маслом. Стоит также отметить ограниченную пропускную способность. Как правило, с помощью мембранного осушителя можно, сохраняя потери сжатого воздуха на продувку, снизить температуру точки росы под давлением до стабильного уровня где-то посередине между обеспечиваемого рефрижераторными (+3°C) и адсорбционными (-20...-40°C и ниже) осушителями сжатого воздуха. И те, и другие - используют в своей конструкции различные клапаны (соленоидные, обратные и другие). В адсорбционных осушителях имеется подверженный износу и порче адсорбент, в рефрижераторных - хладагент, конденсатор и его вентилятор охлаждения, испаритель и многие другие части. Рефрижераторный и адсорбционный осушители используют блок управления, а в рефрижераторных - всегда есть, по меньшей мере, датчик температуры сжатого воздуха на выходе испарителя и реле давления хладагента на стороне нагнетания компрессора. И, разумеется, как и любое сложное оборудование, как адсорбционные, так и рефрижераторные осушители, нуждаются в постоянном техническом обслуживании. Простота же конструкции мембранных осушителей позволяет минимизировать их техническое обслуживание.

Рис.8. Мембранный осушитель KMD 20-1

Рис.9. Адсорбционный осушитель Jun-Air IQdryer

Рис.10. Рефрижераторный осушитель REMEZA RFD-21

При необходимости низкого уровня шума, можно применять малошумные компрессоры (см. рис. 11) или компрессоры в шумозащитном корпусе (см. рис. 12).

Рис. 11. Поршневой компрессор JUN-AIR 36-150

Рис. 12. Поршневой компрессор в шумозащитном кожухе Jun-Air OF301-4B

Также при выборе компрессора следует обратить внимание на принцип действия. По этому критерию компрессоры классифицируются следующим образом:

• Поршневые;
• Винтовые;
• пластинчато-роторные;
• спиральные.

Поршневые компрессоры были изобретены первыми, и до сих пор это оборудование пользуется популярностью на предприятиях. Данный компрессор выполняет работу

подобно двигателю внутреннего сгорания (см. рис. 13), когда вращающийся коленвал в моторе приводит в движение поршень прибора. Сжатие воздуха может осуществляться несколькими плоскостями поршня. Поршневые компрессоры, благодаря широкой линейке ассортимента и многообразным характеристикам интенсивно используются в самых разных областях деятельности человека. Самые простые модели имеют только единственный цилиндр, не создающий давление больших величин. Поршневые компрессоры по сравнению с другими типами подобных устройств относительно дёшевы. Также невысока цена на запчасти и профилактическое обслуживание. Они хорошо выдерживают многократные циклы включения - выключения и не боятся работы в атмосфере, содержащей пыль.

Поршневые компрессоры существуют двух типов:

• масляные;
• безмасляные.

Безмасляные имеют небольшие размеры, применяются при необходимости подачи чистого воздуха, например, в медицинских целях. Масляные компрессоры применяются более широко, но воздух на выходе имеет примеси масляной эмульсии, возникает необходимость применения фильтров. 

Поршневые компрессоры с прямой передачей - наиболее распространённый тип компрессоров (см. рис. 14). Они сравнительно лёгкие и очень компактные и незаменимы там, где требуется экономия рабочего пространства. Их можно использовать как в личных (бытовых), так и профессиональных целях (покраска, продувка, сушка, подкачка шин и т.п.). Конструктивной особенностью данного типа компрессоров является то, что коленчатый вал и ротор двигателя находятся на одной оси, и крутящий момент передаётся на поршневую систему непосредственно от вала двигателя.

Компрессоры с ременной передачей могут непрерывно работать в течение дня и считаются самыми надёжными и наименее шумными (см. рис. 15). В основе принципа работы компрессоров с ременным приводом лежит двухступенчатое (чаще всего) сжатие воздуха, которое обеспечивается использованием поршневых цилиндров. Система принудительного охлаждения позволяет применять эти компрессоры при различных нагрузках, в том числе при неблагоприятных погодных условиях.

Рис.13. Принцип работы поршневого компрессора

Рис.14. Поршневой компрессор с прямой передачей Bambi BB15V

Рис.15.Масляный компрессор с ременной передачей REMEZA СБ4/C-100.V55

Поршневые  компрессоры  обладают повышенной износоустойчивостью. Они неприхотливы к условиям работы - их можно использовать и в сильно загрязненных или загазованных помещениях, и в тяжелых климатических условиях. Устройство с ременным приводом является более надежным благодаря своим конструкционным особенностям, при которых двигатель и маховик компрессорной головки соединены ремнем передачи. Вот существенные отличия компрессора ременного от компрессора с прямой передачей:

• Более высокая производительность, благодаря низкой частоте вращения в двигателе (частота вращения в прямо-приводном двигателе более высокая).
• Пониженный уровень шума.
• Более эффективная охладительная система (шкив с большими лопастями).
• Ременной привод снижает нагрузку на двигатель и увеличивает его рабочий ресурс.

Поршневые компрессоры с ременным приводом предназначены для интенсивных и продолжительных работ. По данной характеристике с упомянутым устройством не смогут сравниться ни безмасляные, ни маслозаполненые поршневые компрессоры с прямым приводом. С точки зрения недостатков, поршневые компрессоры с ременным приводом достаточно сложны в обслуживании. Время от времени приходится менять ремни из-за повышенного износа. Еще одним недостатком можно считать небольшую потерю мощности, по сравнению с прямым приводом, которая доходит до 5%.

Основными недостатками поршневых компрессоров являются пульсация давления сжатого воздуха на выходе, большие нагрузки при пуске, требующие большого запаса мощности и приводящие к износу компрессора.

Еще одной очень часто встречающейся разновидностью компрессоров являются компрессоры роторного типа, называемые также воздуходувками. В овальном корпусе такого устройства расположены два ротора, насаженных на оси. Между роторами и корпусом есть небольшое свободное пространство. В процессе работы воздух захватывается лопастями и с силой выдавливается в трубопровод. Именно поэтому роторные компрессоры иногда еще называют компрессорами с внешним типом сжатия. К достоинствам пластинчато-роторных компрессоров можно отнести их простоту строения, вследствие двигателя пониженных оборотов низкий уровень шума, ремонтопригодность, минимум вибраций. Главный минус подобных устройств вытекает из их строения. При попытках добиться высокой степени сжатия воздух просто начинает просачиваться назад, и, как следствие, коэффициент полезного действия такого устройства начинает резко снижаться. Уменьшить утечку воздуха можно путем увеличения скорости вращения роторов. Очевидно, что при определенных значениях мощность, требуемая для вращения роторов, начинает превышать мощность самого двигателя. Важным принципиальным преимуществом роторных компрессоров следует считать конструктивную обособленность основных рабочих органов и отсутствие взаимного соприкосновения их поверхностей. Последнее обстоятельство определяет полное отсутствие смазки в рабочих полостях. Наряду с этим роторные компрессоры благодаря использованию равномерного вращательного движения основных рабочих органов являются полностью уравновешенными машинами и допускают высокую быстроходность, определяющую компактность компрессора. Пуск в ход и остановка могут проводиться практически мгновенно, а надежность и долговечность эксплуатации у роторных компрессоров весьма высока.

Не менее распространены сегодня и роторно-винтовые компрессоры. В компрессорном оборудовании подобной модификации не предусмотрены клапаны, что дает возможность максимального увеличения винтовых оборотов. Потому избыточное давление воздуха способны вырабатывать механизмы, не обладающие крупными габаритами. Компрессоры такого типа обладают мощностью от 4 до 250 киловатт, уровень давления достигает от 5 до 13 бар, что представляет довольно неплохой показатель работы. Конструктивно винтовой компрессор проще поршневого, однако намного сложнее в технологии изготовления. Он имеет циркуляционную систему смазки и охлаждения, масловлагоотделитель, снабжен автоматической системой управления. По сути - это автоматическая станция подготовки сжатого воздуха.

Основой конструкции объемного нагнетателя служат два ротора винтовой формы слегка похожие на деталь мясорубки. Профили их дополняют друг друга и при работе входят в герметичное зацепление. Двигаясь навстречу другу они «захватывают» поступающий воздух и начинают сжимать его за счет уменьшения полости между винтами, тем самым создавая необходимое давление.

При работе с большими давлениями корпус винтовых компрессоров очень сильно нагревается и требует дополнительного охлаждения. Да и производство их довольно дорого.

Спиральный компрессор является альтернативой винтовому безмасляному компрессору. Если сравнивать ценовую категорию спирального компрессора с винтовым безмасляным компрессором, то спиральный компрессор более комфортен по стоимости. И сразу возникает вопрос: а зачем тогда покупать винтовые безмасляные компрессоры, когда есть более дешевые спиральные, которые по характеристикам винтовым не уступают? Дело в том, что винтовые компрессоры потребителю привычнее, проще и удобнее чем спиральные. Необходимо отметить тот факт, что запчасти на спиральные компрессоры найти значительно сложнее, чем на другой компрессор. И если у вас произошла поломка основного элемента спирального компрессора - спирального блока, то компрессор может простоять значительное время в ожидании новых запчастей. Спиральный компрессор представляет собой объемный тип безмасляных компрессоров. Сжатие воздуха происходит в спиральном блоке, где установлены две спирали. Одна из спиралей жестко закреплена и лишена возможности перемещения. Вторая спираль установлена со сдвигом фаз и движется относительно первой спирали по орбитальной траектории. За счет этого компрессор хорошо динамически сбалансирован, а следовательно вибраций и шума будет крайне мало.

Принцип сжатия спирального компрессора очень прост: подвижная спираль начинает двигаться вокруг неподвижной, при этом между спиралями образуются воздушные полости в которые и попадает воздух. И тут же нужно отметить, что наличие нескольких полостей предотвращает процесс перетекания газа из одной полости в другую, так как разница давлений в соседних полостях невысокая. По мере движения подвижной спирали объемы рабочих ячеек уменьшаются, за счет чего и происходит сжатие воздуха. Основными преимуществами этих компрессоров можно назвать равномерность подачи газа в сеть и низкий уровень шума при работе. Спиральные компрессоры при большой производительности имеют уровень шума на уровне поршневых компрессоров, до 70 дБ. Минусом этих компрессоров можно назвать высокую цену, которая обусловлена технологической сложностью изготовления, и относительно невысокую производительность.

Исходя из общего обзора, следует вывод, что необоснованно выбирать компрессор по какому-либо одному критерию. Для кратковременной работы компрессора лучше подходит поршневой вид компрессора, а для беспрерывной - винтовой. При этом стоимость продукта и обслуживания более приятны в отношении поршневого компрессора.

При выборе компрессора делается анализ довольно большого количества различных параметров: производительность оборудования, потребление подключаемого оборудования, его специфика и время работы, характеристики помещения, требования к качеству воздуха, шуму и т.д. Для выбора оптимального решения для Вашего случая рекомендуем обращаться к специалистам, которые предложат Вам несколько вариантов для решения поставленной задачи и разъяснят все тонкости непосредственно в Вашем случае.

Рис.16. Принцип действия роторного компрессора

Рис.17. Принцип действия винтового компрессора

Рис.18. Принцип действия спирального компрессора