Компрессор: принцип работы и виды¶
Компрессор — это механическое устройство (вид компрессорной машины), предназначенное для сжатия газа и повышения его давления с последующей подачей в систему. В отличие от вентилятора, компрессор создаёт значительное повышение давления, но при меньшем объёме перекачиваемого газа; в отличие от насоса, работающего с жидкостями, компрессор предназначен для газообразных сред. Компрессоры применяются в промышленности, транспорте, холодильной технике, медицине, шахтном деле и повседневной жизни (например, накачка шин).
¶Основной принцип работы
Независимо от конструкции, любой компрессор работает по общему принципу: механическая энергия (обычно от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания) преобразуется в энергию сжатого газа. Газ всасывается в рабочую камеру, объём которой уменьшается (в поршневых машинах — за счёт движения поршня, в роторных — за счёт вращения винтов или лопастей), в результате давление газа растёт, после чего он вытесняется через нагнетательный клапан в ресивер или магистраль.
При сжатии газ нагревается (адиабатический процесс), поэтому в большинстве компрессоров предусмотрено охлаждение — водяное или воздушное. Степень сжатия — отношение давления нагнетания к давлению всасывания — является одной из ключевых характеристик и может составлять от единиц до нескольких сотен.
¶Основные типы компрессоров
¶Поршневые компрессоры
Наиболее распространённый тип. Сжатие происходит в цилиндре за счёт возвратно-поступательного движения поршня. При ходе поршня вниз (всасывающем) открывается впускной клапан и цилиндр заполняется газом; при ходе вверх клапаны закрываются, объём уменьшается, давление растёт, и на определённом этапе открывается выпускной клапан. Поршневые компрессоры бывают одностороннего и двустороннего действия (сжатие происходит при обоих ходах поршня), а также многоступенчатыми — для получения высоких давлений газ проходит последовательно через несколько цилиндров возрастающей степени сжатия, с промежуточным охлаждением.
Поршневые компрессоры просты в изготовлении, обеспечивают высокое давление (до 1000 бар и выше в лабораторных моделях), но создают пульсации потока и имеют ограниченную производительность.
¶Винтовые компрессоры
Рабочими органами служат два вращающихся винтовых ротора (шнека) с профилями, входящими друг в друга. Газ попадает между витками и стенками корпуса, объём постепенно уменьшается по направлению к выпускному отверстию, и газ выходит под давлением. Винтовые компрессоры работают непрерывно, без пульсаций, имеют высокую производительность и ресурс, требуют меньше обслуживания, чем поршневые. Широко применяются в промышленности, на стройках, в горнодобыче. Могут быть маслозаполненными (масло уплотняет зазоры и охлаждает газ) и безмасляными.
¶Центробежные (динамические) компрессоры
В этих машинах сжатие достигается не за счёт уменьшения объёма камеры, а за счёт сообщения газу высокой скорости вращающимся рабочим колесом (ротором с лопатками). Кинетическая энергия потока затем преобразуется в энергию давления в диффузоре — расширяющемся канале. Центробежные компрессоры имеют большую производительность при умеренных степенях сжатия (обычно до 4–5 на одну ступень, но можно объединять в каскады). Применяются в газотурбинных установках, нефтегазовой отрасли, химической промышленности, на теплоэлектростанциях.
¶Диафрагменные и мембранные компрессоры
Сжатие происходит за счёт колебаний гибкой мембраны (диафрагмы), отделяющей рабочую камеру от механизма привода. Такая конструкция полностью исключает утечки сжимаемого газа и попадание смазочных материалов в газ, поэтому мембранные компрессоры применяют для сжатия чистых, токсичных, взрывоопасных или реакционноспособных газов.
¶Роторные и другие типы
К роторным компрессорам относятся машины с вращающимися поршнями (роликовые, спиральные, кулачковые). Спиральные (турбоспиральные) компрессоры широко применяются в системах кондиционирования и холодильниках: два спиральных элемента — неподвижный и вращающийся — образуют камеры переменного объёма, перемещающиеся к центру.
¶Характеристики и параметры
Основные параметры компрессора:
- Производительность — объём газа, перекачиваемый за единицу времени (м³/мин, л/с);
- Давление нагнетания — конечное давление сжатого газа;
- Степень сжатия — отношение абсолютных давлений нагнетания и всасывания;
- Мощность привода — потребляемая электрическая или механическая мощность;
- КПД — отношение полезной работы сжатия к затраченной энергии.
¶Применение
Компрессоры являются основой пневматических систем: пневмоинструмент (гайковёрты, перфораторы, гвоздезабиватели), пневмоприводы, сортировочные линии. В холодильной технике компрессор циркулирует хладагент по замкнутому контуру, обеспечивая испарение и конденсацию. На железнодорожном транспорте компрессоры обеспечивают работу тормозной системы. В медицине — подача сжатого воздуха и кислорода. В нефтегазовой отрасли — транспортировка газа по магистралям, закачка в пласт. В горнодобыче — подача сжатого воздуха к буровым и забойным инструментам.
¶Ресивер и система управления
Компрессор обычно работает в связке с ресивером — резервуаром для сжатого воздуха, который сглаживает пульсации и поддерживает запас. Давление контролируется реле давления: при падении ниже нижнего порога двигатель включается, при достижении верхнего — отключается. Предохранительный клапан защищает систему от чрезмерного давления, масловодоотделители — от примесей в потоке.
Источники:
- Блохин Е. Е. Компрессоростроение: справочник в 2 томах
- Альперович С. М., Долгих В. И. Компрессоры: учебник для вузов
- ГОСТ 28030-89. Компрессоры и вентиляторы. Термины и определения
- Клименко В. Д. Поршневые компрессоры: учебное пособие