Выбор поршневого компрессора

Рассмотрим вопросы выбора поршневого компрессора и основные принципы, лежащие в основе его конструкции

Основы устройства и принцип работы поршневого компрессора

Поршневые компрессоры подразделяются:

• по количеству цилиндров на одно - двух- и многоцилиндровые;
• по расположению цилиндров на рядные, V- или W-oбразные;
• по количеству ступеней сжатия на одноступенчатые и многоступенчатые.

Принцип работы поршневого одноцилиндрового компрессора следующий (рис. 1).

Поршневой компрессор состоит из рабочего цилиндра, поршня, всасывающего и нагнетательного клапанов, расположенных в крышке цилиндра.
При вращении коленчатого вала шатун, соединённый с ним, сообщает поршню возвратно-поступательное движение. В рабочем цилиндре из-за увеличения объёма, заключённого между днищем поршня и клапанной группой, возникает разрежение. Атмосферный воздух преодолевает сопротивление пружины, удерживающей всасывающий клапан, открывает его и через всасывающий патрубок (с воздушным фильтром) поступает в цилиндр.
При обратном ходе поршня воздух сжимается и его давление возрастает. Высокое давление позволяет преодолеть сопротивление пружины, прижимающей нагнетательный клапан. Сжатый воздух открывает этот клапан и поступает в нагнетательный патрубок.
Привод коленчатого вала осуществляется либо от электродвигателя, либо от автономного двигателя (бензинового или дизельного).
 

Определение производительности поршневого компрессора

В общем случае производительность поршневого компрессора является переменной величиной, зависящей от условий всасывания: давления и температуры окружающего воздуха. Поэтому, говоря о производительности, обязательно указывают условия всасывания. Для поршневых компрессоров, как правило, указывается теоретическая производительность.
Теоретическая производительность, или производительность на всасывании, равна объему, описываемому поршнем в единицу времени. Эта величина не случайно называется теоретической производительностью. Она довольно существенно отличается от реальной производительности. Дело в том, что между поршнем в крайнем верхнем положении и клапанной группой всегда имеется зазор. Зазор образует свободный объем - так называемое «вредное пространство».

После нагнетания во «вредном пространстве» всегда остается сжатый воздух. При обратном ходе поршня он расширяется и его давление уменьшается. Поэтому, всасывающий клапан открывается не сразу, а лишь после того, как давление в цилиндре понизится до давления всасывания (станет меньше атмосферного давления).

Таким образом, определенный отрезок пути поршень движется в холостую, из-за чего производительность компрессора снижается. Это снижение производительности определяется коэффициентом производительности компрессорной группы.

Управление работой поршневых компрессоров

Управление работой поршневых компрессоров осуществляется при помощи реле давления (прессостата). Конструктивно реле давления представляет собой систему пружин различной жесткости, реагирующих на изменение давления. Чтобы максимально исключить реакцию на пульсации воздушного потока сжатого воздуха, реле давления должно быть связано с таким местом в компрессоре, где эти пульсации минимальны. Обычно это воздушный ресивер. Принцип действия реле давления следующий. Пружинный механизм реагирует на изменение давления и, при достижении максимального рабочего давления P max (величины, указанной в паспорте компрессора), размыкает цепь электропитания. Соответственно при снижении давления до некой минимальной величины P min (давления включения), замыкает цепь электропитания, и компрессор начинает работать в режиме нагнетания. Данный режим работы называется повторно-кратковременным.
Разница между P max и P min, так называемая «дельта», как правило, составляет 2 бар. Эта величина существенно влияет на режим работы компрессора. При слишком малой «дельте» компрессор будет часто включаться/выключаться, оказывая тем самым дополнительную нагрузку на электродвигатель и на поршневую группу. Слишком большая «дельта» также нежелательна, т.к. при этом увеличивается время работы компрессора в режиме нагнетания. А это при воздушном охлаждении компрессорной группы может привести к ее перегреву.

Особенности конструкции поршневых компрессорных групп

Поршневые группы бывают одно-и-многоступенчатыми. Выше рассматривался принцип работы одноцилиндрового компрессора. Разберем конструктивные особенности двухцилиндровых поршневых групп.
Двухцилиндровый одноступенчатый компрессор имеет два цилиндра одинакового размера (рис. 2). Оба они, работая в противофазе, поочередно всасывают воздух, сжимают его до максимального давления и вытесняют в линию нагнетания.

Двухцилиндровый двухступенчатый компрессор также имеет два цилиндра, но уже разного размера (рис. 3). 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.
Двухцилиндровые двухступенчатые компрессорные группы имеют ряд преимуществ перед двухцилиндровыми одноступенчатыми группами:
 

• при одной и той же мощности двигателя при двухступенчатом сжатии затрачивается меньше энергии, чем при одноступенчатом;
• реальная производительность двухступенчатого компрессора выше примерно на 20%;
• в двухступенчатом компрессоре температура в цилиндрах значительно ниже, что существенно повышает надежность и увеличивает ресурс поршневой группы.

Рассмотрим конструктивные особенности и области применения поршневых компрессоров на примере модельного ряда итальянской компании FIAC. Чтобы исключить грубые ошибки при выборе модели, компания FIAC подразделяет свои компрессоры на три класса.

Класс бытовых компрессоров «ХОББИ»

В данном классе компрессоров используется одноцилиндровая компрессорная группа безмасляного типа с прямой передачей.
Компрессоры класса «ХОББИ» предназначены для потребителей, использующих их не часто, в основном в бытовых целях: для работ дома, в гараже, на даче и т.п. Поэтому большое внимание в конструкции этих компрессоров уделено их потребительским свойствам. Они имеют небольшой вес и габариты, низкий уровень шума, практически не требуют технического обслуживания, могут перевозиться как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. Область применения диктует и ряд специальных требований. Корпус компрессора выполнен из ударопрочного полистирола и предназначен для снижения уровня шума и защиты потребителя от ожогов. Использование прямой передачи между электродвигателем и компрессорной группой позволило предельно упростить конструкцию компрессора и снизить его стоимость.
В качестве примера рассмотрим модельный ряд итальянской компании FIAC. Основа ряда – две модели в шумозащитном исполнении AIRBAG НР 1 и AIRBAG НР 1,5, два передвижных компрессора FX-95 и FX-150 и переносной компрессор ECU 200. Производительность на всасывании компрессоров класса «ХОББИ» находится в диапазоне от 100 л/мин для модели AIRBAG НР 1 до 205 л/мин для модели FX-150. Для одноцилиндровых компрессоров с прямой передачей коэффициент производительности компрессорной группы 0,60-0,65. Иными словами, реальная производительность компрессора меньше заявленной производительности на всасывании на 35-40%.
Данный класс компрессоров не предназначен для производства работ с высокой интенсивностью в течение всего рабочего дня. Максимальное время работы не должно превышать 3-4 часа в день. Продолжительность работы компрессора ограничена использованием прямого привода.

Класс полупрофессиональных масляных компрессоров с прямой передачей

К классу полупрофессиональных поршневых компрессоров относятся маслозаполненные компрессоры с прямой передачей, на которых используются одноцилиндровые и двухцилиндровые одноступенчатые компрессорные группы.
Использование смазки позволило уменьшить коэффициент трения и тем самым понизить рабочую температуру поршневой группы. Следовательно, интенсивность работы компрессора увеличивается. Поэтому область применения полупрофессиональных компрессоров значительно шире, чем у компрессоров «ХОББИ».
Производительность по всасыванию компрессоров данного типа находится в пределах от 170 л/мин до 400 л/мин. Поправочный коэффициент производительности компрессорной группы 0,60-0,65.
Полупрофессиональные компрессоры с прямой передачей находят самое широкое применение в самых разнообразных сферах малого бизнеса: в авторемонтных, обувных, мебельных мастерских, т.е. там, где нет такой нагрузки, как при серийном и мелкосерийном производстве.
Это далеко не полный список потребителей, которые успешно используют компрессор данного типа в своей профессиональной деятельности. Класс полупрофессиональных компрессоров нашел применение и в области личного потребления: для гаража, дома, дачи. Он, как и класс «ХОББИ», незаменим для мелкого ремонта автомобиля, покрасочных работ, питания бытового пневмоинструмента и т.п.
Сейчас в модельном ряду итальянской компании FIAC наиболее популярными полупрофессиональными компрессорами являются компрессоры серии GM. Используемые на них компрессорные группы GM193 и GM244 хорошо знакомы отечественным потребителям по компрессорам COSMOS и SUPERCOSMOS, на которых они устанавливались раньше. Компрессоры GM имеют производительность на всасывании 240-260 л/мин, и ресиверы объемом 24 л и 50 л.
Самыми мощными полупрофессиональными компрессорами являются модели серии VX. На них применяется двухцилиндровая одноступенчатая V-образная поршневая группа. Производительность компрессоров VX за счет использования двух цилиндров, в два раза больше, чем у компрессоров с одним цилиндром. Однако и потребляемая мощность при этом также в два раза больше. Компрессоры VX - уже достаточно серьезное оборудование, которое позволяет питать сжатым воздухом мощные пневматические устройства.

Класс промышленных поршневых компрессоров с ременным приводом

К классу промышленных поршневых компрессоров относятся маслозаполненные компрессоры с ременным приводом, на которых используются двухцилиндровые одноступенчатые компрессорные группы и двухцилиндровые двухступенчатые компрессорные группы.
В линейке компрессорного оборудования FIAC двухцилиндровую одноступенчатую поршневую группу имеют модели АВ 360 и АВ 510, а двухцилиндровую двухступенчатую поршневую группу модели АВ 550, АВ 670, АВ 850 и АВ 981.
Применение ременного привода позволило существенно снизить обороты коленчатого вала (до 1000-1500 мин-1) по сравнению с частотой вращения ротора электродвигателя (около 3000 мин-1). Производительность на всасывании компрессоров данного класса находится в пределах от 250 л/мин до 2000 л/мин. Поправочный коэффициент производительности компрессорной группы 0,7-0,75.
Область применения промышленных поршневых компрессоров необычайно разнообразна: это автосервисы, небольшие мастерские и промышленные предприятия, участки цехов на крупных предприятиях и т.д.
Около 10 лет наиболее востребованными промышленными компрессорами FIAC являются компрессоры серии АВ. Данные модели полностью удовлетворяют требованию работы в интенсивном режиме и отвечают всем стандартам, предъявляемым к промышленным компрессорным установкам.
Компрессоры АВ поставляются в различных конструктивных вариантах на горизонтальных ресиверах объемом 50 л, 100 л, 200 л, 270 л и 500 л. Тем же, кто ограничен свободным местом для установки компрессора, могут быть интересны модели на вертикальном ресивере объемом 100 л и 270 л.
На базе компрессоров АВ выпускаются модели АВТ, так называемые «тандемы». Конструкция «тандема» предполагает установку двух компрессорных групп на одном ресивере. Работа «тандема» не имеет никаких принципиальных отличий от работы обычного компрессора. Фактически, это два компрессора, использующих один общий ресивер. Для снятия пиковых нагрузок в момент включения на «тандемах» используется устройство электронного управления. Сначала включается одна компрессорная группа, а затем, по истечении установленного времени, вторая. Компрессоры АВТ особенно привлекательны для тех, у кого потребление сжатого воздуха может существенно меняться в течение рабочей смены.

С 2009 г. компания FIAC поставляет на российский рынок еще две серии промышленных компрессоров – АВ «LONG LIFE» и SCS.

Поршневые компрессоры серии АВ «LONG LIFE»

Серия АВ «LONG LIFE» разработана специально для увеличения времени непрерывной работы поршневого компрессора. Это время во многом зависит от температуры поршневой группы. Действительно, именно перегрев поршневой группы является одной из основных причин, ограничивающих интенсивность использования поршневого компрессора.
В свою очередь на температуру поршневой группы существенно влияет частота вращения коленвала: чем компрессор «быстроходнее», тем быстрее происходит нагрев (при прочих равных условиях). Кроме того, важно осуществлять и эффективное охлаждение поршневой группы. Оно обеспечивается вентилятором, являющимся одновременно и приводным шкивом.
Различные модели компрессоров серии АВ имеют частоту вращения коленвала от 1000 до 1450 об/мин. Компрессоры АВ «LONG LIFE» «тихоходнее», частота вращения не превышает 1000 об/мин. А для улучшения отвода тепла от поршневой группы разработана специальная конструкция приводного шкива-вентилятора увеличенного размера.
По мнению специалистов компании FIAC промышленные компрессоры АВ «LONG LIFE» являются отличным решением при оснащении предприятий с двухсменным (12-16 часов) режимом работы. Причем, это мнение подкреплено беспрецедентным решением об увеличении срока гарантии на компрессоры АВ «LONG LIFE» до 2-х лет!

Поршневые компрессоры SCS

Серия SCS – это промышленные поршневые компрессоры в шумозащитном исполнении. Для сравнения: уровень шума компрессоров SCS составляет 66-68 дБ, в то время, как у компрессоров АВ он в среднем 74-78 дБ. Благодаря низкому уровню шума, компрессоры SCS могут устанавливаться непосредственно в рабочей зоне, в то время как для установки компрессора АВ обычно требуется отдельное помещение.
Тем, для кого важно качество сжатого воздуха будет интересна модель SCS ABS оснащенная встроенным рефрижераторным осушителем с температурой точки росы +3°С. Данная модель может с успехом применяться в автосервисах на участках покраски, на линиях упаковки, в пищевой промышленности, в полиграфии и т.д.

Оформить БЕСПЛАТНУЮ подписку на журнал "Компрессоры и Пневматика"?