Принцип работы компрессора: одна цель, но разные способы ее достижения

Перед покупкой любого прибора будущие владельцы обычно узнают о предмете интереса максимум информации. Одной их востребованных конструкций является компрессор — машина, которая сжимает и перемещает газ или пар. В большинстве технологических процессов используется сжатый воздух, поэтому трудно найти те отрасли, в которых компрессорное оборудование не применяется. Однако эффективность такой установки зависит от того, правильно ли она выбрана. Поэтому чтобы приобрести идеальный агрегат, сначала надо познакомиться с устройством, рассмотреть принцип работы компрессора, его виды, их конструктивные особенности, характеристики, сферы применения самых востребованный устройств, а также преимущества и недостатки каждого прибора.

Классификация компрессоров

Компрессоры или компрессорные установки? Как правильно? Многие считают эти понятия синонимами, однако это не совсем правильно. Компрессор — это лишь одно устройство. Компрессорная станция, или установка — комплекс, в который помимо главного прибора входит дополнительное оборудование.

Чаще оно необходимо винтовым, роторным агрегатам. Справедливости ради надо сказать, что многие производители думают о покупателях: они сразу оснащают свои компрессоры всем необходимым. Такими вспомогательными элементами становятся фильтры, осушители, частотные регуляторы, задачей которых является регулировка числа оборотов используемого двигателя.

Компрессоры — относительно возрастные устройства, их начали использовать на производствах более полутора веков назад. В нашей стране этот вид промышленного оборудования появился немного позже — только в начале ХХ века, однако сейчас без таких установок не обходится ни одно, даже самое маленькое, предприятие. Плюсов у данного оборудования, работающего со сжатым воздухом, производящего энергию, довольно много. Это высокая эффективность, качество работы, экономия человеческих ресурсов и времени.

Все агрегаты можно разделить на промышленные модели и те, что используются в бытовых условиях. Все они способны работать от разных приводов. Схемы подключения электродвигателей указываются в инструкции к оборудованию. Подавляющее большинство электрических компрессоров работают от силовых агрегатов с напряжением 220 В, однако существуют устройства, предназначенные для эксплуатации от трехфазной сети — от 380 В.

Сейчас используют широкий ассортимент этих установок, классифицируют оборудование по принципу действия. Если говорить о компрессорах вообще, то работает механизм максимально просто: воздух поступает в рабочую камеру, где и происходит его сжатие тем или иным образом. В любой установке, независимо от ее вида, присутствуют основные элементы. К ним относится:

1. Двигатель.
2. Привод.
3. Установка для нагнетания воздуха (газа).
4. Резервуар для хранения сжатого воздуха.
5. Соединительные элементы — трубы, шланги.

Принцип работы компрессора, причем любого — нагнетание рабочей среды в емкость. Отличительная черта моделей — способ сжатия, особенность повышения давления газа, работа зависит только от конструкции конкретного прибора. Все существующие агрегаты делятся на две большие группы: на объемные и динамические устройства.

Объемные компрессоры

Объемный принцип работы компрессора основывается на изменении объема самой рабочей камеры. Таких агрегатов изобретено довольно много, более десятка. Однако основными, наиболее распространенными являются поршневые, роторные, или винтовые, мембранные, спиральные компрессоры, и т. д. Это самые востребованные агрегаты, которые используют как в бытовых условиях, так и на производстве.

Динамические приборы

Динамический принцип работы компрессора подразумевает сжатие газа в результате поступления механической энергии от вала, воздействия лопастей (лопаток) вала ротора на рабочее вещество. На вид компрессора влияет тип рабочего колеса и направление потока: агрегаты бывают осевыми и центробежными.

Популярные виды компрессоров

Поскольку видов такого оборудования существует много, но наиболее востребованы только несколько из них, имеет смысл познакомиться с самыми распространенными моделями. К этой категории относятся два вида — поршневые и винтовые приборы. В последнее время становятся популярными мембранные конструкции. Это «трио» и надо рассмотреть более подробно.

Поршневые конструкции

Эти компрессоры являются самыми возрастными: их начали использовать на производстве еще в XIX веке.

Принцип действия

Принцип работы компрессора прост. В основе его лежит работа устройства, состоящего из цилиндра и поршня, имеющего кривошипно-шатунный механизм, или КШМ.

Компоненты компрессора

Конструкция поршневого прибора очень напоминает устройство двигателя внутреннего сгорания. Основным элементом ее является поршневой узел, или компрессорная головка. Она состоит из:

• поршня;
• цилиндра, расположенного вертикально либо горизонтально;
• поршневых колец;
• коленчатого вала;
• клапанов: впускного и выпускного, или нагнетательного;
• радиатора;
• шатуна.

Клапаны приводятся в действие благодаря перепаду давления, а не принудительно. Для смазки устройства в поршневой узел заливается масло. Если нужно получить максимально чистый воздух, используют безмасляные компрессоры. Их области применения — лаборатории, медицинские учреждения. В таких конструкциях поршневые кольца изготовлены из полимерных материалов, а роль масла исполняет графитовая смазка.

Вторым важным компонентом поршневого компрессора является ресивер-приемник. Это стальная емкость, выполняющая две функции: она позволяет поддерживать постоянное давление, а также обеспечивает равномерный расход воздуха. В ресивере предусмотрен клапан для сброса давления. Поршень, максимально плотно прилегающий к стенкам цилиндра, совершает движение от верхней к нижней точке. В это время в цилиндре создается разрежение, благодаря которому открывается впускной клапан, в устройство поступает воздух.

Когда поршень начинает двигаться вверх, оба клапана находятся в закрытом положении. Воздух сжимается, в цилиндре возрастает давление, затем отрывается выпускной, нагнетательный клапан. Через него газ поступает в ресивер. Чтобы иметь представление о принципе работы конструкции, достаточно вспомнить простейший насос, которым накачивают шины велосипеда, или надувают мячи.

Такие конструкции называют одноступенчатыми, один из их недостатков — ограниченное давление: максимальное значение составляет 10 атмосфер. При больших показателях возможно возгорание масла. Этого минуса нет у многоступенчатых моделей. В более совершенных устройствах воздух до определенного значения сжимается поочередно. Сначала он подается в цилиндр первой ступени, там он сжимается, охлаждается, потом подается в цилиндр следующей ступени, где газ уже сжимается до большего давления.

В качестве радиатора используется медная трубка, имеющая ребра охлаждения. Для небольших предприятий обычно выбирают двухступенчатые установки. Диаметр цилиндра первой ступени (по понятным причинам) больше, чем у второй.

Плюсы и минусы

Достоинства поршневых компрессоров:

• возможность эксплуатации в любых погодных условиях;
• максимальная простота конструкции;
• приемлемая цена.

Однако недостатки у этих агрегатов тоже есть. К ним относят особенность конструкции. Из-за плотного прилегания поршня очень быстро растет температура внутри корпуса. Она не дает шанса для длительной работы оборудования без использования систем охлаждения, радиаторов и т. д. К минусам относится шумность поршневых установок, высокий уровень вибрации, который требует сооружения надежного основания, нередкие поломки. Даже при правильно подобранных главных элементах (поршневом узле и ресивере) время работы должно точно соответствовать времени отдыха агрегата.

Если говорить о крупных объемах сжатого воздуха, то поршневые агрегаты далеко не лучшие претенденты. Сейчас наблюдается тенденция к переоснащению производств: поршневые конструкции все чаще заменяют винтовыми агрегатами. Зато в быту поршневое оборудование остается фаворитом. Такие компрессоры становятся источниками сжатого газа для пневматических шлифовальных машин, таких же краскопультов, гайковертов и других подобных инструментов.

Винтовые компрессоры

Причина такого «производственного предпочтения» — превосходство данного вида компрессоров. Винтовые агрегаты отличаются от поршневых «коллег» большей производительностью. Принцип работы этих конструкций также совершенно другой. Здесь газ сжимает винтовая пара, которая помещена в масляную ванну. Поскольку именно от рабочего сдвоенного элемента зависит эффективность работы, его конструкция многими крупными производителями держится в секрете, остается для всех остальных «тайной за семью печатями».

Основные узлы агрегата

К главным элементам, которые присутствуют в большинстве винтовых моделей, принадлежит:

• винтовая пара — 2 червячных ротора;
• воздушный фильтр;
• всасывающий клапан;
• радиатор;
• ресивер;
• сепаратор;
• электродвигатель.

Теперь надо рассмотреть принцип работы компрессора данного типа.

Работа винтового прибора

Воздух поступает через всасывающий клапан, проходит через воздушный фильтр и поступает в винтовую пару, смешиваясь с компрессорным маслом, которое не только охлаждает, но и обеспечивает зазор между винтами, смазывает подшипники, упрощает транспортировку газа. Два ротора, чаще с разным количеством витков (4 и 6), сжимают его и нагнетают смесь в пневматическую систему.

Затем в работу вступает сепаратор, который сначала отделяет газ от масла, потом отправляет его в радиатор, и возвращается обратно в радиаторный блок. В радиаторе предусмотрены два отдела — для охлаждения масла и воздуха. Чистый и охлажденный воздух направляется к выходу из компрессора.

Достоинства и недостатки

Преимущества винтовых конструкций:

• отсутствие вибраций, которые требуют подготовки площадки-фундамента;
• малое потребление электроэнергии современными моделями;
• полностью автоматическая работа винтовой установки;
• возможность длительной работы (вплоть до 24 часов);
• малый вес, сравнительно небольшие размеры;
• относительно низкий уровень шума;
• чистота выходящего продукта;
• малый расход масла;
• надежность.

Еще один немаловажный плюс этих устройств — ресурсоемкость, длительная эксплуатация без необходимости ремонта. Как правило, замене подлежат только подшипники винтового блока. Это причины, которые делают прибор предпочтительным для покупателей. Однако нельзя умолчать о недостатках, которые найдутся у даже самого «выдающегося» устройства. К минусам винтовых агрегатов относится:

• максимальная сложность механизмов;
• высокая цена главного узла конструкции;
• невозможность его быстрого ремонта: при его поломке производство, как правило, приходится останавливать;
• необходимость синхронизации работы сепаратора и радиатора, иначе существует вероятность перегрева компрессора, а результатом станет выброс масла в трассу.

Малый расход масла — достоинство спорное, экономичность приборов подвергается сомнению. Небольшой расход продукта возможен только в идеальных условиях — при режиме номинального давления, когда сепаратор исправен. В других случаях обычно происходит резкий скачок потребления масла.

Есть еще один момент. Цена сепаратора, предназначенного для компрессора с ресивером объемом 10 м³, составляет около 300 долларов, поэтому об экономии в случае выхода этого компонента из строя говорить все же не приходится. Однако преимущества винтового оборудования значимы, поэтому недостатки не влияют на популярность этих компрессоров. Они до сих пор остаются одними из самых востребованных приборов.

Есть ли другие виды оборудования, которое можно рассматривать в качестве претендентов для работы в домашних условиях? Да, поршневые и винтовые конструкции остаются самыми востребованными, но есть разновидность первых, и она также являются достаточно популярной. Особенно если речь идет об определенных областях применения.

Мембранные конструкции

Это вид, относящийся к поршневым конструкциям, однако он имеет серьезное преимущество перед традиционными устройствами. Такие модели идеальны, если выдвигаются серьезные требования к чистоте рабочей среды. В данных приборах, в отличие от винтовых и поршневых, полностью исключается загрязнение воздуха маслом.

Мембранные конструкции тоже бывают многоступенчатыми, они могут иметь как вертикальную, так и горизонтальную конструкцию. Основную работу в этом оборудовании выполняет мембранный блок. Благодаря тому, что мембрана располагается в обоюдовогнутой камере, гарантируется полная герметизация. Воздух сжимается мембраной с помощью поршня гидравлического привода.

Если говорить о главном преимуществе мембранных компрессоров, то это возможность беспроблемной работы в любых условиях. Такие устройства способны работать (и с успехом применяются) в жарком климате тропиков, на станциях, которые расположены за Полярным кругом, причем сжимают они любые газы. Уникальность мембранного оборудования в том, что максимальное сжатие среды возможно в приборах, имеющих одну или две ступени. В других видах компрессоров для достижения подобного результата потребуется от 3 до 5 ступеней.

Что влияет на выбор компрессора?

Чтобы подобрать идеальный агрегат для работы в бытовых условиях, надо учитывать много факторов. Все рассматривать смысла не имеет, но наиболее важные критерии надо иметь в виду всегда.

Мощность, производительность

Этот фактор можно назвать главным, поскольку именно от этого параметра зависят размеры агрегата. Как правило, мощность рассчитывают, исходя из показателей имеющегося пневматического инструмента, с которым собираются работать. Причем показатели надо рассматривать максимально допустимые. Мощность компрессора обязана быть в полтора раза выше, чем у оборудования, которое планируют подключать. Если к нему одновременно будут присоединять несколько приборов, то параметры мощности сначала складывают, а потом результат умножают на 1,5.

Производительность — показатель, который прямо пропорционален мощности. Когда увеличивается первая, то точно так же изменяется вторая. Для использования в быту покупают поршневые агрегаты, которые имеют такие характеристики: мощность — до 2,2 кВт, производительность — от 170 до 350 л/мин, давление — до 8 атмосфер.

Давление

Однако 8 бар еще не предел. Самые популярные модели способны гарантировать владельцу от 8 до 12 атмосфер. В этом случае тоже ориентируются на ассортимент домашних пневматических инструментов. Но не забывают о неизбежных потерях давления «благодаря» длинным воздуховодам, перегибам, клапанам и заслонкам. Поэтому рекомендуют покупать компрессорную установку с запасом по давлению.

Ресивер

Это еще одни фактор, зависящий от подключаемого оборудования. Например, когда планируется работа шлифовальной машиной, нужен довольно большой объем бака: как минимум 50 литров. Однако большая вместимость (до 100 л) позволит во время ремонта без проблем использовать краскопульт. Большой объем даст возможность работы даже при отключении электроэнергии.

Шумность

Уровень шума поршневого оборудования можно назвать критическим: он может достигать 85 дБ, при том, что нормальным (терпимым) значением для человека являются всего 68 дБ. По этой причине лучше не игнорировать этот критерий, а перед покупкой послушать, как работает агрегат. Плюсом модели прибора является наличие звукоизоляции.

С маслом или без масла?

Самыми недорогими являются безмасляные модели. Их плюсы — удобство, отсутствие примесей в воздухе, работа в любом положении. Минусы — неминуемый перегрев элементов, который ведет к значительному снижению ресурса деталей, относительно быстрый износ компрессионной головки, уменьшение срока эксплуатации оборудования.

Это компрессоры компактны, имеют небольшой вес, поэтому идеальны для небольшого объема работ на строительной площадке или в мастерской. Масляные компрессоры, имеющие ременной или прямой привод, отличаются большей производительностью, меньшей шумностью.

Минусы агрегатов с маслом — необходимость доливать масло и более высокая цена. В этом случае выбор зависит от мастера. Если искать лучшую альтернативу, то ей будет винтовой компрессор, но такие агрегаты из-за немалой стоимости обычно приобретают для предприятий.

Какие выводы последуют?

Это не правила, а рекомендации, поэтому их любой хозяин может запросто проигнорировать, однако специалисты считают что «разделение труда» для компрессоров существует. Например:

• для покраски во время ремонта либо строительства оптимальным станет безмасляное оборудование;
• если требуется только время от времени накачивать шины, то лучше подумать о приобретении автомобильного компрессора;
• редкие и непродолжительные работы пневмоинструментом дома и в гараже — веская причина для покупки масляного компрессора, имеющего прямой привод;
• для более продолжительных, масштабных работ лучше всего подойдет другой вид — поршневой компрессор, который «опоясан» ременным приводом;
• если планируется постоянная эксплуатация такого оборудования, то хозяину имеет смысл немного «разориться», но купить себе идеал — высокопроизводительный износостойкий винтовой агрегат;
• если предстоит относительно легкая работа — продувка карбюратора, требующего максимально чистого воздуха, накачка шин автомобиля, или небольшие покрасочные работы, то лучшим кандидатом станет не очень дорогой мембранный прибор.

Принцип работы компрессора зависит от его вида, но все агрегаты занимаются одной работой — сжатием рабочей среды. С особенностями одного из самых эффективных приборов можно познакомиться, если посмотреть интересное видео: