Компрессор — машина, которая повышает давление воздуха или другого газа за счет механической работы привода. Виды компрессоров различают по трем независимым признакам: принципу сжатия (объемные и динамические машины), числу ступеней и наличию смазки в камере сжатия. Поэтому один агрегат описывается сразу всеми тремя: например, двухступенчатый безмасляный винтовой.
Для промышленного подбора важнее всего принцип сжатия: он задает диапазон давлений и подач, допустимый режим работы и требования к обслуживанию. Число ступеней определяет, какого давления машина достигнет без перегрева, а смазка — можно ли подавать воздух к продукту без дополнительной очистки.
Компрессоры делят на объемные и динамические. В объемных газ запирается в замкнутой полости, и давление растет из-за уменьшения ее объема. В динамических газ разгоняется рабочим колесом, а давление повышается при торможении потока в диффузоре или канале. Машину считают компрессором, если избыточное давление на выходе не ниже 0,02 МПа, — при меньшем это вентилятор.
К объемным относятся поршневые, винтовые, спиральные и пластинчато-роторные машины, к динамическим — центробежные, осевые и вихревые. Остальные признаки накладываются на этот: любые типы компрессоров бывают одно- и многоступенчатыми, а камера сжатия может работать с маслом или без него. По давлению воздушные машины делят на компрессоры низкого (до 1 МПа), среднего (до 10 МПа) и высокого давления (свыше 10 МПа).
Поршневой компрессор сжимает газ в цилиндре: при ходе поршня вниз через впускной клапан всасывается воздух, при ходе вверх он сжимается и выталкивается через нагнетательный клапан. Поршень приводится кривошипно-шатунным механизмом от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания.
Одноступенчатые машины создают 6–10 бар, многоступенчатые промышленные — до 8–10 МПа, а подача поршневых агрегатов достигает примерно 100 м³/мин. Их используют в машиностроении, строительстве, холодильной технике и для пневмосистем цехов, где расход воздуха непостоянен.
Ограничения связаны с самим принципом. Подача идет порциями, поэтому без ресивера в сети возникают пульсации давления. Возвратно-поступательное движение дает вибрацию и шум, а при длительной работе без пауз растет нагрев цилиндров и клапанов — у таких машин производитель обычно указывает допустимую продолжительность включения.
Винтовой компрессор сжимает воздух парой роторов со спиральными зубьями, которые вращаются навстречу друг другу. Полость между зубьями уменьшается по мере движения газа вдоль роторов, поэтому сжатие идет непрерывно и плавно, без клапанов и пульсаций.
В маслозаполненных машинах масло впрыскивается в камеру сжатия: оно уплотняет зазоры, отводит тепло и смазывает роторы, а потом отделяется сепаратором. В сухих (безмасляных) роторы не касаются друг друга, а тепло отводится через корпус. Рабочее давление винтовых установок — от 7 до 15 бар, подача — 10–300 м³/мин. Это основной тип для цеховых сетей с круглосуточным или многосменным потреблением воздуха.
Слабое место винтовых машин — работа с сильно меняющимся расходом: на холостом ходу двигатель продолжает потреблять энергию, а частые остановки нежелательны. Поэтому при неравномерном потреблении ставят модели с частотным регулированием или несколько машин разной производительности.
Спиральный компрессор состоит из двух спиралей: одна неподвижна, другая совершает орбитальное движение. Карманы между витками постепенно смещаются к центру и уменьшаются, газ сжимается и выходит через центральное отверстие. Камера сжатия работает без масла, а низкая скорость движения элементов делает машину заметно тише поршневой.
Спиральные агрегаты относятся к малой производительности: например, есть безмасляные модели мощностью 4 кВт на рабочее давление 8 бар. Их применяют там, где нужен чистый воздух в небольшом объеме и важен уровень шума: лаборатории, производство электроники, пищевые участки, больницы. Для крупной цеховой сети подачи одной такой машины не хватит.
В корпусе эксцентрично вращается ротор с пазами, в которых свободно ходят пластины-лопатки. Центробежная сила прижимает лопатки к стенке корпуса, образуя ячейки переменного объема: на стороне всасывания ячейка растет, на стороне нагнетания сжимается.
Маслозаполненные машины этого типа достигают 2 МПа. Безмасляные пластинчато-роторные компрессоры работают на низком давлении: у сухих машин Becker избыточное давление составляет 0,5–1,0 бар при подаче примерно от 2 до 48 м³/ч. Такие агрегаты используют для пневмотранспорта порошков и гранул, аэрации сточных вод, подачи воздуха в печатных и бумагоделательных машинах. Лопатки в сухом исполнении изнашиваются и требуют периодической замены.
Вихревая машина — динамическая. Рабочее колесо с множеством лопаток вращается рядом с кольцевым боковым каналом, и воздух многократно проходит между лопатками и каналом, при каждом обороте получая дополнительный импульс. Детали не соприкасаются, смазка в проточной части не нужна.
Давление у вихревых машин невысокое — не более 2 бар, а у серийных воздуходувок обычно сотни миллибар: двухступенчатые машины Becker дают до 530 мбар избыточного давления при подаче 70–610 м³/ч. Такие машины берут для аэрации, сушки и обдува, пневмотранспорта и вакуумных захватов. В каталоге erae.by отдельно представлены вихревые компрессоры.
Центробежный компрессор разгоняет газ рабочим колесом, после чего поток тормозится в диффузоре, и кинетическая энергия переходит в давление. Для повышения давления колеса ставят последовательно. Давление таких машин — 0,2–1,2 МПа, а турбокомпрессоры рассчитаны на расходы от 250 до 7000 м³/мин.
Центробежные агрегаты работают в металлургии, химической промышленности, на установках разделения воздуха и в крупных заводских сетях. Их ограничение — помпаж: при снижении расхода ниже допустимого поток становится неустойчивым, поэтому машина эффективна только при стабильно большом потреблении.
В одноступенчатой машине газ сжимается за один этап. Она создает 6–10 бар при производительности 100–500 л/мин — этого хватает для пневмоинструмента в автомастерских, краскопультов и гвоздезабивателей на стройке, упаковочного оборудования малых производств. Конструктивно одноступенчатый компрессор может быть поршневым, роторным или винтовым.
При одноступенчатом сжатии до высокого давления газ сильно нагревается. Двухступенчатая схема делит процесс: в первой ступени воздух сжимается до промежуточного давления, охлаждается в промежуточном охладителе (интеркулере) и во второй ступени доводится до рабочего значения. Нагрев ниже, и машина держит стабильные 12–20 бар в промышленном режиме. Подробный цикл разобран в статье про принцип работы двухступенчатого компрессора.
Компрессор двухступенчатого сжатия бывает поршневым и винтовым. Такие машины питают шиномонтажное оборудование автосервисов, пневмоприводы станков и роботизированных линий, используются в производстве пластмасс и удобрений.
В масляном компрессоре масло попадает в камеру сжатия: снижает трение, уплотняет зазоры и отводит тепло. Часть масла уходит в воздух в виде аэрозоля и паров, поэтому после такой машины ставят фильтры. Безмасляная машина обходится без смазки в зоне сжатия: трение снижают специальные материалы и покрытия, тепло отводят воздушным или водяным охлаждением.
Чистоту сжатого воздуха оценивают по ISO 8573-1 (в России — ГОСТ Р ИСО 8573-1). Стандарт задает классы отдельно для твердых частиц, воды и масла. По общему содержанию масла пределы такие:
| Класс по маслу | Общая концентрация масла (аэрозоль, жидкость, пары), мг/м³ |
|---|---|
| 0 | устанавливает пользователь или поставщик оборудования, строже класса 1 |
| 1 | не более 0,01 |
| 2 | не более 0,1 |
| 3 | не более 1 |
| 4 | не более 5 |
Масляная машина с правильно подобранной фильтрацией может давать воздух высокого класса, но при износе или пропуске фильтра масло уходит в сеть. Если контакт с маслом недопустим по технологии, надежнее убрать его источник. Безмасляный компрессор востребован в медицине (аппараты ИВЛ, операционные), пищевой промышленности, производстве микроэлектроники и лабораториях.
| Тип | Принцип | Давление | Производительность | Смазка | Где применяют | Ограничения |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Поршневой | объемный, поршень в цилиндре | 6–10 бар (1 ступень), до 8–10 МПа (многоступенчатые) | до ~100 м³/мин | масляные и безмасляные | цеховые пневмосети, стройка, холодильная техника | пульсации, шум, вибрация, ограниченная продолжительность включения |
| Винтовой | объемный, пара роторов | 7–15 бар | 10–300 м³/мин | маслозаполненные и сухие | заводские сети с постоянным потреблением | потери на холостом ходу при неравномерном расходе |
| Спиральный | объемный, неподвижная и орбитальная спирали | до 8 бар у серийных безмасляных моделей | малая | без масла в камере сжатия | лаборатории, электроника, медицина, пищевые участки | малая подача одной машины |
| Пластинчато-роторный | объемный, ротор с лопатками | до 2 МПа (масляные), 0,5–1,0 бар (сухие) | ~2–48 м³/ч (сухие Becker) | масляные и сухие | пневмотранспорт, аэрация, полиграфия | износ лопаток в сухом исполнении |
| Вихревой | динамический, колесо и боковой канал | сотни мбар, до 530 мбар (двухступенчатые Becker) | 70–610 м³/ч (двухступенчатые Becker) | не требуется | аэрация, обдув, сушка, пневмотранспорт | низкое давление |
| Центробежный | динамический, рабочее колесо и диффузор | 0,2–1,2 МПа | от 250 м³/мин | без масла в проточной части | металлургия, химия, разделение воздуха | помпаж при малом расходе |
Компрессор повышает давление газа выше атмосферного и подает его потребителю. Вакуумный насос, наоборот, откачивает газ из замкнутого объема, понижая давление в нем ниже атмосферного, и выбрасывает газ в атмосферу. Поэтому у компрессора главные параметры — избыточное давление и подача, а у вакуумного насоса — остаточное давление и быстрота откачки.
Конструкции во многом совпадают: пластинчато-роторные, винтовые и вихревые машины выпускают в обоих исполнениях, а часть агрегатов Becker работает как насос-компрессор — на всасывании создает разрежение, на нагнетании выдает сжатый воздух. Как устроены машины для разрежения, описано в материале про виды вакуумных насосов.
Подбор начинают с потребителей, а не с паспорта компрессора. Сначала составляют перечень оборудования на сжатом воздухе с расходом и давлением каждого, затем учитывают одновременность работы, утечки в сети и запас под расширение.
Разные виды компрессоров закрывают разные задачи. Для типовой цеховой сети на 6–10 бар обычно сравнивают винтовой и поршневой варианты, для чистых участков — спиральные и безмасляные винтовые, для низкого давления при большой подаче — вихревые и пластинчато-роторные. Все эти группы собраны в разделе каталога вакуумные насосы и компрессоры.
Частая ошибка — выбрать машину по мощности двигателя. Два компрессора одной мощности могут отличаться по выходной подаче и давлению, поэтому сравнивать модели нужно по производительности при рабочем давлении.
Винтовой компрессор подходит для постоянного потребления воздуха в течение смены и дольше: он сжимает газ непрерывно, без пульсаций, и рассчитан на длительную работу. Поршневой выгоднее при прерывистом расходе и небольшой суммарной потребности, но требует пауз, ресивера для сглаживания давления и учета шума и вибрации.
Масляный компрессор с фильтрацией может обеспечить нужный класс чистоты по ISO 8573-1, если фильтры подобраны и вовремя обслуживаются. Риск в том, что при износе или пропуске фильтра масло уходит в сеть. Для медицины, пищевых и фармацевтических процессов, где контакт с маслом недопустим, надежнее безмасляная машина.
Вихревая воздуходувка дает большой поток воздуха при давлении в сотни миллибар, тогда как цеховой пневмоинструмент и пневмоприводы работают на 6 бар и выше. Воздуходувку берут для аэрации, обдува, сушки и пневмотранспорта; для питания пневмосети она не подходит из-за низкого давления.
