Повышение эффективности компрессоров

     3 Винтовые компрессоры

     Винтовой  компрессор - ротационный компрессор, в котором сжатие среды достигается с помощью двух сцепленных между собой роторов с винтовыми зубьями. Компрессор винтовой - один из наиболее эффективных способов получения сжатого воздуха на производстве. Винтовой компрессор обеспечивает надёжность и высокие рабочие характеристики компрессорного оборудования при низких эксплуатационных расходах. Компрессор винтовой состоит из корпуса (цилиндра), ведущего и ведомого роторов с зубчато-винтовыми лопастями. В винтовом компрессоре винтовая пара засасывает воздух, вращаясь в масляном слое, что обеспечивает низкий коэффициент трения, дополнительное масляное уплотнение, гарантирующее герметичность системы, а также эффективный теплоотвод от рабочей зоны. В типовых условиях производства всё более популярными становятся винтовые компрессоры, поскольку для этих условий они являются более выгодными.

Использование винтового компрессора, при всех достоинствах поршневых, резко сокращает  стоимость обслуживания компрессорного оборудования. Винтовой компрессор, в  среднем, должен быть обслужен один раз  в год и фактически работает как  необслуживаемая машина. Кроме того, для обслуживания компрессора винтового  не требуется квалифицированный  персонал, как в случае с поршневой  техникой. В то время как поршневой  компрессор требует периодического отдыха, винтовой рассчитан на постоянный режим работы. Винтовой компрессор равной производительности компактнее, качество воздуха с точки зрения концентрации частиц воды и масла  выше, а эксплуатационные расходы  ниже. Если же иметь в виду большие производства, особенно в условиях многосменного режима работы, винтовой компрессор вне конкуренции. Винтовой компрессор также позволяет экономить электроэнергию: основная экономия скрыта в системах регулирования, за счёт которых можно сократить расход электроэнергии минимум на 30%. Винтовой компрессор не требует больших начальных вложений. Компрессор винтовой требует гораздо меньших вложений в монтаж и наладку. Ему практически не свойственна вибрация, поэтому для его установки не нужен фундамент и отдельное здание (экономия на строительно-монтажных работах). Винтовые компрессоры имеют низкий уровень шума. Объём ресивера в винтовом компрессоре гораздо меньше, чем в поршневом, поскольку он требуется только для сглаживания неравномерности потребления сжатого воздуха. Поэтому винтовые машины компактны и имеют низкий уровень шума. Компрессор винтовой объединяет в себе все вышеуказанные достоинства. Они сделаны на основе совершенных материалов и комплектующих и предназначены для работы в жестких условиях длительной непрерывной эксплуатации [3].

Принцип работы

1. Соленоидный клапан
2. Всасывающий клапан
3. Всасывающий фильтр
4. Винтовая пара
5. Шланг воздух/масло (винтовая пара — масляный бак)
6. Масляный бак
7. Масляный шланг с термостатиеским клапаном
8. Масляный шланг (винтовая пара — фильтр)
9. Масляный фильтр
10. Масляный шланг (термост клапан — масляный бак)
11. Воздушно-масляный радиатор
12. Масляный шланг (радиатор — термост. клапан)
13. Воздушно-масляный сепаратор
14. Клапан минимального давления

• При первом пуске двигатель включается по схеме «звезда». В этой стадии винтовой компрессор запускается при низком числе оборотов, электроклапан (1) открыт и регулятор всасываемого воздуха (2) находится в закрытом положении.

• Компрессор работает в вышеописанных условиях в течение около 5-7 секунд.
• По истечении этого времени происходит переключение двигателя со звезды на треугольник: электроклапан (1) закрывается, обеспечивая открытие регулятора (2), который забирает атмосферный воздух через фильтр (3).
• В этой стадии винтовой компрессор работает на полном режиме, обеспечивая сжатие воздуха внутри бака маслоотделителя (6).
• Сжатый воздух не может выходить через клапан минимального давления (14), настроенный на 3-4 бар.
• Под действием сжатого воздуха содержащееся в баке (6) масло протекает через трубу (7).
• Далее масло поступает в радиатор (11), из которого подается через фильтр (9) и трубопровод (8) в компрессор (4). Здесь оно смешивается с воздухом, образуя масловоздушную смесь, обеспечивающую герметичность и смазывание движущихся органов компрессора.
• Далее масло-воздушная смесь возвращается в бак (6), где происходит предварительное отделение масла из воздуха под действием центробежной силы и дальнейшее окончательное отделение масла, осуществляемое фильтром-сепаратором (13).
• Выходящий из бака очищенный воздух протекает по трубопроводу (15) в радиатор (11), из которого через отсеченный кран (16) направляется в сеть.
• Остатки масла, накопившиеся в нижней части фильтра-сепаратора опять направляются в компрессор.

Винтовые  компрессоры, в отличие от других видов компрессоров, имеют компактные размеры и экономичность, а также  имеют возможность работать круглосуточно. Некоторые типы винтовых компрессоров используются для подачи чистого сжатого воздуха на химические, пищевые и фармакологические производства.

     Преимущества  винтовых компрессоров заключаются в:

     • надежности и длительном ресурсе  работы;

     • возможности работать круглосуточно;

     • простом монтаже, подключении и  обслуживании;

     • наличии автоматической системы  управления;

     • сравнительно небольших эксплуатационных затратах электроэнергии и масла;

     • низком уровне шума;

     • высокой чистоте сжатого воздуха;

     • низких энергозатратах в расчете  на 1 кубометр произведенного воздуха. 

4 Сравнение винтовых и поршневых компрессоров

В настоящее  время на промышленных предприятиях Украины используются всевозможные виды компрессоров. Однако подавляющее большинство компрессорных агрегатов является поршневыми моделями. Но постепенно идет их замена более совершенными винтовыми агрегатами. Компрессорное оборудование требует следующих затрат:

— приобретение агрегатов и их монтаж;

— приобретение дополнительного оборудования (защитных кожухов, дополнительной системы очистки  сжатого воздуха и т. д.);

— стоимость  электроэнергии, необходимой для  работы компрессора;

— затраты  на техническое обслуживание оборудования, необходимые расходные материалы.

Теперь  сравним по указанным выше затратам поршневые агрегаты с винтовыми.

     Затраты на приобретение и  монтаж. Сравнивая цены на компрессорное оборудование, легко заметить, что поршневые агрегаты значительно дешевле. Их стоимость в среднем на 20–40 % ниже, чем у винтовых моделей той же производительности. Однако при монтаже поршневых компрессоров необходимо устройство специального фундамента, в то время как для винтовых этого не нужно. В некоторых случаях высокая стоимость монтажа поршневых агрегатов может свести на нет весь выигрыш в их цене.

     Затраты на дополнительное оборудование. Конструкция винтовых компрессоров более совершенна, и их система маслоотделения работает лучше, что позволяет тратить значительно меньшие средства на дополнительные очистные механизмы.

В пневмосистеме  обязательно должны быть предусмотрены  ресиверы для сглаживания пульсаций  давления. При использовании винтового  оборудования ресиверы нужны меньших  размеров, т. к. пульсации не столь  велики, что удешевляет всю систему.

Из-за своих  конструктивных особенностей винтовой — значительно более тихий компрессор, чем поршневой. Используя же шумогасящие кожухи, уровень шума при работе агрегатов можно свести к минимальным значениям. Это позволяет производить их установку в непосредственной близости от потребителя, не транспортируя сжатый воздух на большие расстояния. Все это дает снижение количества твердых примесей и воды, которые отрицательно сказываются на долговечности компрессорных агрегатов. Также децентрализация пневматической системы позволяет добиваться экономии, когда не требуется работа всех потребителей сжатого воздуха.

     Затраты на потребляемую электроэнергию. Как известно, винтовые компрессоры имеют более высокий КПД, и особенно эта разница заметна у компрессоров с большой производительностью. За время эксплуатации винтовой компрессор с классической схемой управления несколько раз окупает затраты на свое приобретение за счет экономии электроэнергии. Разница в затратах электроэнергии на производство одного и того же количества сжатого воздуха однозначно делает винтовые компрессоры более предпочтительными, по сравнению с поршневыми компрессорами. Кроме того, двухступенчатые модели винтовых компрессоров, а также винтовые компрессоры с изменяемой частотой вращения двигателя позволяют дополнительно сократить потребление электроэнергии еще на 30%. В дополнение к этому следует отметить, что система регулирования производительности винтовых компрессоров является более совершенной. В результате винтовые компрессоры вырабатывают столько сжатого воздуха, сколько в данный момент потребляет оборудование.

     Затраты на ТО и расходные  материалы. Поскольку система маслоотделения в винтовых компрессорах более совершенна, количество масла, попадающего в систему подачи сжатого воздуха, значительно меньше, чем при использовании поршневого оборудования. Соответственно и расход масла получается меньше, что позволяет экономить на его приобретении.

Поршневые компрессоры требуют частой замены поршневых колец, клапанов и т. д. При этом в конструкции винтовых компрессоров подобных быстро изнашивающихся деталей нет. За счет этого срок его службы значительно дольше в целом: при грамотной эксплуатации винтовой компрессор способен проработать до 25 лет без капитального ремонта.

Немаловажным  является и то, что винтовые компрессоры  можно легко автоматизировать, отказавшись  от постоянного нахождения рядом  с ними обслуживающего персонала. А  это значительно уменьшает влияние  человеческого фактора на работу системы. Автоматика позволяет задавать программу работы компрессора на несколько недель вперед, управлять  несколькими агрегатами из одного места  и многое другое.

Таким образом, замена морально устаревших поршневых  компрессоров на винтовое оборудование является полностью оправданным экономически мероприятием [8]. 

     5 Центробежные компрессоры

     Центробежный  компрессор – это компрессор, воздух или газ в котором сжимается за счет преобразования одного вида энергии в другой. Если быть точнее, то давление воздуха повышается за счет приобретения кинетической энергии от рабочих элементов компрессора, после чего она (кинетическая энергия) преобразуется в энергию потенциальную (энергию сжатия).

     Процесс повышения давления в центробежном компрессоре происходит следующим образом: через входное устройство (всасывающий патрубок) атмосферный воздух попадает в рабочую полость компрессора, где начинает взаимодействовать с рабочим колесом компрессора. Воздух попадает на рабочие лопасти колеса, получая при этом определенное количество энергии (пока что кинетической). После прохождения всей рабочей полости воздух попадает в диффузор, где происходит преобразование энергии в потенциальную. Не редкость, когда скорость воздуха на выходе из компрессора достигает скорости звука. Таким образом, сжатие в центробежных компрессорах происходит в несколько этапов.

   Центробежный  компрессор обладает следующими достоинствами:

• более простое устройство,
• низкую чувствительность к изменениям режима работы,
• более быстрым повышением давления и его максимальной величиной.

    Преимущества  винтовых над центробежными компрессорами: