Как работает компрессор: принцип действия и устройство
Компрессор работает по простому принципу: он забирает газ при низком давлении и выдаёт его при высоком, уменьшая объём рабочей камеры. Именно это сжатие и лежит в основе работы любого компрессора, будь то маленький автомобильный насос или промышленная установка мощностью несколько мегаватт.
Из чего состоит компрессор
Любой компрессор включает три ключевых элемента: привод (электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания), рабочий орган (поршень, ротор или лопатки) и систему клапанов. Привод создаёт движение, рабочий орган передаёт его газу, а клапаны управляют направлением потока: впускают газ на всасывании и не дают ему вернуться назад при нагнетании. В промышленных установках к этим элементам добавляют маслосистему, систему охлаждения и автоматику.
Корпус компрессора изготавливают из чугуна или стали, поршни из алюминиевых сплавов или чугуна, клапаны из пружинной стали. На производстве в России по ГОСТ 12.2.016 к компрессорам предъявляются жёсткие требования к виброзащите и герметичности.
Как работает поршневой компрессор
Поршневой компрессор — самый распространённый тип. Когда поршень движется вниз (такт всасывания), объём цилиндра увеличивается, давление в нём падает ниже атмосферного, и впускной клапан открывается. Воздух или газ заходит в цилиндр. Когда поршень движется вверх (такт сжатия), объём уменьшается, давление растёт, впускной клапан закрывается, а нагнетательный открывается: сжатый газ выходит в магистраль.
Степень сжатия (отношение объёма цилиндра в начале сжатия к объёму в конце) у бытовых компрессоров составляет 6–8, у промышленных может достигать 15–20. При сжатии газ нагревается: температура воздуха на выходе одноступенчатого компрессора достигает 150–180 °C. Поэтому многоступенчатые компрессоры имеют промежуточные охладители, что повышает КПД и защищает оборудование.
Роторные и винтовые компрессоры
В роторных компрессорах нет возвратно-поступательного движения: роторы вращаются непрерывно. В винтовом компрессоре два зацеплённых винтовых ротора захватывают газ у всасывающего патрубка, переносят его вдоль осей вращения и выдавливают в нагнетательный патрубок. Давление нарастает плавно, без пульсаций.
Винтовые компрессоры популярны в промышленности: на заводах, в системах пневмоинструмента, на деревообрабатывающих и металлообрабатывающих предприятиях. Они работают тихо, потребляют меньше энергии при средних давлениях (от 6 до 13 бар) и практически не требуют обслуживания в первые 40 000–60 000 часов работы. Ресурс современного винтового блока: 80 000–100 000 часов.
Лопастные (пластинчатые) компрессоры применяют там, где нужен компактный и дешёвый агрегат при умеренных давлениях: в холодильном оборудовании, кондиционерах, вакуумных насосах. Ротор с продольными пазами, в которых скользят пластины, вращается со смещением относительно центра цилиндра; объём ячеек между пластинами то увеличивается, то уменьшается, и происходит всасывание и сжатие.
Центробежные и осевые компрессоры
В центробежных компрессорах газ ускоряется лопатками вращающегося колеса и отбрасывается к периферии. В диффузоре скорость падает, давление растёт, и кинетическая энергия переходит в потенциальную. Такие машины применяют в газотурбинных установках, нефтехимии и воздухоразделительных установках, где требуется подача больших объёмов газа при умеренном давлении.
Осевые компрессоры — сердце авиационных и промышленных газовых турбин. Поток газа движется вдоль оси машины через ряды чередующихся вращающихся и неподвижных лопаток. Каждая ступень повышает давление примерно в 1,2–1,4 раза; в многоступенчатых осевых компрессорах суммарная степень сжатия достигает 30–40. Именно такие компрессоры стоят на газопроводных станциях России, прокачивая природный газ по трубам на тысячи километров.
Где применяют компрессоры
Список областей применения огромен. В строительстве компрессоры питают пневмоинструмент: отбойные молотки, перфораторы, краскопульты. На автозаправках и газовых заправках компрессоры сжимают природный газ до 200–250 бар. В медицине компрессоры создают чистый сжатый воздух для операционных и дыхательных аппаратов. В пищевой промышленности компрессоры используют для транспортировки сыпучих продуктов по трубам и для упаковки под давлением.
В холодильной технике компрессор сжимает хладагент, повышая его температуру и давление, после чего тот конденсируется в конденсаторе и отдаёт тепло. Расширяясь в испарителе, хладагент поглощает тепло из холодильной камеры; именно так работает любой холодильник или кондиционер. Компрессор в этой цепи является ключевым элементом: от его мощности и КПД зависит энергопотребление всего оборудования.
