Как работает компрессор: принцип работы и устройство

Компрессор сжимает газ от 1 до 400 бар через цикл всасывание–сжатие–нагнетание. Поршневые агрегаты покрывают давления 6–400 бар, винтовые — 6–30 бар при ресурсе 40 000–80 000 ч. Выбор типа определяют три параметра: давление, производительность и режим работы. Для чистого воздуха — ISO 8573-1 класс 1 (≤ 0,1 мг/м³ масла).

Компрессор как источник сжатого воздуха для промышленности и быта

Компрессор — агрегат для сжатия газа, повышающий давление рабочей среды с атмосферного (1 бар) до рабочего (6–400 бар).

Компрессорное оборудование применяют в диапазоне давлений 0,3–400 бар при производительности 0,01–10 000 м³/мин.

Рабочая среда — воздух или технический газ (азот, CO₂, инертные газы). Выходной параметр — избыточное давление в нагнетательном патрубке.

Установка для нагнетания давления создаёт запас энергии: ресивер объёмом 24–500 л хранит сжатый газ при давлении до 16 бар.

Устройство компрессора: какие узлы создают давление

Компрессорная система включает шесть функциональных подсистем. Каждый узел выполняет строго определённую функцию в энергетической цепочке.

Рабочая камера и механизм сжатия

Рабочая камера — замкнутый объём, в котором газ подвергается механическому сжатию. Объём камеры изменяется от максимального (всасывание) до минимального (нагнетание).

Степень сжатия у одноступенчатых агрегатов — 3–8 единиц, у двухступенчатых — 10–30 единиц, у трёхступенчатых — до 150 единиц.

Привод, клапаны и система охлаждения

Электропривод мощностью 0,75–315 кВт передаёт крутящий момент через клиноремённую передачу или прямой фланец. КПД передачи — 85–95%.

Клапаны управляют направлением потока: всасывающий открывается при разрежении 0,02–0,05 бар, нагнетательный — при превышении давления 0,05–0,15 бар.

Система воздушного охлаждения снижает температуру газа на 20–40 °C. Межступенчатый охладитель (интеркулер) в двухступенчатых агрегатах уменьшает температуру до 40–50 °C перед второй ступенью.

Ресивер и система подготовки воздуха

Ресивер объёмом 24–500 л сглаживает пульсации давления и снижает частоту включений мотора. Ресивер объёмом 24–500 л сглаживает пульсации давления и снижает частоту включений мотора. Рабочее давление ресивера подтверждается паспортом сосуда под давлением согласно требованиям ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением».

Система подготовки воздуха включает фильтр-осушитель (точка росы –20…–70 °C), фильтр тонкой очистки (задержание частиц ≥ 1 мкм) и маслоотделитель (остаточное содержание масла ≤ 0,1 мг/м³, класс 1 по ISO 8573-1:2010).

Таблица 1. Элементы компрессора: функция и параметры

Принцип работы компрессора по этапам рабочего цикла

Рабочий цикл компрессора состоит из трёх последовательных фаз: всасывание, сжатие, нагнетание. Каждая фаза определяется положением рабочего органа и состоянием клапанов.

Этап всасывания воздуха

Рабочий орган движется в направлении увеличения объёма камеры. Давление в камере падает ниже атмосферного на 0,02–0,08 бар.

Всасывающий клапан открывается. Газ поступает в камеру через входной фильтр тонкой очистки (степень фильтрации 10–25 мкм).

Этап сжатия

Рабочий орган движется в направлении уменьшения объёма камеры. Оба клапана закрыты. Давление газа нарастает до заданного значения.

Температура газа при сжатии повышается: при одноступенчатом сжатии до 8 бар — до 150–180 °C.

Этап нагнетания

Давление в камере превышает давление в нагнетательной магистрали. Нагнетательный клапан открывается. Газ выталкивается в ресивер или трубопровод.

Цикл всасывание–сжатие–нагнетание повторяется с частотой, соответствующей числу оборотов привода: 700–1500 об/мин для поршневых агрегатов, 1500–3000 об/мин для винтовых.

Виды компрессоров и различия способов сжатия

Все виды компрессоров делятся на два класса по физическому принципу воздействия на газ: объёмные и динамические.

Объёмные компрессоры

Объёмный принцип — уменьшение объёма замкнутой рабочей камеры с газом. Производительность: 0,1–100 м³/мин. Рабочее давление: 0,5–400 бар.

Подтипы объёмных агрегатов:

• Поршневые — ход поршня 30–120 мм, давление до 400 бар, ресурс 3 000–30 000 ч;

• Винтовые — пара роторов с зазором 0,05–0,3 мм, давление 6–30 бар, ресурс 40 000–80 000 ч;

• Спиральные — орбитальный виток, давление 6–15 бар, шум 55–65 дБ(А);

• Пластинчатые — скользящие лопатки, давление 4–10 бар.

Динамические компрессоры

Динамический принцип — передача кинетической энергии газу через лопатки рабочего колеса с последующим замедлением потока. Производительность: 50–10 000 м³/мин.

Подтипы динамических агрегатов:

• Центробежные (турбокомпрессоры) — скорость вращения ротора 3 000–60 000 об/мин, давление 3–20 бар;

• Осевые — многоступенчатые, давление 1,3–10 бар, производительность 500–10 000 м³/мин.

Когда используется каждый тип

Объёмные агрегаты предпочтительны при давлении выше 10 бар и малых расходах (до 100 м³/мин). Динамические агрегаты — при производительности свыше 100 м³/мин и непрерывном режиме 24/7.

Таблица 2. Сравнение объёмных и динамических компрессоров

Устройство поршневого компрессора и роль основных деталей

Поршневой компрессор — наиболее распространённый подтип объёмных агрегатов. Производительность одноступенчатых моделей: 50–500 л/мин при давлении 6–10 бар.

Цилиндр

Цилиндр — рабочее тело из серого чугуна СЧ20 или алюминиевого сплава АК12. Диаметр цилиндра: 40–200 мм. Ресурс хонингованной поверхности: 8 000–25 000 ч.

Поршень

Поршень — подвижный элемент из алюминиевого сплава АК6. Масса поршня: 0,1–2,5 кг. Поршневые кольца (2–4 штуки) обеспечивают герметичность при давлении до 50 бар.

Шатунно-кривошипный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует вращение коленвала в возвратно-поступательное движение поршня. Радиус кривошипа: 15–60 мм. Степень неравномерности хода: 1/100–1/300.

Всасывающий и нагнетательный клапаны

Пластинчатые клапаны из стали 65Г — толщина пластины 0,3–0,8 мм. Время срабатывания: 2–5 мс. Износостойкость: 5 000–15 000 ч при правильной смазке.

Клапанная группа определяет объёмный КПД агрегата: при исправных клапанах — 85–92%, при износе пластин — снижается до 60–70%.

Принцип работы поршневого компрессора от всасывания до нагнетания

Поршневой агрегат реализует термодинамический цикл с четырьмя кинематически связанными фазами. Коленвал совершает один оборот за один рабочий цикл.

Ход вниз — всасывание

Коленвал поворачивается: поршень движется из верхней мёртвой точки (ВМТ) вниз. Объём рабочей камеры увеличивается. Давление падает до 0,92–0,98 бар.

Всасывающий клапан открывается при перепаде давления 0,02–0,05 бар. Газ заполняет цилиндр через входной фильтр.

Ход вверх — сжатие

Поршень достигает нижней мёртвой точки (НМТ): оба клапана закрыты. При движении поршня вверх объём камеры уменьшается.

Адиабатическое сжатие: давление нарастает по закону P·V^γ = const (γ = 1,4 для воздуха). Температура при сжатии до 8 бар достигает 150–180 °C.

Открытие нагнетательного клапана

Нагнетательный клапан открывается при достижении давления в камере, равного давлению в нагнетательном патрубке плюс 0,05–0,15 бар.

Сжатый газ выталкивается в ресивер. После прохода поршня через ВМТ цикл повторяется. Мёртвый объём (2–5% от рабочего) остаётся в камере и снижает объёмный КПД.

Какой тип компрессора выбрать для конкретной задачи

Выбор типа агрегата определяют четыре параметра: требуемое давление, производительность, режим работы (цикличный или непрерывный) и допустимое содержание масла в воздухе.

Если задача требует давления выше 10 бар — выбирают объёмный тип. При производительности свыше 100 м³/мин и непрерывной работе — динамический. Для пищевой и медицинской отраслей — безмасляные агрегаты: класс 1 по ISO 8573-1:2010 допускает остаточное содержание масла менее 0,1 мг/м³, класс 0 — менее 0,01 мг/м³ (устанавливается индивидуальным соглашением с изготовителем).

Таблица 3. Рекомендуемый тип агрегата по задаче

Ресурс агрегата зависит от режима: поршневые масляные при цикличной нагрузке 25–30% — 5 000–10 000 ч до первого ТО; винтовые при непрерывной нагрузке 80–100% — 40 000–80 000 ч.

Поршневые агрегаты мощностью до 2,2 кВт с ресивером 24–50 л соответствуют норме при установке на виброоснование. Допустимый уровень звука для постоянных рабочих мест в производственных помещениях — 80 дБ(А) по СН 2.2.4/2.1.8.562-96; для бытового применения ориентируются на уровень ≤ 75 дБ(А).

Поршневые агрегаты мощностью до 2,2 кВт с ресивером 24–50 л соответствуют норме при установке на виброоснование.