Введение
Компрессор – это механическое устройство, которое повышает давление газа за счет уменьшения его объема. Воздушный компрессор является специфическим типом газового компрессора. Компрессоры схожи с насосами: оба увеличивают давление на текучую среду и оба могут транспортировать ее по трубопроводу. Главное различие заключается в том, что компрессор предназначен для изменения плотности или объема текучей среды, что в основном возможно только с газами. Газы сжимаемы, а жидкости практически несжимаемы, поэтому компрессоры редко применяются для жидкостей. Основная задача насоса – создание давления и транспортировка жидкостей. Многие компрессоры могут быть многоступенчатыми, то есть текучая среда сжимается несколько раз последовательно, для повышения давления на выходе. Часто вторая ступень физически меньше первой, чтобы вместить уже сжатый газ без потери давления. Каждая ступень дополнительно сжимает газ, увеличивая его давление и температуру (если между ступенями не предусмотрено промежуточное охлаждение).
A compressor is a mechanical device that increases the pressure of a gas by reducing its volume. An air compressor is a specific type of gas compressor. Compressors are similar to pumps: both increase the pressure on a fluid and both can transport the fluid through a pipe. The main distinction is that the focus of a compressor is to change the density or volume of the fluid, which is mostly only achievable on gases. Gases are compressible, while liquids are relatively incompressible, so compressors are rarely used for liquids. The main action of a pump is to pressurize and transport liquids. Many compressors can be staged, that is, the fluid is compressed several times in steps or stages, to increase discharge pressure. Often, the second stage is physically smaller than the primary stage, to accommodate the already compressed gas without reducing its pressure. Each stage further compresses the gas and increases its pressure and also temperature (if inter cooling between stages is not used).
Положительное смещение
Компрессор с объёмным принципом действия – это система, которая сжимает воздух за счёт уменьшения объёма посредством перемещения механических элементов (поскольку уменьшение объёма, вызванное поршнем в термодинамике, рассматривается как объёмное смещение поршня). Иными словами, компрессор с объёмным принципом действия работает, захватывая определённый объём газа на входе и затем выталкивая этот газ через выходное отверстие компрессора. Повышение давления газа происходит, по крайней мере частично, из-за того, что компрессор перекачивает его с массовым расходом, который не может пройти через выход при более низком давлении и плотности на входе.
Компрессоры с переменным приводом
В поршневых компрессорах используются поршни, приводимые в движение коленчатым валом. Они могут быть стационарными или переносными, одно- или многоступенчатыми, и приводиться в действие электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. Небольшие поршневые компрессоры мощностью от 5 до 30 лошадиных сил (л.с.) часто используются в автомобильных приложениях и обычно предназначены для работы с прерыванием. Более крупные поршневые компрессоры, значительно превышающие эту мощность, широко распространены в крупных промышленных и нефтегазовых отраслях. Давление на выходе может варьироваться от низкого до очень высокого (>18000 psi или 124 МПа). В некоторых областях применения, например, при сжатии воздуха, многоступенчатые компрессоры с двойным действием считаются наиболее эффективными компрессорами, и, как правило, они больше и дороже, чем сопоставимые роторные установки. Другой тип поршневого компрессора, обычно используемый в системах кондиционирования воздуха автомобилей, – это компрессор с наклонной или шатающейся пластиной, который использует поршни, приводимые в движение пластиной, установленной на валу (см. осевой поршневой насос). Бытовые, компрессоры для домашних мастерских и небольших строительных площадок обычно представляют собой поршневые компрессоры мощностью 1½ л.с. или менее с присоединенным ресивером. Линейный компрессор – это поршневой компрессор, в котором поршень является ротором линейного двигателя. Этот тип компрессора может сжимать широкий спектр газов, включая хладагент, водород и природный газ. Благодаря этому он находит применение в различных отраслях промышленности и может быть спроектирован для широкого диапазона производительности путем изменения размера, количества цилиндров и разгрузки цилиндров. Однако он характеризуется более высокими потерями из-за зазоров, сопротивлением из-за впускных и выпускных клапанов, большим весом, сложностью обслуживания из-за большого количества движущихся частей и присущей ему вибрацией.
Ионный жидкий поршневый компрессор
Ионный жидкостный поршневой компрессор, ионный компрессор или ионный жидкостный поршневой насос — это водородный компрессор, использующий ионно-жидкостный поршень вместо металлического, как в поршневом металлическом диафрагменном компрессоре.
Роторные винтовые компрессоры
В ротационных винтовых компрессорах используются два сцепленных вращающихся спиральных винта с положительным смещением для сжатия газа путем уменьшения его объема. Они обычно применяются для непрерывной работы в коммерческих и промышленных целях и могут быть стационарными или переносными. Область их применения охватывает широкий диапазон производительности и давления – от низкого до умеренно высокого (>). Классификация ротационных винтовых компрессоров зависит от числа ступеней, методов охлаждения и типов привода. Коммерчески доступны винтовые компрессоры с масляной, водяной и бесмасляной смазкой. Эффективность ротационных компрессоров зависит от используемого осушителя воздуха, производительность которого должна быть не менее чем в 1,5 раза выше объемной подачи компрессора. Существуют конструкции с одним или тремя винтами вместо двух. Винтовые компрессоры характеризуются меньшим количеством движущихся частей, большей производительностью, сниженным уровнем вибрации и пульсаций, возможностью работы с регулируемой скоростью и, как правило, более высоким КПД. Малые размеры или низкие скорости вращения роторов нецелесообразны из-за неизбежных утечек, вызванных зазорами между компрессионными полостями, винтами и корпусом компрессора.
Кольцевые поршни
Прокатный поршень в компрессоре прокатного поршневого типа играет роль перегородки между пластиной и ротором. Прокатный поршень направляет газ к неподвижной пластине. Два таких компрессора могут быть установлены на одном валу для увеличения производительности и снижения вибрации и шума. Конструкция без пружины известна как компрессор качающегося типа. В холодильной технике и кондиционировании воздуха этот тип компрессора также известен как роторный компрессор, а роторные винтовые компрессоры часто называют просто винтовыми компрессорами. Он обеспечивает более высокую эффективность по сравнению с поршневыми компрессорами благодаря меньшим потерям из-за рабочего объема между поршнем и корпусом компрессора, он на 40–50% меньше и легче при той же производительности (что может повлиять на стоимость материалов и транспортировки при использовании в изделии), создает меньше вибраций, имеет меньше компонентов и более надежен, чем поршневой компрессор. Однако его конструкция не позволяет достичь производительности более 5 тонн холода, он менее надежен, чем другие типы компрессоров, и менее эффективен из-за потерь в рабочем объеме. Они работают более плавно, тихо и надежно, чем другие типы компрессоров в диапазоне малых объемов. Часто один из спиралей фиксирован, а другой вращается по эксцентрической орбите, не вращаясь вокруг своей оси, тем самым захватывая и перекачивая или сжимая карманы жидкости между спиралями. Благодаря минимальному рабочему объему между фиксированной и вращающейся спиралями, эти компрессоры обладают очень высокой объемной эффективностью. Эти компрессоры широко используются в системах кондиционирования воздуха и холодильных установках, поскольку они легче, меньше и имеют меньше движущихся частей, чем поршневые компрессоры, а также более надежны. Однако они дороже, поэтому в приложениях, где стоимость является наиболее важным или одним из наиболее важных факторов при проектировании холодильной или кондиционирующей системы, могут использоваться термоэлектрические охладители или роторные и поршневые компрессоры. Этот тип компрессора использовался в качестве нагнетателя на двигателях Volkswagen G60 и G40 в начале 1990-х годов. По сравнению с поршневыми и компрессорами прокатного поршневого типа, спиральные компрессоры более надежны, поскольку имеют меньше компонентов и более простую конструкцию, более эффективны, поскольку не имеют рабочего объема и клапанов, и обладают преимуществами как меньшей склонности к помпажу, так и меньшей вибрации. Однако по сравнению с винтовыми и центробежными компрессорами спиральные компрессоры имеют более низкую эффективность и меньшую производительность. Прототип альтернативной заправочной станции был построен в соответствии со всеми действующими нормами безопасности, охраны окружающей среды и строительными нормами в Финиксе, чтобы продемонстрировать возможность строительства таких заправочных станций в городских районах.
Компрессор с воздушными пузырями
Также известный как водяной барабан. Смесь воздуха и воды, образующаяся при турбулентности, направляется в подземную камеру, где воздух отделяется от воды. Вес падающей воды сжимает воздух в верхней части камеры. Подводный выпуск из камеры позволяет воде вытекать на поверхность с высоты, меньшей, чем точка забора. Выпуск в крыше камеры подает сжатый воздух на поверхность. Установка, работающая по этому принципу, была построена на реке Монреаль в Раггед-Шутс, недалеко от Кобальта, провинция Онтарио, в 1910 году и обеспечивала 5000 лошадиных сил для расположенных поблизости шахт.
Центробежные компрессоры
Центробежные компрессоры используют вращающийся диск или рабочее колесо в корпусе специальной формы для принудительного перемещения газа к периферии рабочего колеса, увеличивая скорость газа. Диффузорная секция (расширяющийся канал) преобразует энергию скорости в энергию давления. Они в основном применяются для непрерывной стационарной работы в таких отраслях, как нефтеперерабатывающие заводы, химические и нефтехимические предприятия, а также установки по переработке природного газа. Их мощность может варьироваться от нескольких до тысяч лошадиных сил. Этот тип компрессоров, наряду с винтовыми компрессорами, широко используется в крупных холодильных и кондиционирующих системах. Существуют центробежные компрессоры на магнитных (магнитолевитационных) и воздушных подшипниках. Многие крупные установки по производству искусственного снега (например, на горнолыжных курортах) используют этот тип компрессоров. Они также применяются в двигателях внутреннего сгорания в качестве нагнетателей и турбонагнетателей. Центробежные компрессоры используются в небольших газотурбинных двигателях или в качестве последней ступени сжатия газовых турбин среднего размера. Центробежные компрессоры – самые большие доступные компрессоры, обеспечивают более высокую эффективность при частичных нагрузках, могут быть безмасляными при использовании воздушных или магнитных подшипников, что повышает коэффициент теплопередачи в испарителях и конденсаторах, весят до 90% меньше и занимают на 50% меньше места, чем поршневые компрессоры, отличаются высокой надежностью и меньшими затратами на обслуживание, поскольку меньше компонентов подвержены износу, и генерируют минимальную вибрацию. Однако их первоначальная стоимость выше, требуется высокоточная обработка на станках с ЧПУ, рабочее колесо должно вращаться на высоких скоростях, что делает непрактичным создание небольших компрессоров, и повышается вероятность помпажа. По сравнению с обычным центробежным компрессором (при одинаковом коэффициенте повышения давления на ступень), скорость компрессора смешанного типа в 1,5 раза выше.
This type of compressor, along with screw compressors, are extensively used in large refrigeration and air conditioning systems. Magnetic bearing (magnetically levitated) and air bearing centrifugal compressors exist. Many large snowmaking operations (like ski resorts) use this type of compressor. They are also used in internal combustion engines as superchargers and turbochargers. Centrifugal compressors are used in small gas turbine engines or as the final compression stage of medium sized gas turbines. Centrifugal compressors are the largest available compressors, offer higher efficiencies under partial loads, may be oil free when using air or magnetic bearings which increases the heat transfer coefficient in evaporators and condensers, weigh up to 90% less and occupy 50% less space than reciprocating compressors, are reliable and cost less to maintain since less components are exposed to wear, and only generate minimal vibration. But, their initial cost is higher, require highly precise CNC machining, the impeller needs to rotate at high speeds making small compressors impractical, and surging becomes more likely. Comparative to the conventional centrifugal compressor (of the same stage pressure ratio), the value of the speed of the mixed flow compressor is 1.5 times larger.
Поэтапное сжатие
В случае центробежных компрессоров, современные коммерческие конструкции не обеспечивают коэффициент сжатия более 3,5:1 на одной ступени (для типичного газа). Поскольку сжатие повышает температуру, сжатый газ охлаждается между ступенями, что делает процесс сжатия менее адиабатическим и более изотермическим. Междуступенчатые охладители (интеркулеры) обычно вызывают частичную конденсацию, которая удаляется в сепараторах жидкости и пара. В небольших поршневых компрессорах маховик компрессора может приводить в действие вентилятор охлаждения, направляющий окружающий воздух на интеркулер двух- или многоступенчатого компрессора. Благодаря использованию охлаждающей смазки для снижения повышения температуры при сжатии, роторные винтовые компрессоры часто достигают коэффициента сжатия 9:1 и выше. Например, в типичном компрессоре для дайвинга воздух сжимается в три ступени. Если коэффициент сжатия на каждой ступени составляет 7:1, компрессор может создавать давление в 343 атмосферы (7 × 7 × 7 = 343 атмосферы).
Смазка
Компрессоры, приводимые в действие электродвигателем, могут управляться с помощью VFD или частотного преобразователя, однако многие герметичные и полугерметичные компрессоры могут работать только в определенном диапазоне или на фиксированных скоростях, поскольку они могут быть оснащены встроенными масляными насосами. Встроенный масляный насос соединен с тем же валом, что и компрессор, и нагнетает масло в подшипники компрессора и двигателя. При низких скоростях недостаточное количество масла достигает подшипников, что в конечном итоге приводит к их выходу из строя, а при высоких скоростях избыточное количество масла может вытекать из подшипников и компрессора и, возможно, попадать в нагнетательную линию из-за разбрызгивания. В конечном итоге масло заканчивается, и подшипники остаются без смазки, что приводит к поломке, а масло может загрязнить хладагент, воздух или другой рабочий газ.