Поршневой компрессор. История продолжается

Поршневой компрессор ─ компрессор объемного действия, в котором изменение объемов рабочих камер осуществляется поршнями, совершающими прямолинейное возвратно-поступательное движение. 
ГОСТ 28567-90 Компрессоры. Термины и определения

В том, что изобретение колеса, о котором знали, по крайней мере, в V тысячелетии до н. э., а возможно и раньше, стало если не поворотной точкой в развитии цивилизации, то огромным шагом вперед, сомневаться не приходится. Поршень ─ подвижная деталь, перекрывающая поперечное сечение цилиндра, моложе колеса, но не так уж намного. Из сообщений древнегреческого писателя Афинея известно, что его современник и земляк (оба жили на территории нынешнего Египта) Ктесибий изобрел поршневой насос, который использовали для подъема воды из колодцев. Вероятно, его же изобретением была поршневая катапульта.

Поршню ─ конструктивному решению, реализованному во множестве технических приложений, ─ принадлежит выдающаяся роль в развитии технологий. Поршень с цилиндром ─ неотъемлемая часть паровой машины, по сути, давшей старт промышленной революции. Поршень ─ обязательный элемент поршневых двигателей внутреннего сгорания, поршневых насосов и, конечно, поршневых компрессоров.

Вступающая в эпоху капитализма европейская цивилизация стала источником огромного количества изобретений, готовивших почву для Великой индустриальной революции. Революции, предопределившей переход от ручного труда к машинному. А стал бы он возможен без появления компрессора?

Первым был именно поршневой компрессор. Прообразом современного поршневого компрессора послужил состоявший из поршня и цилиндра вакуумный насос с одной ступенью сжатия, изобретенный немецким физиком и инженером Отто фон Герике в 1650 году. Едва ли ученый размышлял о всемирном значении своего изобретения, преследуя конкретную цель, ─ получить возможность экспериментировать со сжатым воздухом.

Во второй половине XVIII века изобретен двухцилиндровый поршневой компрессор.

Появление паровой машины сделало возможным создание поршневого компрессора с приводом ─ его спроектировал и построил англичанин Джордж Медхерст (George Medhurst). Дата появления этого изобретения ─ 1799 год; первая область применения ─ горнодобывающая промышленность.

В 30-е годы XIX столетия во Франции создан компрессор с несколькими ступенями сжатия. В 1849-м в Германии предложена концепция многоступенчатого компрессора с охладителями. В 1871 году в США изобретен получающий энергию от компрессора пневматический перфоратор, ставший настоящим прорывом в добывающей промышленности и строительстве.

Вплоть до конца XIX столетия поршневые компрессоры не имели конкурентов среди компрессоров других типов и конструкций. Изобретение во второй половине того же века винтового компрессора эту монополию не прервало (до этого оставалось еще несколько десятилетий), но стало предвестником многолетней технологической конкуренции между поршневыми и винтовыми (или шире ─ роторными) компрессорами, продолжающейся и по сегодняшний день.

Раньше ─ единственные, сегодня ─ одни из многих, поршневые компрессоры продолжают составлять значительную часть парка компрессорной техники.

Поршневой компрессор: принцип работы

Работа поршневого компрессора ─ это «совокупность физических явлений, сопровождающих повышение давления и перемещение газа в компрессоре и обеспечивающих передачу газу механической энергии двигателя» (текст в кавычках ─ из ГОСТ 28567-90).

Принцип работы поршневого компрессора заключается в чередовании процессов всасывания, сжатия и нагнетания. Вращение вала двигателя передается валу поршневого блока, который соединен шатуном с одним или несколькими поршнями. Благодаря этому поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре. Во время процесса всасывания открывается всасывающий клапан поршневого компрессора, и сжимаемый газ начинает поступать в цилиндр.

Это происходит после того, как давление газа в т. н. вредном пространстве станет меньше давления во всасывающей линии. Вредное пространство, напрямую не участвующее в процессе сжатия, ─ это клапаны, пространство рядом с ними, а также между крышкой цилиндра и плоскостью, пересекающей ближнюю к ней крайнюю (мертвую) точку движения поршня перпендикулярно оси цилиндра. Процессу всасывания предшествует расширение газа во вредном пространстве цилиндра после нагнетания.

После смены поршнем направления движения начинается процесс сжатия. Между крайними положениями движения поршня наступает момент, когда давление сжимаемого в цилиндре газа превышает давление в линии нагнетания. Сразу после этого срабатывает клапан, открывающий сжимаемому воздуху путь в нагнетательный патрубок, а оттуда в ресивер поршневого компрессора.

Устройство поршневого компрессора

Поршневые компрессоры отличает наибольшее среди других видов многообразие конструкций, компоновок и схем. Принципиальная схема поршневого компрессора включает двигатель, поршневой блок, ресивер, а также клапаны, фильтры, реле, краны и т. д.

Обеспечивающий сжатие воздуха или иного газа поршневой блок для компрессора состоит из большого числа (сотни и более) деталей. В их числе ─ разнообразный крепеж (винты, шайбы, шплинты), прокладки, манжеты, шайбы, стопорные кольца, клапаны, фильтры, подшипники, ниппели, трубки, седла и др. Наиболее крупные детали ─ цилиндр с оребренным корпусом, поршень, коленчатый вал, шатун, картер.

Кривошипно-шатунный механизм может быть крейцкопфным и бескрейцкопфным. В первом случае он состоит из коленчатого вала, пальца и шатуна. Во втором к ним добавляются крейцкопф и палец крейцкопфа.

Ресивер ─ сосуд, работающий под давлением, вместимостью от нескольких десятков до нескольких сотен литров, служит для хранения запаса сжатого воздуха. Он позволяет поршневому блоку периодически отключаться и поэтому не перегреваться, а также не слишком часто переходить от простоя к работе. Кроме того, ресивер смягчает пульсации сжатого воздуха и удаляет из него влагу. Ресивер, который можно передвигать вручную (емкостью до 200 л), оснащают колесным шасси. Большие ресиверы делают стационарными.

Установленный на входе в поршневой блок воздушный фильтр помогает довести поступающий воздух до требуемых кондиций в части содержания крупных частиц, попадание которых в механизм компрессора грозит сбоями в его работе и повреждениями.

Задача прессостата (пневмореле) включать-выключать компрессор. Вручную с помощью кнопки. Или автоматически: при достижении максимального давления ─ выключать; при его снижении до минимального ─ включать.

Редуктор давления регулирует давление на выходе из компрессора. Кран слива конденсата позволяет убирать скапливающуюся на дне ресивера воду ─ конденсат атмосферной влаги.

Привод поршневого компрессора

Привод компрессора ─ совокупность двигателя и устройства для передачи энергии поршневой группе ─ может быть электрическим (электрические поршневые компрессоры), дизельным (дизельные поршневые компрессоры) или на базе бензинового двигателя внутреннего сгорания.

В компрессорах с прямым приводом двигатель и поршневой блок соединены валом. Преимущества такого конструктивного решения ? компактность, более низкая стоимость компрессора и меньшее энергопотребление. Недостатки ─ повышенные нагрев и уровень шума, более короткий срок службы.

Компрессор поршневой ременной (в нем шкивы двигателя и поршневого блока соединены между собой ремнем) отличается надежностью, высокой производительностью, сниженным уровнем шума. Но за это приходится расплачиваться большими весом и стоимостью.

Диаметр шкива поршневого блока больше шкива электродвигателя. Это дает возможность поршневому блоку работать на сниженных оборотах.

Привод дожимающих ступеней поршневых компрессоров сверхвысокого давления, работа которых сопровождается поршневыми усилиями, измеряемыми сотнями тонн, может осуществляться с помощью гидропередач.

Маслозаполненные и бессмазочные поршневые компрессоры

В общем случае маслозаполненный компрессор ─ один из видов жидкостнозаполненных компрессоров, в рабочие полости которых жидкость впрыскивают в т. ч. с целью уплотнения зазоров и уменьшения работы сжатия. Отсутствие и наличие смазки является своего рода водоразделом между компрессорами, в нашем случае поршневыми. По его разные стороны находятся компрессор поршневой масляный (правильнее сказать ─ маслозаполненный) и компрессор поршневой безмасляный (бессмазочный).

В первом масло компрессорное для поршневых компрессоров заливается в картер и оттуда с помощью насоса поступает сразу на масляный фильтр или «транзитом» через охладитель масла. («Решение» об этом принимает термостат). Его конечная цель ─ компоненты компрессора. Разбрызгиваемым коленчатым валом маслом смазываются детали цилиндропоршневой группы.

Масло для поршневых компрессоров выполняет сразу несколько функций ─ охлаждение, уплотнение зазоров, защиту от коррозии, снижение износа трущихся деталей.

Преимущества маслозаполненного поршневого компрессора ─ надежность, производительность, простота конструкции, высокая ремонтопригодность. Его можно применять при любых видах работ за исключением тех, когда нужен воздух, не содержащий даже малейших примесей масла.

Актуальный вопрос ─ какое масло заливать в компрессор поршневой? Основные требования к маслу ─ высокая термоокислительная способность, отсутствие склонности к образованию отложений и нагара при повышенных температурах, достаточная вязкость, антикоррозионные свойства, достаточно высокая температура вспышки.

Разные сорта масел смешивать запрещается. Как недопустимы недолив и перелив масла.

Доливают масло для компрессора воздушного поршневого по мере необходимости. Контролировать его уровень можно с помощью щупа или смотрового окошка. Замену масла выполняют через указанное в руководстве по эксплуатации количество моточасов.

Поршневые компрессоры, способные функционировать в широком диапазоне температур, и при этом полностью исключающие попадание масла в рабочую среду, актуальны для многих отраслей: пищевой, текстильной, химической, бутилирования питьевой воды, машиностроения (промышленная окраска) и проч.

Компрессор поршневой безмасляный может работать в любом положении, а не только строго горизонтально. У него более низкие, чем у маслозаполненного компрессора, уровень шума и температура воздуха на выходе. Но одновременно с этим ─ меньшие производительность, продолжительность безостановочной работы, срок службы.

О классификации поршневых компрессоров

Поршневые компрессоры, как и любые другие, классифицируют по роду сжимаемой среды. Компрессор поршневой воздушный служит для сжатия воздуха. Газовый поршневой компрессор сжимает газ или смесь газов, кроме воздуха. Многоцелевой компрессор используют для попеременного сжатия различных газов. По не претендующим на абсолютную точность оценкам воздушные компрессоры составляют не менее 90% всего парка компрессорной техники.

По степени мобильности различают:

• стационарные поршневые компрессоры,
• передвижные поршневые компрессоры (переносные, прицепные, самоходные).

Согласно ГОСТ 28567-90, как и другие компрессоры, поршневые разделяют на машины:

• низкого (с конечным давлением до 1,5 МПа),
• среднего (1,5 до 10 МПа),
• высокого (10 до 100 МПа)
• и сверхвысокого (от 100 МПа) давления.

По способу отвода тепла различают компрессоры:

• с воздушным охлаждением,
• с водяным охлаждением.

Борьба с перегревом поршневых компрессоров ─ важная задача. Выходящий из цилиндра воздух может иметь температуру 180OC и выше. Снизить температуру помогают вентилятор и оребрение блока цилиндров.

Поршневые компрессоры разделяют по числу цилиндров и, соответственно, поршней у компрессора:

• 1-поршневые и многопоршневые, например, компрессор 2-поршневой,
• или ─ одно-, двух-, многоцилиндровые компрессоры.

Если цилиндров два и более, поршневые компрессоры различают по числу ступеней:

• компрессоры одноступенчатые,
• компрессоры двухступенчатые,
• компрессоры трехступенчатые и т. д.

В одноступенчатом компрессоре повышение давления газа от начального до конечного значения достигается одной ступенью. В многоступенчатом ─ в результате последовательного сжатия в двух и более ступенях. Отношение конечного и начального давления в ступени сжатия в одном цилиндре носит название степени сжатия. Цилиндры ступеней сжатия соединены трубопроводами, на которых установлены промежуточные охладители, не позволяющие температуре сжимаемого газа выходить за допустимые пределы.

Наличие нескольких ступеней позволяет сделать нагрев более плавным и обеспечить лучшее распределение тепла.

Еще один повод классифицировать поршневые компрессоры ─ расположение цилиндров:

• у оппозитного компрессора оси цилиндров лежат в горизонтальной плоскости в двух противоположных от коленчатого вала направлениях,
• у прямоугольного компрессора они находятся в плоскостях (одна вертикальная, другая горизонтальная), расположенных перпендикулярно к оси коленчатого вала,
• поршневой V-образный компрессор, W-образный компрессор, звездообразный компрессор объединяет то, что оси цилиндров расположены в плоскостях, перпендикулярных к оси коленчатого вала,
• у V-образного ─ в двух, составляющих одинаковые, меньшие 90°, углы с вертикальной плоскостью,
• у W-образного одна из трех осей по направлению совпадает с вертикальной плоскостью, а два других образуют с ней одинаковые углы, меньшие 90°,
• у звездообразного компрессора оси цилиндров расположены звездообразно в четырех и более направлениях.

Купить поршневой компрессор

Что интересует потребителя, принявшего решение купить поршневой компрессор? В первую очередь, производительность, давление, возможно, уровень шума и вибраций. (Объемная производительность поршневых компрессоров ─ это объемный расход газа на выходе из компрессора). Интересуют масса, габаритные размеры, объем ресивера, вид и мощность двигателя, коэффициент полезного действия, надежность, долговечность.

И сегодня отечественному потребителю есть из чего выбирать. На рынке представлены десятки российских и зарубежных торговых марок ─ ABAC, FINI, «Бежецкий завод «АСО», ЗИФ и др.

Российский рынок поршневых компрессоров оценивается в 100-150 тыс. единиц оборудования в год, или в несколько миллиардов рублей в денежном исчислении. Это не очень много на фоне масштабов мирового рынка компрессоров, измеряемого десятками миллиардов долларов (по оценкам экспертов к 2022 году он составит не менее 35 млрд. долларов), но положительная динамика налицо.

На рынке идет конкурентная борьба не только между производителями, но и видами компрессоров. И поршневым удается удерживать завоеванные позиции благодаря таким сильным сторонам, как высокая производительность в сложных условиях эксплуатации, широкий диапазон мощности, простота обслуживания, доступная стоимость, ремонтопригодность.

В маркетинговых исследованиях рынок компрессоров сегментируют на несколько частей, основные из которых ─ гаражно-бытовые компрессоры и профессиональные компрессоры. В отдельные группы могут выделяться полупрофессиональные компрессоры и специальные компрессоры.

Используется достаточно условное деление на ценовые группы. В оборудование премиум-класса входят компрессоры промышленные поршневые с повышенным ресурсом. Типичный представитель оборудования эконом-класса ─ компрессор поршневой, цена которого не отпугнет даже самого бережливого покупателя.

Чтобы купить поршневой компрессор, который будет эффективно работать при минимальных простоях, важно не ошибиться не только с торговой маркой (читай с производителем), но и компанией, продающей компрессоры. И не только их, но и все необходимые запчасти для поршневых компрессоров. Компании, настроенной на долговременное сотрудничество со своими клиентами, способной предложить являющийся залогом эффективной эксплуатации любого оборудования современный сервис, включая при необходимости ремонт поршневых компрессоров.

У поршневого компрессора самая длинная среди всех других видов компрессоров история. История, наполненная творческим поиском ученых и изобретателей, многочисленными открытиями и достижениями в бизнесе. Чего стоит ставший возможным благодаря поршневым компрессорам, дававшим энергию буровому инструменту, прорыв сквозь толщу Альп через многокилометровые тоннели. По совокупности достигнутого к этой истории можно смело прибавлять эпитет «славная». И история эта продолжается.