Компрессор

Компрессор — это устройство (машина, агрегат) для сжатия газов или воздуха под давлением, превышающим атмосферное, и их перемещения. Компрессоры относятся к классу газодувных машин и являются ключевым компонентом множества технологических процессов в промышленности, энергетике, строительстве, транспорте и быту. Основной рабочей характеристикой компрессора является степень сжатия — отношение конечного давления газа к начальному, которое для компрессоров, как правило, превышает 1,1 (в отличие от вентиляторов и воздуходувок, где это отношение невелико).

Принцип действия и основные типы

Сжатие газа в компрессоре осуществляется за счёт механической работы, подводимой от двигателя (электрического, дизельного, газотурбинного). По способу организации рабочего процесса компрессоры приято делить на два основных класса: объёмные и динамические.

Объёмные компрессоры

В объёмных компрессорах сжатие происходит в замкнутой камере, объём которой периодически уменьшается. Этот класс делится на поршневые и роторные.

Поршневые компрессоры. Наиболее распространённый тип, работающий по принципу возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре. При движении вниз поршень создаёт разрежение — открывается впускной клапан, и газ заполняет цилиндр. При обратном ходе клапан закрывается, газ сжимается и вытесняется через выпускной клапан. Поршневые компрессоры способны создавать высокие давления (до 1000 МПа и более) и имеют относительно невысокий КПД, но отличаются простотой конструкции и надёжностью. Применяются для подачи сжатого воздуха на заводах (пневматический инструмент), накачивания автомобильных шин, в холодильных установках.

Роторные компрессоры — сжатие в них осуществляется вращающимися роторами различной формы. К ним относятся:

• Винтовые компрессоры: два винтовых ротора (ведущий и ведомый) сцепляются, и газ, захваченный впадинами, перемещается вдоль оси и сжимается при уменьшении объёма полости. Отличаются высокой производительностью, плавностью хода и отсутствием пульсаций давления. Широко распространены в промышленности (от 0,1 до нескольких кубических метров в секунду).
• Пластинчатые (шиберные) компрессоры: ротор с продольными пазами, в которые вставлены пластины (шиберы), эксцентрично расположен в цилиндре. При вращении пластины под действием центробежной силы выдвигаются, образуя рабочие камеры переменного объёма.
• Спиральные компрессоры: газ сжимается между двумя спиралями — неподвижной и вращающейся. Чаще всего используются в кондиционерах и бытовой технике благодаря низкому уровню шума и вибрации.

Динамические компрессоры

В этом типе сжатие газа происходит за счёт кинетической энергии, придаваемой ему вращающимся рабочим колесом с лопатками. Динамический принцип чаще всего реализуется в центробежных (турбокомпрессорах) и осевых машинах.

Центробежные (турбокомпрессоры). Газ поступает в центр вращающегося рабочего колеса, захватывается лопатками, разгоняется под действием центробежной силы и выбрасывается к периферии. Затем он попадает в неподвижный направляющий аппарат (диффузор), где его скорость падает, а давление растёт. Центробежные компрессоры отличаются высокой производительностью (до тысяч кубометров в час) и компактностью, но создают сравнительно умеренное давление (обычно до нескольких десятков атмосфер). Широко используются в газоперекачивающих агрегатах на магистральных газопроводах (например, системы «Сила Сибири»), в наддуве автомобильных двигателей (турбокомпрессоры, турбины), в газотурбинных установках.

Осевые компрессоры. Газ движется вдоль оси ротора, а сжатие осуществляется последовательно расположенными рядами лопаток (венцами). Обеспечивают ещё большую производительность, чем центробежные, но при более низких степенях сжатия на одну ступень. Чаще всего применяются в авиационных газотурбинных двигателях и стационарных газотурбинных установках большой мощности.

Классификация по другим признакам

Кроме конструктивного исполнения, компрессоры классифицируют по ряду параметров:

• По роду сжимаемого газа — воздушные (самые массовые), кислородные, азотные, углеводородные (для природного и попутного нефтяного газа), холодильные (для хладагентов), компрессоры для инертных газов и др.
• По конечному давлению (степени сжатия) — низкого (0,15—1,0 МПа), среднего (1—10 МПа), высокого (10—100 МПа) и сверхвысокого (свыше 100 МПа).
• По производительности — малые, средние, крупные.
• По типу привода — с электродвигателем, с двигателем внутреннего сгорания, с паровой или газовой турбиной.
• По способу охлаждения — с воздушным или водяным охлаждением.
• По конструкции — стационарные и передвижные (например, компрессорные станции на колёсных шасси для ремонтных бригад).

История развития

Первые механизмы, работавшие по принципу воздуходувок, были известны ещё в древности — это кузнечные меха, которые изготавливались из кожи и дерева. Принцип поршневого действия был описан ещё в I веке н. э. греческим инженером Героном Александрийским в трактате «Пневматика».

Начало промышленной эры компрессоростроения связано с развитием горного дела и металлургии. В 1657 году Отто фон Герике, известный опытами с магдебургскими полушариями, изобрёл первый поршневой воздушный насос, способный создавать как вакуум, так и избыточное давление. С середины XIX века с распространением пневматического инструмента (отбойные молотки, буры) и строительством железных дорог началось массовое производство поршневых компрессоров. Важная веха — создание в 1900-х годах винтового компрессора немецким инженером Генрихом Криером, но его промышленное применение стало возможным только после разработки прецизионных методов обработки деталей в 1930-х годах шведской компанией Lysholm.

В XX веке с развитием авиации и газовой промышленности получили распространение центробежные и осевые компрессоры как часть газотурбинных двигателей и газоперекачивающих агрегатов.

Применение

Сфера применения компрессоров чрезвычайно широка и охватывает практически все отрасли экономики.

• Промышленность: обеспечение сжатым воздухом пневматических систем заводов (автомобильная, машиностроительная, химическая промышленность); транспортировка сыпучих материалов (цемент, песок) по пневмотрассам; в химических и нефтехимических процессах — сжатие газов (кислорода, азота, водорода, углеводородов) для синтеза, катализа и разделения; в металлургии — подача воздуха в доменные печи и конвертеры.
• Энергетика: наддув камер сгорания газотурбинных установок на тепловых и атомных электростанциях; сжатие природного газа для подачи в подземные хранилища и магистральные газопроводы (газоперекачивающие станции); работа компрессоров в холодильных машинах и тепловых насосах.
• Строительство и ремонт: питание отбойных молотков, перфораторов, шлифовальных машин, краскопультов, домкратов; пневматическая подводка бетона; пескоструйная обработка поверхностей.
• Медицина и фармацевтика: централизованная подача медицинских газов (кислород, сжатый воздух) в больницах (для аппаратов ИВЛ, анестезии); в производстве лекарств, где требуется чистый сжатый воздух.
• Транспорт: пневмотормозная система на грузовиках, автобусах, поездах (обязательное оборудование на железных дорогах); рекуперация энергии; накачка шин; работа пневмоподвески.
• Бытовая техника: бытовые холодильники (спиральные компрессоры); кондиционеры; аквариумные аэрлифты; бытовые поршневые компрессоры для подкачки шин и покраски.

Влияние на окружающую среду и техника безопасности

Компрессоры как устройства потребляют значительное количество электроэнергии и нередко являются источником шума и вибрации. Для снижения энергопотребления в современных установках широко применяются системы частотного регулирования привода, рекуперации тепла (сжатый воздух сильно нагревается) и рациональные схемы отчистки осушения воздуха. На производстве существует ряд правил безопасности при эксплуатации компрессорных установок: недопустимо превышение рабочего давления (установки оснащаются предохранительными клапанами и манометрами), требуется регулярное техническое обслуживание и проверка систем охлаждения, поскольку перегрев масла может привести к взрыву. Особое внимание уделяется маслам, так как при контакте с кислородом (в кислородных компрессорах) масла категорически запрещены из-за риска возгорания.

Интересные факты

• Самый мощный в мире поршневой компрессор был изготовлен в СССР для сверхвысокого давления — для синтеза полиэтилена.
• В России одним из крупнейших производителей компрессорного оборудования является Казанское компрессорное предприятие, выпускающее воздушные и газовые компрессоры.

Источники

• Схиртладзе А.Г., Иванов В.И., Карева В.В. «Компрессоры и холодильные машины». — М.: Машиностроение, 2020.
• Поливанов А.М. «Компрессорные машины». — М.: Высшая школа, 1975.
• Пустовалов Н.Д., Сакун Р.П. «Справочник по компрессорным машинам». — Л.: Машиностроение, 1990.
• Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при эксплуатации установок, работающих под избыточным давлением» (утв. приказом Ростехнадзора).