Поршневой компрессор

Поршневой компрессор — это объёмная компрессорная машина, в которой сжатие газа (воздуха, хладагента, природного газа и других сред) происходит за счёт возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре. Поршневые компрессоры относятся к классу машин динамического сжатия и являются одним из наиболее распространённых типов компрессорного оборудования благодаря широкому диапазону рабочих давлений, производительностей и относительной простоте конструкции.

История

Первые прототипы поршневых компрессоров появились в середине XVIII века. В 1769 году английский инженер Джон Смитон создал воздуходувку с поршневым механизмом для подачи воздуха в металлургические печи. Однако основоположником современного поршневого компрессора считается немецкий изобретатель Генрих фон Рейхенбах, который в 1833 году запатентовал конструкцию с водяным охлаждением цилиндра и клапанным распределением.

В 1872 году американский инженер Джон Уэстон разработал первый эффективный поршневой компрессор для холодильных установок, что положило начало массовому применению таких машин в промышленности. В России первые поршневые компрессоры начали производиться в конце XIX века на заводах в Санкт-Петербурге и Москве. К началу XX века поршневые компрессоры стали основным типом компрессорного оборудования в горнодобывающей, металлургической и химической отраслях.

С развитием винтовых и центробежных компрессоров во второй половине XX века доля поршневых машин в некоторых сегментах снизилась, однако они остаются незаменимыми для создания высоких давлений (свыше 100 бар) и работы с малыми и средними расходами газа.

Устройство и принцип действия

Основные элементы конструкции

Основными узлами поршневого компрессора являются:

• Цилиндр — рабочая камера, в которой происходит сжатие газа. Цилиндры могут быть одно- или многоступенчатыми, с водяным или воздушным охлаждением.
• Поршень — подвижный элемент, совершающий возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Поршни изготавливаются из чугуна, алюминиевых сплавов или стали, оснащаются поршневыми кольцами для уплотнения.
• Кривошипно-шатунный механизм — преобразует вращательное движение коленчатого вала в поступательное движение поршня. Включает шатун, коленчатый вал и маховик.
• Клапанная группа — впускные и выпускные клапаны (пластинчатые, кольцевые, тарельчатые), обеспечивающие впуск газа в цилиндр и выпуск сжатого газа.
• Система смазки — обеспечивает подачу масла к трущимся деталям (цилиндропоршневая группа, подшипники). В безмасляных компрессорах используются сухие уплотнения и самосмазывающиеся материалы.
• Система охлаждения — отводит тепло, выделяющееся при сжатии газа. Может быть воздушной (радиатор с вентилятором) или водяной (рубашка охлаждения цилиндра).
• Привод — электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания или паровая турбина, передающий крутящий момент на коленчатый вал.

Принцип работы

Рабочий цикл поршневого компрессора состоит из двух основных тактов:

1. Впуск (всасывание) — поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). Впускной клапан открыт, выпускной закрыт. Газ из впускного патрубка заполняет цилиндр.
2. Сжатие и нагнетание — поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрывается, газ сжимается. При достижении давления, превышающего давление в нагнетательном трубопроводе, открывается выпускной клапан, и сжатый газ выталкивается из цилиндра.

В многоступенчатых компрессорах газ после сжатия в первой ступени охлаждается в промежуточном холодильнике и поступает во вторую ступень, что позволяет достичь более высоких конечных давлений и повысить эффективность.

Классификация

Поршневые компрессоры классифицируются по нескольким признакам:

По числу ступеней сжатия

• Одноступенчатые — сжатие происходит в одном цилиндре. Обычно обеспечивают давление до 10–15 бар.
• Многоступенчатые — газ последовательно сжимается в двух и более цилиндрах с промежуточным охлаждением. Позволяют получать давление от 20 до 1000 бар и выше.

По типу привода

• С электроприводом — наиболее распространённый тип, используется в стационарных установках.
• С приводом от ДВС — применяется в передвижных компрессорных станциях и на объектах без электроснабжения.
• С приводом от паровой турбины — используется в крупных промышленных комплексах (нефтехимия, энергетика).

По способу смазки

• Масляные — смазка цилиндропоршневой группы и клапанов осуществляется маслом, подаваемым под давлением. Требуют системы маслоотделения на выходе.
• Безмасляные (сухие) — поршневые кольца и уплотнения изготавливаются из самосмазывающихся материалов (политетрафторэтилен, графит, углеродные композиты). Используются в пищевой, фармацевтической и электронной промышленности, где требуется чистый сжатый воздух.

По расположению цилиндров

• Горизонтальные — цилиндры расположены горизонтально. Обеспечивают хорошую устойчивость, используются в крупных стационарных установках.
• Вертикальные — цилиндры расположены вертикально. Компактнее, требуют меньше площади, но менее устойчивы при больших габаритах.
• V-образные и W-образные — цилиндры расположены под углом друг к другу. Обеспечивают лучшую балансировку и снижают вибрации.

По числу цилиндров

• Одноцилиндровые — простейшая конструкция, малая производительность.
• Многоцилиндровые — несколько цилиндров работают параллельно или последовательно, увеличивая производительность и снижая пульсации давления.

Характеристики

Основные технические параметры поршневых компрессоров:

• Производительность — объём газа, сжимаемого за единицу времени (м³/мин, м³/ч, л/мин). Обычно указывается при нормальных условиях (0 °C, 1,013 бар).
• Рабочее давление — максимальное давление на выходе (бар, МПа, кгс/см²). Диапазон: от 1–2 бар (низкое давление) до 1000 бар и более (сверхвысокое давление).
• Число ступеней — от 1 до 6 и более.
• Мощность привода — электрическая или механическая мощность, потребляемая компрессором (кВт, л.с.).
• Степень сжатия — отношение давления на выходе к давлению на входе. Для одноступенчатых компрессоров обычно не превышает 10:1.
• КПД — изотермический или адиабатический коэффициент полезного действия, характеризующий эффективность сжатия. Для современных поршневых компрессоров КПД составляет 70–90%.

Применение

Поршневые компрессоры используются в широком спектре отраслей:

• Промышленность — обеспечение сжатым воздухом пневмоинструмента, систем управления, пневмотранспорта, а также для технологических процессов (продувка, распыление, перемешивание).
• Нефтегазовая отрасль — сжатие природного газа, попутного нефтяного газа, газовоздушных смесей для транспортировки по трубопроводам, закачки в пласты, газлифта.
• Химическая и нефтехимическая промышленность — сжатие технологических газов (кислород, азот, водород, хлор, аммиак) для синтеза, разделения, хранения.
• Холодильная техника — поршневые компрессоры являются основным типом в холодильных установках (коммерческое и промышленное охлаждение, кондиционирование воздуха).
• Энергетика — сжатие воздуха для газотурбинных установок, пневматических аккумуляторов, систем пожаротушения.
• Транспорт — пневматические тормозные системы железнодорожного подвижного состава, автомобилей, а также для запуска дизельных двигателей.
• Медицина — производство медицинского воздуха (в безмасляном исполнении) для дыхательных аппаратов, наркозных станций.
• Пищевая промышленность — сжатый воздух для упаковки, розлива, аэрации, очистки оборудования (требуется безмасляное исполнение).

Достоинства и недостатки

Преимущества

• Высокое давление на выходе (до 1000 бар и более), недостижимое для большинства других типов компрессоров.
• Высокий КПД при работе в номинальном режиме (особенно при больших степенях сжатия).
• Возможность работы с различными газами, включая агрессивные и взрывоопасные.
• Широкий диапазон производительностей — от нескольких литров в минуту до сотен кубометров в час.
• Относительно низкая стоимость изготовления по сравнению с винтовыми и центробежными компрессорами аналогичной производительности.
• Простота обслуживания и ремонта благодаря доступности узлов.

Недостатки

• Пульсирующий характер подачи газа, требующий установки ресиверов и демпферов.
• Наличие возвратно-поступательных движущихся частей, что приводит к вибрациям и шуму.
• Более высокие требования к фундаменту и виброизоляции по сравнению с роторными машинами.
• Меньшая надёжность клапанной группы (клапаны — наиболее изнашиваемая деталь).
• Ограниченный ресурс поршневых колец и уплотнений (особенно в масляных компрессорах).
• Сложность регулирования производительности (обычно ступенчатое, путём изменения числа оборотов или отключения цилиндров).

Интересные факты

• Самые мощные поршневые компрессоры в мире используются в нефтехимической промышленности и имеют мощность привода до 30–40 МВт.
• В безмасляных поршневых компрессорах для уплотнения поршня применяются поршневые кольца из политетрафторэтилена (PTFE), которые могут работать без смазки при температурах до 250 °C.
• Первый поршневой компрессор для сжатия водорода был построен в 1920-х годах в Германии для производства синтетического аммиака.
• В России крупнейшими производителями поршневых компрессоров являются предприятия «Компрессорный завод» (Казань), «РЭП Холдинг» (Санкт-Петербург) и «Борец» (Москва).
• Поршневые компрессоры используются в системах пневматического пуска ракет-носителей (например, «Союз»), где требуется сжатый воздух высокого давления для запуска двигателей.

Источники

• ГОСТ 28567-90 «Компрессоры. Термины и определения»
• Артамонов А. С., «Компрессорные машины», 2015
• Каталог продукции ООО «Компрессорный завод» (Казань)
• Техническая документация компании «Bauer Kompressoren» (Германия)
• Учебное пособие «Поршневые компрессоры» под ред. В. А. Шувалова, 2020