Спиральный компрессор
Данный материал посвящён воздушным спиральным компрессором.
Краткое содержание статьи и какие вопросы мы сегодня рассмотрим:
Спиральный компрессор - это машина объемного сжатия, то есть повышение давления газа происходит за счет уменьшения объема рабочих полостей. Основные технические принципы и идеи, на базе которых можно было приступить к производству спиральных компрессоров проскальзывали уже в конце 19 века, но непосредственно до производства первой коммерческой модели дело дошло только в 1983 году. Японская компания Hitachi выпустила первый спиральный компрессор, который был использован в воздушном кондиционере. То есть сжимал компрессор не воздух, а хладагент.
Речи о масштабном производстве тогда не стояло, так как, несмотря на несложную с первого взгляда конструкцию спирального компрессора, для их массового изготовления требуется высокий уровень технологической подготовки производства. Поэтому между появлением идеи и ее реализацией прошло около века, так как лишь в начале 2000-х годов появилось оборудование, которое позволило с необходимой точностью обрабатывать детали для создания рабочих элементов в промышленных масштабах.
Сегодня же, ситуация выглядит совсем иначе, и эти аппараты производятся по несколько миллионов штук в год. Чаще всего речь идет о холодильных спиральных компрессорах, которые используются в кондиционерах, холодильниках и так далее. Но дальше говорить будем только о воздушных компрессорах. И хотя сжатие и хладагента и воздуха осуществляется по одному принципу, конструкции воздушного и холодильного компрессоров значительно отличаются. Поэтому давайте посмотрим из каких же узлов и элементов у нас состоит воздушный спиральный компрессор и как он вообще работает.
В качестве примера мы выбрали установку, которая нам отлично подходит с точки зрения наглядности. Итак, что мы тут видим: электродвигатель, крутящий момент от которого, с помощью ременного привода, мы передаем на спиральный блок, где и происходит сжатие воздуха. Здесь расположены воздушные фильтры, которые устанавливаются на режим всасывания, концевой охладитель, панель управления, обратный клапан и, в нашем случае, есть ресивер, хотя некоторые спиральные компрессоры поставляются без него.
Основным элементом, конечно же, является спиральный блок не только потому что здесь происходит сжатие воздуха, но и потому что он составляет около 60 процентов стоимости всего компрессора. Состоит он из двух спиралей: подвижной и неподвижной, уплотнения, корпуса, коленчатого вала, пальцев кривошипа, вентилятора охлаждения, приводного шкива и защитного кожуха. В собранном виде мы уже можем рассмотреть те самые полости, в которых воздух сжимается, когда подвижная спираль осуществляет орбитальное движение.
Принцип действия спирального блока мы разберём на основе холодильного спирального компрессора, так как сжатие хладагента происходит таким же образом, как и сжатие воздуха. Итак, после того как воздух прошел через воздушный фильтр, он попадает спиральный блок, где у нас имеется сразу две свободные полости. После небольшого пути подвижной спирали эти полости закрываются и начинают уменьшать, перемещаясь от периферии к центру, где у нас находится нагнетательное окно. В это время в блок попадает новая порция воздуха, таким образом мы имеем сразу несколько полостей с различными давлениями: атмосферное, промежуточное и давление нагнетания. И это даёт нам очень важное преимущество. Дело в том что у нас нет ярко выраженных границ между областью с высоким давлением и низким. Как, например, в случае с поршневым компрессором, где с одной стороны поршня давление нагнетания, а с другой - атмосферное, что может стать причиной значительных перетечек воздуха из области высокого давления в область с низким.
Благодаря отсутствию такой большой разницы давлений между полостями, в спиральных компрессорах удаётся значительно снизить нежелательные радиальные и тангенциальные перетечки. Радиальные - это между спиралями, а тангенциальные - между спиралями и корпусом. Чем меньше перетечек, тем выше КПД блока, соответственно ниже затраты на
электроэнергию.
Продолжая тему перетечек напомним, что в обычных компрессорах эта проблема решается при помощи масла, например, как в масслозаполненных винтовых или поршневых установках. Масло уплотняет зазоры и уменьшает перетекание воздуха по полостям сжатия. Но в нашем спиральном компрессоре сжатие сухое. С одной стороны - это очень хорошо, т.к. мы получаем безмасляный воздух хорошего качества, за что спиральные компрессоры и ценят. С другой стороны, без использования охлаждающей жидкости, то есть масла, мы не можем эффективно отводить тепло, которое выделяется при сжатии воздуха. Поэтому температура воздуха на выходе спирального блока может достигать 200 градусов. В качестве основного инструмента по отводу тепла у нас вступают разве что охлаждающие рёбра на крышке спирального блока и на этом всё, и в этом проблема.
Если вы просматривали характеристики спиральных компрессоров, то наверное заметили, что максимальное давление обычно ограничивается 10 барами. Именно этим и объясняются ограничение в давлении, так как без использования охлаждающей жидкости производить сжатый воздух до более высоких давлений в одной ступени нецелесообразно. Кроме этого, при давлении свыше 10 бар у нас значительно увеличится нагрузка мы подшипники, которые и так работают в тяжелых условиях, особенно подшипник на эксцентрике.
После спирального блока воздух через нагнетательное окно подает на концевой охладитель, после него - либо в ресивер, либо сразу потребителю. В целом, спиральный компрессор очень похож на привычный нам всем поршневой, только вместо поршневой головы у нас стоит спиральный блок.
Переходим к областям применения. Чаще всего спиральные компрессоры используются там, где необходим строго безмасляный сжатый воздух: медицина, стоматология, интенсивная терапия, анестезия, хирургия и так далее, достаточно серьезные области, где речь идет о здоровье, а иногда и жизни человека. Пищевое производство - область, где используются различное пневмооборудование, которое осуществляет такие действия как: фасовка продуктов, сортировка, смешивание, просеивание и упаковка. Разумеется, что в этих процессах возможен контакт сжатого воздуха с продуктами и наличие масляных примесей категорически запрещено. Также отметим, что спиральные компрессоры широко используются в полиграфии, фармацевтической и химической промышленностях.
Переходим к преимуществам и недостаткам. Преимущества производства безмасляного сжатого воздуха:
Недостатки:
Итог: спиральный воздушный компрессор - это достаточно специфическое и дорогое оборудование, которое целесообразно использовать в ситуациях, когда необходим технический безмасляный сжатый воздух хорошего качества, но в определенном небольшом интервале производительности и давления. Напоминаем, что серийное производство спиральных компрессоров началось относительно недавно и этот тип оборудования можно считать одним из самых молодых, поэтому мы можем предположить, что весь потенциал спиральных компрессоров с точки зрения энергоэффективности ещё не раскрыт.
Если в ближайшее время появится новое оборудование, которое бы могло хотя бы частично снизить затраты при изготовлении спиральных компрессоров, тем самым уменьшив окончательную стоимость, нам кажется, что альтернатив для производства безмасляного сжатого воздуха при давлении до 10 бар и производительность до трех кубов в минуту у спиральных компрессоров просто не будет.
Краткое содержание статьи и какие вопросы мы сегодня рассмотрим:
- краткая история спиральных компрессоров от возникновения идеи до производства первых коммерческих моделей;
- конструкции принцип действия спиральных компрессоров (сделаем акцент на работе спирального блока);
- области применения (озвучим основные);
- преимущества и недостатки спиральных компрессоров;
- в конце мы подведём итог.
Спиральный компрессор - это машина объемного сжатия, то есть повышение давления газа происходит за счет уменьшения объема рабочих полостей. Основные технические принципы и идеи, на базе которых можно было приступить к производству спиральных компрессоров проскальзывали уже в конце 19 века, но непосредственно до производства первой коммерческой модели дело дошло только в 1983 году. Японская компания Hitachi выпустила первый спиральный компрессор, который был использован в воздушном кондиционере. То есть сжимал компрессор не воздух, а хладагент.
Речи о масштабном производстве тогда не стояло, так как, несмотря на несложную с первого взгляда конструкцию спирального компрессора, для их массового изготовления требуется высокий уровень технологической подготовки производства. Поэтому между появлением идеи и ее реализацией прошло около века, так как лишь в начале 2000-х годов появилось оборудование, которое позволило с необходимой точностью обрабатывать детали для создания рабочих элементов в промышленных масштабах.
Сегодня же, ситуация выглядит совсем иначе, и эти аппараты производятся по несколько миллионов штук в год. Чаще всего речь идет о холодильных спиральных компрессорах, которые используются в кондиционерах, холодильниках и так далее. Но дальше говорить будем только о воздушных компрессорах. И хотя сжатие и хладагента и воздуха осуществляется по одному принципу, конструкции воздушного и холодильного компрессоров значительно отличаются. Поэтому давайте посмотрим из каких же узлов и элементов у нас состоит воздушный спиральный компрессор и как он вообще работает.
В качестве примера мы выбрали установку, которая нам отлично подходит с точки зрения наглядности. Итак, что мы тут видим: электродвигатель, крутящий момент от которого, с помощью ременного привода, мы передаем на спиральный блок, где и происходит сжатие воздуха. Здесь расположены воздушные фильтры, которые устанавливаются на режим всасывания, концевой охладитель, панель управления, обратный клапан и, в нашем случае, есть ресивер, хотя некоторые спиральные компрессоры поставляются без него.
Основным элементом, конечно же, является спиральный блок не только потому что здесь происходит сжатие воздуха, но и потому что он составляет около 60 процентов стоимости всего компрессора. Состоит он из двух спиралей: подвижной и неподвижной, уплотнения, корпуса, коленчатого вала, пальцев кривошипа, вентилятора охлаждения, приводного шкива и защитного кожуха. В собранном виде мы уже можем рассмотреть те самые полости, в которых воздух сжимается, когда подвижная спираль осуществляет орбитальное движение.
Принцип действия спирального блока мы разберём на основе холодильного спирального компрессора, так как сжатие хладагента происходит таким же образом, как и сжатие воздуха. Итак, после того как воздух прошел через воздушный фильтр, он попадает спиральный блок, где у нас имеется сразу две свободные полости. После небольшого пути подвижной спирали эти полости закрываются и начинают уменьшать, перемещаясь от периферии к центру, где у нас находится нагнетательное окно. В это время в блок попадает новая порция воздуха, таким образом мы имеем сразу несколько полостей с различными давлениями: атмосферное, промежуточное и давление нагнетания. И это даёт нам очень важное преимущество. Дело в том что у нас нет ярко выраженных границ между областью с высоким давлением и низким. Как, например, в случае с поршневым компрессором, где с одной стороны поршня давление нагнетания, а с другой - атмосферное, что может стать причиной значительных перетечек воздуха из области высокого давления в область с низким.
Благодаря отсутствию такой большой разницы давлений между полостями, в спиральных компрессорах удаётся значительно снизить нежелательные радиальные и тангенциальные перетечки. Радиальные - это между спиралями, а тангенциальные - между спиралями и корпусом. Чем меньше перетечек, тем выше КПД блока, соответственно ниже затраты на
электроэнергию.
Продолжая тему перетечек напомним, что в обычных компрессорах эта проблема решается при помощи масла, например, как в масслозаполненных винтовых или поршневых установках. Масло уплотняет зазоры и уменьшает перетекание воздуха по полостям сжатия. Но в нашем спиральном компрессоре сжатие сухое. С одной стороны - это очень хорошо, т.к. мы получаем безмасляный воздух хорошего качества, за что спиральные компрессоры и ценят. С другой стороны, без использования охлаждающей жидкости, то есть масла, мы не можем эффективно отводить тепло, которое выделяется при сжатии воздуха. Поэтому температура воздуха на выходе спирального блока может достигать 200 градусов. В качестве основного инструмента по отводу тепла у нас вступают разве что охлаждающие рёбра на крышке спирального блока и на этом всё, и в этом проблема.
Если вы просматривали характеристики спиральных компрессоров, то наверное заметили, что максимальное давление обычно ограничивается 10 барами. Именно этим и объясняются ограничение в давлении, так как без использования охлаждающей жидкости производить сжатый воздух до более высоких давлений в одной ступени нецелесообразно. Кроме этого, при давлении свыше 10 бар у нас значительно увеличится нагрузка мы подшипники, которые и так работают в тяжелых условиях, особенно подшипник на эксцентрике.
После спирального блока воздух через нагнетательное окно подает на концевой охладитель, после него - либо в ресивер, либо сразу потребителю. В целом, спиральный компрессор очень похож на привычный нам всем поршневой, только вместо поршневой головы у нас стоит спиральный блок.
Переходим к областям применения. Чаще всего спиральные компрессоры используются там, где необходим строго безмасляный сжатый воздух: медицина, стоматология, интенсивная терапия, анестезия, хирургия и так далее, достаточно серьезные области, где речь идет о здоровье, а иногда и жизни человека. Пищевое производство - область, где используются различное пневмооборудование, которое осуществляет такие действия как: фасовка продуктов, сортировка, смешивание, просеивание и упаковка. Разумеется, что в этих процессах возможен контакт сжатого воздуха с продуктами и наличие масляных примесей категорически запрещено. Также отметим, что спиральные компрессоры широко используются в полиграфии, фармацевтической и химической промышленностях.
Переходим к преимуществам и недостаткам. Преимущества производства безмасляного сжатого воздуха:
- именно благодаря этому спиральные компрессоры получили широкое применение даже несмотря на высокую стоимость;
- низкий уровень шума - очень важный аспект, который позволяет устанавливать спиральные компрессоры практически везде без ограничений, даже рядом с рабочим персоналом, в различных павильонах и так далее;
- относительно небольшое количество деталей по сравнению с другими типами компрессоров, например поршневыми, роторно-пластинчатыми или винтовыми, а как мы знаем, чем меньше деталей и прочих механизмов, тем выше надежность;
- малая масса и габариты;
- простота монтажа;
- относительно недорогое обслуживание (так как у нас нет масляного контура и нам не нужно менять масло, масляный фильтр, сепаратор как у винтовых компрессорных станций);
- высокая эффективность спирального блока из-за небольшого количества перетечек;
- возможность круглосуточной работы с небольшими перерывами.
Недостатки:
- высокая стоимость (самый дешевый спиральный компрессор стоит около четырех с половиной тысячи евро, что сегодняшнему курсу приблизительно 400 тысяч рублей, по сути за эту сумму можно взять недорогой винтовой компрессор с системой подготовки сжатого воздуха, осушители и магистральные фильтры. Хотя получить технически безмасляный сжатый воздух не получится, но мы все равно получим воздух очень хорошего качества, поэтому цена спирального компрессора - основной аспект, который существенно замедляет выход оборудование этого типа в широкие массы);
- низкая ремонтопригодность (здесь речь идёт о спираль на блоке - если с ним что-то случится, то отремонтировать его не всегда удается и остается вариант только с полной заменой, однако, стоимость у него около 60 процентов стоимости всего компрессора.
Итог: спиральный воздушный компрессор - это достаточно специфическое и дорогое оборудование, которое целесообразно использовать в ситуациях, когда необходим технический безмасляный сжатый воздух хорошего качества, но в определенном небольшом интервале производительности и давления. Напоминаем, что серийное производство спиральных компрессоров началось относительно недавно и этот тип оборудования можно считать одним из самых молодых, поэтому мы можем предположить, что весь потенциал спиральных компрессоров с точки зрения энергоэффективности ещё не раскрыт.
Если в ближайшее время появится новое оборудование, которое бы могло хотя бы частично снизить затраты при изготовлении спиральных компрессоров, тем самым уменьшив окончательную стоимость, нам кажется, что альтернатив для производства безмасляного сжатого воздуха при давлении до 10 бар и производительность до трех кубов в минуту у спиральных компрессоров просто не будет.
