Что это такое? Спиральные компрессоры – это высокотехнологичное оборудование, которое подает чистый воздух или газ в необходимую систему. В его основе – детали, выполненные с прецизионной точностью.
На что обратить внимание? Есть и другие преимущества у таких нагнетателей, например, недорогая эксплуатация и малый шум в работе. Однако спиральные компрессоры стоят недешево, поэтому к их выбору стоит подойти со всей ответственностью.
В этой статье:
Суть спирального компрессора
Спиральными компрессорами называют агрегаты, позволяющие осуществлять объемное сжатие газов за счет взаимодействия двух эвольвентных спиралей. Уже во второй половине XIX века отдельные изобретатели разработали принципы, которые позже легли в основу работы таких устройств. Однако первые коммерческие модели компрессора поступили в производство только в восьмидесятых годах прошлого века, когда в Японии на заводах корпорации Hitachi был налажен выпуск кондиционеров воздуха, в которых для сжатия и перекачки хладагента применялись компрессоры объемного типа, использующие в своей работе две архимедовы спирали.
Суть спирального компрессора
Поначалу речь не шла о массовом выпуске таких устройств, несмотря на относительно простую, на первый взгляд, конструкцию. Дело в том, что для изготовления рабочих элементов в больших масштабах требовался очень высокий технологический уровень производства. Необходимо было обрабатывать детали с недоступной тогда точностью. Лишь спустя почти сто лет с момента разработки основных принципов работы, точнее, в начале XXI века, стало возможным промышленное производство спиральных компрессоров.
Сегодня положение кардинально изменилось, количество ежегодно выпускаемых спиральных компрессоров исчисляется миллионами. Как правило, это холодильные машины, которые перекачивают хладагент в холодильных установках, сплит-системах и прочих подобных агрегатах. В этой статье мы подробно рассмотрим воздушные компрессоры, существенно отличающиеся от холодильных, несмотря на одинаковый принцип, по которому сжимаются воздух и хладагент.
Устройство спирального компрессора
При проектировании каждой модели спирального компрессора с применением современных аналитических методов разрабатывается конфигурация и определяются размеры каждой детали, моделируется работа всего агрегата и его отдельных частей. Для того чтобы выбрать оптимальные конструктивные решения, инженеры решают сложнейшие задачи из области механики и термодинамики с множеством переменных. Разработка проекта требует учета большого числа различных факторов, находящихся во взаимосвязи друг с другом.
К примеру, необходимо принимать во внимание, как зависит объем рабочих полостей, температура и давление воздуха от конфигурации рабочих частей. Конструкторы должны определить оптимальные зазоры, которые влияют на объем газа, перетекающего из одной полости в другую. Важно не только обеспечить наилучшие показатели с точки зрения энергетической эффективности, но и исключить вероятность заклинивания спиралей, к которому могут привести их механические и тепловые деформации.
Работа спиральных компрессоров приводит не только к сжатию рабочей среды – воздух постоянно движется и перетекает между полостями сжатия и всасывающей полостью, двигаясь из областей высокого давления в области низкого. Перечисленные факторы существенно влияют на потребление энергии, КПД агрегатов и их производительность. Работа компрессора сопровождается газодинамическими потерями, а значит, это не адиабатический процесс.
Очень важную роль играет прочность рабочих элементов спиральных компрессоров, которые должны выдерживать воздействие сил очень большой величины. Технологический процесс значительно усложняется необходимостью прецизионной сборки и отладки агрегатов.
Работа спирального компрессора происходит за счет рабочего блока, который устанавливается внутри корпуса и включает в себя две спирали: одну – закрепленную неподвижно и другую – приводимую двигателем в циклическое движение. Оси рабочих элементов параллельны и отстоят друг от друга на расстоянии, равном эксцентриситету вала.
Вал, приводящий в движение подвижную спираль, в свою очередь вращается за счет вала электрического мотора, с которым он связан муфтой или ременной передачей. Вторая спираль жестко крепится на корпусе агрегата и имеет в центре отверстие, через которое выходит сжатый воздух.
Благодаря противоповоротному устройству, функции которого могут выполнять муфта или зубчатые колеса, колебательные движения подвижной спирали не сопровождаются ее вращением вокруг своей оси. Такое движение часто называют орбитальным, ведь перемещение подвижной рабочей части спиральных компрессоров происходит вдоль своеобразной орбиты. Образование между поверхностью элементов замкнутых полостей, напоминающих своей формой серп, является следствием сложной траектории их взаимодействия, в ходе которого происходит уменьшение объема полостей и возрастание давления воздуха.
В работе компрессора сочетаются циклы: всасывания, сжатия и рабочий. На внешних сторонах спиральных элементов происходит всасывание, а на внутренних – сжатие. Воздух в серповидных полостях одновременно находится на разных этапах сжатия, что делает работу спирального компрессора плавной.
Эффективно регулировать производительность спиральных компрессоров можно, изменяя скорость вращения вала с помощью частотного преобразователя. Также можно управлять процессом, меняя взаимное расположение рабочих элементов, включая холостой ход, когда не происходит образования замкнутых серповидных зон сжатия воздуха.
Устройство спирального компрессора
Устройства, объединенные одним принципом действия, принято классифицировать, исходя из конструктивных особенностей. Так, вертикальные и горизонтальные агрегаты отличаются расположением валов. В зависимости от числа ступеней эти аппараты могут быть много-, двух- и одноступенчатыми. Герметичные спиральные компрессоры отличаются от полугерметичных и открытых тем, что в них полностью исключена вероятность просачивания атмосферного воздуха внутрь и утечка сжатого – наружу.
Виды спиральных компрессоров
Как уже говорилось, конструкция, в которой применяются одна стационарная и одна подвижная спирали, не единственный вариант. Существуют модели, в которых работа осуществляется двумя подвижными рабочими элементами, движущимися каждый по своей орбите. Управление производительностью компрессора может осуществляться путем изменения скорости вращения вала – для этого используются частотные преобразователи. Второй вариант решения этой задачи – изменение взаимного расположения спиралей, в результате чего увеличивается или уменьшается объем замкнутой полости, в которой происходит сжатие воздуха.
Отдельно стоит отметить компрессоры, в которых сжатие и перекачка воздуха происходят за счет давления жесткого элемента, имеющего форму архимедовой спирали, на спиралевидный компрессорный рукав. В этих агрегатах используется принцип перистальтического или шлангового насоса. Для того чтобы уменьшить скорость изнашивания шлангов и отвести избыток тепла, в таких устройствах используется масло.
В других модификациях спиральных компрессоров применяется не только другое число рабочих элементов, но и иная геометрия, показатели эксцентриситета, взаиморасположение спиралей, материалы и т. д. В большинстве моделей для приведения в движение валов применяются электрические двигатели. Также встречаются аппараты, в которых используются бензиновые или дизельные двигатели внутреннего сгорания. Агрегаты могут работать и от внешнего привода – в ряде случаев такое решение позволяет добиться заметной экономии.
Компрессорная техника также делится на масляную и безмасляную.
Заполнение маслом позволяет существенно уменьшить силу трения между рабочими элементами агрегата, что позволяет добиться повышения рабочего ресурса и обеспечить оптимальную температуру для работы компрессора. Но в ряде случаев не допускается даже минимальное присутствие масляных паров в подаваемом воздухе, например, при проведении научных исследований разного рода, в производстве лекарств, в стоматологии и т. д. В этих областях востребованы безмасляные спиральные компрессоры.
Для обеспечения герметичности рабочих полостей в масляных компрессорах прибегают к использованию дополнительных уплотнительных элементов. В безмасляных модификациях герметичность обеспечивается высочайшей точностью изготовления деталей агрегата, что увеличивает их стоимость. Кроме того, активный теплообмен между поверхностью рабочих элементов и воздухом требует эффективного отведения излишков тепла.
Расходы на оборудование таких компрессоров системами отведения тепла и относительная дороговизна отчасти компенсируются сокращением затрат, связанных с использованием фильтров и снижением стоимости технического обслуживания (отсутствует необходимость утилизации масляного конденсата).
Виды спиральных компрессоров
Сферы применения спиральных компрессоров
Воздушные спиральные компрессоры получили широкое применение в бытовых и промышленных кондиционерах воздуха. Также такими агрегатами оснащаются:
- тепловые насосы;
- системы подачи воздушных смесей точной концентрации;
- медицинское оборудование;
- оборудование для производства продовольственных товаров;
- станки для химических производств и т. д.
Низкий уровень шума, сопровождающего работу спиральных нагнетателей, позволяет применять их в кондиционерах воздуха, устанавливаемых в жилых и офисных помещениях. Такие агрегаты имеют большой (по сравнению с поршневыми компрессорами) рабочий ресурс, долговечны, компактны, обладают малым весом. Благодаря полному отсутствию в нагнетаемом воздухе масляных паров безмасляные спиральные компрессоры широко применяются при окраске автомобилей.
Следует также более подробно рассмотреть другие области, в которых применяются воздушные компрессоры:
Медицина
В медицинских учреждениях допускаются к использованию только спиральные компрессоры, прошедшие проверку в соответствии с определенными стандартами:
- ISO 8573-1 (класс 0) – нулевой уровень масляных паров в подаваемом воздухе;
- ISO7396 – международный стандарт трубопроводных систем для медицинских газов;
- HTM02-01 – международный стандарт качества медицинских газов.
Прошедшие сертификацию воздушные компрессоры применяются:
- в стоматологии;
- в анестезиологии;
- при реанимационных действиях;
- в лабораториях;
- в хирургии;
- в кардиологии;
- в палатах интенсивной терапии и т. д.
Спиральные компрессоры, используемые в медицине, позволяют подавать воздушные смеси с точно заданными процентными долями газов. Для отображения параметров подаваемого состава такое оборудование оснащается дисплеем. Специальная кнопочная или сенсорная панель управления позволяет регулировать концентрации газов. Часто подобные приборы снабжаются системой оповещения.
Сферы применения спиральных компрессоров
Для воздушного спирального компрессора одной из самых важных характеристик является шумность. При эксплуатации мощных нагнетателей уровень шума может превышать 75 децибел, поэтому такие модели обычно имеют специальный звукопоглощающий кожух.
Стабильность подачи воздушной смеси контролируется дублирующими системами. Остановка одного из нагнетателей не остановит подачу, просто электронная система управления слегка снизит производительность.
Медицинские воздушные компрессоры дополнительно комплектуются:
- электронными управляющими блоками;
- ресиверами;
- осушителями воздуха;
- воздушными фильтрами.
Поверхность деталей спиральных воздушных компрессоров, применяемых в медицине, защищают специальным полимерным покрытием.
Производство продуктов питания
Воздушные компрессоры, применяемые в пищевой промышленности, должны отвечать ряду требований, таких как относительно небольшая цена, низкие расходы на эксплуатацию, позволяющие повысить конкурентоспособность продукции. Кроме того, важно, чтобы агрегаты были безопасными и производительными.
Их применяют в различных отраслях пищевой промышленности, например, в производстве:
- напитков (соков, газированных напитков, минеральной воды);
- молочных продуктов (сыров, йогуртов, мороженого);
- по переработке мяса (в изготовлении колбасных изделий, в вакуумной упаковке мясной продукции);
- масел и жиров;
- кондитерских изделий (тортов, печенья, конфет);
- замороженных продуктов (овощей, фруктов, мяса);
- хлебобулочных изделий (хлеба, булочек, пельменей, вареников);
- кормов для животных.
Кроме того, сжатым воздухом приводятся в действие различные механизмы и устройства, используемые при производстве пищевой продукции.
Медицина
Полиграфия
Высокое качество современной полиграфии определяется четкостью фотографий и иллюстраций, а также наличием безупречного глянцевого покрытия. Любители печатных изданий и целевая аудитория, которой адресованы рекламные буклеты, требовательны – продукция должна отличаться визуальной привлекательностью и быть приятной на ощупь, а значит, в процессе печати должен использоваться сжатый воздух, прошедший качественную очистку.
Спиральные компрессоры позволяют соблюдать стабильное давление при подаче очищенного воздуха. В полиграфической промышленности такое оборудование применяется для:
- работы пневматических приводов на автоматизированных линиях;
- кондиционирования и осушения воздуха в производственных помещениях;
- смешивания растворов и красок;
- упаковки готовой продукции;
- ламинирования бумаги.
При сушке напечатанной продукции крайне важна чистота воздуха и стабильность его подачи, что становится возможным благодаря применению спиральных компрессоров.
Химическая промышленность
В химической промышленности с помощью спиральных воздушных компрессоров изготавливаются и перемещаются газовые смеси. Чаще всего такое оборудование применяется в органическом синтезе для производства:
- полимеров;
- спиртов;
- аммиака;
- каучуков.
С помощью компрессорного оборудования подается сжатый воздух, который используется для передачи силового импульса различным механизмам и устройствам, а также для приведения в движение конвейерных линий. Кроме того, спиральные компрессоры применяются для:
- передвижения жидкостей в эжекторе;
- создания зон низкого давления в аппаратах;
- поддержания стабильного давления воздуха в пневмосетях;
- перемещения воздушных смесей по трубопроводам;
- создания смесей с точно заданной концентрацией газов;
- принудительной (приточной и вытяжной) вентиляции.
Широкое использование спиральных компрессоров для оборудования промышленных систем очистки воздуха обусловлено их компактностью, высокой производительностью и стабильной работой. Для того чтобы поддерживать на высоком уровне производительность компрессорного оборудования, необходимо следить за своевременным отведением воздуха от теплообменников и понижать давление при заправке.
Химическая промышленность
Разница между спиральным компрессором и другими типами
Главное отличие любого безмасляного спирального компрессора от поршневого или винтового заключается в полном отсутствии масла в подаваемом воздухе, что возможно по двум причинам.
Во-первых, эти компрессоры изначально проектировались именно как безмасляные, чтобы решить ряд задач, которые ставили перед компрессорным оборудованием отдельные области производства. Необходимо было полностью отказаться от использования масла в процессе получения технического сжатого воздуха.
Во-вторых, появившаяся в ходе развития техники возможность прецизионного выполнения рабочих элементов, позволила свести к минимуму зазор между ними, но без соприкосновения в ходе рабочего цикла. При проектировании поршневые и винтовые безмасляные компрессоры с самого начала предусматривали использование масляной пленки в местах касания деталей. Отсутствие масла подразумевается только в зонах сжатия воздуха, а значит, остается вероятность того, что в него попадут масляные пары.
При эксплуатации спиральных компрессоров фильтрация необходима только для того, чтобы в них не попадала пыль из окружающего воздуха. В этом плане поршневое и винтовое компрессорное оборудование менее требовательно, хотя и для него лишняя пыль нежелательна.
Разница между спиральным компрессором и другими типами
Плюсы и минусы спиральных компрессоров
Достоинства:
- Конструктивные особенности такого оборудования делают возможным одновременное формирование нескольких рабочих зон, благодаря чему спиральные компрессоры отличает особая плавность и стабильность работы. Подобные нагнетатели идеально подходят для использования в различных видах холодильного оборудования. Равномерное нагнетание относительно небольших объемов хладагента позволяет снизить нагрузку на электрический двигатель, а значит, увеличить срок его службы.
- Повторяющийся несколько десятков тысяч раз за одну минуту цикл работы спирального компрессора обеспечивает непрерывное сжатие и подачу воздуха. Благодаря тому, что процесс идет одновременно в нескольких зонах серповидной полости, удается достичь плавности. Эти особенности обеспечивают эффективную работу нагнетателя в течение долгого времени. На производительность таких агрегатов положительно влияет и то, что при сжатии практически отсутствуют «мертвые» зоны.
- Еще одно конструктивное преимущество спиральных компрессоров заключается в относительно малом числе соприкасающихся частей, что делает их надежными, долговечными и безотказными, позволяя кондиционерам, холодильникам, тепловым насосам и другому оборудованию исправно работать в течение многих лет.
- Один из главных плюсов спиральных компрессоров заключается в полном отсутствии масляных паров в подаваемом с их помощью воздухе. Такие нагнетатели могут работать без масла. Исключение составляют шланговые или перистальтические спиральные насосы, в которых жидкая смазка используется для отведения излишков тепла, тем самым предохраняя рабочие элементы от изнашивания.
- Еще одно важное достоинство такого оборудования заключается в его экономичности. Благодаря частотным преобразователям регулируется скорость вращения валов. Кроме того, на многих моделях можно изменять зазор между рабочими элементами, переводя агрегат на холостые обороты, когда это необходимо. Эти особенности позволяют заметно экономить ресурс и снижать потребление энергии.
- Спиральные компрессоры компактны, имеют относительно небольшую массу, низкий уровень шумности, а также очень просты в обслуживании. К сказанному следует добавить, что подобное оборудование имеет самый высокий коэффициент полезного действия и развивает более высокое давление по сравнению с поршневым или винтовым.
Минусы:
- Спиральные компрессоры могут заедать при переходе из одного рабочего режима в другой. Деформация поверхности спиралей приводит к необходимости «притирки» спиралей друг к другу для уменьшения зазора. Ряд производителей решает вопрос, выполняя один из рабочих элементов из менее твердого материала, что облегчает «приработку», но становится причиной снижения ресурса оборудования.
- Поскольку постепенное увеличение зазора между рабочими элементами нагнетателя отрицательно сказывается на его производительности, следует периодически производить замену антифрикционных уплотнителей.
- Для сохранения эффективности работы спиральных компрессоров необходимо также своевременно менять фильтры, которые очищают всасываемый ими воздух от твердых частиц и позволяют избежать быстрого изнашивания уплотнителей.
- Для повышения эффективности работы спиральных компрессоров контакты «улиток» на торцевых и боковых поверхностях герметизируют – это уменьшает перетекание газа в соседние зоны сжатия.
Плюсы и минусы спиральных компрессоров
Критерии выбора спирального компрессора
При выборе спирального компрессора необходимо изучить ассортимент, стоимость, назначение и технические характеристики предлагаемых моделей. С последним критерием отбора нужно разобраться поподробнее:
Тип привода
В большей части спиральных нагнетателей используются электродвигатели. Реже для запуска валов применяются дизельные или бензиновые ДВС. В промышленности находят широкое применение агрегаты, которые подключаются к внешним приводам.
Способ передачи крутящего момента
В большинстве современных спиральных компрессоров с этой целью используются ременные клиноременные передачи, главным недостатком которых является постепенное растягивание и проскальзывание при больших нагрузках.
Более надежные зубчато-ременные передачи нуждаются в точной настройке, без которой они выходят из строя раньше положенного времени. Такие ремни практически не проскальзывают и относительно дешевы.
Шестерни отличаются максимальной надежностью и долгим сроком службы. Такие механизмы исключают проскальзывание даже при экстремальных нагрузках, позволяют преобразовывать крутящий момент, предсказуемы в работе и просты в обслуживании.
Входные фильтры
Твердые частички, которые могут попадать в корпус компрессора из окружающей среды, увеличивают скорость изнашивания антифрикционных уплотнительных элементов. Выбирая оборудование с системой фильтрации поступающего воздуха, следует учитывать, что фильтры снижают его производительность.
Динамический клапан
Благодаря динамическому клапану удается избежать обратного движения воздуха, к примеру, когда компрессор выключен, а на стороне потребителя по какой-либо причине увеличилось давление. Такими узлами оснащаются не все модели спиральных компрессоров, однако они делают работу оборудования более предсказуемой и эффективной.
Регулировка
Изменение эксцентрикового расстояния между неподвижной и движущейся спиралями позволяет регулировать максимальное давление подаваемого воздуха. Кроме того, в регулируемом компрессоре можно устанавливать подачу на нулевое значение. Эта достаточно дорогостоящая функция в ряде случаев является необходимой.
Важно также не забыть поинтересоваться, из какого материала изготовлены антифрикционные уплотнители и насколько они доступны в розничной продаже, ведь у спиральных компрессоров это, пожалуй, единственная деталь, подлежащая периодической замене.
Специалисты рекомендуют, выбирая спиральный компрессор, обращать внимание на срок службы уплотнителей и возможность их замены своими силами.
Следует помнить, что реализация идеи спирального нагнетателя стала возможной именно с появлением износостойких материалов, из которых можно было изготовить антифрикционные уплотнители. Если вы присматриваете агрегат в средней ценовой категории, а в технической документации не указано, как долго служат уплотнители в конкретной модификации, следует обратить внимание на то, как давно был выпущен этот компрессор, – с каждым годом надежность и долговечность этих элементов возрастает.
