П
ЧАСТЬ 1
РИНЦИПЫ СЖАТИЯ ВОЗДУХА
Оглавление
Теоретические основы сжатия воздуха.
Краткая история развития компрессоров.
Но что представляет собой сжатый воздух?
Уравнение состояния идеального газа
Что такое давление?
Единицы измерения
Производство сжатого воздуха.
Типы компрессоров
1.2. Поршневые компрессоры
1.3 Винтовые компрессоры
Маслозаполненные винтовые компрессоры
Рекуперация тепла
Безмасляные компрессоры
Винтовые компрессоры сухого сжатия
Водозаполненные винтовые компрессоры
Дизельные винтовые компрессоры
1.4. Описание турбокомпрессора и элементов конструкции
2. Организация сжатия воздуха.
2.1 Классификация по степени сжатия и области применения.
2.2 Организация управления компрессором.
Блок управления пуском/остановкой
Блок управления нагрузкой
Блок управления задержкой холостого хода
Применение блоков управления на практике
Блоки управления для многоагрегатных систем
Удаленное (дистанционное) управление воздушными компрессорами.
Plant Control V – Визуализация
Plant Control T - Телемониторинг
2.3 Звукоизоляция.
Уровень акустической мощности звука
Уровень звукового давления
2.4 Охлаждение и вентиляция помещения.
Утилизация выделяемого при сжатии тепла
Горячий воздух для отопления
Горячая вода для отопления
Тепло для бытовой воды
2.5 Очистка сжатого воздуха.
Циклонный сепаратор
2.6 Осушка сжатого воздуха.
Осушение с охлаждением
Сорбция
Холодная регенерация
Горячая регенерация
2.7. Фильтрация.
Высокоэффективная фильтрация
2.8 Удаление конденсата.
Сепараторы для разделения на масло и воду
2.9 Распределение сжатого воздуха.
Ресиверы сжатого воздуха
Определение размера ресивера
Нормы для ресиверов сжатого воздуха
2.10 Трубопроводы.
Конструкция трубопроводной сети
Размеры трубопроводов
2.11 Определение расхода сжатого воздуха.
Определение внутреннего диаметра трубопровода при помощи расчётного графика
Дополнительная арматура:
2.12 Обслуживающие устройства
2.13. Конструктивные элементы трубопроводов.
Типы регулирующей арматуры
Типы запорной арматуры
Что такое фланец и для чего он нужен?
Манометры
3. Практические аспекты сжатия воздуха.
Оборудование компрессорной станции
Размещение компрессорной станции
Этап I: Обзор
Этап 2: Структура
Этап 3, решение 1, по критерию «давление»
Этап 3, решение 2, критерий – качество
Очистка сжатого воздуха
Атмосферная влажность
3.1. Осушение сжатого воздуха
Рефрижераторный осушитель
Адсорбционный осушитель
Выбор адсорбционного осушителя
Точка росы под давлением
Температура сжатого воздуха на входе в осушитель
3.2. Основные правила выбора подходящего типа адсорбционного осушителя
Адсорбционные осушители с холодной регенерацией
Адсорбционные осушители с горячей регенерацией
Основные правила корректного выбора блоков управления
Размещение осушителя
3.3. Фильтрация сжатого воздуха
3.4. Как собрать все компоненты вместе?
3.5. Этап проектирования 3, решения 2 и 3, критерии: качество и безопасность
3.6. Компрессорное помещение
Правила установки компрессора и характеристики компрессорного помещения
Вентиляция и аэрация компрессорного помещения
Естественная аэрация с закрывающейся заслонкой
Естественная аэрация с рекуперацией тёплого воздуха
Использование аэрационных воздуховодов для обогрева помещения тёплым воздухом
Искусственная аэрация в качестве воздуховодной вентиляции
Использование дополнительного вентилятора:
3.7. Пневмоаудит сетей сжатого воздуха предприятия.
Измерение расхода сжатого воздуха
Проведения замеров с помощью погружного расходомера Vortek.
4. F.A.Q.
5. Приложения.
Часть 1
Теоретические основы технологии сжатия воздуха
Сжатый воздух настолько широко используется в промышленности, что любой перечень его использования будет неполным. Ни одно промышленное или единичное производство не может обойтись без сжатого воздуха; ни одна больница, отель, электростанция или корабль не могут функционировать без него. Он используется в горнодобывающей промышленности, лабораториях, аэропортах и портах. Сжатый воздух необходим как для производства пищевых продуктов, так и для производства цемента, стекла, бумаги и тканей, в лесоперерабатывающей и фармацевтической промышленности.
Сжатый воздух используют: все типы машин и устройств имеющие пневматический привод и управление. Пневматический инструмент используется для растяжения, распыления, полирования и затачивания, для штамповки, продувки, очистки, сверления и перемещения. Бесчисленные химические, технические и физические процессы и технологии управляются с использованием сжатого воздуха.
Неиспользование сжатого воздуха в качестве источника энергии невозможно в нашем высокотехнологическом мире.
Краткая история развития компрессоров.
Изобретение поршневого воздушного насоса принадлежит физику О. Герике (Германия 1640 г), доказавшему с помощью построенной им машины существование давления атмосферы.
Центробежный принцип для создания давления жидкости практически был обоснован инженером Ледемуром (Франция) в 1732 г, предложившим оригинальную конструкцию центробежного водоподъемника.
В 1805 г. Ньюкомен построил поршневой насос с паровым конденсационным приводом.
В России инженер А. А. Саблуков построил в 1832 г центробежный вентилятор.
Многоступенчатый поршневой компрессор с охладителями между ступенями сжатия предложен в 1849 г Ратеном (Германия).
В 50-х годах XIX в. Вортингтон (США) создал поршневой паровой автоматически действующий насос.
О. Рейнольдс (Англия), знаменитый исследователь режимов течения жидкостей, ввел в конструкцию многоступенчатого насоса направляющие аппараты и в 1875 г получил патент на конструкцию насоса, аналогичную современным насосам с несколькими ступенями сжатия.
Конструкция винтового компрессора запатентована в 1934 году. Надежность в работе, малая металлоемкость и габаритные размеры предопределили их широкое распространение.
Инициатором производства центробежных компрессоров в России является Невский машиностроительный завод (Невский литейно-механический завод, основанный в 1857 г).
Но что представляет собой сжатый воздух?
Сжатый воздух – это сжатый атмосферный воздух. Атмосферный воздух – это воздух, которым мы дышим. Это смесь различных газов:
78% азот,
21% кислород и
1% другие газы.
Состояние газа описывается тремя параметрами:
давление р
температура Т
удельный объём Vудел
Уравнение состояния идеального газа
Свойства воздуха подобны идеальному газу в широких диапазонах давления и температуры. Следовательно, линейная корреляция (уравнение состояния идеального газа) существует между тремя параметрами р, Т и Vудел., что описывается соотношением, называемым уравнением идеального газа:
Атмосферный воздух, со всеми входящими в его состав газами, состоит из молекул. Если тепловое движение молекул воздуха затруднено, например при его сжатии в сосуде, они соударяются со стенками сосуда, создавая давление р. Сила, создающая давление р на плоской поверхности площадью А, рассчитывается по формуле:
F = p x A .
Что такое давление?
Мы постоянно находимся под воздействием атмосферного давления, в качестве подтверждения этого достаточно просто взглянуть на показания барометра. Многочисленные возможные диапазоны давлений подразделяются на следующие:
- Атмосферное давление воздуха = Ратм
- Избыточное давление = Ризб
- Вакуумметрическое давление = -Ризб
- Абсолютное давление = Рабс
(см. рис. 1)
Избыточное давление
Атмосферное
давление
Вакуум-метрическое
давление
100% вакуум
   
Рис. 1. Диапазоны давлений.
Единицы измерения:
 Рекомендованная единица измерения давления, которая была введена в 1978 году Международной Системой Измерений (система СИ), это Паскаль (Па):
Дополнительная единица измерения давления – бар:
1 бар = 101,325 kПа = 0,1 МПа
В технологии сжатия воздуха, рабочее давление (давление сжатия) выражается в барах. Ранее использовавшиеся единицы измерения давления, такие как атмосфера (1 атм = 0,981 бар), больше не используются.
По системе СИ, единица измерения температуры – градус Кельвина (ºК). Его соотношение с градусом Цельсия (ºС), который традиционно используется в измерениях, следующее:
Т(ºК) = t(ºС) + 273,15
Объём V используется в технологии сжатия воздуха особенно широко, например, для определения размеров ресиверов. Он также используется для определения достаточного количества машин, производящих или потребляющих сжатый воздух, объёмного расхода воздуха Vэф (равного объёму воздуха производимого или расходуемого в единицу времени). В случае если поток сжатого воздуха течёт со скоростью v по трубе с площадью поперечного сечения А, объёмный расход Vэф вычисляется по формуле:
Vэф = А × v
Единицы измерения объёмного расхода следующие:
- л/мин
- м3/мин
- м3/час
В практических применениях, для определения объёмного расхода поршневых компрессоров, используется единица измерения л/мин; в случае использования
винтовых компрессоров используется м3/мин.
При помощи Объёмный расход позволяет определить потребление машиной сжатого воздуха. Объёмные расходы могут сравниваться только в том случае, если они определены при одинаковом давлении и одинаковой температуре.
В современной технологии сжатия воздуха объёмный расход используется только для определения производительности воздушных компрессоров. Методики измерения показателей, определяющих объёмный расход, указаны в стандартах: DIN 1945 и ISO 1217.
Стандартные и наиболее часто используемые значения для давления и температуры воздуха:
Ро = 1,013 бар и То = 20ºС Приведение к стандартным условиям.
или
Ро = 1,013 бар и То = 0ºС Приведение к нормальным условиям.
Объёмный расход часто определяется в нормальных кубических метрах в час (Нм3/час). Нормальный кубический метр равен, согласно стандарту DIN, объёму 1 м3 при давлении Р = 1,013 бар (101,325 кПа) и температуре Т = 0ºС.
Производительность компрессоров по ISO 1217 (от 1996 App. C) показывает, какое количество сжатого воздуха компрессор подает в пневмосеть в единицу времени при давлении на всасе 1 бар и Т= 20ºС. Производительность ВСЕГДА указывается при параметрах газа на всасе в компрессор (если всасывание происходит из атмосферы в "не сжатых" кубах). Указание производительности при любых других параметрах перекачиваемого газа, абсолютно не корректно с технической точки зрения и приводит к неверному подбору компрессора.
В процессе сравнения объёмных расходов компрессоров расположение точек замера также оказывает значительное влияние на полученный результат, который также зависит от окружающих условий, при которых проводились замеры на входе или на выходе из компрессора, или, например, от нагрузки компрессорного агрегата. Объёмные расходы могут сравниваться только в том случае, если они замерены при одинаковом давлении и температуре и в одних и тех же точках, в условии равной загрузки и при прочих равных параметрах.
Еще одна единица измерения, заслуживающая внимания при сравнении компрессоров, – удельная потребляемая мощность Руд. Она выражается в кВт (киловатт) и определяет количество энергии необходимой для производства сжатого воздуха с объёмным расходом 1 м3/мин. Удельная потребляемая мощность складывается из реально потребляемой мощности двигателя компрессора (она отличается от установленной мощности двигателя) и мощности потребляемой вентиляторами и другим электрооборудованием компрессора.
Например, если компрессор имеет объёмный расход 6,95 м3/мин и потребляемую мощность 42,9 кВт, то его удельная потребляемая мощность составляет
Удельная потребляемая мощность, является наиболее важным параметром для сравнения различных компрессоров и определения показателя качества их конструкции. Он даёт информацию о количестве полученного сжатого воздуха на затраченную единицу энергии. В качестве критерия сравнения его можно использовать только в случае, если сравниваемые компрессоры имеют одинаковое рабочее давление.
При сравнении компрессоров следует также обратить внимание на следующие параметры:
- при каком конечном давлении были замерены значения,
- какая мощность принимается в расчет- на входном автомате, на клеммах электродвигателя, на выходном валу приводного электродвигателя или мощность на валу компрессорного блока.
Наконец, эффективность приводного электродвигателя и всевозможных имеющихся ременных или зубчатых передач должна также приниматься в расчёт.
1.1. Производство сжатого воздуха
Что представляют собой компрессоры?
Компрессоры – это машины для сжатия газа и перегретого пара. В этих машинах ступень сжатия обеспечивает компрессию рабочего тела.
Типы компрессоров
Можно выделить две основные группы компрессоров: объемного сжатия и динамического.
В первой группе компрессоров воздух сжимается вследствие принудительного уменьшения занимаемого им объема. Основными представителями этих компрессоров являются поршневые и ротационные компрессора.
Динамический компрессор – машина с непрерывным потоком, в котором при протекании газа происходит рост давления. Вращающиеся лопатки приводят к ускорению газа до высокой скорости, после чего скорость газа при торможении о лопатки диффузора преобразуется в давление. Турбокомпрессора являются примером реализации этого типа сжатия.
Рисунок, который находится ниже, даёт общее представление о классификации типов компрессоров.
Компрессоры
Поршневые Турбокомпрессоры
Ротационные С возвратно-поступательным движением рабочего органа
Винтовые Поршневые Радиальные
П ластинчатые Крейцкопфные
Водокольцевые Плунжерные
Типа Рутс Мембранные Аксиальные
Рис. 2: Обзор основных типов компрессоров.
Р
Поршневые компрессоры
Винтовые компрессоры
Турбокомпрессоры
Объём всасываемого воздуха в м3/час
 ис. 3: Область использования основных типов компрессоров.
Рисунок 3 наглядно показывает область использования основных типов компрессоров.
В технологии сжатия воздуха наибольшее распространение получили поршневые, винтовые и турбокомпрессоры. В этом разделе мы ограничимся рассмотрением этих трех типов.
1.2. Поршневые компрессоры
В поршневых компрессорах поршни совершают возвратно-поступательные движения в цилиндрах. Поршни, как правило, приводятся в движение при помощи кривошипно- шатунного механизма. На одном колене коленчатого вала могут располагаться до пяти шатунов. Всасыванием и выпуском воздуха управляют автономно открывающиеся и закрывающиеся клапаны.
Существуют поршневые компрессоры с одним или несколькими цилиндрами, оппозитные, с V, W-образным или с L-образным расположением цилиндров, с одной или несколькими ступенями сжатия.
Рассмотрим различия между одной и двумя ступенями сжатия при использовании, например, 2-х цилиндрового компрессора с V-образным расположением цилиндров (см. рис. 4).
Рис. 4: Две ступени сжатия в поршневом компрессоре.
1: Фильтр на всасывании
2: Впускной клапан
3: Выпускной клапан
4: Первая ступень сжатия
5: Промежуточный охладитель
6: Вторая ступень сжатия
7: Коленчатый вал.
Одноступенчатый тип: цилиндры одинакового размера. Оба всасывают воздух, сжимают его и вытесняют в линию нагнетания.
Двухступенчатый тип: в первой ступени воздух сжимается до промежуточного давления. После промежуточного охлаждения он сжимается до конечного давления во второй ступени. Отношение диаметров цилиндров устанавливается конструктивно в зависимости от величины промежуточного давления. Рабочий объём поршня второй ступени значительно меньше рабочего объёма поршня первой ступени, так как предварительно сжатый воздух, поступающий на вход второй ступени, имеет значительно меньший объём. Автономные компактные клапаны управляют всасыванием и выпуском воздуха. Отношение давлений в ступенях устанавливается таким образом, чтобы в обеих ступенях совершался примерно одинаковый уровень работы. V-образное расположение цилиндров и равный вес поршней первой и второй ступеней, способствует уравновешенному вращению коленчатого вала и хорошему балансу масс.
Двухступенчатые поршневые компрессоры требуют меньшей мощности привода на м3 производимого сжатого воздуха по сравнению с одноступенчатыми машинами. Благодаря промежуточному охлаждению сжатого воздуха после первой ступени происходит уменьшение его объёма и соответственно квази-изотермическое сжатие. Производительность двух ступенчатого компрессора, по сравнению с одноступенчатым компрессором, при одинаковой мощности привода, увеличивается на 20% при давлении 10 бар. К тому же преимуществом многоступенчатого сжатия является понижение температуры воздуха в промежуточном охладителе. По этой причине такая конструкция очень надежна при использовании в больших агрегатах давлением до 15 бар.
Важной особенностью поршневых компрессоров является отвод тепла. Если не обеспечить отвод тепла, головка цилиндра не успевает охлаждаться. Последствия представить несложно: температура смазываемых узлов возрастает выше допустимого уровня, полностью выбираются тепловые зазоры, горячее масло, подаваемое к парам трения разбрызгиванием, не держит «масляный клин». В «лучшем» случае это грозит ускоренным износом механизма компрессора, в худшем – немедленным выходом из строя в результате заклинивания.
Это учитывается при проектировании компрессора. Для обеспечения теплосъема применяют принудительное охлаждение головки цилиндра – обдув воздухом. В качестве нагнетателя обычно используется вентилятор электродвигателя или шкив коленчатого вала компрессора. Чтобы повысить эффективность охлаждения, корпус головки изготавливают из сплавов с высокой теплопроводностью и делают оребренным, а для компрессоров больших мощностей применяется водяное охлаждение.
Поршневые компрессоры приводятся в действие, как правило, электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. Привод коленвала компрессора осуществляется напрямую, через муфту, либо при помощи ременной передачи.
Принцип действия
Сжатие происходит по следующему циклу (см. рис. 5).
Когда поршень начинает перемещение из верхней мёртвой точки – давление в цилиндре снижается ниже давления всасывания (точка 4). Впускной клапан открывается, и воздух из всасывающей области, поступает в цилиндр.
4
Рабочее
давление
Расширение
Давление
Сжатие
Движение поршня
Давление
всасывания
всасывание
Обратное расширение
     
Рис. 5: Цикл сжатия воздуха.
Поршень проходит нижнюю точку и начинает перемещаться вверх, давление в цилиндре начинает расти. Как только оно превысит давление всасывания, впускной клапан закрывается (точка 1).
Давление продолжает расти до тех пор, пока не превысит давления нагнетания (точка 2). Выпускной клапан открывается, и сжатый воздух поступает в линию нагнетания вплоть до достижения поршнем верхней мёртвой точки. давление в цилиндре очень быстро понижается, и выпускной клапан закрывается (точка 3).
Повышение температуры при сжатии
Повышение температуры связано с повышением давления; это может быть выражено при помощи следующего равенства:
 , где К = 1,38÷1,4
Для маслозаполненных воздушных компрессоров максимально допустимое повышение давления в ступени сжатия ограничивается максимально допустимым значением температуры сжатого воздуха на выходе из компрессора. Верхний предел температур, в зависимости от режима работы, в соответствии с Германскими Правилами Безопасной Эксплуатации (UVV, VBG 16), составляет от 160 до 220ºС. В результате этих ограничений верхнего предела температуры, возможно определение необходимого числа ступеней сжатия для достижения необходимого конечного давления сжатия (см. табл. 1):
Конечное давление сжатия
|
Число ступеней сжатия
|
до 10 бар
|
1
|
6 – 40 бар
|
2
|
20 – 250 бар
|
3
|
120 – 350 бар
|
4
|
200 – 450 бар
|
5
|
Табл. 1: Число ступеней сжатия в зависимости от рабочего давления.
Воздух, нагреваемый в процессе сжатия, охлаждается в охладителях, в которые он поступает после каждой ступени сжатия. В силу физических факторов, часть энергии привода, необходимой для работы компрессора, преобразуется в тепло, которое должно быть удалено. В поршневых компрессорах эту функцию выполняет воздушное или водяное охлаждение. Вследствие простоты конструкции поршневые компрессоры с воздушным охлаждением являются наиболее распространённым типом.
1.3. Винтовые компрессоры
Винтовые компрессоры относятся к классу ротационных компрессоров. В этих компрессорах понижение давления, необходимое для всасывания воздуха, достигается за счёт вращения винтов. Одно- и двухступенчатые ротационные компрессоры наиболее распространены на рынке. Значительным преимуществом большинства компрессоров этого класса является балансировка вращающихся масс, позволяющая устанавливать их без использования специального фундамента, вследствие незначительного уровня вибрации.
Конструкция винтового блока компрессора состоит из двух роторов, расположенных параллельно. Один из них имеет выпуклый профиль винта, а другой - вогнутый винтовой профиль. Эти профили вращаются в зацеплении. При вращении воздух сжимается между профилями и корпусом блока вследствие различного числа зубьев ротора в соответствии с принципом вытеснения.
Этот процесс может быть разделен на четыре фазы (см. рис. 6):
1-я фаза
2-я фаза
3-я фаза
4-я фаза
Рис. 6: Фазы сжатия винтовых компрессоров.
1-я фаза:
Воздух поступает в компрессорный блок через входное отверстие. Полости между зубьями роторов заполняются воздухом, что в какой-то степени напоминает такт впуска поршневого компрессора.
2-я и 3-я фазы:
Когда роторы, вращаясь перекрывают впускное отверстие, они образуют замкнутый объём между зубьями винтов и корпусом компрессорного блока. Замкнутая область уменьшается в объёме вследствие вращения роторов; воздух сжимается в замкнутом объёме.
Сжатие в замкнутом объёме продолжается до тех пор, пока замкнутая область, постепенно уменьшающаяся в размере, не соединится с выпускным отверстием.
4-я фаза:
Сжатый воздух вытесняется из компрессорного блока в линию нагнетания.
Маслозаполненные винтовые компрессоры
В маслозаполненных винтовых компрессорах, как правило, ведущим является один ротор. Так как винты входят в зацепление друг с другом, ведомый ротор автоматически вращается при вращении ведущего ротора. Масло, которое постоянно впрыскивается в винтовой блок, предотвращает металлический контакт между роторами. Кроме смазки винтового блока, масло выполняет ещё две важные функции: оно уплотняет зазоры между роторами, между роторами и корпусом компрессорного блока, а также отводит тепло, образовавшееся в процессе сжатия.
Количество масла, впрыскиваемого в компрессорный блок во время второй фазы, составляет 1 литр в минуту на киловатт мощности привода. Масло поступает вместе с воздухом в винтовой блок где происходит сжатие воздушно-маслянной смеси. Вследствие очень высокого содержания масла, Правила Безопасной Эксплуатации СЕ, не допускают повышение температуры сжатия выше 120ºС.
Современные маслозаполненные компрессоры, как правило, не оборудованы масляными насосами. Циркуляция масла осуществляется за счет разницы давлений в зоне всасывания винтового блока и в масляном резервуаре. Кратность циркуляции масла, безусловно, зависит от величины этого перепада, следовательно, от режима работы компрессора. Когда компрессор находится в режиме холостого хода, давление в резервуаре не превышает 1,0 – 1,3 бар, что достаточно для обеспечения смазки вращающихся винтов. Как только компрессор переходит в режим нагнетания, потребность винтового блока в масле резко увеличивается. Увеличение кратности циркуляции обеспечивается ростом давления воздушно – масляной смеси в масляном резервуаре.
Система клапанов включает в себя клапан минимального давления и обратный клапан.
Клапан минимального давления предохраняет компрессор от резкого снижения кратности циркуляции масла и выхода винтового блока из строя из-за перегрева при падении давления в масляном резервуаре. Такое падение давления может произойти при резком увеличении расхода сжатого воздуха в пневмосети по сравнению с производительностью компрессора, либо при заполнении воздухом пустой пневмосети в начале рабочего дня на предприятии. Клапан минимального давления перекрывает выход воздуха из масляного резервуара при падении давления в нем ниже 4,5 бар. Обратный клапан не позволяет сжатому воздуху из пневмосети поступать в компрессор, когда тот находится в режиме холостого хода или остановлен.
Клапан минимального давления, так же обеспечивает и условия работы масляного сепаратора. Не позволяя снижать давление в масляном резервуаре ниже 4,5 бар клапан, тем самым, ограничивает скорость протекания воздуха через фильтрующий элемент сепаратора и обеспечивает необходимую степень очистки сжатого воздуха, выходящего из компрессора от аэрозолей масла.
Масловоздушная смесь сначала подаётся в масляный резервуар, являющийся первой ступенью сепарации. Там воздух отделяется от масла. Масло, которое поглотило часть выделившейся тепловой энергии, затем охлаждается в масляном радиаторе и может снова впрыскиваться в компрессорный блок.
Любые оставшиеся частицы масла затем удаляются из сжатого воздуха в масляном сепараторе, расположенном на выходе из резервуара, перед подачей воздуха на выход из компрессора.
Конструкция винтового компрессора
|
