Содержание
Компрессор — это сложный энергетический механизм, для сжатия газообразного вещества, создания воздушного потока под высоким давлением. Широко применяется в повседневной жизни и в производстве. Основной принцип действия заключается в преобразовании механической энергии работы двигателя в энергию потока воздуха или газа.
Конечное давление у всех устройств зависит от показателя мощности двигателя и конструкции механизма нагнетания воздуха. Инновационные технологии, используемые в промышленности, постепенно внедрились в конструкции бытовых приборов. Бытовой компрессор не стал исключением.
Вид, устройство и применение
Бытовой компрессор классифицируется на основании принципа сжатия воздушных масс и последующего их выведения (перекачка).
Выделяют два вида:
- Объемный компрессор.
- Динамический или лопастной.
Объемный
В агрегате сжатый газ перемещается порциями, в зависимости от устройства и принципа действия конкретного механизма, нагнетания. Механизм, установленный в камере сжатия, может быть поршневой, роторный, кулачковый, пластинчато-роторный, мембранный или спиральный. В конструкции бытового компрессора применяют мембранный или поршневой механизмы.
Мембранный
Основным элементом устройства, с помощью которого осуществляется процесс сжатия и перемещения воздуха, является мембрана. Она может быть выполнена из железа или резины.
Основные узлы и механизмы мембранного компрессора:
- Электродвигатель.
- Герметичная камера с впускным и выпускным клапанами и мембраной.
- Картер, включающий кривошипно-шатунный и приводной механизмы.
Поршневой
Рабочим элементом в процессе нагнетания объема воздуха в таком виде устройства является поршень.
Основные элементы:
- Электродвигатель.
- Камера сжатия, имеющая два клапана на корпусе (впускной и выпускной).
- Поршень в паре с уплотнителем.
- Катер
- Кривошипно-шатунный механизм.
Распространенный вид бытового компрессора — автомобильный. Он имеет небольшую мощность, питание осуществляется от бортовой сети автомобиля 12 В. Используют его для подкачки колес, мячей, тюбингов. Механизмом, осуществляющим работу устройства является поршень или мембрана.
В условиях домашнего применения (ремонтных работ) подбирают бытовой компрессор более мощный, чем автомобильный. Питание устройства предусмотрено от сети 220 В. При проведении ремонтных работ совместно с пневмоинструментом используют масляный коаксиальный компрессор. Осуществляя лакокрасочные работы выбирают безмасляный аналог. Производитель выпускает устройства как с ресивером, так и без него.
Динамический
В динамическом бытовом компрессоре происходит движение газообразной среды непрерывным потоком. Она перемещается между вращающимися лопастями, которые придают потоку скорость. Устройство используют в системах вентиляции и кондиционирования.
По принципу целевого использования динамический делится на виды:
- Газовые установки применяют для наполнения замкнутых объемов различными газами, такими как метан, пропан, кислород и прочими, за исключением воздуха. При работе не допускается образование искрового разряда.
- Воздушный бытовой компрессор используют для выполнения небольших объемов малярных работ, для продувки труб систем отопления и водопровода, а также поддержания давления воздуха в шинах автомобиля. Для выполнения малярных работ используют компрессор совместно с краскопультом.
- Циркуляционные мембранные компрессоры обеспечивают непрерывное перемещение газа по замкнутой системе каналов. Их используют в производстве систем охлаждения.
Бытовой компрессор состоит из:
- Двигателя.
- Ресивера.
- Манометра.
- Пневмошланга.
Мощность двигателя — это основной показатель производительности компрессора. Ресивер представляет собой сосуд для аккумуляции объема воздуха и регулировки его расхода, пульсаций при изменении давления. Манометр устанавливается на пневмошланге или на корпусе изделия. Информирует пользователя о нагнетенном давлении в компрессоре.
Конструктивной особенностью некоторых бытовых компрессоров может являться отсутствие емкости для накопления газа. В этом случае, воздух под давлением из выпускного клапана поступает в пневмошланг.
Принцип работы
Мембранные
Мембрану приводит в движение кривошипно-шатунный механизм. Она совершает поступательные и возвратные движения, в результате которых через впускной клапан в камеру нагнетается воздух, а через выпускной под давлением выводится.
Достоинства
- Герметичность.
- Высокое давление.
- Простое управление.
- Надежность работы механизмов.
- Высокая устойчивость к коррозии.
Недостатки
- Длительное использование приводит механизм нагнетания в неисправность.
- Низкая производительность.
Поршневые
В поршневом механизме перемещение объема воздуха осуществляется поршнем. Он совершает возвратно-поступательные движения по цилиндру. При движении к нижнему положению в камере создается разряженная среда, открывается впускной клапан, и, в результате перепада давления, камера заполняется частицами воздуха. При стремлении поршня к верхней мертвой точке, в камере создается давление, под действием которого открывается выпускной клапан, и объем воздуха выводится с высокой скоростью.
Масляные коаксиальные
Это разновидность поршневого компрессора. При движении кривошипно-шатунного механизма масло, залитое в картер для смазки поршневой системы, и воздух находятся в одном объеме. В результате происходит подмес частиц масла и воздуха. Эта смесь выводится через выпускной клапан.
Достоинства
- Долговечность.
- Надежность.
Недостатки
- В исходящем потоке воздуха присутствуют частицы масла, что ограничивает область применения.
- Необходимость установки очистных фильтров.
- Дополнительные финансовые затраты.
Безмасляные
Потоки воздуха не смешиваются с частицами смазки. Они локализуются в разных местах поршневой системы и выводятся через разные клапаны. Исходящие воздушные массы проходят дополнительную очистку от примесей. Этот этап необходим для выполнения компрессором своих функций.
Достоинства
- Не требуется установка дополнительных маслоулавливающих фильтров.
- Не требуется дополнительных расходов по замене очистных фильтров.
Недостатки
- Рабочий ресурс меньше, чем у масляных компрессоров.
- Перегрев, высокая нагрузка на двигатель.
- Высокий уровень шума в процессе работы.
Динамический
Перемещает воздушные массы посредством лопаточного механизма. Основой принципа действия является движение воздуха сквозь межлопастные каналы ротора и стационарные каналы установки.
Достоинства
- Низкий уровень шума.
Недостатки
- Недолговечны, ввиду постоянной работы.
- Высокое потребление электроэнергии.
Как выбрать бытовой компрессор
При выборе бытового компрессора необходимо обратить внимание на показатель мощности двигателя и создаваемое им давление. Эти показатели указываются производителем в инструкции. Необходимо, чтобы максимально создаваемое давление компрессора было несколько выше потребляемого.
Для бытового применения используются установки с объемом ресивера около 200 литров, рабочий процесс занимает 3-5 минут. Выбор компрессора с большим накопителем увеличит габариты и время работы инструментом.
Для использования компрессора совместно с пневматическим инструментом, предпочтение отдают масляным коаксиальным поршневым компрессорам. Безмасляный бытовой компрессор — приобретают для выполнения лакокрасочных работ.
На Рис. 1 представлена общепринятая упрощенная классификация компрессоров.
Рис.1. Упрощенная классификация компрессоров
В данной статье мы коснемся мембранных компрессоров, как представителей класса машин объемного действия.
Понятие «компрессор объемного действия возвратно-поступательный» означает, что сжатие рабочего газа в нем происходит посредством уменьшения объема камеры сжатия при возвратно-поступательном движении рабочего органа. Такое движение обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом (далее – КШМ), являющимся неотъемлемой частью всех компрессоров данного типа
В мембранных компрессорах в качестве рабочего органа выступает металлическая или полимерная мембрана, выполняющая колебательные движения. Причем усилие к мембране может прикладываться как непосредственно от КШМ, так и при помощи гидравлического привода.
Схематично устройство компрессора с непосредственным приводом мембраны от КШМ показано далее на Рис. 2.
Рис. 2. Компрессор с непосредственным приводом мембраны
Как видите, в такой конструкции компрессора нет ничего сложного.
Вращательное движение приводного вала преобразуется в возвратно-поступательное движение штока, жестко связанного с гибкой мембраной.
В результате колебаний мембраны объем камеры сжатия сначала увеличивается – порция газа попадает в камеру через впускной клапан, а затем уменьшается – сжатый газ через выпускной клапан подается на выход компрессора.
Но даже из такой, казалось бы, простейшей схемы становится очевидным главное отличие мембранных компрессоров от компрессоров поршневых – камера сжатия герметично отделена от картера компрессора.
Отсюда следуют два основных преимущества мембранных компрессоров:
- отсутствие вероятности загрязнения маслом сжимаемого газа;
- полное отсутствие утечек сжимаемого газа через поршневые кольца и сальники привода.
Именно поэтому мембранные компрессоры очень часто используются там, где предъявляются жесткие требования к чистоте сжимаемых газов, а также при работе с взрывоопасными или высокотоксичными газами.
Следует отметить, что компрессоры с непосредственным приводом мембран в настоящее время используются редко и при невысоких давлениях. Слабое место таких компрессоров – соединение штока с мембраной.
Гораздо более привлекательной является конструкция компрессора с гидравлическим приводом мембраны. В таких компрессорах колебательные движения мембране передаются также от КШМ, который оканчивается не током, а поршнем гидравлического цилиндра. И давление на мембрану передается не в центральной точке, а по всей ее поверхности через слой гидравлической жидкости (наиболее часто используется масло).
Такая конструкция компрессора, несомненно, является более сложной – в нее включены дополнительные компоненты, о которых мы поговорим позднее. Но именно такой способ передачи движения мембране позволяет значительно увеличить надежность и долговечность агрегата с одной стороны и работать с высокими и сверхвысокими давлениями – с другой.
Остановимся на конструкции мембранного компрессора с гидравлическим приводом подробнее.
Принцип работы гидравлического привода становится понятен из простой схемы:
Рис. 3. Простая схема гидравлического привода мембранного компрессора
Возвратно-поступательные движения поршню передаются через КШМ. В свою очередь, поршень через слой гидравлической жидкости воздействует на мембрану, заставляя ее совершать колебательные движения.
При движении поршня вправо (по Рис. 3) мембрана прогибается в том же направлении и прилегает к распределительному диску. Газовая полость в это время заполняется газом через всасывающий клапан. При движении поршня влево гидравлическая жидкость через отверстия в распределительном диске воздействует на всю поверхность мембраны, заставляя ее выгибаться в сторону крышки и сжимать газ, который, в конце цикла, через нагнетательный клапан подается на выход компрессора.
Таков общий принцип действия гидравлического привода мембранного компрессора.
Пневматическая схема типичного мембранного компрессора выглядит следующим образом:
Рис. 4. Пневматическая схема мембранного компрессора
На рисунке можно заметить наличие нескольких, пока еще не знакомых нам устройств. Это перепускной клапан ПК, невозвратный клапан НК и компенсационный насос КН.
Здесь мы кратко остановимся на их назначении. Для этого рассмотрим работу мембранного блока более подробно.
Рис. 5. Мембранный блок с внешними компонентами
Каким образом регулируется конечное давление на выходе мембранного компрессора?
Дело в том, что объем масла, вытесняемый поршнем в гидравлическую полость несколько больше, чем объем газовой полости (см. Рис. 3). Поэтому, как только мембрана достигнет внутренней вогнутой поверхности крышки, давление масла в гидравлической полости резко возрастает (ведь масло, как и любая жидкость, сжимается очень незначительно). Возникает необходимость «сбросить» излишки масла из гидравлической полости.
Для этого и служит перепускной клапан. Он открывается при строго определенном (регулируемом) давлении на его входе и сбрасывает остатки масла в картер компрессора. Таким образом, настроив давление открытия перепускного клапана, мы тем самым определяем, до какого максимального давления может быть сжат газ в газовой полости мембранного блока.
Но если в каждой фазе сжатия часть масла будет удаляться из гидравлической полости, его количество будет достаточно быстро уменьшаться (а ведь есть еще утечки масла через поршневые кольца). И, в конечном итоге, оно станет недостаточным для создания необходимого давления сжатия газа. Для решения данной проблемы в компрессоре предусмотрен компенсационный насос. Он небольшими, но точно рассчитанными при проектировании компрессора порциями возвращает масло в гидравлическую полость в конце каждой фазы всасывания (когда давление в полости минимально).
А невозвратный клапан предотвращает воздействие высокого давления во время фазы сжатия на выход компенсационного насоса. Как видите, все достаточно просто.
О чем еще хотелось бы упомянуть в этой, своего рода, вступительной статье?
О том, что для работы с высокими давлениями мембранные компрессоры, та же, как и поршневые, требуют многоступенчатого сжатия. Конструкция современных мембранных компрессоров позволяет организовать в пределах одного агрегата до четырех ступеней сжатия.
Каким образом это организуется?
Не секрет, что при многоступенчатом сжатии каждая следующая ступень должна работать «в противофазе» с предыдущей. Т.е. фаза сжатия первой ступени должна совпадать с фазой всасывания второй, а фаза сжатия второй – с фазой всасывания третьей. Ступени при этом располагаются так, как показано ниже.
Рис. 6. Компоновка двухступенчатого компрессора
Здесь все понятно – поршни гидравлического привода работают «в противофазе».
С трех- и четырехступенчатыми компрессорами дело обстоит несколько иначе.
Рис. 7. Компоновка трехступенчатого компрессора
Рис. 8. Компоновка четырехступенчатого компрессора
В этом случае поршень меньшей по порядковому номеру ступени является поршнем «двойного» действия, т.е. нагнетает масло поочередно в гидравлические полости при «прямом» и «обратном» ходе. А поршень большей по порядковому номеру ступени выполняет запирающую функцию – на дает маслу вернуться в картер на «обратном» ходе.
Вот как это выглядит на практике применительно ко 2-ой и 3-ей ступеням:
Рис. 9. Конструкция гидравлического привода многоступенчатого компрессора
На этом, пожалуй, можно завершить ознакомительную статью о мембранных компрессорах. Подробнее о деталях их конструкции мы поговорим в следующих публикациях.
Прокомментировать эту запись или задать вопрос вы можете в форме ниже. Мы ответим в течение одного-двух рабочих дней.
Для правильной работы любого из видов компрессоров требуются определенные условия.
Главным образом, агрессивная среда сточных вод не должна оказывать негативного влияния на характеристики компрессора. В рабочем состоянии устройство не должно вибрировать, поскольку это чревато поломкой и компрессора, и других элементов автономной канализации.
Этим требованиям отвечают как винтовые, так и мембранные компрессоры. Какие достоинства и недостатки имеет каждое устройство?
Винтовые компрессоры
Надлежащее давление винтового компрессора устанавливается посредством лопастей, которые находятся в нагнетательном отсеке.
Принцип действия винтовых компрессоров может быть разным. Для септиков чаще используется сухое сжатие, для которого не требуется смазывающая жидкость. В другом случае используется масло для снижения трения роторных деталей, но такие установки чаще всего используются на производстве, для септиков их не применяют.
Винтовые компрессоры не производят шума, только работа воздушного насоса может быть слышна. Высокопрочная сталь, из которой изготовлены винты, обеспечивает долгую эксплуатацию. Это явные достоинства таких устройств.
Недостатком является герметичность нагнетательной камеры, по причине которой невозможна замена винтов в устройстве. Коэффициент полезного действия зависит от зазора между лопастями, что тоже является минусом винтового компрессора.
Септик Диамант-5Н с встроенным компрессором.
Как работает винтовой компрессор для септика?
Вытеснение воздуха в нагнетательном отсеке осуществляется посредством двух моторов, вращающихся на подшипниках. Ведущая лопасть нужна для сообщения движения к ведомому ротору от двигателя. Ведомая лопасть необходима для создания давления между зубцами роторов.
После запуска электродвигателя ведущая лопасть передает энергию движения ведомому ротору. Объем воздуха, созданный между зубцами, возрастает. После достижения нужной величины давления, выпускной клапан выбрасывает воздух.
Для септиков применяются винтовые компрессоры с малой мощностью, поскольку создание высокой плотности среды не требуется, нужно только постоянно насыщать сточные воды кислородом.
Мембранные компрессоры
Компрессоры мембранного типа чаще используются для септиков, нежели винтовые. В чем их преимущества?
Во-первых, такие компрессоры достаточно компактны, поскольку в устройстве присутствует только мембрана, больше подвижных элементов нет. Герметичность корпуса, в отличие от винтовых компрессоров, не является недостатком.
Врезка: Мембранные компрессоры быстро пересыхают в условиях высокой температуры – эти устройства не рекомендуется применять в жарких климатических условиях.
В мембранных устройствах это является преимуществом, поскольку такой компрессор с легкостью справляется с работой в агрессивной среде септика именно благодаря герметичности. Шума такие устройства не производят, а цены на них невелики – именно поэтому мембранные компрессоры более популярны.
Главным недостатком является резиновая мембрана, точнее, потеря ее эластичности и герметичности – из-за этого необходимо часто заменять эти элементы. Проверять уровень жидкости в компрессоре необходимо регулярно, поскольку в конструкции присутствует гидропривод.
Как работает мембранный компрессор?
В основе действия мембранного компрессора лежат электромагнитные колебания. Основной элемент – мембрана, также называемая диафрагмой, располагается в газовой камере. Эта деталь увеличивает давление в камере путем возвратно-поступательных движений. Работать диафрагма начинает благодаря поршню, который запускается гидроприводом. Из этого следует, что функционирование мембранного компрессора полностью зависит от жидкости.
Как правило, многие модели септиков имеют встроенный компрессор – это гораздо удобнее, чем приобретать его отдельно.
