3.1 Производство и подготовка сжатого воздуха

На производство сжатого воздуха расходуется около 20% всей электроэнергии, потребляемой промышлен­ностью. Поэтому он является одним из самых дорогих энергоносителей, используемых в современном произ­водстве. На предприятиях, где широко применяются пневматические приводы и системы, обычно существует центральная сеть питания сжатым воздухом. Диапазон давлений в ней, принятый как у нас в стране, так и за рубежом, составляет 0,4 — 1,0 МПа (4 — 10 бар).

Чтобы преобразовать воздух из окружающей среды в рабочее тело пневматического привода, над ним не­обходимо произвести ряд последовательных действий: сжать до требуемого значения давления, осушить и очистить. Для нормальной работы пневмоприводов необходимо, чтобы загрязненность сжатого воздуха не превышала допустимого уровня. Основные загрязнители воздуха — вода и компрессорное масло в жидком и парообразном состояниях, а также твердые и газообразные вещества.

Источником воды, содержащейся в сжатом воздухе, является водяной пар, засасываемый компрессором вместе с атмосферным воздухом. Для характеристики влагосодержания (влажности) воздуха используются понятия абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность/а6с (г/   м³) — это масса паров воды, содержащихся в 1   м³ воздуха.

Влажность насыщенного пара fm — это наибольшая масса паров воды, которые могут содержаться в 1   м³ воздуха при данной температуре.

Относительная влажность (р, измеряемая в процентах, определяется по формуле:

Способность некоторого постоянного объема сжатого воздуха удерживать пары воды зависит от температу­ры и не зависит от давления (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Зависимость абсолютной влажности от температуры

При понижении температуры воздух насыщается водяными парами, его относительная влажность возрас­тает. В момент, когда относительная влажность достигает значения <р=100% (состояние насыщения), начина­ется конденсация избыточного количества водяных паров и появляется вода (конденсат). Температура, при которой имеет место данное явление, называется точкой росы. При более высокой температуре конденсация водяных паров не наблюдается. Поэтому точку росы часто указывают в качестве меры содержания в воздухе водяных паров.

Источниками загрязнения сжатого воздуха маслом могут быть смазочные материалы компрессоров и пнев­матических устройств, пары и распыленное в окружающем воздухе масло. В сжатом воздухе масло обычно находится в парообразном и жидком состояниях. Предельная концентрация паров масла в воздухе, как и па­ров воды, уменьшается с понижением температуры и повышением давления. Попадание в линию питания смазочных материалов компрессоров обычно является основной причиной загрязнения сжатого воздуха.

Качественным считается такой сжатый воздух, в котором содержание паров воды и масла настолько мало, что исключается образование капель и льда в элементах и устройствах при любых возможных температурах окружающей среды, а уровень содержания пыли не приводит к закупорке их наиболее узких участков (см. приложение I.3).

Таким образом, в источник питания сжатым воздухом должны входить:

компрессор;

фильтр для очистки воздуха от пыли;

маслоотделитель;

устройства осушки и охлаждения сжатого воздуха;

ресивер — емкость для создания резервного запаса воздуха.

3.2. Компрессоры

По физическому принципу работы различают компрессоры объемного и динамического типов. Классифика­ция компрессоров по конструктивному исполнению гораздо шире (Рис. 3.2).

Рис. 3.2. Классификация компрессоров

В объемных компрессорах, работающих по принципу вытеснения, воздух замыкают в рабочей камере и затем уменьшают ее объем, после чего рабочая камера соединяется с отводящим (нагнетательным) трубопро­водом.

В динамических компрессорах воздух поступает на рабочий орган, сообщающий ему кинетическую энергию, которая на выходе компрессора преобразуется в потенциальную.

Для получения высоких давлений при небольшой производительности используют компрессоры объемного типа (исключая компрессоры Рутса), а для получения больших расходов при относительно малом давлении — компрессоры динамического типа.

3.2.1. Объемные компрессоры

Наиболее широкое примененение находят поршневые компрессоры.

Существует множество типов поршневых компрессоров. Они бывают простого и двойного действия, односту­пенчатые и многоступенчатые, одноцилиндровые и многоцилиндровые, с воздушным и водяным охлаждением.

Основными деталями поршневого компрессора простого действия (рис. 3.3) являются: цилиндр 2 с нагнетатель­ным 7 и всасывающим 1 клапанами в крышке 6; поршень 3; кривошипно-шатунный механизм 5, преобразующий вращательное движение приводного вала 4 в возвратно-поступательное движение поршня.

Рис. 3.3. Поршневой компрессор

При движении поршня к нижней «мертвой точке» (обратный ход — рис. 3.3, а) рабочая камера компрессора, образованная замкнутым объемом между поршнем 3 и крышкой 6 цилиндра, увеличивается и в ней создается вакуум. Под действием атмосферного давления открывается всасывающий клапан 1, через который в цилиндр поступает воздух. В это время нагнетательный клапан 7 удерживается в закрытом положении под действием ваку­ума в рабочей камере и высокого давления в нагнетательном трубопроводе. После достижения поршнем 3 крайне­го положения начинается процесс его движения к верхней «мертвой точке» (прямой ход— рис. 3.3, б). Объем рабо­чей камеры начинает уменьшаться, давление в ней возрастает, и всасывающий клапан закрывается. Нагнетатель­ный клапан открывается тогда, когда давление в цилиндре превысит давление в линии нагнетания. Полный цикл такого компрессора совершается за два хода поршня — обратный и прямой, т. е. за один оборот приводного вала.

Для увеличения производительности иногда применяют поршневые компрессоры двойного действия (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Поршневой компрессор двойного действия

Компрессор, выполненный по такой конструктивной схеме, имеет две рабочие камеры при одном поршне, а всасывающие и нагнетательные клапаны установлены в обеих крышках. При ходе поршня вниз в верхней рабочей камере происходит процесс всасывания, а в нижней — процесс нагнетания. При движении поршня вверх сжатый воздух подается в напорную линию из верхней рабочей камеры, в то время как процесс всасыва­ния осуществляется в нижней. Производительность компрессора двойного действия практически в два раза выше производительности компрессора традиционной конструкции при одинаковых объемах рабочих камер.

Одноступенчатые компрессоры позволяют получить сжатый воздух с избыточным давлением до 1,3 МПа (13 бар), а развиваемая ими производительность достигает 20 тыс.   м³ /час.

Для достижения более высоких значений давления сжатого воздуха (до 100 МПа) используют поршневые компрессоры многоступенчатого исполнения (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Двухступенчатый поршневой компрессор

Всасываемый воздух предварительно сжимается в первой ступени 1, проходит промежуточное охлажде­ние, а затем подвергается сжатию во второй ступени 3. Увеличение степени сжатия воздуха обеспечивается тем, что объем рабочей камеры второй ступени меньше, чем первой. Необходимость охлаждения сжатого воздуха возникает в связи с интенсивным нагревом воздуха в процессе сжатия (в соответствии с законом Гей-Люссака), особенно если степень сжатия значительна. Чтобы избежать этого, в конструкцию компрессора вво­дят охладитель 2.

Поршневые компрессоры подают воздух в нагнетательный трубопровод неравномерно, отдельными порци­ями. Степень неравномерности увеличивается еще и вследствие того, что скорость движения поршня не по­стоянна, а изменяется по синусоидальному закону. Для сглаживания неравномерности подачи воздуха, а сле­довательно, и пульсаций давления в линии нагнетания применяют многопоршневые компрессоры, ходы порш­ней которых сдвинуты по фазе.

Все рассмотренные конструкции имеют один существенный недостаток: в картер поршневых компрессоров заливают масло, предназначенное для смазки трущихся поверхностей. Высокие температуры в поршневом пространстве компрессоров и на начальном участке линии питания приводят к парообразованию и к частично­му термическому разложению масла. В результате часть масла окисляется и в виде нагара и лакообразной пленки осаждается на внутренних полостях компрессоров и трубопроводов, а легкие фракции, в виде паров и мелкодисперсной фазы, уносятся воздухом в систему.

Сжатый воздух, не содержащий паров масла, можно получить без применения маслоудерживающих филь­тров при помощи мембранного компрессора (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Мембранный компрессор

В мембранном компрессоре процесс получения сжатого воздуха происходит в принципе так же, как и в поршневом, стой лишь разницей, что в нем подвижной поршень заменен жестко закрепленной гибкой мембра­ной 1. Замкнутый объем изменяется за счет деформации мембраны при возвратно-поступательном движении штока 2.

Давление воздуха в мембранных компрессорах ограничено прочностными характеристиками мембраны и не превышает 0,3 МПа.

Основной недостаток мембранных компрессоров — необходимость периодической смены мембраны по причине выхода ее из строя.

Ротационные компрессоры, как и поршневые, работают с принудительным выталкиванием сжатого воздуха, однако в их конструкции отсутствуют клапаны и кривошипно-шатунный механизм. На рис. 3.7 изображен рота­ционный пластинчатый компрессор.

Рис. 3.7. Пластинчатый (шиберный) компрессор

В машинах такого типа вследствие эксцентричного расположения ротора 3 в цилиндрическом статоре 1 между ними образуется серповидная полость. В радиальных пазах ротора 3 размещены подвижные пластины 2, которые под действием центробежной силы при вращении ротора выдвигаются из пазов и плотно прижима­ются к внутренней цилиндрической поверхности статора 1 (часто применяют еще и дополнительный принуди­тельный поджим пластин при помощи пружин либо путем подведения к торцам пластин сжатого воздуха от линии нагнетания). Вращающиеся пластины делят пространство между ротором и статором на рабочие каме­ры, объем которых меняется по мере вращения ротора. За один оборот ротора объем рабочих камер вначале увеличивается (при этом пластины выдвигаются из пазов), а затем уменьшается (при этом пластины задвига­ются в пазы). В том месте, где при вращении ротора объем рабочих камер увеличивыется, расположен входной патрубок, а на участке, где их объем уменьшается, — выходной. Степень сжатия, а следовательно, и значение давления на выходе пластинчатого компрессора (до 0,8 МПа) значительно меньше, чем у поршневого, но его конструктивное исполнение гораздо проще.

Основные элементы конструкции винтового компрессора — два находящихся в зацеплении винта (рис. 3.8) ведущий 1 и ведомый 2. При вращении винтов их винтовые линии, взаимно замыкаясь, отсекают некоторый объем воздуха в камере всасывания, перемещают его вдоль оси винтов и в конечном итоге вытесняют в камеру нагнетания. Воздух через компрессор двигается поступательно и плавно, без завихрения, как гайка по резьбе при вращении винта.

Рис. 3.8. Винтовой компрессор

Процесс перемещения воздуха происходит по всей длине винтов непрерывно, и при постоянной частоте вращения вала компрессора обеспечивается равномерная, без пульсаций, подача. Недостаток винтовых ком­прессоров — довольно сложная технология изготовления винтов; преимущество — равномерность подачи воздуха, а следовательно, отсутствие колебаний уровня давления в линии нагнетания. Винтовые компрессоры обеспечивают давление сжатого воздуха до 2,5 МПа, а расход воздуха в них достигает 30 тыс.   м³ /час.

На рис. 3.9 изображен компрессор Рутса, также относящийся к ротационным компрессорам.

Рабочими органами такого компрессора служат два синхронно вращающихся специально спрофилирован­ных вытеснителя 1. Воздух, попадая в рабочие камеры, образованные между вытеснителями и корпусом 3, переносится из зоны всасывания в зону нагнетания. Рабочие органы не находятся в зацеплении друг с другом, а синхронизация их вращения осуществляется шестернями 2, расположенными в специальном отделении кор­пуса и находящимися в зацеплении между собой. Между самими вытеснителями, а также между вытеснителя­ми и корпусом имеются гарантированные зазоры, и эта особенность конструкции обусловливает относительно небольшие значения выходного давления. Практическое отсутствие трущихся поверхностей в рабочей камере обеспечивает возможность достижения большой производительности благодаря высокой частоте вращения роторов.

3.2.2. Динамические компрессоры

В центробежных компрессорах (турбокомпрессорах) основным элементом конструкции служат располо­женное в спиральном отводе 2 рабочее колесо 1, представляющее собой диск со специально спрофилирован­ными лопатками (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Центробежный компрессор

Всасываемый воздух поступает в осевом направлении к центру колеса. При вращении ротора лопатки раскручивают воздух и одновременно вовлекают его в относительное движение по образованным ими кана­лам. Под действием центробежной силы воздух движется от центра колеса к периферии. Таким образом, пото­ку воздуха сообщается кинетическая энергия, которая при протекании его по специально спрофилированным направляющим и отводящим устройствам преобразуется в энергию давления. Как правило, центробежные компрессоры изготавляют многоступенчатыми, т. е. с несколькими рабочими колесами, устанавливаемыми на одном валу. Требуемая степень сжатия воздуха обеспечивается его последовательной подачей с выхода одно­го колеса на вход другого. Основное преимущество компрессоров этого типа — большая производительность (до 400 тыс.   м³ /ч).

Это же преимущество характерно и для осевых компрессоров (рис, 3.11).

Рис. 3.11. Осевой компрессор

Поток воздуха в них имеет осевое направление. Основной конструктивный элемент — вращающийся ротор 1, на поверхности которого укреплены рабочие лопатки 2. Осевые компрессоры развивают давление воздуха до 0,4 МПа, а их производительность достигает значений более 50 тыс. м³/ч.

Производство сжатого воздуха сопровождается значительным потреблением электроэнергии. Например, при получении 10   м³ сжатого воздуха под давлением 0,6 МПа с использованием поршневого компрессора зат­раты электроэнергии составляют 0,76 — 0,98 кВт-ч, а с использованием турбокомпрессора — 0,82 — 1,77 кВт-ч. При этом чем выше производительность компрессора, тем ниже затраты электроэнергии на каждый 1   м³ сжа­того воздуха. Следовательно, стоимость производтва сжатого воздуха зависит от типа компрессора и от его производительности. Несложный расчет показывает, что сжатый воздух необходимо расходовать экономно и не допускать бесполезных утечек через неплотности в пневматических агрегатах и особенно в трубопроводах.

На принципиальных пневматических схемах условное графическое обозначение компрессора, каким бы ни было его конструктивное исполнение, согласно действующим стандартам имеет следующий вид (рис. 3.12, а).

Рис. 3.12. Условное графическое обозначение компрессора

Незакрашенный треугольник своей вершиной, лежащей на окружности, указывает направление движения потока сжатого воздуха (рис. 3.12, б).

Изображение простейшей компрессорной установки, состоящей из компрессора, воздухозаборника на ли­нии всасывания, приводного электродвигателя и соединительной муфты, принимает, таким образом, следую­щий вид (рис. 3.12, в).

Чтобы производительность компрессора соответствовала изменяющемуся потреблению сжатого воздуха, необходимо регулировать давление, развиваемое компрессором, в диапазоне от максимального до минималь­ного. На практике применяют различные виды регулирования.

Регулирование по нагрузке. Уровень давления в напорной магистрали регулируется путем изменения частоты вращения приводного двигателя компрессора.

Регулирование периодическим отключением. При достижении заданного максимального уровня дав­ления приводной двигатель компрессора отключается. Включение двигателя производится при снижениивеличины давления до минимально допустимого значения. Чтобы обеспечить приемлемую периодичностьвключений-выключений компрессора необходимо иметь резервный запас сжатого воздуха на его выходе,который создается с помощью ресивера. Для предотвращения выхода воздуха из ресивера в атмосферучерез неработающий компрессор на выходе последнего (в напорной магистрали) устанавливают обратный
клапан (рис. 3.13).

3.13. Обратный клапан

Обратный клапан предназначен для пропускания потока воздуха только в одном направлении. При этом запорный элемент 1 отжимается от седла 2 клапана потоком воздуха. Когда же воздух подается в обратном направлении, клапан закрывается под действием оказываемого им давления и встроенной пружины.

3. Регулирование холостым ходом. Различают регулирование на входе, на выходе и коротким замыканием. Регулирование на входе выполняют следующими способами:

а)          прекращение подачи осуществляется путем перекрытия всасывающей магистрали компрессора.

б)          всасывающий клапан компрессора удерживается открытым посредством встроенного привода, что не позволяет воздуху в рабочей камере сжиматься (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Управление всасывающим клапаном компрессора

Регулирование на выходе состоит в том, что на линии нагнетания компрессора устанавливают устройство разгрузки, через которое сжатый воздух начинает стравливаться в атмосферу при достижении максимально допустимого давления.

Регулирование коротким замыканием заключается в том, что вход и выход компрессора закольцовывают, компрессор работает «сам на себя».

Компрессорные установки размещают в помещениях, обеспечивающих защиту от шума, создаваемого обо­рудованием, расположенным на основных производственных площадях. Место установки должно обеспечи­вать свободный доступ к компрессору для его обслуживания и эксплуатации. Чтобы свести к минимуму гидрав­лические сопротивления, всасывающие трубопроводы выполняют по возможности короткими и с большими проходными сечениями. Всасываемый воздух должен быть сухим, холодным и незапыленным, поэтому возду-хозаборные устройства рекомендуется располагать на высоте 4 — 6 м.