Сжатие сред с помощью поршня — самый первый способ, применяемый человечеством после сжатия мехами, поэтому поршневые компрессоры — самый распространенный тип компрессорных агрегатов. Они просты в эксплуатации и ремонте, а гибкость их конструктива позволяет разрабатывать машины в очень большом диапазоне производительности и давления.
При любом способе сжатия, небольшая часть работы, совершаемой двигателем, тратится на трение, что вызывает нагрев трущихся частей. Наибольшая часть этой работы тратится на сжатие газа, что вызывает его нагрев. Таким образом, практически вся работа, совершаемая двигателем, в конечном счете преобразуется в тепло, которое необходимо отводить.
Система охлаждения в компрессорных агрегатах
Горячий газ из зоны сжатия поступает в теплообменник, где охлаждается до температуры окружающей среды или ниже, и далее идет в следующую ступень сжатия или потребителю. Поэтому в компрессорных агрегатах охлаждение рабочего газа разделяется на:
- межступенчатое (концевое), при котором отводится основная часть тепла,
- местное — охлаждение стенок камеры сжатия.
В технике применяются два основных способа отвода тепла: воздушный — с помощью воздуха из атмосферы, и жидкостный, где тепло отводится от агрегата с помощью жидкого теплоносителя (вода, раствор этиленгликоля, тосол, антифриз, масло и тому подобное). Оба способа допускают как рассеивание тепла в атмосфере, так и перенос тепла для дальнейшего использования для обогрева.
Физика процесса сжатия газа
Прежде чем перейти к преимуществам и недостаткам каждого из этих способов, рассмотрим процесс сжатия газа. У многих в детстве был велосипед, и наверняка вам приходилось подкачивать его колеса насосом. Насос при этом становился горячим. Школьный курс физики говорит, что для некоего количества идеального газа
(P*V)/T-const
Из этого видно, что чем меньший объем занимает газ при одной и той же температуре, тем большее давление он создает.
Так же из формулы следует, что, если газ нагреть, то при том же самом объеме, он будет создавать большее давление. Поскольку энергия, затрачиваемая на сжатие газа, преобразуется в тепло, температура рабочего газа повышается. Это приводит к избыточному повышению давления в зоне сжатия, что создает дополнительное сопротивление рабочему органу и снижает КПД компрессорной установки.
Получается, что хоть местное охлаждение и отводит относительно небольшое количество тепла, его эффективность кардинально влияет на эффективность машины в целом. Если, в случае с промежуточным или концевым охлаждением, мы ограничены только объемом помещения, и можем поставить теплообменник любого размера и конструкции, то в случае с местным охлаждением мы ограничены площадью стенки рабочей камеры и ее конструкцией, предусматривающей удобный и быстрый доступ для обслуживания.
Воздушное охлаждение
Камера сжатия снаружи омывается атмосферным воздухом, а внутри рабочим газом, который постоянно выделяет тепло. Плотность и теплоемкость рабочего газа чаще всего выше плотности и теплоемкости атмосферного воздуха, поэтому теплоемкость и коэффициент теплоотдачи атмосферного воздуха ниже, чем у рабочего газа.
Хоть стенка и охлаждается, ее температура близка к температуре сжатия рабочего газа. КПД у таких машин относительно небольшой, но это компенсируется следующими преимуществами:
- относительно небольшие энергозатраты на охлаждение,
- отсутствие потребности в качественной охлаждающей жидкости,
- более простая конструкция без контура охлаждения.
Получается, что если заморозить машину, то охлаждающая жидкость не замерзнет и не приведет к поломке.
Жидкостное охлаждение
Здесь камера сжатия снаружи омывается охлаждающей жидкостью, чья теплоемкость и коэффициент теплоотдачи значительно выше, чем у рабочего газа. Температура стенки близка к температуре охлаждающей жидкости, что значительно ниже температуры сжатия рабочего газа. Стенка более эффективно отводит тепло из рабочего газа при сжатии, в следствии чего, он создает меньше сопротивления рабочему органу.
В случае с поршневыми компрессорами происходит более эффективный отвод тепла от точки контакта цилиндра с поршневыми и опорными кольцами, что значительно увеличивает их ресурс и межсервисный интервал машины. Такие компрессоры имеют очень высокий КПД. Охлаждающая жидкость уносит практически все тепло, и количество рассеиваемого тела в помещение значительно ниже. Это снижает нагрузку на вентиляцию в помещении.
При всех этих плюсах есть недостатки, которые могут стать серьезной проблемой для некоторых потребителей. Такой машине нужен отвод тепла с помощью охлаждающей жидкости, и обеспечить его нужно конечному заказчику самостоятельно. Сделать это можно двумя способами: проточным и замкнутым.
Проточный способ простой. Нужно подключить машину к системе водоснабжения и обеспечить слив подогретой воды, или же пускать ее на свои нужды. Это работает в том случае, если у вас есть такое количество воды, и есть, куда ее отводить. Так же стоит отметить, что вода должна быть чистой, чтобы не допустить образование твердых отложений на внутренних поверхностях контура охлаждения.
Если ничего этого нет, то вам потребуется замкнутый контур, состоящий из сухой градирни с вентилятором или же холодильной машины, и насоса. Последний необходим для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости. В некоторых случаях это создает определенные затруднения в монтаже и эксплуатации. Иногда удается обойтись без вентилятора, обеспечив необходимую мощность теплообмена большой площадью сухой градирни. В некоторых случаях удается исключить насос, обеспечив циркуляцию теплоносителя свободной конвекцией.
Выбор схемы зависит от условий эксплуатации, технических возможностей заказчика и расчетов окупаемости.
Комбинированное охлаждение: решение компании «Провита»
КПД компрессора не зависит от того, как реализовано промежуточное и концевое охлаждение. Главное, чтобы оно работало и охлаждало газ до температуры, близкой к температуре окружающей среды. Это подтолкнуло отдел НИОКР компании «Провита» к реализации комбинированного охлаждения на поршневом компрессоре. При такой схеме основной отвод тепла производится в воздушных промежуточных и концевых теплообменниках, а цилиндры охлаждаются жидкостью, циркулирующей по замкнутому контуру. Охлаждение жидкости происходит в небольшой сухой градирне, встроенной в компрессор. Выбор жидкости зависит от условий размещения машины.
Такая схема имеет КПД и межсервисный интервал компрессора с жидкостным охлаждением, однако машина лишена большинства недостатков и трудностей, которые характерны для машин с жидкостным охлаждением.
