Безмасляные спиральные и ротационные винтовые воздушные компрессоры: в чём разница?

При выборе системы подачи чистого сжатого воздуха выбор, как правило, сводится к двум типам конструкций с объемным принципом действия: безмасляному спиральному компрессору и ротационному винтовому компрессору. Оба типа отличаются компактностью, работают тише, чем поршневые агрегаты аналогичной мощности, и оба фигурируют в одной и той же тендерной документации. Отбор кандидатов отделами закупок Безмасляные компрессоры быстро обнаруживают, что точки пересечения реальны, но поверхностны, поскольку различия, определяющие исход, проявляются лишь спустя год работы.

Спиральный компрессор удерживает воздух между двумя взаимозацепляющимися спиральными валами и сжимает его в полумесяцеобразных полостях, смещающихся к центру, в то время как винтовой компрессор удерживает воздух между двумя зацепляющимися роторами и сжимает его по всей длине роторов. Спиральные компрессоры по конструкции являются безмасляными, работают очень тихо и подходят для небольших расходов при прерывистом режиме работы. Винтовые компрессоры выпускаются в масляных и безмасляных вариантах, рассчитаны на гораздо более высокие расходы и давления и предназначены для непрерывной работы. При выборе речь идет не столько о том, какая технология лучше, сколько о соответствии производительности, режима работы, класса чистоты воздуха и десятилетней стоимости конкретному технологическому процессу, который вы фактически используете.

В приведенных ниже разделах рассматриваются механизмы, измеримые различия и порядок выбора для реального проекта.

Как на самом деле работают скручивающее и винтовое сжатие

Оба типа конструкций представляют собой машины прямого вытеснения, которые повышают давление за счет сжатия захваченного объема воздуха, а не за счет его ускорения. Разница заключается в том, как формируется и закрывается этот объем: пара спиралей создает полулунные полости, перемещающиеся внутрь к нагнетательному отверстию, тогда как пара винтов формирует V-образную камеру, перемещающуюся в осевом направлении от всасывающего к нагнетательному отверстию.

Цикл сжатия спирали

Набор спиральных камер состоит из двух одинаковых спиральных стенок: одной неподвижной и одной вращающейся. Вращающаяся спиральная камера не вращается вокруг своей оси. Она удерживается с помощью антиротационной муфты и приводится в движение с помощью небольшого эксцентрикового радиуса, благодаря чему она описывает траекторию вокруг неподвижной спиральной камеры, не поворачиваясь. В местах соприкосновения спиралей образуются герметичные камеры. Воздух поступает по периферии, изолируется по мере движения по орбите и выталкивается к центру по мере уменьшения объёма карманов, выходя наружу, когда самый внутренний карман достигает центрального отверстия.

Всасывающие и нагнетательные клапаны не требуются, поскольку момент открытия камеры определяется её геометрией. Это объясняет характер работы: отсутствие хлопка клапанов, очень низкая пульсация, а шум в основном обусловлен работой двигателя и вентилятора, а не газовыми импульсами. Промышленные установки, такие как Безмасляные спиральные компрессоры серии LW Примените эту геометрию с уплотнениями на концах и осевой податливостью, обеспечивающей постоянный контакт спиральных поверхностей по мере нагрева агрегата. Герметичность по-прежнему зависит от небольшого зазора, и возникающая в результате обратная утечка ограничивает экономически целесообразное давление на одной ступени примерно до 7–10 бар.

Цикл сжатия в винтовом компрессоре

Винтовой компрессорный блок состоит из ротора с выпуклыми лопастями и ротора с соответствующими канавками, вращающихся внутри корпуса с узкими допусками. Воздух заполняет пространство между лопастями на всасывающей стороне. По мере вращения роторов впускное отверстие закрывается за захваченным объёмом, и это пространство сжимается по мере продвижения к нагнетательной стороне, пока не открывает нагнетательное отверстие.

Отличие между различными вариантами заключается в том, чем заполняется зазор между роторами. В машинах с масляным впрыском масло распыляется в камеру для уплотнения зазоров, отвода тепла и смазки подшипников. Именно благодаря этому практически изотермическому поведению Ротационный винтовой воздушный компрессор с масляной смазкой отличается высоким степенью сжатия на одной ступени и высокой эффективностью при полной нагрузке. В безмасляной установке камера работает в сухом режиме, герметичность обеспечивается за счет малых зазоров и специальных покрытий, скорости роторов выше, а для достижения более высоких давлений часто требуется использование двух ступеней.

Краткий обзор основных различий

Эти две технологии различаются по четырём параметрам: достижимые значения расхода и давления, эффективность в диапазоне нагрузок, уровень шума и занимаемая площадь, а также степень очистки воздуха, обеспечиваемая каждой из них без дополнительной обработки. Производительность является самым серьёзным ограничивающим фактором, и в большинстве проектов именно она исключает один из вариантов ещё до того, как начинается обсуждение остальных критериев.

Производительность и предельное давление

Производительность является первым критерием отбора, поскольку здесь речь не идет о личных предпочтениях. Один спиральный блок имеет физический предел рабочего объёма, а многоспиральные установки расширяют диапазон за счёт компоновки небольших элементов, а не увеличения размера одного крупного элемента. При производительности выше примерно 120 кубических футов в минуту (CFM) количество блоков и занимаемая ими площадь становятся труднооправданными по сравнению с одним винтовым компрессором. В отношении давления действует та же логика, но в обратном направлении: спиральная геометрия с трудом справляется с давлением выше примерно 10 бар без ступенчатой регулировки, в то время как двухступенчатая винтовая установка в стандартной конфигурации достигает давления 13 бар.

КПД при частичной нагрузке и управление

Показатели при полной нагрузке — самые простые для приведения в цифрах, но сами по себе они наименее полезны, поскольку лишь немногие установки работают при полной нагрузке в течение длительного времени. Спиральный компрессор с фиксированной скоростью обеспечивает фиксированный рабочий объем, поэтому производительность регулируется путем остановки и запуска или включения и отключения рядов спиралей, что приводит к появлению пилообразного профиля давления между ступенями. Винтовой компрессор со скользящим клапаном или приводом с регулируемой скоростью более плавно следует за спросом в широком диапазоне. Сравнение становится объективным только тогда, когда обе машины оцениваются на одинаковой основе, именно поэтому данные, проверенные третьей стороной и опубликованные через CAGI существует.

Шум, занимаемая площадь и монтаж

Спиральные компрессоры по праву заслужили репутацию бесшумных устройств, однако при рассмотрении основных технических показателей необходимо учитывать контекст. Показатель, указанный на расстоянии одного метра, представляет собой уровень звукового давления и зависит от акустических условий помещения, тогда как звуковая мощность характеризует само устройство и всегда имеет более высокое числовое значение. Сравнение показателя звукового давления одного поставщика с показателем звуковой мощности другого приводит к разнице, которой в реальности в помещении не существует. Габариты отражают производительность: спиральный агрегат с производительностью 40 кубических футов в минуту занимает гораздо большую площадь, чем винтовой агрегат с таким же расходом, поэтому спиральные агрегаты подходят для технических помещений и лабораторий, а винтовые — для центральных компрессорных, питающих кольцевую магистраль.

Являются ли ротационные винтовые воздушные компрессоры безмасляными?

По умолчанию — нет. Большинство эксплоатируемых винтовых компрессоров работают с впрыском масла: масло распыляется в рабочую камеру для обеспечения герметичности, охлаждения и смазки. Существуют безмасляные винтовые компрессоры, которые широко используются в отраслях с повышенными требованиями, однако они представляют собой отдельную конструкцию с другими роторами, покрытиями, схемой охлаждения и ценой.

Конструкции с масляным впрыском, водяной смазкой и сухим ходом

Покупатель, спрашивающий, являются ли винтовые компрессоры безмасляными, на самом деле интересуется, какой из этих трёх вариантов указан в коммерческом предложении. Ответ на этот вопрос должен содержаться в техническом паспорте, а не обсуждаться в ходе переговоров о продаже.

Что на самом деле означает термин «безмасляный» на практике

Термин «безмасляный» относится к камере сжатия, а не ко всей системе. Критерием оценки конечного результата является ISO 8573-1, в котором сжатый воздух классифицируется по содержанию частиц, воды и масла с помощью трёхзначного кода. Класс 0 не является фиксированным пороговым значением в стандарте: это класс, который совместно определяют поставщик и конечный пользователь, и он должен быть более строгим, чем класс 1. Это различие имеет значение при проведении аудитов, поскольку указание “класс 0” в брошюре не имеет никакого смысла без указания предельного значения и метода испытаний. Кроме того, безмасляный компрессор не гарантирует отсутствие масла в воздухе в точке использования, поскольку в окружающем воздухе уже присутствуют следы углеводородов, а трубопроводы, расположенные ниже по потоку, могут усугубить загрязнение.

Смазка с маслом или без масла: что лучше подходит для вашего технологического процесса?

Выбирайте безмасляные системы, если сжатый воздух соприкасается с продуктом, упаковкой, прибором или пациентом, либо если в технических требованиях указан класс, который оборудование с масляной смазкой не может обеспечить без применения сложной системы очистки. Выбирайте маслосмазываемое оборудование, когда сжатый воздух приводит в действие инструменты, цилиндры и приводы, а допустимый класс требований менее строгий, поскольку более низкие капитальные затраты и лучшая эффективность при полной нагрузке обычно перевешивают экономию на очистке.

Когда использование масляной смазки оправдано с коммерческой точки зрения

На предприятиях общепромышленного назначения, в цехах, на строительных площадках и в большинстве систем пневматической транспортировки нечувствительных материалов без проблем работают агрегаты с масляным впрыском, оснащенные коалесцирующим фильтром и холодильным осушителем. Экономическая выгода очевидна: меньшие капиталовложения на кубический фут в минуту, более широкий выбор типоразмеров и эффективность при полной нагрузке, с которой конструкции сухого типа с трудом могут сравниться, поскольку масляная пленка перекрывает пути утечки, которые воздух сам по себе не может устранить. Компромиссом является необходимость регулярной замены расходных материалов — масла, фильтров и сепараторных элементов, а также наличие остаточного масла в подаваемом воздухе, которое фильтрация никогда не удаляет полностью.

Когда отсутствие масла является обязательным условием

В производстве продуктов питания и напитков, фармацевтике, электронике, при использовании медицинских газов и стоматологического воздуха, а также в любых технологических процессах, где воздух соприкасается со стерильной поверхностью, как правило, недопустимо наличие масляных примесей в любой концентрации, поскольку риск заключается не столько в затратах на техническое обслуживание, сколько в потере партии продукции или нарушении нормативных требований. В таких условиях речь идет не об эффективности. Речь идет о том, сможет ли система подтвердить соответствие требованиям в день проведения аудита, что делает безмасляное сжатие на источнике более предпочтительным, чем фильтрация загрязнённого воздуха.

Цена чрезмерных требований к чистоте

Часто встречается и противоположная ошибка. Предприятие устанавливает требования к содержанию масла класса 1 для воздуха, используемого исключительно для привода цилиндров, а затем несет расходы на безмасляное сжатие, дополнительную сушку и более тщательную фильтрацию для поддержания уровня чистоты, который ничем не обусловлен. Классы чистоты определяются для каждого конкретного места использования, а не для всего объекта в целом, и на одном объекте зачастую требуется использование более чем одного типа компрессора.

Что лучше: ротационный или спиральный?

Ни один из этих типов не является лучшим в абсолютном выражении. Помповые компрессоры предпочтительнее в случаях, когда расход умеренный, режим работы прерывистый, а ограничивающим фактором является уровень шума или необходимость установки в помещении. Винтовые компрессоры предпочтительнее в случаях, когда расход высокий, режим работы непрерывный и одна установка должна поддерживать давление при изменяющейся нагрузке. Большинство споров разрешается, как только профиль нагрузки измеряется, а не оценивается приблизительно.

Начните с профиля нагрузки

Прежде чем сравнивать модели, зафиксируйте данные о нагрузке: пиковый и средний расход в кубических футах в минуту (CFM), количество смен в сутки, соотношение среднего и пикового расхода, а также частоту работы установки на нагрузке ниже половины номинальной. Установка с пиковым расходом 200 куб. футов в минуту и средним — 60 куб. футов в минуту сталкивается с проблемой работы на частичной нагрузке, а не с проблемой производительности, и решением может стать установка небольшого компрессора для регулирования нагрузки в дополнение к более крупной установке для базовой нагрузки. Добавьте план расширения в ту же запись, поскольку компрессор, рассчитанный на сегодняшние потребности без запаса мощности, станет предметом повторной покупки в течение трёх лет.

Сравнение совокупной стоимости владения за десять лет

Покупная цена редко является самой значительной суммой. Основную долю в затратах за весь срок эксплуатации занимает электроэнергия, и подробный Совокупная стоимость владения (TCO) безмасляного воздушного компрессора Согласно этой классификации, доля энергии обычно составляет примерно 70–80 процентов от общего объема. Справочник Министерства энергетики США по эксплуатационным характеристикам систем сжатого воздуха приходит к тому же выводу и показывает, как уровень давления, утечки и искусственный спрос завышают эту долю. Промоделируйте три сценария на основе фактического профиля нагрузки, а не номинальной мощности: годовой расход энергии при среднем расходе, расход материалов через заданные промежутки времени и стоимость резервной мощности. Спиральная установка с длительным интервалом технического обслуживания может выиграть по затратам на техническое обслуживание, но при этом проиграть по энергозатратам, если она работает непрерывно при частичной нагрузке.

Гибридные и многоблочные конфигурации

Эти технологии не являются взаимоисключающими, и на эффективных предприятиях их часто используют в сочетании. Типичная схема предусматривает использование более крупного винтового агрегата для обеспечения базовой нагрузки и небольшого спирального или винтового агрегата для покрытия низкого спроса без необходимости запуска и остановки основной установки. Параллельное подключение нескольких небольших агрегатов обеспечивает резервирование, недоступное при использовании одной большой установки, однако требует большей площади и более сложной схемы управления.

Техническое обслуживание и срок службы

В винтовых компрессорах мало изнашиваемых деталей, но их сложно отремонтировать, поэтому техническое обслуживание, как правило, проводится с большими интервалами и заключается в замене всего картриджа или всего агрегата. В винтовых компрессорах больше ремонтопригодных компонентов и установленный график замены расходных материалов, однако воздушный блок представляет собой прецизионный узел, срок службы которого зависит от состояния масла и рабочей температуры.

Профиль обслуживания прокрутки

Поскольку в конструкции отсутствуют клапаны, поршни и шатуны, плановое техническое обслуживание сводится к проверке впускных фильтров, охлаждающих поверхностей, состояния уплотнений на концах и осмотру подшипников с большими интервалами. Поскольку камера сухая, нет необходимости проводить анализ масла и заменять сепараторный элемент. Компенсатором является простота ремонта: как только рабочие поверхности спиралей или подшипники достигают предела износа, обычно предпочтительнее заменить картридж или агрегат целиком, а не проводить капитальный ремонт на месте.

Профиль обслуживания винтов

Винтовой компрессор с масляным впрыском имеет предсказуемый цикл замены расходных материалов: масло и масляный фильтр — через определённое количество часов, сепараторный элемент — с более длительным интервалом, воздушный фильтр — в зависимости от уровня запылённости окружающей среды, очистка охладителя — в зависимости от условий эксплуатации. Анализ масла — это самый недорогой способ раннего предупреждения, поскольку в пробе появляются лаковые отложения и повышенная кислотность задолго до того, как они вызовут срабатывание температурной сигнализации. Срок службы воздушного блока обычно составляет десятки тысяч часов при условии, что масло остается чистым.

Что на самом деле сокращает срок службы компрессора

Для обеих технологий характерны одни и те же четыре основных фактора: высокая температура окружающей среды или нагнетаемого воздуха приводит к износу смазочного материала и увеличению зазоров; частые циклы «запуск-остановка» создают нагрузку на подшипники и двигатели; чрезмерный перепад давления в фильтрах приводит к потере энергии и повышению температуры; а низкое качество всасываемого воздуха приводит к попаданию абразивной пыли и влаги в контур сжатия. Ни один из этих факторов не является неотъемлемой особенностью конкретного типа компрессора, и устранить все эти проблемы обходится дешевле, чем заменить оборудование.

Часто задаваемые вопросы

Может ли безмасляный спиральный компрессор работать непрерывно круглосуточно?

Многие промышленные спиральные агрегаты рассчитаны на непрерывную работу, однако непрерывная эксплуатация не устраняет необходимость технического обслуживания, а лишь изменяет расчетные показатели. Срок службы подшипников и износ уплотнений наконечников накапливаются с каждым часом работы, и при высокой нагрузке преимущество в стоимости по сравнению с винтовым агрегатом, рассчитанным на тот же средний расход, сокращается. Прежде чем принять решение, спрогнозируйте работу трехсменного предприятия с годовым наработкой 6 000 часов.

Является ли один большой компрессор более эффективным, чем несколько меньших?

Только в том случае, если крупная установка работает вблизи точки полной нагрузки. Несколько меньших установок, работающих последовательно, позволяют поддерживать более стабильный средний уровень частичной нагрузки, поскольку каждая из них работает ближе к зоне максимальной эффективности, а также обеспечивают резервирование, которого не может обеспечить отдельная установка. Взамен этого требуется больше площади, трубопроводов, контроллеров и увеличается количество сервисных работ в год.

Нужен ли мне резервный компрессор, если установка работает в одну смену?

Наличие резервного агрегата, как правило, оправдано в тех случаях, когда остановка оборудования приводит к полному прекращению производства, а не просто к его замедлению, и этот критерий не зависит от режима работы смен. На односменных предприятиях критически важные процессы, такие как нанесение покрытий, упаковка или испытания, часто продолжаются дольше, чем сама смена. Небольшой резервный агрегат, принимающий на себя критическую нагрузку, или арендованный агрегат по постоянному договору обычно обходится дешевле, чем простаивающий дубликат.