Сжатый воздух — это ресурс, который на большинстве предприятий считают бесплатным до тех пор, пока не будет бракован партия продукции. Масляный аэрозоль, незаметный на манометре, может испортить линию по производству пищевых продуктов, загрязнить стерильную зону розлива или испортить вафлю, и именно этот риск побуждает всё больше покупателей переходить на безмасляные компрессоры.
Безмасляный винтовой воздушный компрессор сжимает воздух между двумя зацепляющимися спиральными роторами, которые никогда не соприкасаются друг с другом или с корпусом, поэтому в камере сжатия не требуется масло для смазки поверхностей или уплотнения зазоров. Точно обработанные зазоры, пара зубчатых колес синхронизации и покрытия роторов, позволяющие работать в сухом режиме, обеспечивают синхронизацию роторов и ограничивают утечки. Поскольку сухой элемент выдерживает коэффициент давления лишь около 3,5, воздух сжимается в два этапа с промежуточным охладителем между ними, затем подвергается последующему охлаждению и выпускается в виде безмасляного воздуха.
В приведенных ниже разделах прослеживается путь воздуха от впускного фильтра до выпускного фланца, а затем рассматривается стоимость такой конструкции.
Являются ли ротационные винтовые воздушные компрессоры безмасляными?
Нет, не по умолчанию. Роторно-винтовая конструкция — это архитектура агрегата, а не класс чистоты. Одинаковая двухроторная геометрия используется как в версиях с впрыском масла, так и в безмасляных, а разница заключается в том, впрыскивается ли смазочное масло в камеру сжатия. Термин «безмасляный» описывает место хранения масла, а не то, содержится ли масло в агрегате вообще.
В компрессоре с масляным впрыском масло, распыляемое в зону зацепления роторов, уплотняет зазоры, отводит тепло, выделяющееся при сжатии, и смазывает подшипники, благодаря чему давление в одной ступени достигает 7–13 бар при температуре примерно 80 °C.
Где нефть по-прежнему работает
Масло по-прежнему смазывает зубчатые колеса системы синхронизации, подшипники валов и приводной редуктор, которые изолированы от воздушного потока с помощью лабиринтных уплотнений и углеродных колец, а также — во многих конструкциях — с помощью системы подачи барьерного воздуха, создающей небольшое избыточное давление в направлении масляного поддона. Поэтому утечки направляются наружу, а не в камеру. Исчезают сепараторный элемент, унос и маслянистый конденсат.
Три способа изготовления безмасляного винтового компрессора
| Design | Что заполняет пробелы | Ступени до 7–8 бар | Выписка на 1-м этапе |
| Сухой винт, бесконтактный | Небольшие зазоры и покрытие | Два | от 160 до 180 °C |
| Винт с водяной смазкой | Подача воды | Один или два | от 70 до 90 °C |
| Фильтры «Oil-injected plus» | Масло, затем фильтрация | Один | Около 80 °C |
Впрыск воды вместо масла восстанавливает герметичность и охлаждение, а также позволяет повысить степень сжатия на каждой ступени, однако при этом возникает необходимость в установке контура очистки и появляется риск размножения бактерий.
Процесс сжатия, этап за этапом
Очищенный атмосферный воздух поступает в пару роторов первой ступени, сжимается до давления примерно 2–2,5 бар и нагревается до 160–180 °C, проходит через промежуточный охладитель, который снижает его температуру до 25–30 °C и удаляет конденсат, затем поступает в пару роторов второй ступени, где давление повышается до конечного значения 7–13 бар, после чего воздух снова охлаждается в доохладителе.
Впуск и первая ступень
Воздух проходит через впускной фильтр, рассчитанный на улавливание частиц размером в несколько микрон, и разгрузочный клапан, который переключает агрегат между режимами с нагрузкой и без нагрузки. Поскольку в первой ступени отсутствует масляная пленка, поглощающая тепло, она нагревается гораздо сильнее, чем аналогичная ступень со смазкой, поэтому её корпус охлаждается с помощью водяных рубашек или внешнего потока масла или воздуха.
Промежуточное охлаждение и удаление влаги
Охлаждение между ступенями снижает нагрузку на вторую ступень, защищает элемент высокого давления и обеспечивает конденсацию значительной части водяного пара на входе, который улавливается сепаратором, расположенным ниже по потоку.
Вторая ступень, послеохлаждение и нагнетание
Элемент высокого давления доводит охлажденный воздух до конечного давления, после чего гаситель пульсаций сглаживает импульс нагнетания, а обратный клапан предотвращает обратный поток при остановке. В послеохладителе температура воздуха повышается примерно на 25 °C по сравнению с температурой охлаждающей среды, после чего воздух поступает в осушитель и фильтры, поскольку понятие «бесмасляное сжатие» не касается содержания воды или твердых частиц.
| Точка на пути | Давление | Температура | Что происходит |
| Выписка на 1-м этапе | от 2 до 2,5 бар | от 160 до 180 °C | Первое сжатие |
| Выход промежуточного охладителя | Немного ниже | от 25 до 30 °C | Отвод тепла, отделение конденсата |
| Выписка на 2-м этапе | от 7 до 13 бар | от 140 до 175 °C | Окончательное сжатие |
Почему два этапа, а не один?
Поскольку в сухом винтовом элементе отсутствует масляная пленка, уплотняющая зазоры и отводящая тепло, его степень сжатия ограничена примерно значением 3,5 на каждую ступень. Сжатие непосредственно до 7 бар за одну «сухую» ступень привело бы к превышению температур ротора и корпуса за пределы, допустимые для зазоров и покрытий, поэтому два элемента размещены последовательно с промежуточным охладителем между ними.
Коэффициент давления равен отношению абсолютного давления на выходе к абсолютному давлению на входе. Элемент с масляным уплотнением обеспечивает коэффициент около 13 за один ступень; сухой элемент — около 3,5. Распределение нагрузки также позволяет экономить энергию, поскольку охлаждение воздуха до температуры, близкой к температуре окружающей среды, между ступенями приближает процесс к изотермическому сжатию.
Причина неисправности носит механический характер: два элемента, коробка передач, приводящая в движение оба элемента от одного двигателя, более жесткие допуски и увеличенные габариты. Ступени также должны быть согласованы, поскольку всё, что подаёт первая ступень, должна принять вторая, а износ покрытия проявляется в виде колебаний межступенчатого давления задолго до того, как это приведёт к отказу.
Внутри компрессорного блока: роторы, зубчатые колеса синхронизации и зазоры
Ротор «мужского» типа с выпуклыми выступками приводит в движение ротор «женского» типа с соответствующими канавками, которые вращаются в противоположных направлениях внутри плотно прилегающего корпуса. Пара зубчатых колес синхронизации на конце вала обеспечивает их синхронность, благодаря чему выступы проходят друг мимо друга с зазором, измеряемым в сотых долях миллиметра, и именно этот зазор в сочетании с покрытием ротора контролирует внутреннюю утечку.
По мере вращения роторов зазор между лопастями и корпусом сужается, в результате чего запертый объём воздуха перемещается в осевом направлении и сжимается в сторону выпускного отверстия. Именно эта геометрия определяет ротационный винтовой компрессорный блок эффективность — больше, чем любой другой фактор.
Профиль ротора и обработка поверхности
Поскольку роторы никогда не соприкасаются, их поверхности покрыты PTFE, покрытиями на основе молибдена или алмазоподобного углерода, что позволяет снизить трение при кратковременном контакте и защитить основной металл от коррозии.
Зубчатые колеса распределительного вала, подшипники и уплотнения вала
Зубчатые колеса необходимы, поскольку роторы не должны приводить друг друга в движение. В элементе с масляным смазыванием масляная пленка позволяет «мужскому» ротору толкать «женский», но сухой элемент при таком контакте вышел бы из строя за считанные секунды. Все подшипники расположены со стороны вала, защищенной уплотнениями от масла.
Контуры охлаждения и рекуперация тепла
Безмасляный винтовой компрессор имеет два отдельных контура охлаждения. Вода или воздух отводят тепло от сжатого воздуха в промежуточном и конечных охладителях, а также от корпусов элементов, в то время как небольшой масляный контур обеспечивает охлаждение и смазку зубчатых колес и подшипников. Эти два контура никогда не смешиваются, и именно благодаря такому разделению воздух остается безмасляным.
В агрегатах с водяным охлаждением контур часто разделяется: один контур обслуживает элемент низкого давления и промежуточный охладитель, а другой — элемент высокого давления и доохладитель.
Поскольку практически вся мощность вала преобразуется в тепло, от 70 до 90 процентов этой мощности зачастую можно рекуперировать в виде горячей воды температурой от 60 до 90 °C для промывки оборудования или в качестве питательной воды для котлов.
Что на самом деле гарантирует термин “безмасляный” в соответствии со стандартом ISO 8573-1
Это гарантирует, что смазочное вещество не попадает в камеру сжатия, а сертифицированный «сухой» агрегат может быть проверен на соответствие классу 0 по содержанию масла в условиях ISO 8573-1, международный стандарт чистоты сжатого воздуха. Он не гарантирует, что воздух, поступающий в вашу технологическую линию, будет чистым, поскольку вода, твердые частицы и газообразные примеси относятся к разным классам в рамках одного и того же стандарта.
| Класс нефти | Общее содержание масла | Типичный источник |
| Класс 0 | Устанавливается пользователем и поставщиком; ниже класса 1 | Сертифицированная безмасляная компрессия |
| Класс 1 | 0,01 мг/м³ или менее | Безмасляные или с масляным впрыском и полной фильтрацией |
| 2-й класс | 0,1 мг/м³ или менее | С масляным впрыском и коалесцирующими фильтрами |
| 3-й класс | 1 мг/м³ или менее | С масляным впрыском, базовая фильтрация |
| 4-й класс | 5 мг/м³ или менее | Компрессор без фильтра с смазкой |
С коммерческой точки зрения важное значение имеет различие между «безмасляными» и «технически безмасляными» компрессорами: последние представляют собой компрессоры с масляным впрыском, оснащенные коалесцирующими и угольными фильтрами, которые в идеальных условиях могут достигать класса 1. Эффективность фильтров снижается с течением времени, а выход из строя сепаратора приводит к попаданию масляного сгустка в последующие участки системы в течение нескольких минут.
Где применяются безмасляные винтовые компрессоры
Они применяются везде, где сжатый воздух соприкасается с продуктом, упаковкой, медицинским изделием или дыханием человека — там, где появление даже одной капли масляного аэрозоля приводит к браку всей партии, а не просто к неудобствам при техническом обслуживании.
| Промышленность | Типичные служебные обязанности | Что определяет выбор |
| Продукты питания и напитки | Аэрация с прямым контактом, выдувное формование ПЭТ | Гигиенические нормы и риск отзыва продукции |
| Фармацевтическая | Воздух для ферментации, нанесение покрытий, чистые помещения | Соответствие требованиям GMP и подтвержденная чистота |
| Электроника | Воздух в чистых помещениях, работа с пластинками, сборка | Предельные значения содержания твердых частиц и масла в точке использования |
| Медицинские и стоматологические услуги | Воздух для дыхания, стерилизаторы, воздух для инструментов | Нормативы по содержанию масла |
Недостатки безмасляных ротационных винтовых воздушных компрессоров
К основным недостаткам относятся более высокая стоимость, несколько более высокое энергопотребление на кубический метр воздуха, повышенная чувствительность к запыленности на входе и к качеству охлаждения, а также более дорогостоящий ремонт в случае выхода из строя нагревательного элемента или редуктора.
При одинаковой мощности двигателя цена покупки, как правило, на 30–60 процентов выше, чем у агрегатов с масляным впрыском, а удельная мощность при том же давлении обычно на 3–8 процентов выше. Капитальный ремонт компрессорного блока требует услуг специалистов, а производительность при частичной нагрузке остается конкурентоспособной только при использовании системы регулирования скорости вращения.
Безмасляные или масляные: что лучше?
В теории ни один из этих вариантов не лучше другого. Если воздух никогда не соприкасается с продуктом или человеком, то воздушный компрессор с масляной смазкой как правило, обеспечивают тот же расход при меньших капиталовложениях и меньшем энергопотреблении. Если воздух всё же соприкасается с продуктом, то затраты на фильтрацию, мониторинг и риск загрязнения при использовании смазываемого контура обычно превышают надбавку за безмасляную технологию.
| Фактор принятия решения | Предпочтительны средства без масла | Предпочтительны модели с масляным впрыском |
| Воздух вступает в контакт с продуктом или пациентом | Да | Нет |
| Риски, связанные с аудитом или сертификацией | Высокий | Низкий |
| Годовой наработ | От низкого до умеренного | Очень высокий, с преобладанием энергии |
Затраты на электроэнергию, как правило, составляют наибольшую долю в стоимости жизненного цикла компрессора, поэтому разница в КПД от трех до восьми процентов становится существенной при большом наработке. Это говорит в пользу сравнения совокупных затрат за десять лет, а не только цены по прейскуранту. В линейке безмасляных компрессоров, а одноступенчатый против двухступенчатого Сравнение имеет не меньшее значение, поскольку двухступенчатая установка окупает свою дополнительную стоимость только при непрерывной работе.
Примечания по техническому обслуживанию и техническим характеристикам
В ходе технического обслуживания основное внимание переносится с замены масла на поддержание чистоты воздушных каналов. Состояние впускного фильтра, чистота охладителя, целостность уплотнения вала, состояние масла в редукторе и динамика межступенчатого давления — вот пять факторов, от которых зависит, достигнет ли безмасляный элемент своего расчетного срока службы.
- Заменяйте впускные элементы исходя из показателей перепада давления, а не только в соответствии с календарным интервалом.
- Очищайте промежуточный охладитель и доохладитель в соответствии с графиком, а в запыленных условиях — чаще.
- При увеличении расхода масла в коробке передач следует проверять герметичность воздушного барьера и уплотнений.
При выборе оборудования уточняйте расход при фактическом давлении, а не номинальное значение, и запрашивайте данные, полученные в соответствии со стандартами приемочных испытаний, опубликованными Ассоциация предприятий по производству сжатого воздуха.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли эксплуатировать безмасляный воздушный компрессор в горизонтальном положении?
Нет, если речь идет о винтовом компрессоре. Компрессорный блок, редуктор и масляный поддон должны быть установлены в горизонтальном положении, поскольку наклон агрегата приводит к недостаточному смазыванию подшипников и может вызвать попадание масла в воздушную часть. Небольшие портативные безмасляные агрегаты иногда изготавливаются так, что могут работать в любом положении, но эту конструктивную особенность необходимо уточнить для конкретной модели.
Каков срок службы безмасляного винтового элемента?
При чистом входящем воздухе, надлежащем охлаждении и стабильной температуре сухой элемент обычно работает от 40 000 до 60 000 часов, прежде чем накопление нагара и износ деталей приведут к заметному снижению расхода и эффективности. Частые запуски в горячем состоянии и повторяющиеся отключения из-за перегрева могут сократить этот срок вдвое.
Может ли безмасляный винтовой компрессор работать при высоких температурах окружающей среды?
Это возможно, но для этого необходимо выбрать соответствующий комплект. Мощность на выходе снижается по мере повышения температуры на входе и уменьшения теплового запаса двигателя, поэтому агрегат, рассчитанный на температуру 25 °C согласно техническим характеристикам, не сможет обеспечить необходимый приток воздуха в техническом помещении с температурой 45 °C.
