Напомним еще раз кратко основные достоинства винтовых компрессоров:
- высокая надежность;
- длительный ресурс работы;
- возможность непрерывного круглосуточного функционирования;
- простота монтажа и подключения;
- сравнительно небольшие эксплуатационные затраты;
- наличие системы автоматического управления;
- низкий уровень шума;
- высокая чистота получаемого сжатого воздуха;
- низкий уровень энергозатрат на куб. метр произведенного воздуха.
Как же устроен винтовой компрессор?
Рис. 1,2 Устройство винтового компрессора
Воздух через всасывающий клапан (2) и воздушный фильтр (1) поступает в винтовую пару (3), которая является "сердцем" компрессора. Здесь он смешивается с маслом, циркулирующим по замкнутому контуру, и образовавшаяся воздушно-масляная смесь нагнетается с помощью винтового блока в пневмосистему. Разделение масла и воздуха происходит в сепараторе (8,9). Очищенный от масла воздух через охлаждающий радиатор (13) поступает на выход компрессора, а масло возвращается в винтовую пару. В зависимости от температуры оно проходит либо по малому кругу, либо по большому, через масляный радиатор (12). Регулировка осуществляется с помощью термостата (11). Винтовая пара приводится в движение электродвигателем (6), а автоматическое включение и выключение компрессора jсуществляется с помощью реле давления (16).
А теперь более подробно остановимся на составных частях компрессора, их назначении и устройстве.
Основой винтового компрессора является винтовая группа, ее конструкция хорошо видно на рис.3.
Рис. 3 Винтовой блок в разрезе
Рабочий элемент винтовой группы – это винтовая пара, состоящая из двух взаимносцепленных "червячных" роторов. Обычно, ведущий ротор выполнен как винт с четырехзаходной резьбой (витками), а ведомый с шестью (рис. 4).
Рис. 4 Схема работы винтового блока
Такое передаточное число считается оптимальным и сделано для того, чтобы уменьшить нагрузку на ведущий винт. Объем сжатия образуется между витками винтовой группы и корпусом (выделено жирной линией). Полный рабочий цикл сжатия осуществляется за один оборот ведущего винта. Из всего сказанного следует, что данная конструкция может работать только при условии очень точного прецизионного исполнения всех частей рабочего элемента (корпуса и двух взаимно подогнанных роторов).
Такое устройство принципиально отличается от поршневого компрессора, для которого характерно возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре, приводящее к повышенному нагреву и возникновению сильных вибраций. Именно поэтому использование промышленных поршневых компрессоров требует закладки массивного фундамента для компенсации вибраций и применения водяного охлаждения, то есть организации системы оборотного водоснабжения с громоздкими градирнями.
Особо следует остановиться на роли масла в винтовом компрессоре, которое выполняет сразу несколько функций:
- создание масляной пленки и обеспечение зазора между роторами винтовой группы;
- транспортировка воздуха;
- смазка подшипников рабочего элемента;
- отвод тепла.
Для обеспечения температурного режима, масло, циркулирующее в компрессоре, прокачивается через охлаждающий радиатор (12). Дело в том, что при очень высоких температурах, выше 110°С, оно теряет свою плотность, а это грозит заклиниванием роторов винтовой пары. В то же время, при низких температурах масло обладает излишней вязкостью, а, кроме того, холодная воздушно-масляная смесь может привести к образованию конденсата, что ухудшает качество воздуха на выходе компрессора. Для того чтобы температура масла как можно быстрее достигла рабочего значения, используется термостат (11). То есть, существует малый круг циркуляции масла, когда оно, минуя радиатор, возвращается в систему. По мере нагрева, включается большой круг циркуляции через радиатор. Открытие термостата наступает при достижении температуры масла около 70°С. Воздушно-масляный радиатор (12,13) является двухсекционным, комбинированным. Кроме охлаждения масла он служит и для охлаждения воздуха. Благодаря этому разница между температурой окружающей среды и температурой воздуха на выходе компрессора не превышает 7°С. Это позволяет обеспечить дальнейшую эффективную работу осушителя и всей системы подготовки воздуха.
Радиатор охлаждается проходящим через него потоком воздуха, который нагнетается внутрь компрессора вентилятором (14), установленным на валу электродвигателя (6). Все панели компрессора во время работы должны быть обязательно закрыты, именно так задается максимально эффективное направление движения воздуха, обеспечивающего отбор тепла, вырабатываемого во время сжатия. Возможно вторичное использование нагретого воздуха, например, для обогрева помещений в зимнее время. Из сказанного выше следует, что винтовая пара может работать только при условии, если она постоянно находится в воздушно-масляной смеси.
Возникающая при этом проблема отделения воздуха от масла решается с помощью следующих элементов
- маслосборный ресивер (8);
- маслоотделительный фильтр (9);
- устройство возврата масла.
Система отделения масла имеет три ступени очистки, что обеспечивает ее максимальную эффективность. В результате остаточное содержание масла в сжатом воздухе не превышает 3 мг/куб. м. На первом этапе отделение происходит за счет центробежных сил и силы тяжести. Воздушно-масляная смесь поступает из винтовой группы по соединительному шлангу в ресивер маслоотделителя (8). Ударяясь о стенки сосуда, более тяжелые частицы масла под воздействием силы тяжести и центробежных сил опускаются на дно. Для второй ступени механической очистки используется разделительная перегородка, расположенная в средине ресивера выше входного отверстия. Воздушно-масляная смесь, поднимаясь, проходит через отверстия в перегородке, на которой так же оседают частицы масла. Оконечным элементом внутренней очистки является фильтр маслоотделителя (9), представляющий собой обычный керамический фильтрующий элемент. Масло, которое задерживается фильтром, скапливается в специальном углублении и возвращается в винтовой блок через соединительную трубку. Для визуального контроля возврата масла в систему на прозрачной трубке сделано утолщение цилиндрической формы (19), Рис. 5. Важность этого элемента заключается в том, что он позволяет проверить эффективность работы маслоотделяющего фильтра, которая снижается при увеличении количества масла.
Маслосборный ресивер (8) снабжен предохранительным клапаном (10), который защищает его от превышения давления.
Очистка масла от загрязнения осуществляется с помощью масляного фильтра (7). Он предотвращает попадание твердых частиц на рабочие поверхности винтов и подшипников.
Перейдем к рассмотрению других функциональных элементов компрессора (Рис. 5).
Рис. 5 Функциональная схема винтового компрессора
Воздушный фильтр (1), устанавливаемый на входе компрессора, предназначен для очистки поступающего воздуха. Он защищает винтовую пару от попадания посторонних частиц и, таким образом, обеспечивает надежность и долговечность работы компрессора. Преждевременное засорение воздушного фильтра может быть причиной перегрева электродвигателя и включения системы аварийной остановки. Всасывающий клапан (2) служит для предотвращения выброса наружу сжатого воздуха и масла в момент остановки компрессора. Фактически это обычный подпружиненный пневматический клапан, который постоянно открыт при всасывании воздуха. Управление работой всасывающего клапана осуществляется с помощью устройства пневмоавтоматики – электропневматического клапана холостого хода (15). Задача этого устройства заключается в том, чтобы до момента остановки электродвигателя снизить давление внутри компрессора до 2,5 бар. Это позволяет избежать выбросов масла, обусловленных инерционностью всасывающего клапана и неприятных гидравлических ударов, возникающих при внезапной остановке компрессора. Клапан открывает канал, соединяющий через дроссельное отверстие область маслоотделительного фильтра с областью всасывания винтовой пары. Эффективное сечение дроссельного отверстия регулируется на заводе изготовителе так, чтобы в течение заданного времени давление в области всасывающего клапана снизилось до 2,5 Бар. При таком остаточном давлении в системе всасывающий клапан успеет закрыться и приводной двигатель можно выключить.
Еще одним устройством, обеспечивающим работу компрессора в режиме холостого хода, является клапан минимального давления (20). Он закрыт, пока давление внутри компрессора остается в пределах не более 4-5 бар (отсюда и название). Одновременно он выполняет роль обратного клапана, отделяя компрессор от пневмолинии при его остановке или работе на холостом ходу.
Реле давления (16) обеспечивает автоматический режим работы компрессора. При достижении давления в сети заданного максимального значения (например, 10 бар) оно подает сигнал на клапан холостого хода, который срабатывает и переводит компрессор на холостой ход. Когда давление падает до минимального (например, 8 бар), клапан холостого хода по сигналу с реле закрывается, и компрессор вновь начинает нагнетать воздух в пневмолинию. Если же компрессор уже перешел в режим ожидания, то подается сигнал на пуск электродвигателя.
Привод в движение винтовой группы осуществляется электродвигателем (6), посредством ременной передачи (4). Передаточное число, а, следовательно, и скорость вращения винтового блока задается размерами шкивов (5). Чем выше максимальное давление компрессора, тем ниже возможная скорость вращения винтовой группы, тем меньше производительность компрессора.
Система аварийной защиты состоит из двух независимых устройств.
Датчик термозащиты установлен на электродвигателе. При достижении предельных значений потребляемого тока реле срабатывает и двигатель отключается от сети.
Другой датчик установлен в винтовой паре в области выходного патрубка (18). Сигнал с датчика температуры поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и выдается на устройство индикации. Если температура на выходе винтовой пары превысит значение 105°С, защита срабатывает и двигатель выключается.
Однако даже такие установки для производства сжатого воздуха могут выйти из строя из-за перегрева. По каким причинам это может произойти?
По статистике компаний, специализирующихся на ремонте и техническом обслуживании компрессорной техники, наиболее частая причина перегревов компрессоров — банальное нарушение условий эксплуатации. Для того, чтобы компрессор нормально охлаждался, помещение, в котором он установлен, должно хорошо вентилироваться (требования к уровню вентиляции описаны в технической документации на модель). Кроме того, необходимо, чтобы компрессор не стоял впритык к стене и доступ воздуха к нему был со всех сторон (обычно рекомендуют оставлять не менее метра свободного пространства). На практике эти условия достаточно часто нарушаются. Недостаточная вентиляция (особенно в летний период, когда температура в помещении значительно возрастает), установка компрессора рядом со стеной, мебелью или оборудованием или даже просто захламление окружающего его пространства мешками, коробками, упаковочными материалами и т.д. способно нарушить нормальный теплообмен и привести к перегреву.
Часто винтовые компрессоры перегреваются еще по одной причине, связанной с недостаточно внимательным отношением к нормам эксплуатации: отсутствие необходимых технологических перерывов. Предельно допустимое время непрерывной работы указано в документации и, если не давать оборудованию «отдых», двигатель начнет перегреваться.
Количество и состояние масла — еще одна часто встречающаяся причина перегрева. Масло способствует отводу тепла и, если уровень его слишком низок или же масло слишком старое, отработавшее свой ресурс — теплообмен будет нарушен. Привести к такому эффекту может и чрезмерная загрязненность (внешняя или внутренняя) масляного радиатора.
Если перегрев винтового компрессора вызван одной из вышеперечисленных причин, избавиться от проблемы можно без дорогостоящего ремонта:
убедитесь, что помещение достаточно хорошо вентилируется, и доступ воздуха к корпусу есть со всех сторон;
проверьте уровень масла, если он слишком низок — долейте (важно использовать масло той же марки, смешивать разные масла недопустимо) или смените;
визуально оцените степень чистоты масляного радиатора, при необходимости проведите работы по очистке;
очистите или замените воздушный фильтр.
Если условия эксплуатации полностью соответствуют предписанным производителем, уровень масла и состояние фильтров в норме, но компрессор все-таки перегревается, это может быть вызвано целым рядом причин.
Так, перегрев может возникать в результате отказа термостата — в таком случае масло циркулирует только по «малому кругу», что не способно обеспечить достаточную степень охлаждения. Еще один вариант — износ винтовой пары. В таком случае винты начинают тереться друг о друга или же контактировать с другими деталями компрессора, что также вызывает перегрев устройства. Причиной может стать поломка релейной защиты, утечка из системы хладагента, выход из строя всасывающего клапана или клапана минимального давления и многие другие неисправности.
В таком случае необходимо приглашение специалистов по ремонту компрессорного оборудования: они проведут обследование состояния компрессора, выявят неисправности и устранят их. Эксплуатацию компрессора при этом надо прекратить: повышенные температуры могут привести к полному выходу устройства из строя. При перегреве смазка компрессора подгорает и в итоге не может в полной мере выполнять свою функцию — в итоге винтовая пара стремительно изнашивается, а в некоторых случаях ее может просто заклинить. Кроме того, продолжительные работы при слишком высоких температурах приводят к образованию внутри устройства нагара и копоти, а также растрескиванию рукавов, манжет и уплотнителей. Таким образом, если продолжать использовать перегревающийся компрессор — это скорее всего приведет к дорогостоящему ремонту либо вынужденному приобретению нового оборудования.
При перегревах компрессора вы можете обратиться в компанию «Компрессорофф», специализирующуюся на поставках, ремонте и техническом обслуживании компрессорного оборудования ведущих отечественных и зарубежных производителей. Опытные специалисты, хорошо знакомые с особенностями винтовых компрессоров, помогут устранить возникшие неисправности, а профессиональное сервисное обслуживание техники для производства сжатого воздуха поможет в дальнейшем свести риск поломки компрессора к минимуму.
Винтовые компрессорные агрегаты предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды 15…40 °С, относительной влажности воздуха до 80 % и температуре охлаждающей воды до 32 °С.
Температурный режим агрегатов с винтовыми компрессорами в значительной степени зависит от количества циркулирующего в его системе масла, температура которого перед пуском в работу должна быть не ниже 15 °С. Для подогрева масла используют электронагреватели, которые устанавливают в маслосборнике.
Масло можно подогреть циркуляцией его в системе агрегата.
В процессе работы винтового компрессорного агрегата масло отводит теплоту сжатия хладагента в компрессоре и передает ее воде, циркулирующей в маслоохладителе. Температура масла, поступающего в компрессор, должна быть в пределах 25…45°С. Для защиты агрегата от превышения температуры масла применяют термореле, отключающее компрессор при достижении маслом температуры (60 + 5) °С. Температура нагрева масла зависит от температуры и расхода воды, проходящей через маслоохладитель. Изменением расхода воды можно регулировать температуру масла после маслоохладителя.
Температура нагнетания компрессора не должна превышать 85 °С. Она, как правило, зависит от количества и температуры масла, проходящего через компрессор. Термореле, контролирующее температуру нагнетания, отключает компрессор при температуре (100±5) °С.
Регулирование режима работы агрегата производится за счет изменения расхода воды в маслоохладителе и расхода масла в компрессоре.
В некоторых схемах применяются водорегулирующие вентили, с помощью которых устанавливается определенный расход воды через маслоохладитель.
Расход масла в компрессоре регулируют дросселирующим клапаном (см. рис. 28).
Рассмотренные параметры предусматривают нормальное заполнение хладагентом испарительной системы. Об этом свидетельствует разность температур всасывания и кипения хладагента в пределах 5…15°С.
При большем перегреве пара на всасывании компрессора увеличивается и температура нагнетания, если расход масла через компрессор не меняется.
При меньшем перегреве пара или его отсутствии компрессор начинает работать в режиме «влажного хода». Этот режим менее опасен для винтовых компрессоров, чем для поршневых, но также крайне нежелателен, так как при попадании в парную полость большого количества жидкого хладагента возможно заклинивание роторов и разрушение подшипников.
В случае если винтовые компрессорные агрегаты эксплуатируются с охлаждением масла жидким аммиаком, это приводит к увеличению его вязкости, что существенно увеличивает силы трения. При этом возрастает нагрузка на электродвигатель и повышается уровень шума компрессора. Увеличение вязкости масла приводит к задиру рабочих поверхностей винтов.
В хладоновом агрегате при работе во «влажном ходе» не происходит увеличения вязкости масла, однако вспенивание маслохладонового раствора в маслосборнике приводит к срыву масляного насоса.
При установке звукоизолирующих кожухов температура выходящего из кожуха воздуха не должна превышать 45 °С.