Автор: К. Ляйтнер (HOERBIGER VentilwerkeGmbH&Co KG).
Опубликовано в журнале Химическая техника №9/2014
Сжатый воздух играет существенную роль в самых различных технологических процессах. В повседневной жизни мы почти ежедневно сталкиваемся с изделиями, которые без него были бы немыслимы. Яркий пример — ПЭТ-тара, всем известные пластиковые бутылки из полиэтилентерефталата. Благодаря удобной форме и небольшой массе такие бутылки стали самой распространенной тарой для напитков. Это было бы невозможно без технологий, позволяющих производить сжатый воздух и работать с ним.
Сжатый воздух широко используется в тормозных системах автобусного и железнодорожного транспорта — он позволяет надежно и безопасно останавливать тяжелые машины и составы. А может быть, вы отправляетесь в круиз или отдыхаете на море? Именно сжатый воздух помогает запускать мощные дизельные двигатели круизных лайнеров и заправлять баллоны для дайвинга (баллоны для дайвинга инструктор наполняет как раз сжатым воздухом). Эти примеры (всего лишь несколько из практически бесконечного списка) красноречиво свидетельствуют, какое значение сжатый воздух имеет в современном мире. Но у всех подобных применений есть нечто общее: для них нужны надежные, безопасные и экологичные компрессоры и их компоненты.
Производство ПЭТ-тары
Для выдувания бутылок из так называемых преформ (заготовки из полиэтилентерефталата) используют трехи четырехступенчатые компрессоры с давлением нагнетания 3,5…4,6 МПа. Для массового производства ПЭТ-тары компрессор должен иметь достаточно большую производительность – до 6 000 м3/ч. В зависимости от условий эксплуатации в качестве первой ступени могут применяться и компрессоры объемного действия, например винтовые. На ступенях с более высоким давлением используют поршневые компрессоры.
Последняя ступень является особенно критичной для клапана с точки зрения срока его службы, так как именно здесь и давление, и температура наиболее высоки.
Компрессоры часто работают при неполной нагрузке, разогреваясь до температуры свыше 200°С. Поэтому большинство поршневых машин, применяемых для выдувания ПЭТ-тары, комплектуют клапанами со стальной пластиной. Клапаны с полимерными пластинами применяют редко и только в хорошо сбалансированных компрессорах при небольших (до 180°C) рабочих температурах.
Из-за строгих требований к чистоте воздуха цилиндры компрессоров должны работать без смазки.
Несомненно, для данного процесса необходимы прочные и эффективные клапаны, срок службы и эффективность которых самым непосредственным образом влияют на максимально достижимую производительность компрессора, а значит, и на объем производства ПЭТ-тары.
Пусковой воздух для судовых дизельных двигателей
Для пуска судовых дизельных двигателей большой мощности применяется сжатый воздух, подаваемый в цилиндры двигателя. Поршни под давлением 3 МПа начинают двигаться, разгоняя двигатель до рабочих оборотов. Пусковые компрессоры должны соответствовать крайне строгим требованиям надежности, так как отказ в открытом море может привести к катастрофе. Компактные двухили трехступенчатые поршневые компрессоры сжимают воздух, работая с частотой вращения до 1 800 об/мин. Конструкция цилиндров компрессора предусматривает работу со смазкой. Компоненты клапанов изготавливают из коррозионно-стойких материалов вследствие возможного контакта с морской водой.
Промышленный воздух
Промышленный воздух имеет широчайший диапазон применений — от транспортировки насыпных грузов (пневматическая подача цемента, гипса, песка и др.) до использования на предприятиях обрабатывающей промышленности. Здесь малые и средние компрессоры сжимают воздух до давления в 1 МПа. Число ступеней – одна, редко две. Достаточно часто встречается высокая частота вращения – до 1 800 об/мин. В зависимости от назначения компрессора цилиндры могут быть как со смазкой, так и без нее («сухими»). Клапаны компрессоров должны функционировать надежно, несмотря на большую частоту вращения, высокую температуру и возможное загрязнение воздуха инородными частицами.
Воздушные тормозные системы
Тормозные системы – еще одно, наряду с изготовлением ПЭТ-тары, применение сжатого воздуха, без которого повседневную жизнь было бы трудно представить.
Сжатый воздух обеспечивает, в частности, надежную остановку поездов и грузовых автомобилей. Выходного давления в 1 МПа достаточно для безотказного срабатывания тормоза. Сжатый воздух в подобных тормозных системах нагнетается в резервуар, после чего подается в пневматические контуры отдельных тормозов.
Необходимое давление в 1 МПа обеспечивается одноили двухступенчатыми компрессорами. Частота вращения – от средней до высокой (до 1 500 об/мин).
Цилиндры могут быть со смазкой или без нее («сухими»). Подобное применение предъявляет максимальные требования к надежности компрессора. При отказе компрессора во время движения необходима немедленная остановка поезда или грузовика по соображениям безопасности. Опыт показывает, что из компонентов компрессора наиболее высока вероятность отказа у клапана. Поэтому клапан должен иметь чрезвычайно прочную и надежную конструкцию.
Высокое давление
Все описанные выше применения компрессоров относятся к диапазону относительно низких давлений. Однако в некоторых случаях компрессоры должны нагнетать воздух до давления более 40 МПа. На рис. 1 приведены основные области применения воздушных компрессоров и соответствующие им диапазоны давления.
Широко известный пример компрессоров высокого давления – компрессоры для заполнения баллонов с дыхательной смесью для дайверов или пожарных. Для достижения требуемого давления (до 41,4 МПа) здесь необходимо целых 5 ступеней. Кроме высокого давления, особую сложность представляет необходимость применения цилиндров без смазки, поскольку это единственный способ гарантировать чистоту смеси и ее пригодность для дыхания. Поэтому и здесь нужны клапаны, обладающие высокой прочностью и исключительной устойчивостью против износа. Частота вращения компактных компрессоров, используемых для закачивания воздуха в баллоны, достигает 1 500 об/мин.
Высокого давления требуют и многие другие области применения компрессоров – от сейсмического анализа и разведки полезных ископаемых до заполнения баллонов оружия для пейнтбола.
Единая конструкция клапана для всех перечисленных и перспективных областей применений воздушных компрессоров
Кроме уже перечисленных технических трудностей, которые необходимо преодолеть конструкторам современных клапанов воздушных компрессоров, не стоит забывать об экономической стороне вопроса. Конкурентная обстановка на рынке промышленных воздушных компрессоров весьма динамична, поэтому важным фактором является стоимость компонентов, подлежащих замене по окончании их срока службы.
В начале 2013 г. компанией HOERBIGER на рынок был выведен клапан R N (рис. 2), который позволил совместить, казалось бы, несовместимое – соответствие всем техническим требованиям при наилучшем соотношении цены и производительности. Клапан R N пригоден для применения во всех перечисленных выше процессах – при малых и высоких давлениях, при низких и высоких расходах. Благодаря модульной конструкции это устройство с высокой степенью стандартизации без труда адаптируется к любым условиям работы компрессора. Как следствие, для клапанов данной серии не требуется много различных деталей, что позволяет свести к минимуму срок изготовления и цену.
Концепция, проверенная временем
Клапан RN основан на проверенной временем, доработанной и усовершенствованной технологии. Конструкция клапанов RN в зависимости от размера оптимизирована для различных конкретных областей применения. Для высоких давлений используется компактная конструкция, устойчивая к большим перепадам давления, действующим на седло клапана (см. рис. 1). Более крупные клапаны рассчитаны на низкое давление и максимальный расход. Для этих клапанов используется особая конструкция с демпферными пластинами и цилиндрическими пружинами, позволяющая продлить срок службы.
в том числе демпферные пластины и плоские пружины
Среди важнейших особенностей клапанов RN – малая высота подъема благодаря использованию демпферов из закаленной стали для клапанов малых и средних размеров (рис. 3), что позволяет сделать конструкцию максимально компактной. Поэтому клапан особенно хорошо подходит для процессов, где требуются высокая эффективность и максимальная производительность.
Благодаря применению стальных запорных пластин с направляющим рычагом клапан RN может быть использован как в цилиндрах со смазкой, так и в цилиндрах без смазки. В этой конструкции запорная пластина фиксируется в центре, а подъем клапана достигается за счет прогиба направляющего рычага. Тенденция к большему распространению компрессоров с цилиндрами без смазки в настоящее время наблюдается не только в процессах со специальными требованиями к чистоте воздуха, но и в других областях. Клапан RN может широко применяться в этих процессах.
Как правило, в клапане RN используются плоские пружины, испытанные и зарекомендовавшие себя как исключительно прочные. Однако в клапанах больших диаметров с высоким значением расхода надежное открытие и закрытие обеспечивают спиральные пружины. Для стабилизации клапанной пластины и снижения ударных нагрузок дополнительно применяются демпферные пластины.
Простая и надежная конструкция клапана дает возможность продолжительной эксплуатации в неизменных рабочих условиях. После достижения максимально допустимого износа клапаны подлежат замене новыми.
В то же время для клапанов больших размеров экономически целесообразно проводить вместо замены ремонт. Благодаря продуманной и удобной в обслуживании конструкции клапан быстро демонтируется и после восстановления возвращается на место.
Применений много – решение одно
Рынок промышленного воздуха и многочисленные применения воздушных компрессоров служат постоянными источниками новых вызовов для компрессорной отрасли. Европейский рынок в целом насыщен, поэтому поставщикам таких компонентов, как клапаны, от которых серьезно зависит производительность оборудования, приходится думать, как обеспечить высокое качество по привлекательной цене. Выполнить это условие позволяет высокий уровень стандартизации компрессоров и отдельных компонентов. Вместо бесчисленных дорогостоящих специальных вариантов, создаваемых индивидуально, остается одно интегрированное решение. Инновационные разработки, направленные на повышение эффективности и надежности, а также унификация, самым действенным образом способствуют успешному будущему поршневых компрессоров в секторе промышленного воздуха.
