Бутални компресори

Буталните компресори са сред най-широко използваните видове компресори. Характеризират се с проста и компактна конструкция, висока ефективност на сгъстителния процес и сравнително ниска цена. Характерна тяхна особеност е преобразуването на въртеливото движение на двигателя във възвратно-постъпателно движение на буталото. Подходящи са за сгъстяване на газове и газови смеси в широк диапазон на плътности.

Съществува голямо разнообразие от конструкции, схемни решения, видове бутални компресори. Те могат да бъдат едностъпално или многостъпално изпълнение. Охлаждането може да бъде водно или въздушно. Степента на сгъстяване на едно стъпало е от 1,1 до 5, но най-често е около 3, с оглед ограничаване на изходящата температура на газа до максимум 150 °С. Произвеждат се и безмаслени бутални компресори.

Буталните компресори са сред най-често използваните машини в случаите, когато е необходимо да се постигнат сравнително малки производителности, обикновено до около 400 m3/h, при произволно голямо налягане.

От гледна точка на енергийните разходи, буталните компресори са с по-добри характеристики в сравнение с другите видове компресори. Те обаче им отстъпват по отношение на габаритни размери, металоемкост, експлоатационни разходи, ремонтопригодност и междуремонтен период.

Възможности за задвижване
За задвижване на буталните компресори се използват основно електродвигатели и двигатели с вътрешно горене. Възможно е и използването на парна турбина. При компресорите със сравнително малка мощност предпочитани са асинхронните двигатели. При мощности в диапазона от 100 до 1000 kW за подходящо се счита използването на асинхронни и синхронни машини, но предпочитани са синхронните машини.

За задвижване на големите опозитни компресори обикновено се използват специални синхронни високооборотни двигатели с мощност до 6000 kW. При мощност на задвижването до 200 kW за целесъобразно се счита използването на фланцови двигатели, статорът на които се закрепва посредством фланец към корпуса на компресора, а роторът се присъединява към удължения край на коляновия вал.

Предимствата на подобно изпълнение са опростяване на конструкцията на електродвигателя и облекченият монтаж. Статорът на електродвигателя при компресорите с голяма мощност може да се монтира на обща с компресора фундаментна плоча или на отделна. В първия случай се използва твърд съединител.

Във втория случай се използва предимно еластичен съединител. Ако е необходимо, частта на съединителя към страната на компресора се конструира и като маховик. При честота на въртене на компресора по-малка от тази на двигателя връзката се осъществява чрез клиноремъчна предавка, като ремъчната шайба към двигателя може да изпълнява функцията на маховик.

Регулиране на производителността
Както всяка обемна машина, буталният компресор при постоянна честота на въртене реализира практически постоянен обемен дебит на засмукване, независещ от налягането в системата. За изравняване на краткотрайните несъответствия между производителността на компресора и разхода на газ се използват акумулиращи обеми. В случаите, при които консумацията е непостоянна, се налага регулиране на производителността, като е добре да се има предвид, че начинът на регулиране оказва съществено влияние върху енергийната ефективност на системата.

За регулирането на производителността се използват няколко основни метода – периодично спиране на компресора, промяна на честотата на въртене, дроселиране и байпасиране.
Периодичното спиране на компресора се осъществява посредством спиране на двигателя или чрез отсъединяване на компресора, при което се прекъсва дебитът. Този метод е икономичен, но оказва негативно влияние върху двигателя и компресора, като допринася за тяхното износване. Прилага се предимно при по-малки машини.

Регулирането чрез промяна на честотата на въртене се счита за много подходящо решение и често се приема като добра алтернатива на всички останали методи.
Дроселиране в смукателната страна (дроселиране на входа) води до увеличаване на хидравличното съпротивление на входа, намалява налягането на засмукване, от което следва намаляване на плътността на газа и дебита.

Частичното или пълно дроселиране може да се осъществи ръчно, чрез подходяща арматура (например шибър), монтирана пред смукателния отвор на компресора. Използват се и специални регулатори, които се задействат от налягането в нагнетателния тръбопровод.

При достигане на предварително зададено максимално налягане се задвижва дроселен елемент, който притваря смукателния отвор до достигане на абсолютно налягане около 0,15 bar, а същевременно компресорът се отсъединява от нагнетателния тръбопровод чрез автоматичен възвратен клапан. Добре е да се има предвид, че при регулиране чрез дроселиране на входа не трябва да се надхвърля максималната степен на сгъстяване, което може да доведе до механични повреди и прегряване.

Байпасирането представлява прехвърляне на газ от нагнетателния в смукателния тръбопровод със съединителен тръбопровод и съответен регулиращ елемент. Необходимо е в системата да се предвиди и допълнителен охладител за връщания газ. Всъщност това прехвърляне се използва за скъпи и отровни газове, докато въздухът обикновено се изпуска направо в атмосферата. Тъй като този метод се счита за най-неикономичния, се препоръчва той да се използва предимно като допълнително или запасно средство и за фина донастройка на дебита.

Специфични методи за регулиране
Разгледаните дотук методи са независими от конструкцията на машината и на практика могат и се прилагат за всички видове компресори – бутални, ротационни и т. н. Другата група методи са специфични и изискват конструктивни изменения и допълнения на буталния компресор.

Един от широко използваните способи за регулиране на буталните компресори е връщане, частично или пълно, на газа от цилиндъра към смукателната камера, като по време на нагнетателния ход се осъществява принудително отваряне и задържане на смукателните клапани или на отделен допълнителен регулиращ клапан. При пълно отваряне на смукателните клапани дебитът става нула и компресорът се разтоварва напълно.

Ако компресорът има няколко смукателни клапана, поне половината се оборудват с механизъм за принудително отваряне. Частичното отваряне на клапаните не е подходящо, защото вследствие на дроселирането на газа се получава значителна загуба на енергия. Освен това, поради значителната разлика в наляганията от двете страни на полуотворения клапан, е възможна деформация на конструкцията.

Най-съвременната разновидност на метода е пълното отваряне и задържане на смукателните клапани само на част от нагнетателния ход. Сгъстяването на газа се осъществява в останалата част от хода, след като смукателните клапани се затворят. Чрез изместване на момента на затваряне на клапаните се реализира плавно и икономично регулиране, тъй като работата намалява почти пропорционално на дебита.

Съществуват различни конструкции на устройствата за отваряне на клапаните, като задвижването може да е ръчно, пневматично, хидравлично, електромагнитно. Много често отварянето на клапаните се управлява от налягането в ресивера.

Друг метод за регулиране е чрез промяна на мъртвото пространство. Той се осъществява посредством свързване на допълнителен обем към мъртвото пространство на цилиндъра.
Сред използваните методи е и регулирането чрез изменение на хода на буталото. При промяна на хода, от една страна, директно се изменя дебитът на компресора, а от друга - се изменя мъртвото пространство, което също влияе върху дебита.

Изменението на хода на буталото се извършва чрез промяна на радиуса на оста, по която е свързана мотовилката към коляновия вал. Механизмът за регулиране се оказва доста сложен и скъп, което ограничава приложението на метода.

Мазилни системи на бутални компресори
Мазане на цилиндрите. Маслото, постъпващо за мазане в цилиндрите, образува тънък филм, част от който непрекъснато се отнася с нагретия при сгъстяването газ. Поради високата температура маслото трябва да притежава необходимите качества - висока температура на възпламеняване и подходящ вискозитет.

При вертикалните компресори, където триенето се определя само от повърхностното налягане между буталните уплътнителни пръстени и цилиндъра, трябва да се използва масло с по-малък вискозитет, а при хоризонталните компресори, където се добавя и теглото на буталото, трябва да се използва масло с по-голям вискозитет.

Колкото са по-високи температурата, налягането и скоростта на движение на буталото, толкова по-голям трябва да бъде и вискозитетът. Температурата на възпламеняване на маслата за мазане на цилиндрите трябва да е по-висока с 40 до 50 0С от максималната температура на газа, която е около 150 0С.

Подаването на маслото в цилиндрите на кръстоглавите компресори се извършва под налягане с многоцилиндрова плунжерна помпа (лубрикатор). При безкръстоглавите компресори цилиндрите се мажат чрез разплискване на маслото, намиращо се в картера на компресора.

Мазане на коляно-мотовилковия механизъм. Мазането на основните и мотовилковите лагери на коляновия вал, както и направляващите на кръстоглава, има съществено влияние върху дълготрайността на тези елементи и общия к. п. д. на компресора. Нарушеното им мазане води до тежки аварии. Най-широко при буталните компресори се използва циркулационна система на мазане със зъбна помпа.

Помпата засмуква масло от картера и го нагнетява до съответните места за мазане. Подаваното масло трябва да има необходимото налягане, подходящ вискозитет и да е очистено от механични примеси. Маслото служи и за охлаждане на триещите се повърхнини, затова в циркулационната система за мазане често се включва и кожухотръбен охладител с водно охлаждане. Зъбната помпа се задвижва от коляновия вал на компресора или от отделен електродвигател.

В някои приложения (медицина, фармация, електроника, хранително-вкусова промишленост и др.) не се допуска наличието на масло в сгъстения газ. За подобни цели са разработени безмаслени бутални компресори. Използват се основно два типа. Единият не се отличава конструктивно от обикновените компресори, с тази разлика, че буталните пръстени са изработени от тефлон.

Това е материал с много нисък коефициент на триене и висока износоустойчивост, при работни температури до +200 °С. Освен това са взети конструктивни мерки по отношение на кръстоглава и връзката му с буталото, така че да се минимизира страничното натоварване, предавано от буталото към стените на цилиндъра. Другият тип са наречени лабиринтни бутални компресори.