1. Konzept des Luftkompressors
Ein Luftkompressor ist die Hauptkomponente eines Luftversorgungssystems. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das mechanische Energie von einer Antriebsmaschine (normalerweise einem Elektromotor) in Gasdruckenergie umwandelt und als pneumatischer Generator für Druckluft dient.
Als eine Art Kraftmaschine reduziert ein Kompressor das Gasvolumen und erhöht den Druck, wodurch eine bestimmte Menge kinetischer Energie erzeugt wird, die als mechanische Leistung oder für andere Zwecke genutzt werden kann.
Das schematische Diagramm des Druckluftsystems ist unten dargestellt:
二、Klassifizierung von Luftkompressoren
1. Klassifizierung nach Definition:
1）Volumetrischer Luftkompressor: Reduziert das Gasvolumen und erhöht den Gasdruck.
Wandelt mechanische Energie in potentielle Energie um.
Kolbenkompressor: Das Arbeitsvolumen ändert sich periodisch, während die räumliche Position unverändert bleibt.
Rotationskompressor: Das Arbeitsvolumen ändert sich periodisch und die räumliche Position ändert sich.
2）Dynamischer Kompressor
Erhöht die Bewegungsgeschwindigkeit von Gasmolekülen, wandelt die kinetische Energie der Gasmoleküle in Gasdruckenergie um und erhöht dadurch den Druck des komprimierten Gases.
Kinetische Energie → Potenzielle Energie
Radialkompressor: Es handelt sich um eine Art Geschwindigkeitskompressor. In diesem Gerät gibt es ein oder mehrere rotierende Laufräder (die Schaufeln befinden sich normalerweise an den Seiten), die das Gas beschleunigen. Die Hauptströmung ist radial.
2. Klassifizierung nach Förderdruck
1）Gebläse: 0,01 ～ 0,1 MPa
2）Niederdruck: 0,2 ～ 1,0 MPa
3）Mitteldruck: 1 ～ 10 MPa
4）Hochdruck: 10 ～ 100 MPa
5）Ultrahochdruck: ＞ 100 MPa
3. Klassifizierung nach Verschiebung
Miniatur: ＜ 1 m³/min
Klein: 1 ～ 10 m³/min
Medium: 10 ～ 100 m³/min
Groß: ＞ 100 m³/min
4. Klassifizierung nach Kühlmethode
1）Luftgekühlt: Verwendet Luft als Kühlmedium und vervollständigt die Luftzirkulation mit einem eigenen Kühlventilator.
2）Wassergekühlt: Verwendet Wasser als Kühlmedium und ist mit einem speziellen Kühlturm oder einem speziellen Kühlwasserzirkulationssystem ausgestattet.
5. Klassifizierung nach Schmiermethode
1）Ölgeschmiert
A. Öleingespritzter Kompressor
B. Mikroölkompressor
2）Ölfrei geschmiert
A. Wassergeschmiert
B. Trockene Schraube
C. Ölfreier Kolben
D. Zentrifugal
3. Funktionsprinzip von Luftkompressoren
1. Kolbenluftkompressor
Wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt des Zylinders bewegt, vergrößert sich das Volumen im Zylinder und der Druck sinkt.
Wenn der Druck im Zylinder unter den äußeren Atmosphärendruck fällt, drückt Außenluft aufgrund der Druckdifferenz das Einlassventil gegen die Federspannung auf und gelangt in den Zylinder (das Auslassventil bleibt geschlossen).
Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, ist der Zylinder mit Luft gefüllt und sein Druck entspricht dem äußeren Atmosphärendruck. Aufgrund des Druckausgleichs schließt die Ventilfeder das Einlassventil und beendet den Einlasshub.
Während sich der Kolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt nach oben bewegt, werden sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile geschlossen und die Luft im Zylinder wird komprimiert.
Mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens verkleinert sich das Zylindervolumen kontinuierlich und der Druck der Druckluft steigt zunehmend an. Dies ist der Kompressionstakt.
Wenn der Druck des komprimierten Gases die kombinierte Kraft der Ventilfederspannung und des Drucks in der Auslassleitung übersteigt, öffnet sich das Auslassventil und Druckluft wird durch die Auslassleitung abgelassen, bis der Kolben den oberen Totpunkt erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt ist der größte Teil der Druckluft im Zylinder entladen, der Druck fällt stark ab und das Auslassventil schließt unter Federspannung. Dies ist der Entladehub.
Anschließend bewegt sich der Kolben wieder nach unten, saugt Frischluft an und startet den nächsten Zyklus.
Der Kolbenluftkompressor arbeitet in wiederholten Zyklen von Einlass, Kompression und Auslass.
Hinweis: Kolbenkompressoren im Niederdruckmarkt werden mittlerweile nach und nach durch Schraubenkompressoren ersetzt, sodass nur grundlegende Kenntnisse erforderlich sind.
Schraubenkompressoren werden in zwei Typen eingeteilt:
Doppelschnecken-Luftkompressoren und Einschnecken-Luftkompressoren.
1) Funktionsprinzip und Einführung des Doppelschrauben-Luftkompressors
Ein Doppelschrauben-Luftkompressor besteht aus einem Paar paralleler, ineinandergreifender männlicher und weiblicher Rotoren (oder Schrauben), die sich im Zylinder drehen.
Dadurch entstehen periodische Volumenänderungen in den Räumen zwischen den Rotornuten, so dass die Luft kontinuierlich axial von der Saugseite zur Druckseite gefördert wird.
Auf diese Weise werden die Ansaug-, Kompressions- und Auslassvorgänge des Schraubenluftkompressors abgeschlossen.
Der Lufteinlass und der Luftauslass befinden sich an gegenüberliegenden Enden des Kompressors.
Die Nuten des weiblichen Rotors und die Zähne des männlichen Rotors werden vom Hauptmotor zur Drehung angetrieben.
2) Funktionsprinzip und Einführung des Einschrauben-Luftkompressors
Ein Einschrauben-Luftkompressor zeichnet sich dadurch aus, dass er nur einen Schraubenrotor hat.
In der Praxis verfügt er jedoch über drei rotierende Wellen: einen Schraubenrotor und zwei Sternräder (Planetenräder) senkrecht zum Schraubenrotor. Als Mitglied der Familie der Schraubenluftkompressoren bietet der Einschnecken-Luftkompressor ähnliche Vorteile wie der Doppelschnecken-Luftkompressor. Allerdings hat er sich in der Industrie aufgrund mehrerer schwieriger technischer Probleme, die nach wie vor schwer zu lösen sind, nicht weit verbreitet.
A. Viele bewegliche Teile:
Der Einschrauben-Luftkompressor verfügt über drei rotierende Wellen.
Darüber hinaus ist die Steifigkeit des Schraubenrotors und der Sternräder (Planetenräder) sehr unterschiedlich, was zu einer ungleichmäßigen Verformung während des Betriebs führt. Dies macht es schwierig, einen genauen Eingriff zu gewährleisten, was zu einem geringen volumetrischen Wirkungsgrad führt. Bei handelsüblichen Einschneckenkompressoren bestehen die Sternräder aus nichtmetallischen Materialien mit geringer Verschleißfestigkeit. Bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb erhöht starker Verschleiß die interne Leckage, was nach einer Nutzungsdauer zu einem erheblichen Abfall der Durchflussrate führt. Typischerweise nach 3.000 to Nach ca. 4.000 Betriebsstunden sinkt die Durchflussmenge um durchschnittlich 5 bis 10 %. Daher weist der Einschrauben-Luftkompressor in industriellen Anwendungen eine sehr schlechte Wirtschaftlichkeit auf. Darüber hinaus verringern die ungleichmäßige Verformung und die schlechte Eingriffsgenauigkeit die mechanische Stabilität der gesamten Einheit, was zu hohen Ausfallraten und hohen Wartungsraten führt, was den Anwendungsbereich weiter einschränkt.
B. Das Material der Sternräder (Planetenräder) muss weiter verbessert werden.
Als eine der Kernkomponenten eines Einschneckenkompressors fungieren die Sternräder hauptsächlich als Dichtungen. Bei der Verwendung von Stahlsternrädern erfordern der große Wärmeausdehnungskoeffizient und das Ausdehnungsvolumen von Stahl einen relativ großen Abstand zwischen den Sternrädern und der Schraube. Dies führt nicht nur zu hoher Leckage und niedrigem Wirkungsgrad, sondern kann auch leicht zu Festfressen und größeren Ausfällen führen. Wenn Verbundwerkstoffe verwendet werden, können die oben genannten Probleme vermieden werden. Derzeitige Verbundwerkstoffe weisen jedoch eine geringe Festigkeit und eine schlechte Verschleißfestigkeit auf. Unter Scherkräften und mechanischer Reibung während des Betriebs verschleißen sie Dies führt zu erhöhter interner Leckage und verringerter Effizienz. Häufige Reparaturen erhöhen auch die Arbeitsbelastung des Wartungspersonals und die Wartungskosten. Ein Material mit hoher Festigkeit, geringer Ausdehnung und hoher Verschleißfestigkeit zu finden, ist zu einem weiteren großen Problem für Hersteller geworden. Angesichts der aktuellen Fortschritte in der Materialwissenschaft ist eine grundlegende Lösung jedoch kurzfristig unwahrscheinlich.
C. Das Schraubenprofil bedarf einer weiteren Optimierung. Aufgrund der beiden oben genannten Probleme und des Mangels an wirksamen Lösungen in absehbarer Zukunft ist die Förderung von Einschnecken-Luftkompressoren begrenzt. Daher haben Forschungseinrichtungen und große Hersteller von Luftkompressoren nicht viel in die Erforschung von Einschneckenprofilen investiert und es wurden keine nennenswerten Fortschritte erzielt kurzfristig.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Doppelschnecken-Luftkompressoren aus Sicht der aktuellen technologischen Entwicklung nicht nur technologisch fortschrittlich, sondern auch in der Praxis ausgereift sind.
3. Radialkompressor
Bei einem Radialkompressor dreht sich das Laufrad mit Schaufeln auf der Kompressorwelle.
In das Laufrad eintretendes Gas wird von den Schaufeln in Rotation versetzt, wodurch die kinetische Energie (Geschwindigkeit) und die statische Druckhöhe (Druck) zunimmt. Anschließend verlässt das Gas das Laufrad und tritt in den Diffusor ein, wo die Geschwindigkeit des Gases in Druck umgewandelt wird, wodurch der Druck weiter ansteigt. Das komprimierte Gas strömt durch die Biegung und den Rücklaufkanal und gelangt in das Laufrad der nächsten Stufe, wo es weiter komprimiert wird, bis der erforderliche Druck erreicht ist.
4. Luftkompressor vom Vortex-Typ
Ein Vortex-Luftkompressor besteht aus zwei Spiralen mit Doppelfunktionsgleichungsprofilen: einer umlaufenden Spirale und einer festen Spirale, die miteinander kämmen. Während des Ansaug-, Verdichtungs- und Auslassvorgangs ist die feste Spirale am Rahmen montiert, während die umlaufende Spirale von einer Exzenterwelle angetrieben und durch einen Antirotationsmechanismus eingeschränkt wird. Es führt eine Umlaufbewegung mit einem kleinen Radius um die Mitte des Basiskreises der festen Spirale aus. Das Gas wird durch den Luftfilter am Umfang der festen Spirale angesaugt. Während sich die Exzenterwelle dreht, wird das Gas in mehreren halbmondförmigen Kompressionskammern, die durch die ineinandergreifenden umlaufenden und feststehenden Spiralen gebildet werden, nach und nach komprimiert und dann kontinuierlich durch das axiale Loch im Mittelteil der feststehenden Spirale ausgestoßen.
5. Flügelzellenkompressor
Ein Rotor ist exzentrisch in der Kompressionskammer installiert. Auf dem Rotor befinden sich 4 bis 6 Flügel, die axial zur Rotormitte hin verschoben werden können. An der Unterseite der Flügel sind Federn angebracht, um die Flügel jederzeit in Kontakt mit der Kammer zu halten.