Использование сжатого воздуха

ЧАСТЬ 1

Теоретические основы сжатия воздуха.

Краткая история развития компрессоров.

Но что представляет собой сжатый воздух?

Уравнение состояния идеального газа

Что такое давление?

Единицы измерения

Производство сжатого воздуха.

Типы компрессоров

1.2. Поршневые компрессоры

1.3 Винтовые компрессоры

Маслозаполненные винтовые компрессоры

Рекуперация тепла

Безмасляные компрессоры

Винтовые компрессоры сухого сжатия

Водозаполненные винтовые компрессоры

Дизельные винтовые компрессоры

1.4. Описание турбокомпрессора и элементов конструкции

2. Организация сжатия воздуха.

2.1 Классификация по степени сжатия и области применения.

2.2 Организация управления компрессором.

Блок управления пуском/остановкой

Блок управления нагрузкой

Блок управления задержкой холостого хода

Применение блоков управления на практике

Блоки управления для многоагрегатных систем

Удаленное (дистанционное) управление воздушными компрессорами.

Plant Control V – Визуализация

Plant Control T - Телемониторинг

2.3 Звукоизоляция.

Уровень акустической мощности звука

Уровень звукового давления

3.1. Осушение сжатого воздуха

Рефрижераторный осушитель

Адсорбционный осушитель

Выбор адсорбционного осушителя

Точка росы под давлением

Температура сжатого воздуха на входе в осушитель

3.2. Основные правила выбора подходящего типа адсорбционного осушителя

Адсорбционные осушители с холодной регенерацией

Адсорбционные осушители с горячей регенерацией

Основные правила корректного выбора блоков управления

Размещение осушителя

3.3. Фильтрация сжатого воздуха

3.4. Как собрать все компоненты вместе?

3.5. Этап проектирования 3, решения 2 и 3, критерии: качество и безопасность

3.6. Компрессорное помещение

Правила установки компрессора и характеристики компрессорного помещения

Вентиляция и аэрация компрессорного помещения

Естественная аэрация с закрывающейся заслонкой

Естественная аэрация с рекуперацией тёплого воздуха

Использование аэрационных воздуховодов для обогрева помещения тёплым воздухом

Искусственная аэрация в качестве воздуховодной вентиляции

Использование дополнительного вентилятора :

3.7. Пневмоаудит сетей сжатого воздуха предприятия.

Измерение расхода сжатого воздуха

Проведения замеров с помощью погружного расходомера Vortek.

5. Приложения.

Часть 1

Теоретические основы технологии сжатия воздуха

Сжатый воздух настолько широко используется в промышленности, что любой перечень его использования будет неполным. Ни одно промышленное или единичное производство не может обойтись без сжатого воздуха; ни одна больница, отель, электростанция или корабль не могут функционировать без него. Он используется в горнодобывающей промышленности, лабораториях, аэропортах и портах. Сжатый воздух необходим как для производства пищевых продуктов, так и для производства цемента, стекла, бумаги и тканей, в лесоперерабатывающей и фармацевтической промышленности.

Сжатый воздух используют: все типы машин и устройств имеющие пневматический привод и управление. Пневматический инструмент используется для растяжения, распыления, полирования и затачивания, для штамповки, продувки, очистки, сверления и перемещения. Бесчисленные химические, технические и физические процессы и технологии управляются с использованием сжатого воздуха.

Неиспользование сжатого воздуха в качестве источника энергии невозможно в нашем высокотехнологическом мире.

Краткая история развития компрессоров.

Изобретение поршневого воздушного насоса принадлежит физику О. Герике (Германия 1640 г), доказавшему с помощью построенной им машины существование давления атмосферы.

Центробежный принцип для создания давления жидкости практически был обоснован инженером Ледемуром (Франция) в 1732 г, предложившим оригинальную конструкцию центробежного водоподъемника.

В 1805 г. Ньюкомен построил поршневой насос с паровым конденсационным приводом.

В России инженер построил в 1832 г центробежный вентилятор.

Многоступенчатый поршневой компрессор с охладителями между ступенями сжатия предложен в 1849 г Ратеном (Германия).

В 50-х годах XIX в. Вортингтон (США) создал поршневой паровой автоматически действующий насос.

О. Рейнольдс (Англия), знаменитый исследователь режимов течения жидкостей, ввел в конструкцию многоступенчатого насоса направляющие аппараты и в 1875 г получил патент на конструкцию насоса, аналогичную современным насосам с несколькими ступенями сжатия.

Конструкция винтового компрессора запатентована в 1934 году. Надежность в работе, малая металлоемкость и габаритные размеры предопределили их широкое распространение.

Инициатором производства центробежных компрессоров в России является Невский машиностроительный завод (Невский литейно-механический завод, основанный в 1857 г).

Но что представляет собой сжатый воздух?

Сжатый воздух – это сжатый атмосферный воздух. Атмосферный воздух – это воздух, которым мы дышим. Это смесь различных газов:

21% кислород и

1% другие газы.

Состояние газа описывается тремя параметрами:

давление р

температура Т

удельный объём Vудел

Уравнение состояния идеального газа

Свойства воздуха подобны идеальному газу в широких диапазонах давления и температуры. Следовательно, линейная корреляция (уравнение состояния идеального газа) существует между тремя параметрами р, Т и Vудел., что описывается соотношением, называемым уравнением идеального газа:

Атмосферный воздух, со всеми входящими в его состав газами, состоит из молекул. Если тепловое движение молекул воздуха затруднено, например при его сжатии в сосуде, они соударяются со стенками сосуда, создавая давление р. Сила, создающая давление р на плоской поверхности площадью А, рассчитывается по формуле:

Что такое давление?

Мы постоянно находимся под воздействием атмосферного давления, в качестве подтверждения этого достаточно просто взглянуть на показания барометра . Многочисленные возможные диапазоны давлений подразделяются на следующие:

Атмосферное давление воздуха = Ратм

Избыточное давление = Ризб

Вакуумметрическое давление = - Ризб

Абсолютное давление = Рабс

(см. рис. 1)

Вакуум-метрическое

давление

Атмосферное

давление

Избыточное давление

Рис. 1. Диапазоны давлений.

Единицы измерения:

Рекомендованная единица измерения давления, которая была введена в 1978 году Международной Системой Измерений (система СИ), это Паскаль (Па):

Дополнительная единица измерения давления – бар :

1 бар = 101,325 kПа = 0,1 МПа

В технологии сжатия воздуха, рабочее давление (давление сжатия) выражается в барах. Ранее использовавшиеся единицы измерения давления, такие как атмосфера (1 атм = 0,981 бар), больше не используются.

По системе СИ, единица измерения температуры – градус Кельвина (ºК) . Его соотношение с градусом Цельсия (ºС), который традиционно используется в измерениях, следующее:

Т(ºК) = t(ºС) + 273,15

Объём V используется в технологии сжатия воздуха особенно широко, например, для определения размеров ресиверов. Он также используется для определения достаточного количества машин, производящих или потребляющих сжатый воздух, объёмного расхода воздуха Vэф (равного объёму воздуха производимого или расходуемого в единицу времени). В случае если поток сжатого воздуха течёт со скоростью v по трубе с площадью поперечного сечения А, объёмный расход Vэф вычисляется по формуле:

Единицы измерения объёмного расхода следующие:

В практических применениях, для определения объёмного расхода поршневых компрессоров, используется единица измерения л/мин; в случае использования

винтовых компрессоров используется м3/мин.

При помощи Объёмный расход позволяет определить потребление машиной сжатого воздуха. Объёмные расходы могут сравниваться только в том случае, если они определены при одинаковом давлении и одинаковой температуре.

В современной технологии сжатия воздуха объёмный расход используется только для определения производительности воздушных компрессоров. Методики измерения показателей, определяющих объёмный расход, указаны в стандартах: DIN 1945 и ISO 1217.

Стандартные и наиболее часто используемые значения для давления и температуры воздуха:

Ро = 1,013 бар и То = 20ºС Приведение к стандартным условиям.

Ро = 1,013 бар и То = 0ºС Приведение к нормальным условиям.

Объёмный расход часто определяется в нормальных кубических метрах в час (Нм3/час). Нормальный кубический метр равен, согласно стандарту DIN, объёму 1 м3 при давлении Р = 1,013 бар (101,325 кПа) и температуре Т = 0ºС.

Производительность компрессоров по ISO 1217 (от 1996 App. C) показывает, какое количество сжатого воздуха компрессор подает в пневмосеть в единицу времени при давлении на всасе 1 бар и Т= 20ºС. Производительность ВСЕГДА указывается при параметрах газа на всасе в компрессор (если всасывание происходит из атмосферы в "не сжатых" кубах). Указание производительности при любых других параметрах перекачиваемого газа, абсолютно не корректно с технической точки зрения и приводит к неверному подбору компрессора.

В процессе сравнения объёмных расходов компрессоров расположение точек замера также оказывает значительное влияние на полученный результат, который также зависит от окружающих условий, при которых проводились замеры на входе или на выходе из компрессора, или, например, от нагрузки компрессорного агрегата. Объёмные расходы могут сравниваться только в том случае, если они замерены при одинаковом давлении и температуре и в одних и тех же точках, в условии равной загрузки и при прочих равных параметрах.

Еще одна единица измерения, заслуживающая внимания при сравнении компрессоров, – удельная потребляемая мощность Руд . Она выражается в кВт (киловатт) и определяет количество энергии необходимой для производства сжатого воздуха с объёмным расходом 1 м3/мин. Удельная потребляемая мощность складывается из реально потребляемой мощности двигателя компрессора (она отличается от установленной мощности двигателя) и мощности потребляемой вентиляторами и другим электрооборудованием компрессора.

Например, если компрессор имеет объёмный расход 6,95 м3/мин и потребляемую мощность 42,9 кВт, то его удельная потребляемая мощность составляет

Удельная потребляемая мощность, является наиболее важным параметром для сравнения различных компрессоров и определения показателя качества их конструкции. Он даёт информацию о количестве полученного сжатого воздуха на затраченную единицу энергии. В качестве критерия сравнения его можно использовать только в случае, если сравниваемые компрессоры имеют одинаковое рабочее давление.

При сравнении компрессоров следует также обратить внимание на следующие параметры:

При каком конечном давлении были замерены значения,

Какая мощность принимается в расчет - на входном автомате, на клеммах электродвигателя, на выходном валу приводного электродвигателя или мощность на валу компрессорного блока.

Наконец, эффективность приводного электродвигателя и всевозможных имеющихся ременных или зубчатых передач должна также приниматься в расчёт.

1.1. Производство сжатого воздуха

Что представляют собой компрессоры?

Компрессоры – это машины для сжатия газа и перегретого пара. В этих машинах ступень сжатия обеспечивает компрессию рабочего тела.

Типы компрессоров

Можно выделить две основные группы компрессоров: объемного сжатия и динамического.

В первой группе компрессоров воздух сжимается вследствие принудительного уменьшения занимаемого им объема. Основными представителями этих компрессоров являются поршневые и ротационные компрессора.

Динамический компрессор – машина с непрерывным потоком, в котором при протекании газа происходит рост давления. Вращающиеся лопатки приводят к ускорению газа до высокой скорости, после чего скорость газа при торможении о лопатки диффузора преобразуется в давление. Турбокомпрессора являются примером реализации этого типа сжатия.

Рисунок, который находится ниже, даёт общее представление о классификации типов компрессоров.

Компрессоры

Поршневые Турбокомпрессоры

Ротационные С возвратно-поступательным движением рабочего органа

Винтовые Поршневые Радиальные

Пластинчатые Крейцкопфные

Водокольцевые Плунжерные

Типа Рутс Мембранные Аксиальные

Рис. 2: Обзор основных типов компрессоров.

Турбокомпрессоры

Винтовые компрессоры

Объём всасываемого воздуха в м3/час

Поршневые компрессоры

Рис. 3: Область использования основных типов компрессоров.

Рисунок 3 наглядно показывает область использования основных типов компрессоров.

В технологии сжатия воздуха наибольшее распространение получили поршневые, винтовые и турбокомпрессоры. В этом разделе мы ограничимся рассмотрением этих трех типов.

1.2. Поршневые компрессоры

В поршневых компрессорах поршни совершают возвратно-поступательные движения в цилиндрах. Поршни, как правило, приводятся в движение при помощи кривошипно - шатунного механизма. На одном колене коленчатого вала могут располагаться до пяти шатунов. Всасыванием и выпуском воздуха управляют автономно открывающиеся и закрывающиеся клапаны.

Существуют поршневые компрессоры с одним или несколькими цилиндрами, оппозитные, с V, W-образным или с L-образным расположением цилиндров, с одной или несколькими ступенями сжатия.

Рассмотрим различия между одной и двумя ступенями сжатия при использовании, например, 2-х цилиндрового компрессора с V-образным расположением цилиндров (см. рис. 4).

Рис. 4: Две ступени сжатия в поршневом компрессоре.

1: Фильтр на всасывании

2: Впускной клапан

3: Выпускной клапан

4: Первая ступень сжатия

5: Промежуточный охладитель

6: Вторая ступень сжатия

7: Коленчатый вал.

Одноступенчатый тип: цилиндры одинакового размера. Оба всасывают воздух, сжимают его и вытесняют в линию нагнетания.

Двухступенчатый тип: в первой ступени воздух сжимается до промежуточного давления. После промежуточного охлаждения он сжимается до конечного давления во второй ступени. Отношение диаметров цилиндров устанавливается конструктивно в зависимости от величины промежуточного давления. Рабочий объём поршня второй ступени значительно меньше рабочего объёма поршня первой ступени, так как предварительно сжатый воздух, поступающий на вход второй ступени, имеет значительно меньший объём. Автономные компактные клапаны управляют всасыванием и выпуском воздуха. Отношение давлений в ступенях устанавливается таким образом, чтобы в обеих ступенях совершался примерно одинаковый уровень работы. V-образное расположение цилиндров и равный вес поршней первой и второй ступеней, способствует уравновешенному вращению коленчатого вала и хорошему балансу масс.

Двухступенчатые поршневые компрессоры требуют меньшей мощности привода на м3 производимого сжатого воздуха по сравнению с одноступенчатыми машинами. Благодаря промежуточному охлаждению сжатого воздуха после первой ступени происходит уменьшение его объёма и соответственно квази-изотермическое сжатие. Производительность двух ступенчатого компрессора, по сравнению с одноступенчатым компрессором, при одинаковой мощности привода, увеличивается на 20% при давлении 10 бар. К тому же преимуществом многоступенчатого сжатия является понижение температуры воздуха в промежуточном охладителе. По этой причине такая конструкция очень надежна при использовании в больших агрегатах давлением до 15 бар.

Важной особенностью поршневых компрессоров является отвод тепла. Если не обеспечить отвод тепла, головка цилиндра не успевает охлаждаться. Последствия представить несложно: температура смазываемых узлов возрастает выше допустимого уровня, полностью выбираются тепловые зазоры, горячее масло, подаваемое к парам трения разбрызгиванием, не держит «масляный клин». В «лучшем» случае это грозит ускоренным износом механизма компрессора, в худшем – немедленным выходом из строя в результате заклинивания.

Это учитывается при проектировании компрессора. Для обеспечения теплосъема применяют принудительное охлаждение головки цилиндра – обдув воздухом. В качестве нагнетателя обычно используется вентилятор электродвигателя или шкив коленчатого вала компрессора. Чтобы повысить эффективность охлаждения, корпус головки изготавливают из сплавов с высокой теплопроводностью и делают оребренным, а для компрессоров больших мощностей применяется водяное охлаждение.

Поршневые компрессоры приводятся в действие, как правило, электродвигателями или двигателями внутреннего сгорания. Привод коленвала компрессора осуществляется напрямую, через муфту, либо при помощи ременной передачи.

Принцип действия

Сжатие происходит по следующему циклу (см. рис. 5).

Когда поршень начинает перемещение из верхней мёртвой точки – давление в цилиндре снижается ниже давления всасывания (точка 4). Впускной клапан открывается, и воздух из всасывающей области, поступает в цилиндр.

Давление

всасывания

Обратное расширение

Давление

Движение поршня

всасывание

Расширение

давление

Рис. 5: Цикл сжатия воздуха.

Поршень проходит нижнюю точку и начинает перемещаться вверх, давление в цилиндре начинает расти. Как только оно превысит давление всасывания, впускной клапан закрывается (точка 1).

Давление продолжает расти до тех пор, пока не превысит давления нагнетания (точка 2). Выпускной клапан открывается, и сжатый воздух поступает в линию нагнетания вплоть до достижения поршнем верхней мёртвой точки. давление в цилиндре очень быстро понижается, и выпускной клапан закрывается (точка 3).

Повышение температуры при сжатии

Повышение температуры связано с повышением давления; это может быть выражено при помощи следующего равенства:

, где К = 1,38÷1,4

Для маслозаполненных воздушных компрессоров максимально допустимое повышение давления в ступени сжатия ограничивается максимально допустимым значением температуры сжатого воздуха на выходе из компрессора. Верхний предел температур, в зависимости от режима работы, в соответствии с Германскими Правилами Безопасной Эксплуатации (UVV, VBG 16), составляет от 160 до 220ºС. В результате этих ограничений верхнего предела температуры, возможно определение необходимого числа ступеней сжатия для достижения необходимого конечного давления сжатия (см. табл. 1):

Конечное давление сжатия

Число ступеней сжатия

20 – 250 бар

120 – 350 бар

200 – 450 бар

Табл. 1: Число ступеней сжатия в зависимости от рабочего давления.

Воздух, нагреваемый в процессе сжатия, охлаждается в охладителях, в которые он поступает после каждой ступени сжатия. В силу физических факторов, часть энергии привода, необходимой для работы компрессора, преобразуется в тепло, которое должно быть удалено. В поршневых компрессорах эту функцию выполняет воздушное или водяное охлаждение. Вследствие простоты конструкции поршневые компрессоры с воздушным охлаждением являются наиболее распространённым типом.

1.3. Винтовые компрессоры

Винтовые компрессоры относятся к классу ротационных компрессоров. В этих компрессорах понижение давления, необходимое для всасывания воздуха, достигается за счёт вращения винтов. Одно - и двухступенчатые ротационные компрессоры наиболее распространены на рынке. Значительным преимуществом большинства компрессоров этого класса является балансировка вращающихся масс, позволяющая устанавливать их без использования специального фундамента, вследствие незначительного уровня вибрации.

Конструкция винтового блока компрессора состоит из двух роторов, расположенных параллельно. Один из них имеет выпуклый профиль винта, а другой - вогнутый винтовой профиль. Эти профили вращаются в зацеплении. При вращении воздух сжимается между профилями и корпусом блока вследствие различного числа зубьев ротора в соответствии с принципом вытеснения.

Этот процесс может быть разделен на четыре фазы (см. рис. 6):

Рис. 6: Фазы сжатия винтовых компрессоров.

Воздух поступает в компрессорный блок через входное отверстие. Полости между зубьями роторов заполняются воздухом, что в какой-то степени напоминает такт впуска поршневого компрессора.

2-я и 3-я фазы:

Когда роторы, вращаясь перекрывают впускное отверстие, они образуют замкнутый объём между зубьями винтов и корпусом компрессорного блока. Замкнутая область уменьшается в объёме вследствие вращения роторов; воздух сжимается в замкнутом объёме.

Сжатие в замкнутом объёме продолжается до тех пор, пока замкнутая область, постепенно уменьшающаяся в размере, не соединится с выпускным отверстием.

Сжатый воздух вытесняется из компрессорного блока в линию нагнетания.

Маслозаполненные винтовые компрессоры

В маслозаполненных винтовых компрессорах, как правило, ведущим является один ротор. Так как винты входят в зацепление друг с другом, ведомый ротор автоматически вращается при вращении ведущего ротора. Масло, которое постоянно впрыскивается в винтовой блок, предотвращает металлический контакт между роторами. Кроме смазки винтового блока, масло выполняет ещё две важные функции: оно уплотняет зазоры между роторами, между роторами и корпусом компрессорного блока, а также отводит тепло, образовавшееся в процессе сжатия.

Количество масла, впрыскиваемого в компрессорный блок во время второй фазы, составляет 1 литр в минуту на киловатт мощности привода. Масло поступает вместе с воздухом в винтовой блок где происходит сжатие воздушно-маслянной смеси. Вследствие очень высокого содержания масла, Правила Безопасной Эксплуатации СЕ, не допускают повышение температуры сжатия выше 120ºС.

Современные маслозаполненные компрессоры, как правило, не оборудованы масляными насосами. Циркуляция масла осуществляется за счет разницы давлений в зоне всасывания винтового блока и в масляном резервуаре. Кратность циркуляции масла, безусловно, зависит от величины этого перепада, следовательно, от режима работы компрессора. Когда компрессор находится в режиме холостого хода, давление в резервуаре не превышает 1,0 – 1,3 бар, что достаточно для обеспечения смазки вращающихся винтов. Как только компрессор переходит в режим нагнетания, потребность винтового блока в масле резко увеличивается. Увеличение кратности циркуляции обеспечивается ростом давления воздушно – масляной смеси в масляном резервуаре.

Система клапанов включает в себя клапан минимального давления и обратный клапан.

Клапан минимального давления предохраняет компрессор от резкого снижения кратности циркуляции масла и выхода винтового блока из строя из-за перегрева при падении давления в масляном резервуаре. Такое падение давления может произойти при резком увеличении расхода сжатого воздуха в пневмосети по сравнению с производительностью компрессора, либо при заполнении воздухом пустой пневмосети в начале рабочего дня на предприятии. Клапан минимального давления перекрывает выход воздуха из масляного резервуара при падении давления в нем ниже 4,5 бар. Обратный клапан не позволяет сжатому воздуху из пневмосети поступать в компрессор, когда тот находится в режиме холостого хода или остановлен.

Клапан минимального давления, так же обеспечивает и условия работы масляного сепаратора. Не позволяя снижать давление в масляном резервуаре ниже 4,5 бар клапан, тем самым, ограничивает скорость протекания воздуха через фильтрующий элемент сепаратора и обеспечивает необходимую степень очистки сжатого воздуха, выходящего из компрессора от аэрозолей масла.

Масловоздушная смесь сначала подаётся в масляный резервуар, являющийся первой ступенью сепарации. Там воздух отделяется от масла. Масло, которое поглотило часть выделившейся тепловой энергии , затем охлаждается в масляном радиаторе и может снова впрыскиваться в компрессорный блок.

Любые оставшиеся частицы масла затем удаляются из сжатого воздуха в масляном сепараторе, расположенном на выходе из резервуара, перед подачей воздуха на выход из компрессора.

Конструкция винтового компрессора

1 – винтовой блок – здесь происходит сжатие воздуха

2 – электродвигатель – приводит винтовой блок во вращение через систему привода

3 – воздушный фильтр – служит для очистки воздуха, поступающего на сжатие в винтовой блок

4 - Регулятор всасывания – обеспечивает работу компрессора в рабочем режиме и в режиме холостого хода

5 – Масляный резервуар – первичная ступень сепарации масла

6 – Масляный сепаратор – финальная очистка воздуха от масла

7 – Клапан минимального давления - служит для защиты компрессора от падения давления в масляном резервуаре, обратный клапан – предохраняет компрессор от обратного движения воздуха

8 – воздушный радиатор – служит для охлаждения воздуха после сжатия, масляный радиатор – служит для отвода от масла тепла, образовавшегося при сжатии воздуха

9 – термостатический клапан – автоматически поддерживает температуру компрессорного масла на оптимальном уровне

10 – масляный фильтр – служит для очистки масла от загрязнений перед подачей его в винтовой блок

11 - напорный вентилятор – служит для принудительной подачи охлаждающего воздуха в корпус компрессора

12 – система управления компрессора Air Control - обеспечивает автоматическое взаимодействие вышеперечисленных компонентов.

Маслозаполненные винтовые компрессоры имеют давления сжатия на выходе от 4 до 15 бар. Объёмные расходы – от 0,5 до 70 м3/мин, они достигаются при помощи приводных двигателей мощностью от 4 до 500 КВт. Уровень шума при использовании шумоизоляции составляет от 63 до 80 Дб.

Вследствие их работы с низким уровнем вибрации винтовые компрессоры могут устанавливаться непосредственно на пол, без использования специального фундамента; благодаря хорошей шумоизоляции они также могут устанавливаться в рабочих помещениях. При установке обращайте внимание на Правила Безопасности.

Рекуперация тепла

Винтовые компрессоры зачастую используются при максимальной рабочей нагрузке (эксплуатация при 100% нагрузке). Так как около 80% тепла, выделяемом при работе маслозаполненного компрессора, поглощается маслом (температура масла составляет 85ºС), эта энергия может быть использована для нагрева воды (до 70ºС).

Безмасляные компрессоры

Безмасляные компрессоры нашли широкое применение в химической, фармацевтической и пищевой промышленности , где есть потребность в экологически чистом, лишенном примесей масла воздухе. Эти компрессоры делятся на следующие типы: безмасляные поршневые компрессоры, винтовые компрессоры сухого сжатия, компрессоры типа Рутс и многие другие. В некоторых областях, в качестве альтернативы безмасляным компрессорам, используются компрессоры, заполненные парафиновым маслом, так как оно, в отличие от минерального, нетоксично.

Винтовые компрессоры сухого сжатия

В винтовых компрессорах сухого сжатия применяются синхронизирующие шестерни для привода обоих роторов, чтобы предотвратить металлический контакт между ними. Однако из-за этого привода значительно возрастает стоимость винтового блока, отсутствует отвод тепла маслом, в результате степень сжатия в одной ступени составляет только 3,5 бар. Промежуточный охладитель и применение второй ступени позволяют увеличить степень сжатия до 10 бар. Компрессоры сухого сжатия имеют значительно меньшую производительность по сравнению с маслозаполненными агрегатами.

Водозаполненные винтовые компрессоры

Водозаполненные винтовые компрессоры являются достижением современной науки и сочетают преимущества маслозаполненных и безмасляных компрессоров: безмасляное сжатие воздуха при степени повышения давления в одной ступени до 13 бар с оптимальной производительностью.

Основной особенностью компрессоров нового поколения является замена компрессорного масла на натуральную, более экологически чистую и одновременно менее дорогостоящую жидкость – воду. Вода известна своей высокой удельной теплоёмкостью и теплопроводностью. Особенно при использовании дозированного впрыска в зону сжатия, температура в процессе сжатия не повышается более чем на 12ºС независимо от конечного давления сжатия. Последующее охлаждение произведённого сжатого воздуха больше не требуется. Циркуляционная вода должна охлаждаться в теплообменнике примерно до температуры окружающей среды. Влага, которая содержалась в сжатом воздухе, конденсируется в рефрижераторном осушителе. Если в маслозаполненных компрессорах конденсат был источником загрязнения окружающей среды , то водозаполненные компрессоры с такими же производительностями используют конденсат для пополнения контура циркуляции воды (при непрерывной эксплуатации при нормальных условиях окружающей среды). Эта непрерывная регенерация практически исключает накопление микроорганизмов в водяном контуре компрессора.

Процесс сжатия в водозаполненных винтовых компрессорах приближен к идеальному “изотермическому” сжатию. По сравнению с обычными компрессорами сухого сжатия, они способны повысить энергосбережение до 20%! К тому же тепловая нагрузка на узлы и детали компрессора минимизирована. Следовательно, система впрыска воды гарантирует высокую безопасность и надёжность в эксплуатации, что особенно важно в тяжёлых условиях работы. Кроме того исключается использование масла, образование маслосодержащего конденсата, масляных фильтров и емкостей для сбора отработанного масла – соответственно и издержки на них устраняются.

Водозаполненные винтовые блоки компрессоров производятся с использованием запатентованных поликерамических материалов и новейшего высокоточного технологического процесса. Новая система впрыска воды, также запатентованная, оптимально распыляет воду. Это гарантирует практически полный отвод тепла, образовавшегося в процессе сжатия воздуха аэрозолью воды.

Хороший вопрос.
У Гулиа хорошая книга "В поисках энергетической капсулы" - в основном про маховики, но и про другие способы накопления тоже.
Цитата оттуда:

Чтобы узнать, сколько энергии накоплено в газе, нужно умножить его давление на объем. Кубометр воздуха весит чуть больше килограмма. Допустим, мы сожмем воздух в 500 раз, его давление будет - 500 атмосфер, или около 50 мегапаскалей (МПа). Тогда весь кубометр уместится в сосуде емкостью два литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько воздух (а это должен быть очень хороший, крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, одна тысячная кубометра, умноженная на 50 мегапаскалей давления, даст в результате 50 килоджоулей энергии!
Совсем неплохой показатель - 50 килоджоулей на килограмм массы аккумулятора! Плотность энергии почти вдвое выше, чем у лучшей резины. И долговечность такого аккумулятора очень высока - воздух не резина, он не изнашивается. Масса воздушного аккумулятора для автомобиля будет всего 500 килограммов. Его уже вполне можно установить на автомобиле в качестве двигателя.
...
Еще в прошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 мегапаскалей, при общем объеме 2800 литров, трамваю хватало, чтобы пройти на накопленной в воздухе энергии путь в 10...12 километров. Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем от воздушной дрели или гайковерта. Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав... замерз. Да, да, покрылся инеем и остановился!

В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а утлекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют "сухой лед", потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть "сухой лед", когда я покупал мороженое. Но главное - охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и было основной причиной остановки пневмодвигателя.

Можно, конечно, нагревать охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев - затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же пустить в работу, то он охладился бы всего до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, при расширении, отсюда и "сухой лед".

Области применения сжатого воздуха и энергоемкость его производства

Самым большим среди отраслей потребителем воздуха является черная металлургия . В ней сосредоточены наиболее крупные технологические блоки, использующие сжатый воздух: доменные печи, конверторы, мартеновские печи, прокатные станы, вагранки. В черной металлургии сосредоточены и самые крупные компрессорные агрегаты. Такие ТКУ, как К-5000 и К-7000 созданы специально для воздухоснабжения доменных печей.

В этой отрасли наибольший процент турбокомпрессоров из общего количества компрессорных машин, а доля поршневых машин составляет примерно 20 % и имеется тенденция к ее уменьшению. Доля энергозатрат на производство сжатого воздуха здесь составляет 5-7 % от общего расхода энергии на производство основного продукта.

Сопоставимой по масштабам потребления воздуха является цветная металлургия . Здесь нет таких крупных единичных потребителей воздуха, как доменные печи, но требуется большое разнообразие нагнетателей с различными давлениями нагнетания. Доля энергопотребления на сжатие воздуха в отрасли колеблется от 8-10 % до 60 % в шахтных выработках и рудниках.

Крупным потребителем сжатого воздуха является машиностроение . Большое разнообразие мелких потребителей, индивидуализация режимов их работы определяют сложные графики воздухопотребления со значительной суточной и недельной неравномерностью. На предприятиях этой отрасли расход электроэнергии на привод компрессоров достигает 20-25 % общего энергопотребления.

Потребление сжатого воздуха в химической промышленности отличается большим разнообразием требуемых параметров, качества, масштабов и режимов подачи. Здесь в равной степени находят применение поршневые, винтовые и турбокомпрессорные установки. Воздухоснабжение в этой отрасли может осуществляться как от центральной станции, так и от отдельных установок, входящих в состав технологического оборудования.

Очень крупными потребителями сжатого воздуха являются горнодобывающая и угольная промышленность. Доля энергопотребления систем воздухоснабжения в этой отрасли достигает примерно 25 % общего расхода энергии в ней.

В классификации отраслей промышленности особое место занимают воздухоразделительные установки. Они могут быть как самостоятельными предприятиями, так и подотраслью металлургии, химической промышленности и т.п. Здесь на сжатие воздуха тратится от 70 до 90 % общего энергопотребления.

Классификация потребителей

Практически на любом предприятии для тех или иных целей нужен сжатый воздух. Он используется:

а) для привода различных пневмомеханизмов, инструментов, пневмотранспорта и т.п., т.е. для получения механической энергии;

б) для получения газов, из которых состоит воздух (азот, кислород, аргон, и др. инертные газы);

в) для технологических нужд – при проведении реакций окисления, горении, сушке и т.п.;

г) для пневматических систем измерения, контроля и регулирования на взрывоопасных производствах (химическая промышленность, горнодобывающая и др.).

Воздух для технологических целей не является энергоносителем. Он является исходным продуктом (или компонентом) для получения новых веществ (продуктов). Потребителями сжатого воздуха как энергоносителя (пневмоприемниками ) являются механизмы и устройства, использующие воздух для различных производственных операций и технологических процессов.

По способу преобразования энергии сжатого воздуха все пневмопотребители можно разбить на три группы.

1-я группа . Устройства для преобразования потенциальной энергии сжатого воздуха в механическую работу:

а) с продольно-возвратным движением рабочего органа. Это молоты, отбойные и клепальные молотки, трамбовки вибраторы, подъемники, толкатели, долбежные машины и т.п.;

б) с вращательным движением рабочего органа. Это устройства с турбинным или поршневым приводом: сверлильные, шлифовальные (фортуны), отрезные полировальные, винтозавертывающие и другие машины.

2-я группа . Устройства для преобразования потенциальной энергии в кинетическую. Это различные обдувные устройства (песко- и дробеструйные установки), эжекторы, форсунки, краскораспылители, пульверизаторы, пневмотранспортные установки и др.

3-я группа . Устройства, использующие сжатый воздух без преобразования его энергии. Это различные пневматические приспособления: поддержки, патроны, зажимы, устройства регулирования и автоматизации, мерные устройства и т.д.

По назначению и способу применения различают две основные группы пневмоприемников:

а) пневмоинструменты ;

б) пневмооборудование .

К пневмоинструментам относятся устройства, предназначенные для механизации производственных процессов (замена ручного труда). Это переносной агрегат, приводимый в действие пневмодвигателем. Пневмоинструменты отличаются кратковременными режимами работы.

Пневмооборудование – это, как правило, стационарные установки с длительными режимами работы.

Параметры потребляемого сжатого воздуха

Давление.

Анализ паспортных данных различных промышленных пневмоприемников показывает, что необходимое давление сжатого воздуха перед ними не превышает 0,7-0,8 МПа. В большинстве случаев оно требуется еще меньше – 0,4-0,7 МПа.

Понижение давления (ниже паспортного) ведет к понижению мощности и производительности пневмомеханизма. При этом из-за нерасчетных режимов работы, как правило, возрастают удельные расходы воздуха.

Повышение давления воздуха (сверх необходимого) влечет увеличение утечек, которые и так часто выше допустимых. Так, вместо обычных потерь в 20-30 %, при превышении давления они доходят до 50-60 % от общего расхода сжатого воздуха.

Если пневмосеть находится в нормальном состоянии, то потери давления из-за гидравлического сопротивления не превышают 0,05 МПа, даже для самых удаленных точек (норма 0,01-0,03 МПа). Таким образом, в системах, не оснащенных системой осушки воздуха, давление развиваемое компрессором не должно превышать требуемое пневмоприемником более чем на 0,05 МПа. Если такого давления недостаточно, это означает, что имеется:

Чрезмерный износ оборудования;

Чрезмерные потери давления в распределительных устройствах, шлангах, местных сопротивлениях;

Чрезмерные утечки (в стыках, шлангах, запорных устройствах пневмомеханизмов и т.п.).

Выбор компрессоров для КС с завышенными развиваемыми давлениями приводит:

Для поршневых компрессоров (ПК) – к недоиспользованию мощности;

Для центробежных компрессоров (ЦБК) – к снижению экономичности, так как компрессор в этом случае работает в нерасчетном режиме с более низкими значениями КПД.

Температура воздуха.

Температура воздуха на входе в пневмоприемник оказывает сильное влияние на его потребление. Работоспособность 1 кг сжатого воздуха при его адиабатном расширении в пневмомеханизме от давления P 1 до давления P 2 определяется выражением, кДж/кг:

где – изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(кг×К); Т 1 – температура сжатого воздуха на входе в механизм, К; Р 1 , Р 2 – давления воздуха на входе и выходе пневмомеханизма соответственно, МПа.

Таким образом, за счет подогрева сжатого воздуха перед его использованием можно снизить его потребление при неизменном количестве совершаемой работы.

На практике в большинстве случаев воздух в концевом воздухоохладителе КУ охлаждается до температуры 40-45 °С, что недостаточно для конденсации влаги и масла и в то же время этим существенно снижается его работоспособность. Это указывает на необходимость рассмотрения целесообразности использования концевого воздухоохладителя в каждом конкретном случае.

Как показывают расчеты, температуру сжатого воздуха можно доводить до 60-70 °С, при этом температура ручного инструмента не превысит значений 35-40 °С, а экономия электроэнергии при этом составит 10-15 % по сравнению с исходным вариантом.

Вопрос о выборе оптимального влагосодержания должен решаться на основании технико-экономического обоснования. От правильности решения этого вопроса зависит экономичность применения сжатого воздуха.

Если воздух используется для химических реакций, для транспортирования гигроскопических веществ и т.п., то его влагосодержание должно удовлетворять специфическим требованиям таких процессов, оговариваемых в технологическом регламенте. Так, например, в автомобилестроении в соответствии с ГОСТ 9.010-80 «Воздух, сжатый для распыления лакокрасочных материалов» влагосодержание воздуха с давлением 0,6 МПа ограничено значением 1,6 г/м 3 .

К сжатому воздуху для питания пневматических систем и устройств, работающих при давлении до 2,5 МПа, требования к влагосодержанию оговариваются в ГОСТ 17433-80 «Сжатый воздух. Классы загрязнения». В пересчете на условия t в =20°С и P в =0,9 МПа устанавливается следующее влагосодержание: для классов загрязненности 0 и 1 d в £0,156 г/кг, а для классов 3, 5, 7, 9, 11 и 13 d в £0,9 г/кг. Для остальных классов влагосодержание (точка росы) не регламентируется.

При применении сжатого воздуха в машиностроительной, металлургической и горнодобывающей промышленности важно, чтобы отсутствовала конденсация водяного пара во время транспортировки сжатого воздуха от компрессорной станции до потребляющего оборудования. То есть необходимо, чтобы возможная минимальная температура воздуха в пневмосети всегда была выше точки росы осушенного воздуха.

Считается экономически приемлемой точка росы сжатого воздуха 2-3°С (под рабочим давлением). Именно такая степень осушки принята повсеместно на большинстве предприятий горнодобывающей промышленности, машиностроения и др.

Загрязнение воздуха.

Опыт эксплуатации пневмооборудования, инструмента, пневматических приводов и пневматических систем управления показал, что повышение надежности и долговечности их работы невозможно без качественной подготовки сжимаемого воздуха, очистки его от загрязнений.

Загрязнения, содержащиеся в воздухе, могут оказывать физическое и химическое воздействие на пневматические устройства в виде:

1) закупорки отверстий и сопел влагой, льдом и механическими частицами;

2) смывания смазки, коррозии металлических и разрушения резиновых деталей;

3) повреждения прокладок и рабочих поверхностей клапанов, мембран, золотников;

4) износы и заклинивания трущихся поверхностей.

Идеальным случаем является полное удаление загрязнений сжатого воздуха, что в большинстве случаев экономически нецелесообразно.

Требования к очистке воздуха зависят от эксплуатационных условий. Необходимая степень очистки определяется опытным путем, обобщается и гостируется.

Контрольные вопросы

1. Какие отрасли промышленности являются наиболее крупными потребителями сжатого воздуха?

2. Для каких целей используется сжатый воздух?

3. Какими достоинствами обладает сжатый воздух как энергоноситель?

4. Какие параметры характеризуют сжатый воздух, используемый в качестве энергоносителя?

5. К чему приводит превышение требуемых значений давления воздуха в системе?

6. К чему приводит заниженное давление воздуха в коллекторе потребителя?

7. Какие последствия могут возникнуть при использовании воздуха с повышенной влажностью?

8. Какие виды воздействий на элементы систем воздухоснабжения оказывают загрязнения сжатого воздуха?

РЕЖИМЫ ВОЗДУХОПОТРЕБЛЕНИЯ

При сжатии окружающего нас воздуха концентрация в нем паров и твердых частиц значительно увеличивается. Процесс сжатия заставляет пар конденсироваться в виде капель, а затем смешиваться с твердыми частицами с высокой концентрацией. Получается абразивная смесь, которая во многих случаях также имеет кислотную реакцию. Без оборудования для получения качественного воздуха большая часть этой коррозийной смеси попадет в сеть сжатого воздуха.

Инвестиции в эффективное оборудование Ceccato для обработки воздуха приносят твердый доход: это оборудование радикально снижает уровень загрязнения воздуха, предотвращая коррозию в трубопроводах, повреждения пневматического оборудования и порчу продукции.

Почему нужен качественный воздух?

Оборудование для очистки и осушки сжатого воздуха - осушители Ceccato

Мы будем рады помочь Вам решить проблему очистки и осушки сжатого воздуха. Полный спектр оборудования CECCATO (и других ведущих производителей) позволит сделать это максимально эффективно и качественно. Вы легко сможете получить сжатый воздух с требуемыми параметрами.

Типовые решения для очистки и осушки сжатого воздуха

Условные обозначения

Сколько воды содержится в пневмосети?

1 кубический метр атмосферного воздуха при 25°С и 70% влажности содержит 16 грамм воды. Соответственно со сжатым воздухом, подаваемым в пневмосеть компрессором с производительностью 54 м3/мин (FAD) при давлении 7 бар, будет попадать 52 л воды в час. В случае, если температура окружающего воздуха будет 40°C, поступление воды увеличится до 115 л воды в час. Однако большая часть влаги может быть удалена из сжатого воздуха в случае применения соответствующего оборудования.

В самом деле, температура сжатого воздуха на выходе из доохладителя на 10…15°С выше температуры окружающего воздуха. Однако влажность сжатого воздуха составляет 100% и даже незначительное понижение его температуры приведет к выпадению конденсата. Температура, при которой начинает конденсироваться влага, называется точкой росы (PDP). С целью недопущения конденсации влаги в трубопроводах сжатый воздух должен быть охлажден до температуры ниже температуры окружающей среды. Другими словами, точка росы должна быть ниже температуры окружающей среды. В большинстве случаев точка росы сжатого воздуха может быть снижена средством осушителя рефрижераторного типа. Однако для получения более низкой точки росы необходимо применение адсорбционного осушителя.

Информация из официального каталога Атлас Копко

До сих пор мы рассматривали применение сжатого воздуха для совершения механической работы, получения и переработки информации.

В металлургии сжатый воздух выполняет свою самую древнюю функцию участвует в технологических процессах в качестве реагента, содержащегокислород. Главная функция сжатого воздуха в металлургии - дутье, т.е. подача сжатого воздуха в самые различные производственные агрегаты - домны, мартены, конвертеры. Дутье является необходимым фактором технологических процессов в этих агрегатах, так как без воздуха, а точнее без кислорода, нет горения.

Первый из этих процессов - обогащение руды, т.е. повышение содержания железа или другого металла и понижение содержания вредных примесей. Один из способов обогащения - флотация. Ее осуществляют в специальных ваннах, куда подают тонко измельченную руду вместе с водой - пульпу. Через эту пульпу продувают сжатый воздух. Пенная флотация основана на том, что одни минералы не смачиваются водой, прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются, а другие минералы смачиваются водой и остаются в пульпе. В результате частицы металла всплывают на поверхность, а пустая порода оседает на дне ванны.

В пневматических флотационных машинах сжатый воздух подается по трубам под небольшим давлением. Флотацию широко используют для обогащения руд цветных металлов, где содержание основного компонента низкое. В железных рудах содержание основного компонента гораздо выше, но и их приходится обогащать. В черной металлургии флотацию применяют для обогащения марганцевых руд и железорудных концентратов, содержащих 70-72 % железа.

Следующий металлургический процесс - агломерация т.е. окомкование мелких и пылеватых руд. Для этого пылеватую руду спекают на агломерационной машине. Агломерационная машина представляет собой металлический конвейер, каждое звено которого выполнено в виде решетки. На этот конвейер из бункера подают увлажненную мелкую руду, смешанную с небольшим количеством топлива - кокса. Конвейер проходит над мощными вентиляторами, которые просасывают воздух сквозь слой смеси руды с коксом. Кокс начинает гореть, руда разогревается до высокой температуры и из мелкой превращается в прочную пористую массу - агломерат. Домна, в которой используют агломерат, дает больше чугуна, чем домна без его применения.

Железо в руде находится в форме окислов. Целью доменного процесса является освобождение железа от связанного с ним кислорода - восстановление. Загрузочный аппарат засыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы, топливо (кокс) и флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, чтобы увеличить поверхность их соприкосновения, на которой происходят химические реакции.

В нижнюю часть домны, в ее горн, через специальные отверстия - фурмы вдувают горячий воздух. Кислород, содержащийся в воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, в результате чего образуется углекислый газ СО 2 . Он поднимается выше, проходит через кокс, вступает с ним в реакцию, продуктом которой является окись углерода СО. Поднимаясь выше, она отнимает у окислов железа содержащихся в руде, кислород и связывает его. Освободившееся железо вступает во взаимодействие с углеродом образуется сплав - чугун.

Для подачи дутья чаще всего используют центробежные воздуходувные машины с приводом от паровой турбины. На одну тонну чугуна расходуют 2500 - 3500 м воздуха, т.е. производительность воздуходувной машины составляет до 8000 м 3 /мин. Такое количество холодного воздуха охлаждало бы доменную печь и увеличивало бы расход топлива, поэтому перед подачей в домну воздух предварительно нагревают до 1100 - 1300 °С в воздухонагревателях - кауперах. Их располагают рядом с доменной печью.

Кауперы представляют собой закрытые металлическим кожухом башни высотой до 50 м и диаметром до 9 м. Внутри они разделены на две части: камеру сгорания и часть, заполненную насадкой из огнеупорного материала. В камере сгорания сжигают топливо. Продукты сгорания, проходя через насадку, отдают ей свое тепло и раскаляют ее. Когда насадка нагревается до высокой температуры, подачу топлива прекращают. После этого мощными воздуходувными машинами нагнетают в воздухонагреватель холодный воздух. Проходя через раскаленную насадку, воздух нагревается, и его направляют к кольцевому воздухопроводу, опоясывающему домну - фурменному поясу. Отсюда через фурмы воздух под давлением 0,35 - 0,4 МПа равномерно вдувается в домну.

Для нагрева насадки требуется определенное время. Поэтому для бесперебойного снабжения домны горячим дутьем возле нее устанавливают несколько воздухонагревателей. Одни из них нагреваются, а другие нагревают воздух. Заметим, что в воздухе содержится 1/5 кислорода и 4/5 азота, причем азот ни в каких химических реакциях не участвует, однако на его нагрев тратится тепло. Гораздо выгоднее осуществлять дутье в доменном процессе воздухом, обогащенным кислородом, или чистым кислородом.

Применение кислородного дутья упрощает доменный процесс, позволяет уменьшить его расход на единицу топлива. Это дает возможность уменьшить размеры и мощность воздуходувных установок, воздухонагревателей и трубопроводов, высоту доменных печей.

На целесообразность обогащения дутья кислородом указывал еще Д.И. Менделеев. Однако практическая реализация кислородного дутья стала возможной лишь в 30 - 40-х годах XX в., когда были созданы достаточно мощные машины для разделения воздуха на кислород и азот в больших количествах. Заслуга создания отечественной кислородной промышленности принадлежит академику П.Л. Капице.

Не меньшую роль играет сжатый воздух при выплавке стали. Если процесс выплавки чугуна - восстановительный, то выплавка стали из чугуна и металлического лома - окислительный процесс. При выплавке стали удаляются примеси - углерод, кремний, марганец, которые окисляются. А для окисления нужен кислород.

Бессемером и Томасом был разработан быстрый и эффективный способ «варки» стали - конвертерный. Он заключается в том, что расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и содержащийся в нем кислород соединяется с углеродом, кремнием и марганцем.

Конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, сужающийся кверху. Изнутри он выложен огнеупорным кирпичом. В днище конвертера имеются отверстия, через которые подают сжатый воздух под большим давлением. В конвертер заливают расплавленный чугун, а затем продувают его снизу сжатым воздухом. В результате углерод быстро выгорает, и сплав почти полностью обезуглероживается - образуется сталь. При соединении кислорода с кремнием и марганцем выделяется тепло. Это избавляет от необходимости тратить топливо в конвертерном процессе.

Д.И. Менделеев называл бессемеровские конвертеры печами без топлива. Однако конвертерный способ при использовании продувки чугуна сжатым воздухом имел и ряд недостатков. При продувке металл насыщался азотом, содержащимся в воздухе. Это повышало хрупкость стали и ее склонность к старению. Кислород воздуха не затрагивал вредные примеси - серу и фосфор. При бессемеровском способе можно было применять не всякий чугун, а только содержащий кремний и марганец, которые при окислении выделяют большое количество тепла. Поэтому железный лом конвертерным способом перерабатывать было нельзя, а можно было использовать только жидкий чугун. Гораздо рациональнее использовать для продувки в конвертерном процессе не сжатый воздух, а чистый кислород. Однако во времена Бессемера его еще не научились получать из воздуха в больших количествах.

По всем этим причинам конвертерный способ выплавки стали надолго уступил место мартеновскому способу, который позволяет перерабатывать не только чугун, но и железный лом.

Топливом для мартеновской печи служит мазут или смесь коксового газа, получаемого в коксовых батареях, и доменно-колосникового газа. И эта смесь, и воздух перед подачей в мартен нагреваются в регенераторах. Отличие регенератора от воздухонагревателя доменной печи заключается в том, что для нагрева воздуха в воздухонагревателе сжигается топливо, а в регенераторе используется тепло, выносимое из мартеновской печи раскаленными продуктами сгорания топлива, т.е. осуществляется регенерация тепла.

Регенератор представляет собой большую камеру, выполненную из огнеупорного материала и заполненную ячейками из огнеупорного кирпича - насадкой. У каждой мартеновской печи две пары регенераторов для нагрева газа и воздуха. Пока одна нагретая пара отдает тепло холодным газу и воздуху и постепенно остывает, насадка другой пары регенераторов, через которые пропускаются уходящие из мартеновской печи продукты сгорания, нагре­вается ими. Когда насадка нагревается до определенной температуры, происходит автоматическое переключение направления потоков газа и воздуха. Нагретые регенераторы начинают работать - отдавать тепло газу и воздуху, а остывшие останавливают на нагрев. Эти переключения производят через ка­ждые 15 - 20 мин. Топливо подается в мартеновскую печь всегда с избытком воздуха, по­этому в ней всегда имеется окислительная среда. Уже в процессе загрузки чугуна и лома начинается окисление примесей.

Производительность мартенов составляет 100 т стали в час. Применение обогащенного кислородом воздуха и чистого кислорода интенсифицирует процесс выплавки стали в мартеновских печах так же, как и выплавки чугуна в домнах.

Однако прирост производства стали во всех странах в наше время происходит за счет строительства не мартеновских цехов, а кислородно-конвертерных. Кислородный конвертер устроен так же, как и бессемеровский. Отличие его от бессемеровского в том, что дно у него цельносварное, а кислород подается не снизу, а сверху, под высоким давлением (0,9 - 1,4 МПа). Корпус и днище кислородного конвертера облицованы огнеупорными материалами. Струя подаваемого кислорода внедряется в жидкий металл и вступает в реакцию с примесями чугуна. В течение первых 5-10 мин окисляются кремний и марганец. В результате реакции окисления выделяется тепло, и температура металла в конвертере поднимается до 1400 - 1450 °С После этого происходит быстрое окисление углерода - он выгорает. Кислород продолжают вдувать до тех пор, пока содержание углерода не снизится до 2%. При этом металл разогревается до 1600 °С Реакции окисления, прохо­дящие в конвертере, дают столько тепла, что его становится достаточно не только для нагрева жидкого чугуна, но и для расплавления железного лома.

Кислородно-конвертерный способ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным имеет более высокую производительность - до 400 - 500 т в час. К тому же он свободен от недостатков бессемеровского процесса и годится для любых видов чугуна и железного лома.

Конвертерный способ применяется не только при выплавке стали, но и при выплавке меди в цветной металлургии.