Мембранные воздушные компрессоры – это газовые компрессорные установки, в которых сжатие осуществляется за счет упругой деформации мембраны, изолирующей рабочую камеру от механической части. Агрегаты используются для получения сжатого газа высокой чистоты, в которых воздух в процессе работы не соприкасается с маслом, смазкой или трущимися деталями механизма. Такое оборудование востребовано там, где требуется стабильный поток воздуха строго заданного давления и объема: для заполнения и испытания баллонов под давлением до 100-150 бар, подачи воздуха в пневмосистемы, для аккумулирования сжатого воздуха в резервуарах с контролируемыми параметрами.
Устройство мембранного компрессора
Основа оборудования – литой или сварной корпус из стали или алюминиевого сплава, к которому болтовыми соединениями крепится крышка камеры сжатия. Между корпусом и крышкой зажимается мембрана – эластичный элемент, изготовленный из металла или полимерного композиционного материала. Мембраны бывают структурированными, формованными и плоскими:
- Структурированные. Изготавливаются из нержавеющей стали (AISI 301 или AISI 316L) толщиной 0,1-0,3 мм. На поверхности методом холодной штамповки выполняются радиальные или концентрические канавки глубиной 0,05-0,1 мм и ребра жесткости. Такое профилирование исключает «пузырение» мембраны в центре и перераспределяет нагрузку по площади. Используются при промышленной обработке водорода, азота при рабочем давлении до 400-500 бар.
- Формованные. Производятся методом глубокой вытяжки из нержавеющих сплавов или армированных полимеров (например, полиамид с тефлоновым покрытием). Форма мембраны соответствует профилю рабочей камеры – это дает равномерный прогиб при циклах нагрузки и снижает концентрацию напряжений в зоне заделки. Толщина мембран – 0,2-0,6 мм. Выдерживают давление 200-300 бар и используются в промышленных компрессорах для технических газов (кислород, азот).
- Плоские. Это простые диски толщиной 0,2-0,5 мм из фторопласта, полиамида или тонколистовой стали без рельефа и профилирования. Используются в малых компрессорных установках и лабораторных системах с рабочим давлением 100-150 бар.
С обратной стороны мембраны расположена механическая система привода: кривошипно-шатунный механизм либо гидравлическая камера, которая через опорную плиту непосредственно давит на мембрану. Входной и выходной каналы оснащаются всасывающим и нагнетательным клапанами в виде тарельчатых или лепестковых деталей из нержавеющей стали. Они устанавливаются в клапанной плите и удерживаются прижимными кольцами. Всасывающий клапан соединен с патрубком подачи газа, нагнетательный – с выходным коллектором. Для герметичности вся камера стягивается болтовыми соединениями, а уплотнения выполняются из фторэластомеров (например, Viton) или тефлона, чтобы исключить утечку газа.
Мощность электродвигателей может быть от 3 кВт у компактных компрессоров до 18,5 кВт у производственных агрегатов. Эта мощность напрямую связана с подачей: при 3-5 кВт производительность находится на уровне 5-20 Нм3/ч, при 7,5-11 кВт – в диапазоне 50-120 Нм3/ч, а при максимальной мощности 15-18,5 кВт агрегат выдает до 200-240 Нм3/ч.
Скорость вращения вала двигателя строго ограничена, чтобы не допустить преждевременного разрушения мембраны. Для установок малой мощности частота вращения составляет 250-400 об/мин, средней – 450-600 об/мин, а в высокопроизводительных моделях – до 700-720 об/мин.
Принцип работы мембранного компрессора
Весь процесс строго синхронизирован с движением мембраны: один полный оборот коленчатого вала или один цикл гидравлического поршня соответствует одному циклу всасывания и нагнетания. Если частота вращения вала составляет, например, 500 об/мин, то мембрана совершает 500 рабочих циклов в минуту. При рабочей площади мембраны 100 см2 и амплитуде прогиба 2 мм за один цикл перекачивается 20 см3 газа.
Газ в мембранный воздушный компрессор поступает через всасывающий патрубок в клапанный блок, где находится всасывающий клапан тарельчатого типа. В момент обратного хода привода давление в рабочей камере падает ниже давления на входе, разница составляет в среднем 0,05-0,1 бар.
Клапан приподнимается, и газ свободно заполняет полость над мембраной. Когда привод начинает двигаться в противоположном направлении, мембрана изгибается внутрь камеры, уменьшая ее объем. Давление газа возрастает, и при достижении величины, превышающей давление в нагнетательном трубопроводе, открывается нагнетательный клапан. Газ вытесняется из камеры через клапан и поступает в коллектор или далее в систему.
Мембрана при этом не контактирует с движущимися металлическими элементами и полностью отделяет рабочую среду от механической части компрессора. Все усилие от привода передается либо через опорную плиту и шатун, либо через гидравлическую жидкость, которая заполняет замкнутую полость за мембраной. Газ из камеры никогда не соприкасается с маслом или деталями механизма, что гарантирует его чистоту и исключает риск утечки смазочных материалов в рабочую среду.
Где используются мембранные компрессоры
Оборудование с мембранным механизмом востребовано в промышленности, где компрессор поршневой или винтовой нельзя установить из-за риска попадания примесей и масел в рабочую среду:
- Хранение, переработка природного и сжиженного газа. Закачка метана в баллоны и резервуары в системах резервного газоснабжения. Кроме этого, используется в биогазовых установках, где необходимо сжимать газ с высоким содержанием CO₂ и сероводорода. Мембранная конструкция исключает попадание масла в баллон, что критично при хранении воздуха в течение длительного времени.
- Фармацевтическое производство. Подача стерильного воздуха, азота и кислорода в установки для стерилизации и упаковки лекарственных средств.
- Химическая промышленность. Применяется при работе с токсичными и коррозионными газами: хлор, фтор, фосген, хлористый водород.
- Лаборатории. Бесмасляный мембранный компрессор подходит для подачи газов высокой чистоты (аргона, гелия, азота) в системах газовой хроматографии, масс-спектрометрии, установках разделения воздуха.
- Металлургия. Подача кислорода и азота в доменные и сталеплавильные печи. Давление подачи находится в диапазоне 150-250 бар, что достаточно для работы с конвертерами и установками продувки металла.
- Энергетика и газотурбинные установки. Подача азота, водорода и воздуха высокой чистоты в системы охлаждения турбогенераторов и газотурбинных двигателей.
- Производство и транспортировка водорода. Используется на заправочных станциях для водородного транспорта для наполнения баллонов топливных элементов. Также устанавливается в системах улавливания и обработки водорода на металлургических и нефтехимических предприятиях.
