Главная
Компрессоры
Сравнительный анализ

Сравнительный анализ спирального и поршневого компрессоров

Спиральный компрессор первоначально был открыт в 1905 году. В то время технология была мало продвинута для изготовления реальных моделей, которые будут произведены только лишь в 1970-е годы, когда был восстановлен коммерческий интерес в данной идее.

Сейчас, динамично развивающееся производство спиральных компрессоров все больше теснит своих конкурентов, когда-то прочно занимавших свои позиции в определенном диапазоне холодопроизводительности. Появляются вопросы: почему так происходит, в чем отличительные особенности спирального компрессора, в чем его достоинства над своими конкурентами.

В статье сделана попытка раскрыть кое-какие достоинства, проведя сравнительный анализ по процессам всасывания и нагнетания спирального компрессора с его ближайшим конкурентом – поршневым компрессором.

Идеальные параметры

В анализе отталкиваемся от идеальных параметров спирального и поршневого компрессоров:
  • Потери массы газа за рабочий цикл компрессора отсутствуют.
  • Мертвый объем равен нулю.
  • Гидравлические потери на всасывании и на нагнетании равны нулю.
  • Отсутствует теплообмен между рабочим веществом и внешней средой, а процесс сжатия осуществляется по изоэнтропе «m=k».
  • Отсутствует трение в движущихся частях механизмов.
  • Соединение парных полостей спиралей с окном и камерой нагнетания происходит одновременно (данный пункт относится непосредственно к спиральному компрессору).

Сравнение рабочих коэффициентов

Коэффициент подачи поршневого компрессора состоит из четырех производных:

Мертвый объем.

В поршневом компрессоре коэффициент мертвого объема составляет значительную часть от коэффициента подачи и равняется в пределах:
¥с=0,7…0,9

В спиральном компрессоре оставшийся невытесненным газ выполняет совсем другую роль, чем газ, находящийся в мертвом пространстве поршневого компрессора. Невытесненное рабочее вещество практически не влияет на полноту наполнения полостей всасывания, и оно расширяется не до давления всасывания, а до давления внутреннего сжатия:
¥с=1

Гидравлические потери.

Для поршневого компрессора с правильно сконструированными трактами и клапанами на всасывании и нагнетании эти потери не столь велики:
¥гд=0,95…0,98
В спиральном компрессоре при отсутствии клапана на нагнетании:
¥гд=1

Подогрев пара.

Подогрев пара в поршневом компрессоре происходит во всасывающем канале, так как линии всасывания и нагнетания, имеющие различную температуру, находятся близко друг от друга, также пар подогревается в цилиндре компрессора.
¥w=0,87…0,92
В спиральном компрессоре линии всасывания и нагнетания размещены раздельно, а сжатие происходит постепенно от полости к полости и температура меняется постепенно от температуры на всасывании до температуры на нагнетании, соответственно подогрев пара не столь существенен.
¥w=1

Перетечки.

В поршневом компрессоре перетечки происходят по зазору «поршень–цилиндр» и равняются:
¥пл=0,96…0,98
Для спирального компрессора этот показатель является определяющим. Довольно сложно производить спирали, обеспечивающие плотное зацепление между собой и с маленьким показателем зазора между точками контакта спиралей. Наверное, именно поэтому так много времени потребовалось для воплощения идеи спирального компрессора в жизнь. В хорошем компрессоре коэффициент перетечек должен стремиться к 1:
¥пл-1
Для количественного сравнения коэффициента подачи были взяты два крайних компрессора из ряда объемной производительности, против двух поршневых компрессора такой же производительности и рассчитаны для них коэффициент подачи в трех различных режимах работы. Результаты представлены в табл. 1. Как видно, коэффициент подачи спирального компрессора выше, чем у поршневого во всех режимах работы и во всех исполнениях. Таблица 1

Коэффициенты подачи для спирального (СК) и поршневого компрессоров (ПК)

Типы
комп.
Температурный режим при tk=40 °
C
to=–10°С to=0°С to=10°С
Производительность, м3/ч
Vh=30 Vh=75 Vh=30 Vh=75 Vh=30 Vh=75
СК 0,92 0,94 0,94 0,95 0,93 0,95
ПК 0,76 0,78 0,81 0,83 0,82 0,85
Для этих же компрессоров, что и коэффициент подачи, рассчитаны величины полного КПД (см. табл. 2).
Таблица 2

Величины полного КПД для спирального (СК) и поршневого компрессоров (ПК)

Типы
комп.
Температурный режим при tk=40 °
C
to=–10°С to=0°С to=10°С
Производительность, м3/ч
Vh=30 Vh=75 Vh=30 Vh=75 Vh=30 Vh=75
СК 0,58 0,56 0,64 0,62 0,64 0,64
ПК 0,62 0,66 0,61 0,63 0,55 0,55

Зависимость КПД от степени сжатия

(рассчитано для спирального компрессора с производительностью 75 м3/ч)

Как видно из таблицы, с другими параметрами для спирального компрессора результаты не столько впечатляющи, как с коэффициентом подачи. Спиральный компрессор выигрывает лишь в высокотемпературном режиме работы, при небольшом значении степени сжатия (πk). При увеличении степени сжатия (см. график 1), величина полного КПД прямолинейно снижается и при значении πk=8 пересекает рубеж 50%. Трудно точно сказать, почему так происходит, но из проведенного анализа можно сделать вывод: спиральному компрессору гораздо выгоднее работать с большими количествами сжимаемого пара, при невысоких значениях степени сжатия.

«Пульсация пара» в поршневом и спиральном компрессорах

Перейдем к такому понятию как «пульсация пара».

В поршневом компрессоре всасывание и нагнетание пара происходит периодично. Из-за этого возникает такое явление как «пульсация пара». Это негативно сказывается на процессах в конденсаторе, а так же создает дополнительный шум при работе компрессора. Для устранения данной проблемы применяются глушители. Роль их различна в зависимости от того, на какой линии они расположены. Основное назначение глушителя на нагнетании — уменьшить колебания газового потока в нагнетательном трубопроводе и конденсаторе, и таким образом, снизить шум, а также повысить надежность работы машины в целом. Всасывающий глушитель уменьшает пульсации газа в кожухе и непосредственно снижает шум компрессора. В компрессорах серии «Оctagon» (Bitzer, Германия) существует эксклюзивная запатентованная система глушителя, встроенного в крышку цилиндров (см. рис. 1), которая представляет собой длинный узкий загнутый канал, расположенный на выходе из нагнетательной камеры и служащий своего рода газовой подушкой для паров, выходящих из цилиндра компрессора. Эта система существенно снижает колебания пара в нагнетательном патрубке (см. рис. 2).

Рис. 1. Схематический чертеж встроенного глушителя (сам глушитель – это длинная узкая трубка). Правый конец этой трубки закрыт, он упирается в металлический корпус компрессора, другим своим концом она уходит на нагнетание. В центральной части трубки сделано отверстие, куда поступает сжатый в компрессоре пар. Пар, попадая в отверстие, разделяется на два потока: один идет налево, другой направо. Поток, ушедший направо ударяется о глухой конец трубки, идет обратно, доходит до отверстия, встречается там с вновь сжатым в компрессоре паром и гасит его пульсацию, за счет разного направления движения и различных фаз колебания.

Рис. 2. «Пульсация пара» (вверху — с использованием встроенного глушителя, внизу — без него).

В спиральном компрессоре:

  • Процессы всасывания, сжатия и нагнетания происходят непрерывно и растянуты по углу поворота вала
  • Ротационное движение подвижной спирали полностью уравновешивается и совершает плавное движение
  • Отсутствуют препятствия для свободного течения газового потока
Отсюда отсутствие «пульсации пара» и снижение шума компрессора, по некоторым данным на 5-10 Дб. К примеру, уровень шума полугерметичного поршневого компрессора составляет 70 Дб, что соответствует шуму, производимому грузовым автомобилем во дворе жилого дома или громкому разговору, а шум в 60 Дб — это телевизор, музыкальный центр, включенные на средней мощности, электробритва или легковой автомобиль во дворе жилого дома.

Заключение

В заключение — итог проведенного анализа. Удалось выяснить, что в спиральном компрессоре:
  • Коэффициент подачи выше на 20-30%.
  • КПД в высокотемпературном режиме работы выше на 10-15%.
  • Более низкий уровень шума и вибрации.
И, как видим, это еще не предел. Спиральному компрессору есть куда «стремиться» и есть в чем «развиваться», так что будем следить за нововведениями и новейшими разработками в этой области.

Все данные по компрессорам взяты из каталогов фирмы Bitzer (Германия).
Для расчетов были выбраны следующие типы компрессоров:

Спиральный компрессор:

  • ESH730 (B)(Y) – 30 м3/ч.
  • ESH976 (B)(Y) – 76 м3/ч.
Поршневой компрессор:
  • 4VCS – 6.2(Y) – 34,7 м3/ч.
  • 4H – 15.2(Y) – 73,7 м3/ч.
Расчеты проводились для фреона R134a.

 

"Добавить комментарий"


"Обновить"

Полугерметичные поршневые компрессора >>

 

Menu