Холодильные компрессоры — винтовые, поршневые, спиральные

Холодильные компрессоры различают по принципу сжатия: поршневые — надёжны и ремонтопригодны, хорошо работают на малых и средних мощностях; спиральные — тише, проще и эффективнее при той же мощности, но не ремонтируются; винтовые — для больших мощностей, от 100 кВт и выше, допускают плавное регулирование производительности и работают при высоких степенях сжатия. Ниже сравниваются характеристики спиральных, поршневых и винтовых компрессоров Bitzer.

Холодильный компрессор – это составляющий элемент промышленного холодильного агрегата, в значительной степени определяющий его качество и эффективность. Задача компрессора – обеспечить циркуляцию хладагента. Для достижения этой цели он высасывает пары хладагента из испарителя посредством механического приводного устройства, после чего нагнетает их в конденсатор. В целом по своему принципу работы почти не отличается от аналогичных устройств, предназначенных для сжатия газов.

Типы

В зависимости от конструктивного исполнения современные холодильные компрессоры можно разделить на несколько типов: ротационные, винтовые, поршневые и центробежные. Кроме того, они могут быть герметичными и полугерметичными (бессальниковыми).

Герметичные компрессоры имеют неразъемный корпус и сравнительно малую мощность, а потому их применение зачастую ограничивается розничной торговлей. Полугерметичные обладают более высокой производительностью, что позволяет использовать их в составе промышленных холодильных установок. Мощность электродвигателей полугерметичных компрессоров составляет до 500 кВт.

Применение

Холодильные компрессоры, входящие в состав промышленных холодильных агрегатов, используются в самых разнообразных отраслях промышленности: нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и других. В торговле холодильные агрегаты применяются для поддержания низких температур, необходимых для хранения мяса, молочных изделий и другой пищевой продукции.

Промышленные холодильные агрегаты производства нашей компании оборудуются производительными и экономичными поршневыми и винтовыми компрессорами Copeland, Bitzer, Maneurope и L'UniteHermetique.

Полугерметичные винтовые компрессоры

Сегодня компания Bitzer, крупнейший европейский производитель холодильного оборудования, предлагает четыре типа винтовых компрессоров:

• открытые;
• герметичные;
• полугерметичные
• полугерметичные компактные.

Полугерметичные компрессоры наиболее эффективны в тех случаях, когда при небольших размерах холодильной установки необходимо получить значительную мощность. В связи с этим их успешно применяют в многокомпрессорных и двухступенчатых системах, камерах заморозки и чиллерах.

Винтовые полугерметичные компрессоры Bitzer обладают производительностью от 84 до 780 кВт, что позволяет их использовать в камерах шоковой заморозки, а также там, где необходимо плавное регулирование уровня мощности. Объединив в одной установке несколько компрессоров можно достичь холодопроизводительности 2800 кВт и больше.

Винтовые компрессоры имеют следующие преимущества:

• небольшие размеры;
• низкая шумность и отсутствие вибрации;
• высокая производительность, а также возможность работы со всеми типами хладагентов;
• надежные и мощные электродвигатели.

Полугерметичные поршневые компрессоры

Полугерметичные поршневые компрессоры от компании Bitzer широко используются во всех сферах производства, применяющих охлаждение, глубокую заморозку и аэрокондиционирование. Поршневые компрессоры современного типа «Поколение 2» успешно работают как на хлор-содержащих, так и на HFC хладагентах. На современном рынке холодильного оборудования наибольшим спросом пользуются компрессоры «Октагон-серии», которые отличаются универсальностью, многофункциональностью, компактностью, экономным энергопотреблением, низким уровнем шума и отсутствием вибраций.

Характерными особенностями является:

• инновационная конструкция клапанных досок;
• наличие встроенных моторов высокой мощности с системой возврата масла и системой охлаждения посредством всасываемых паров;
• наличие коленвалов высокой износостойкости;

Компрессоры, предназначенные для работы при низких температурах (от - 40 °C до −5 °C), оснащены системами «CIC» и «Varicool». Они применяются для промышленного охлаждения и систем кондиционирования. Двухступенчатые компрессоры отличаются тем, что в них две ступени сжатия производятся в одном корпусе, что снижает возможность перегрева агрегата. Основными преимуществами двухступенчатых являются:

• интегрированная система охлаждения жидкости;
• используют для работы хлор-несодержащие хладагенты;
• имеют низкое энергопотребление;
• характеризуются компактными размерами.

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:
λ_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:
λ_с = 1

Гидравлические потери

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

Перетечки

В поршневом компрессоре перетечки происходят по зазору «поршень–цилиндр» и равняются:
λ_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:
λ_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.

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

Для этих же компрессоров, что и коэффициент подачи, рассчитаны величины полного КПД (см. табл. 2).

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

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.

Особенности спирального компрессора

• 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.

Итоги сравнения

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.

Какой компрессор лучше — поршневой или винтовой

Винтовой компрессор лучше при холодопроизводительности от 100–150 кВт и долгой непрерывной работе: у него плавная регулировка, меньше вибрации и ресурс 50–100 тысяч часов до капремонта. Поршневой лучше при малой и средней мощности, при частых пусках и высоких степенях сжатия на низких температурах: он дешевле, ремонтопригоден и эффективнее на частичной нагрузке при ступенчатом регулировании.

То же справедливо для воздушных компрессоров: винтовой — для постоянного расхода сжатого воздуха, поршневой — для периодического. В чиллерах малой и средней мощности чаще стоят спиральные компрессоры, в крупных — винтовые; модель под свою нагрузку можно подобрать в подборе чиллера онлайн.

Частые вопросы

Чем винтовой холодильный компрессор лучше поршневого?

У него меньше движущихся частей и нет клапанов, он работает без пульсаций, допускает плавное регулирование производительности от 25–50 % до 100 % и рассчитан на большие мощности. Поршневой дешевле и проще в ремонте на малых мощностях.

Что не является достоинством спиральных компрессоров?

Ремонтопригодность: спиральный компрессор герметичный и при поломке заменяется целиком. Его достоинства — низкий шум и вибрация, высокий КПД, малые габариты и отсутствие клапанов.

Какой компрессор лучше — поршневой или винтовой?

Винтовой — при мощности от 100–150 кВт и непрерывной работе: плавная регулировка, ресурс 50–100 тыс. часов. Поршневой — при малой мощности, частых пусках и низких температурах кипения: дешевле и ремонтопригоден.

Читайте также

• Холодильные компрессоры BITZER
• Охлаждение электродвигателей
• Виды холодильных машин
• Компрессоры DISCUS и двухступенчатые полугерметичные компрессоры