Холодильные компрессоры динамического принципа действия

Компрессоры динамического действия имеют следующие преимущества перед объемными поршневыми.

1. Значительно меньшие габаритные размеры и массу по сравнению с объемными компрессорами той же производительности. Это обусловлено непрерывностью потока вещества и высокими скоростями движения.
2. Надежность в работе вследствие малого износа при сжатии незагрязненных веществ. Единственными узлами, где имеется механическое трение, являются подшипники.
3. Практически полная уравновешенность вращающегося ротора, что позволяет устанавливать компрессоры на легких фундаментах.
4. Равномерность подачи сжатого вещества.
5. Отсутствие загрязнения вещества смазочным маслом. В холодильных машинах это позволяет повысить эффективность теплообмена в аппаратах и уменьшить их массу и размеры или снизить необратимые потери при теплообмене.
6. Возможность получения значительно большей производительности.
7. Возможность непосредственного соединения с высокооборотным приводным двигателем — паровой или газовой турбиной, высокочастотным электродвигателем. Это позволяет повысить КПД агрегата за счет уменьшения механических потерь и сделать его более компактным.

1. Трудность выполнения их для получения малой производительности, так как это сопряжено с необходимостью иметь очень высокую частоту вращения ротора. К тому же при малых абсолютных размерах рабочих колес относительные зазоры между лопаточными аппаратами и корпусом, а также в лабиринтных уплотнениях становятся значительными — а это приводит к снижению КПД. Кроме того, когда числа Рейнольдса в потоках сжимаемого вещества становятся меньше определенного значения, это сопровождается дополнительными потерями из-за усиления влияния вязкости и также вызывает снижение КПД компрессора.
2. Сравнительно узкий диапазон устойчивой работы при изменении производительности. Если не применять специальных методов регулирования, то уменьшение расхода вещества до 60—80% от расчетного объема сопровождается потерей устойчивости течения, проявляющейся в возникновении пульсаций давления и периодическом движении потока вещества в обратном направлении — от нагнетания к всасыванию. Это явление называют помпажом компрессора. Работа в режиме помпажа вызывает большие динамические нагрузки на ротор и может привести к выходу компрессора из строя.
3. Трудность получения высоких отношений давления — свыше 30—40. Для холодильной техники этот недостаток компрессоров динамического действия несущественен, так как в циклах холодильных машин такие высокие отношения давлений обычно не требуются.
4. Существенная зависимость характеристик компрессоров динамического действия от термодинамических свойств рабочего вещества, что не позволяет, как правило, эксплуатировать компрессоры этого типа на других рабочих веществах без изменения конструкции или режима работы.

Холодильные компрессоры объемного принципа действия

1. компрессоры объемного принципа действия. Рабочие органы машин этого класса засасывают определенный объем рабочего вещества, сжимают его благодаря уменьшению замкнутого объема и затем перемещают (нагнетают) в камеру нагнетания. Это машины дискретного действия, рабочие процессы в которых совершаются строго последовательно, повторяясь циклически. Объемные компрессоры условно можно также назвать машинами статического действия, поскольку перемещение рабочего вещества в процессе сжатия в них совершается сравнительно медленно;
2. компрессоры динамического принципа действия. В этих машинах рабочее вещество непрерывно перемещается («течет») через проточную часть компрессора, при этом кинетическая эаергия потока преобразуется в потенциальную. Плотность в потоке рабочего вещества постепенно повышается от входа в машину к выходу. Это машины непрерывного действия.

1. поршневые, винтовые, пластинчатые ротационные, ротационные, с катящимся поршнем и многие другие, основанные на объемном принципе действия;
2. лопаточные компрессорные машины,- к которым относятся: радиальные (центробежные), осевые и вихревые, основанные на динамическом принципе действия.

1. из-за изменения внешних условий работы холодильной машины компрессор работает в широком диапазоне изменения давлений нагнетания и всасывания и большой разности этих давлений;
2. многие рабочие вещества (например, хладоны) легко растворяются в смазочном масле, что оказывает существенное влияние на рабочие процессы в холодильном компрессоре (работающем со смазкой) и, как правило, снижает надежность подшипниковых узлов;
3. всасываемый в компрессор пар имеет низкую температуру и может содержать неиспарившиеся капли рабочего вещества;
4. рабочие процессы поршневого компрессора могут сопровождаться периодической конденсацией некоторого количества рабочего вещества на внутренних стенках цилиндра с последующим его испарением;
5. многие рабочие вещества (например, хладоны) обладают высокой степенью проницаемости не только через разъемы, но и через поры4 чугунных отливок, в то же время утечки рабочего вещества в атмосферу, как и подсос воздуха в компрессор, совершенно недопустимы;
6. компрессоры холодильных машин работают с холодильными агентами, имеющими большой диапазон изменения физических и химических свойств; плотности, вязкости, текучести, химической стойкости и активности.

К ним предъявляются высокие требования, вытекающие из их роли и условий работы в составе холодильной машины. Основными из них являются:

1. высокая надежность и достаточный моторесурс работы основных узлов и компрессора в целом, обеспечивающего заданные режимы работы холодильной машины;
2. высокая энергетическая эффективность в широком диапазоне изменения параметров работы — перепада и степени повышения давлений, а также производительности;
3. возможность полной автоматизации работы и надежная эксплуатация его без обслуживающего персонала;
4. высокая степень герметизации;
5. низкие скорости движения пара в клапанах и трактах компрессоров, работающих с холодильными агентами;
6. технологичность конструкций, высокая степень унификации деталей и узлов, доступность материалов для нх изготовления, малая материалоемкость;
7. низкий уровень шума и механической вибрации.

Свойства рабочих веществ холодильных машин

Интенсивность теплообмена в испарителях холодильных машин повышается, если рабочее вещество имеет большие значения теплопроводности и температуропроводности насыщенной жидкости, плотности насыщенных пара и жидкости и наименьшие поверхностное натяжение и вязкость жидкости. Для интенсивного теплообмена в конденсаторе рабочее вещество должно иметь высокие теплопроводность, плотность жидкости и теплоту парообразования и низкую динамическую вязкость. Интенсивность теплоотдачи в теплообменниках возрастает с увеличением теплопроводности, теплоемкости и плотности и уменьшением вязкости рабочего вещества.

В качестве общей характеристики свойств рабочих веществ для теплообмена при кипении и конденсации могут быть выбраны критические параметры рабочих тел и их молекулярная масса. Теплоотдача при кипении и конденсации возрастает при прочих равных условиях по мере уменьшения Ткр и молекулярной массы и уменьшается с ростом при кипении и с понижением при конденсации.

Химические и физико-химические свойства. Химическая стабильность рабочих веществ характеризуется температурой разложения, воспламеняемостью и взрывоопасностью. Температуры разложения рабочих веществ, применяемых в холодильной технике, значительно выше температур термодинамических рабочих циклов. При использовании в качестве рабочего вещества хладонов с применением регенеративного теплообмена температура конца сжатия не превышает 70—100°С, а у аммиака — 150°С.

Термическая стабильность рабочих веществ различна. Разложение хладонов связано с образованием хлористого и фтористого водорода и фосгена. При температурах 150—170°С частично разлагаются такие рабочие вещества, как R12, R22, R502, R13; при более низких температурах интенсивнее разлагаются вещества Rll, R21 и др. Наименее устойчивы к влиянию высоких температур бромиро-ванные углеводороды. Термическая стабильность рабочих веществ в присутствии масел снижается. Минеральные масла более сильно влияют на ухудшение термической стабильности, чем синтетические, применяемые в холодильной технике. Разложение рабочих веществ оказывает вредное влияние на надежность компрессоров, продолжительность использования в них масла без замены.

Рабочие вещества обладают различной степенью воспламеняемости и взрывоопасное. Аммиак в соединении с воздухом при концентрациях 16—26,8% взрывоопасен и воспламеняем. Наибольшей взрывоопасностью отличаются этан, этилен, пропан и бутан. Она снижается у хладонов по мере уменьшения числа атомов водорода и увеличения атомов фтора и хлора.

Взаимодействие с водой и примесями. Чистота рабочих веществ, связанная с присутствием в них воды, неконденсирующихся газов. и других примесей, имеет важное значение при эксплуатации холодильных машин. Существуют предельные нормы содержания влаги и других примесей в рабочих веществах, установленные ГОСТом. Примеси в рабочем веществе влияют на его термодинамические свойства, особенно при низких давлениях, повышая температуру и давление кипения. Присутствие в холодильном агенте нерастворенной «лаги вызывает опасность образования льда в дроссельных органах холодильной машины. Эта опасность уменьшается с увеличением растворимости воды в рабочем веществе. Наименьшая растворимость наблюдается у R12 и некоторых других хладонов.

Содержание растворимой в рабочем веществе воды по-разному воздействует на металлы, вызывая коррозию. Чистые углеводороды (зтан, пропан, изобутан) не реагируют с водой. Галогенизированные углеводороды образуют с водой галогенные кислоты. Так, например, хлорированные углеводороды под действием теплоты и света, а также под влиянием металлов, действующих каталитически, образуют с водой соляную кислоту. Соединения углерода и фтора более стойки, поэтому труднее образуют кислоты.

Растворимость воды уменьшается с увеличением числа атомов фтора (R115, RC318). В присутствии влаги или при повышенных температурах металлы по-разному влияют на гидролиз и термическое разложение хладонов. Аммиак не взаимодействует со сталью, однако вызывает коррозию меди и ее сплавов, особенно при наличии влаги.

Взаимодействие со смазочными маслами. Смазочные масла, применяемые в холодильных машинах, должны удовлетворять определенным требованиям к вязкости, маслянистости, стабильности при различных температурах и давлениях. Большое значение имеют свойства растворов масел и рабочих веществ.

Основные требования, предъявляемые к маслам, применяемым в холодильной технике для смазывания, заключаются в следующем:

1. при низких температурах они должны обладать достаточной текучестью;
2. не должно выпадать тугоплавких частиц парафина;
3. при высоких температурах не должно происходить коксования и образования асфальтов и смол.

При конденсации теплоотдача хладопомасляного раствора из-за увеличения бязкости и уменьшения теплопроводности пленки оказывается меньшей, чем при конденсации чистого рабочего вещества. При кипении в зависимости от условий течения, температуры насыщения, концентрации масла и видахладона масло ухудшает теплоотдачу.

По степени взаимной растворимости с минеральными маслами рабочие вещества могут быть разделены на три группы: с ограниченной растворимостью; с неограниченной растворимостью; промежуточные — с ограниченной растворимостью в определенном интервале температур. Вещества первой группы в состоянии насыщения растворяются в масле в небольшом количестве. При увеличении количества масла смесь разделяется на два слоя — масло и холодильный агент. При большой плотности рабочего вещества слой масла всплывает, при малой — осаждается. Вещества второй группы в переохлажденном состоянии g маслом взаимно растворяются в неограниченных количествах.

В состоянии насыщения количество рабочего вещества, растворяющегося в масле, зависит от температуры раствора и давления пара над ним: с повышением давления и снижением температуры концентрация хладона в масле возрастает. При постоянном давлении понижение температуры вызывает поглощение, а повышение — возгонку хладона. Вещества третьей группы при высоких температурах растворяются в масле неограниченно. Ниже некоторой критической температуры растворения раствор разделяется на два слоя. Необходимо выбирать масло с возможно более низкой критической температурой растворения: R22 имеет критическую температуру растворения 24°С, поэтому он неограниченно растворяется в масле при бы-соких температурах (в конденсаторе), а при низких температурах (в испарителе) будет расслаиваться; R12 имеет Тр. кр=,—45°С, поэтому при температурах процессов машины выше этого значения обладает неограниченной растворимостью.

С повышением растворимости жидкого рабочего вещества повышается и растворимость паров в масле. Концентрация масла в паре незначительна, однако парциальное давление пара в результате его растворимости имеет более низкое значение, чем чистое вещество, а поэтому температура кипения жидкости, растворенной в масле при том же давлении, будет выше, чем чистого вещества.

Аммиак и шестифтористая сера (SF6) растворяются в минеральном масле незначительно, а углекислота не растворяется вообще. Растворимость хладонов с возрастанием в соединении атомов фтора уменьшается. Практически не растворяются в минеральных маслах вещества R13, R14, R115, R22, R114 и азеотропная смесь из R152 и R12 растворяется частично (они имеют зону несмесимости); R11, Ш2, R21, R113 растворяются неограниченно. Малой растворимостью обладают фторированные углеводороды C3F8, C4F, 0 и пр.

У рабочих веществ второй группы при использовании тяжелых масел и при низких температурах обнаруживается зона несмесимости. Вещества третьей группы (R22) переходят во вторую при использовании легких или синтетических масел. В том случае, когда рабочее вещество не растворяется в масле, — отсутствует иена при кипении (в испарителе); в затопленных испарителях масло хорошо отделяется; концентрация растворенного масла не влияет на температуру кипения; более устойчиво работают поплавковые вентили, так как уровень жидкости поддерживается постоянным.

Растворимость рабочего вещества в масле способствует тому, что слой масла почти полностью смывается с теплопередающих поверхностей, а в испарителях незатопленных систем он уносится вместе с жидкостью; снижается температура затвердевания рабочего вещества. При расчете циклов холодильных машин она обычно не учитывается, хотя ее следует учитывать, так как уменьшение массовой холодопроизвоительности маслохладонового раствора по сравнению с чистым веществом может достигать значительных величин.

Рабочие вещества холодильных машин

Искусственное охлаждение связано с осуществлением термодинамических циклов холодильных машин, которые основаны главным образом на фазовых превращениях рабочих веществ. Непрерывный отвод теплоты от охлаждаемого источника возможен при бесконечно большом запасе рабочего вещества или при конечном количестве его, если после совершения холодильного эффекта вернуть рабочее вещество в первоначальное состояние.

Применяемые в холодильных машинах рабочие вещества характеризуются диапазоном нормальных температур кипения от 100 до — 160°С. Наиболее доступными рабочими веществами являются воздух и вода. Применение воды ограничено температурами кипения выше 0°С. При этом из-за высокой нормальной температуры кипения рабочие давления-водяного пара низки,— поэтому вода используется только в пароэжекторных и бромисто-литиевых абсорбционных холодильных машинах, главным образом в установках кондиционирования воздуха. Применение воздуха также ограничено его малой теплоемкостью [ около 1,0 кДж/(кг- К)]. Вследствие этого в машинах большой холодопроизводительности требуется сжимать в компрессоре очень большие количества воздуха. Воздух используется как рабочее вещество в газовых (воздушных) холодильных машинах сравнительно небольшой холодопроизводительности.

В настоящее время используют около 30—40 рабочих веществ, из которых практическое применение, кроме воды и воздуха, получили аммиак и различные фторхлорбромпроизводные метана и этана (в основном), а также пропана и бутана. Производные углеводородов в нашей стране получили название хладонов или фреонов (зарубежное название). Возможность получения многочисленного ряда хладонов из насыщенных углеводородов определяется зависимостью
n + x+y + z — 2m + 2

Принятая система обозначений условно может быть распространена и на соединения, не содержащие атомов фтора. Например, ССЦ—R10, СН2° C12—R30 и т. п. При замене атомов фтора атомами брома в обозначение хладона вводится буква В. Например, CF3Br— R13B1, CF2Br.,—R12B2 и т. п. Ненасыщенные углеводороды и их производные сокращенных обозначений не имеют.

Возможность применения рабочих веществ в холодильных машинах различного назначения и условий осуществления термодинамических циклов определяется их свойствами. К таким свойствам относятся: ядовитость, запах, взрывоопасность, воспламеняемость, температура затвердевания, взаимодействие с металлами и маслами и их термодинамические свойства. Продажа холодильного оборудования