Холодильные компрессоры - винтовые, поршневые

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 компрессора

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 компрессора

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 °С до -5 °С), 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:
¥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.