Охладительные компрессоры. Разновидности, устройство и принцип работы.
Охладительные компрессоры. Разновидности, устройство и принцип работы.
Компрессор - сердце охладительной системы. Он всасывает хладагент в виде пара на стороне низкого давления (всасывающей линии). Хладагент выходит в виде перегретого пара на стороне высокого давления. В компрессоре хладагент сжимается (объем хладагента уменьшается) и, таким образом, доводится до более высокой температуры и давления (энергия от уменьшения хладагента преобразуется в тепло, давление хладагента повышается, увеличивается также температура). Если давление хладагента падает, температура также падает. В зависимости от типа хладагента в компрессоре достигается разное давление и температура.
Максимальный предел температуры составляет около 130 ° C.
Задача холодильного компрессора - сжимать холодный воздух и продвигать его по контуру , чтобы охладить внутреннюю часть холодильной системы.
Есть разные типы компрессоров. Различают полностью герметичные компрессоры, полугерметичные компрессоры и открытые компрессоры.
ОТКРЫТЫЙ КОМПРЕССОР
Двигатель располагается отдельно от компрессора и соединяется гильзой или ремнем. Присутствует доступ к основным элементам конструкции для ремонта, а скорость вращения может быть изменена путем замены шкива двигателя. Но эти два преимущества (очень теоретические…) не компенсируют основной недостаток, заключающийся в наличии вращающегося уплотнения коленчатого вала. Сальники, которые необходимо смазывать для обеспечения герметичности, являются источником утечек хладагента.
ГЕРМЕТИЧНЫЙ КОМПРЕССОР
Мотор и компрессор заключены в один неразборный корпус. Вращающийся сальник здесь отсутствует как и опасность протечки. Но появляются новые недостатки, в том числе то, что двигатель охлаждается самим хладагентом. Этот нагрев вреден для холодильного цикла, так как температура на всасывании компрессора увеличивается. Кроме того, если двигатель перегорит, весь холодильный контур будет загрязнен. В случае серьезной неисправности ремонт такого компрессора не возможен. Герметичный компрессор обычно используется для малых и средних мощностей и отличается невысокой стоимостью.
ПОЛУГЕРМЕТИЧНЫЙ КОМПРЕССОР
Является компромиссом между двумя предыдущими продуктами. Совмещает преимущества открытых компрессоров (доступ к механизмам) и герметичных компрессоров (ограничение утечек). Но герметичность остается несовершенной (большое количество уплотнений), а цена заметно выше, чем у герметичного компрессора. Полугерметичный компрессор используется для средних мощностей.
Разделение компрессоров по принципу действия
Объемные компрессоры- создают давление за счет уменьшения объема рабочей камеры
Динамические компрессоры - создают давление за счет передачи механической энергии от вала к роторным элементам, которые взаимодействуют с рабочим веществом (хладагентом).
Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы основных видов компрессоров для охладительной техники.
1.Поршневые компрессоры
Поршневые компрессоры один из наиболее широко используемых типов компрессоров для систем охлаждения и кондиционирования воздуха. Поршневые компрессоры состоят из поршня и цилиндра, аналогичного автомобильному двигателю. В то время как двигатель вырабатывает мощность после потребления топлива, поршневой компрессор потребляет электричество для сжатия хладагента. Внутри цилиндра поршень совершает возвратно-поступательное движение, что обеспечивает сжатие хладагента.
Принцип работы поршневых компрессоров
Помимо поршня и цилиндра, поршневой компрессор также состоит из коленчатого вала, шатуна и других небольших соединительных элементов. Коленвал соединен с электродвигателем напрямую с помощью муфты или ремня и приводится в движение шкивом. Вращательное движение коленчатого вала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня внутри цилиндра через шатун. Давайте посмотрим на различные ходы поршня внутри цилиндра (см. Рисунки ниже):
Работа поршневого компрессора
Поршень в положении верхней мертвой точки (ВМТ):
В положении верхней мертвой точки (ВМТ) поршня уже сжатый хладагент выходит из выпускного клапана. Из верхней мертвой точки поршень начинает движение вниз. В этом случае нагнетательный клапан уже закрыт, а всасывающий клапан открывается из-за давления всасывания хладагента из всасывающего трубопровода. Хладагент из всасывающего трубопровода забирается внутрь цилиндра компрессора через всасывающий клапан. По мере того как поршень движется вниз, количество хладагента, попадающего в цилиндр, увеличивается. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, говорят, что он находится в положении нижней мертвой точки (НМТ).
Поршень в положении нижней мертвой точки (НМТ):
В положении НМТ максимальное количество хладагента забрано внутрь цилиндра из линии всасывания системы охлаждения или кондиционирования воздуха. Поршень теперь начинает движение вверх, из-за чего объем хладагента внутри цилиндра начинает уменьшаться, это означает, что хладагент начинает сжиматься, а его давление начинает увеличиваться. Всасывающий клапан закрывается из-за высокого давления хладагента внутри цилиндра. Из-за движения коленчатого вала поршень продолжает движение вверх и сжимает хладагент. Давление хладагента увеличивается по мере того, как он сжимается все больше и больше. В конце такта сжатия выпускной клапан открывается, и хладагент подается в нагнетательный трубопровод или трубопровод системы охлаждения или кондиционирования воздуха. Из-за вращательного движения коленчатого вала возвратно-поступательное движение поршня продолжается внутри цилиндра и, наконец, достигает положения ВМТ, где весь сжатый хладагент внутри цилиндра подается в нагнетательную линию, и выпускной клапан закрывается. С этого момента поршень снова начинает перемещаться в положение НМТ, и работа компрессора продолжается.
При перемещении из НМТ в положение ВМТ поршень не касается цилиндра в верхнем положении, скорее, некоторый объем остается свободным между верхним положением поршня и цилиндром, этот объем называется объемом зазора. Такой зазор также присутствует в нижней позиции НМТ.
Таким образом, поршень внутри цилиндра имеет два хода: такт всасывания и такт сжатия. За каждый оборот коленчатого вала производится один ход всасывания и один ход нагнетания поршня внутри цилиндра.
Типы поршневых компрессоров
Поршневые компрессоры открытой конструкции
В этой группе компрессоров двигатель и компрессор находятся в разных корпусах. Приводной вал (коленчатый вал) выходит из корпуса компрессора. К нему можно подключить электрический, дизельный или газовый мотор. Присоединение осуществляется либо стяжной втулкой, либо ремнем.
Возможен доступ ко всем компонентам компрессора.
Мощность регулируется отключением определенных цилиндров или изменением скорости приводного двигателя.
Компрессоры открытой конструкции используются в системах холодопроизводительностью до 500 кВт.
Полугерметичные поршневые компрессоры
Компрессор и приводной двигатель размещены в общем корпусе. Привод обычно обеспечивается электродвигателем. Обычно он охлаждается холодными газами хладагента (всасываемыми газами), иногда вентилятором или водяным змеевиком, намотанным на корпус двигателя.
Для ремонта можно получить доступ к каждой части машины и даже отделить компрессор от двигателя (пластины, прикрученные к раме, с наличием проставок).
Мощность регулируется отключением определенных цилиндров или изменением скорости приводного двигателя.
Компрессоры полугерметичной конструкции используются в системах мощностью до 100 кВт или, при использовании нескольких компрессоров, примерно до 400 кВт.
Герметичные поршневые компрессоры
Компрессор и электродвигатель размещены в сварном корпусе. Обычно они поддерживаются пружинами для предотвращения передачи вибрации. Вращающийся сальник отсутствует, а вместе с ним и опасность протечки.
Но появляются новые ограничения:
• Хладагент и, конечно , смазочное масло должны быть совместимыми с материалами , из которых изготовлен двигатель.
• Двигатель охлаждается самим хладагентом, но это нагревание отрицательно сказывается на холодильном цикле, поскольку температура на всасывании компрессора увеличивается и, следовательно, выше на выходе. Кроме того, если двигатель перегорит, весь холодильный контур будет загрязнен: в этом случае необходимо проводить полную очистку контура, чтобы избежать дальнейших проблем. В случае серьезной поломки ремонт исключен. Поэтому встраивается предохранительное устройство, благодаря которому, при перегреве двигателя, подача электроэнергии будет отключена. В этом случае двигатель также охлаждается за счет атмосферных газов.
В принципе, холодопроизводительность нельзя регулировать, кроме как изменяя частоту питающего тока.
Герметичные поршневые компрессоры устанавливаются в небольших устройствах (холодильники, компактные кондиционеры) или в установках мощностью примерно до 30 кВт.
Основные особенности
Поршневой компрессор требует постоянной смазки . Нижняя часть картера является резервом масла. Давление в картере - это давление всасывания. Масляный насос создает давление на 0,5–4 бара больше, чем давление в картере.
Поршневой компрессор очень чувствителен к попаданию жидкости даже небольшая капля, попадающая в клапаны вызывает медленный износ. Если капельная жидкость проникнет в большом количестве, клапаны немедленно разрушаются. Поэтому в конструкции предусмотрена противоударная гидрозащита (мощная пружина на крышке цилиндра, способная подниматься в случае попадания жидкости).
«Мертвое пространство» - это объем, который остается между поршнем и нижней частью цилиндра, когда поршень находится в максимально высоком положении (ВМТ). Это пространство необходимо для предотвращения ударов. Он составляет от 3 до 4% объема цилиндра. Чем оно меньше тем больше объемный КПД компрессора.
2.Ротационные компрессоры
Ротационный компрессор имеет один или два ротора в цилиндре. Когда ротор вращается, он вызывает изменение объема в цилиндре и осуществляет всасывание, сжатие и выпуск газа.
Процессы всасывания, сжатия и нагнетания являются непрерывными в каждом цикле роторного компрессора, благодаря этой последовательности происходит более плавное и эффективное сжатие.
Роторный компрессор представляет собой механизм прямого всасывания, что означает, что потери избыточного тепла во всасываемом газе сводятся к минимуму, достигая высокого объемного КПД во время работы.
Вращение двигателя напрямую передается через коленчатый вал на работу по сжатию, не преобразуя его в процесс возвратно-поступательного движения, обеспечивая высокую эффективность работы.
По сравнению с другими компрессорами у ротационных меньше компонентов. Меньшее количество движущихся частей означает меньшую вероятность неисправностей.
Механизм и двигатель роторного компрессора крепятся непосредственно к корпусу, поэтому дополнительные монтажные материалы не требуются.
Компрессор легкий, простой и компактный.
Принцип работы ротационного компрессора
Схема: принцип сжатия роторного компрессора
A Воздух всасывается через всасывающий клапан. Между ротором и стенкой статора остается воздух атмосферного давления. Пластины ротора возвращаются в свои приемные пазы на стенке статора и уменьшают объем воздуха. Давление воздуха увеличивается по мере уменьшения объема. Масло впрыскивается для охлаждения, уплотнения и смазки.
B Воздух всасывается через всасывающий клапан. Между ротором и стенкой статора остается воздух атмосферного давления.
C Воздух всасывается через всасывающий клапан. Между ротором и стенкой статора остается воздух атмосферного давления. Пластины ротора возвращаются в свои приемные пазы на стенке статора и уменьшают объем воздуха. Давление воздуха увеличивается по мере уменьшения объема. Масло впрыскивается для охлаждения, уплотнения и смазки.
D Воздух всасывается через всасывающий клапан. Между ротором и стенкой статора остается воздух атмосферного давления. Пластины ротора возвращаются в свои приемные пазы на стенке статора и уменьшают объем воздуха. Давление воздуха увеличивается по мере уменьшения объема. Масло впрыскивается для охлаждения, уплотнения и смазки. Воздух под высоким давлением проходит через первичный маслоотделитель, который задерживает 99% уносимого масла.
E Сепаратор тонкой очистки поглощает остаточное масло и выпускает высококачественный сжатый воздух.
F Воздух всасывается через всасывающий клапан. Между ротором и стенкой статора остается воздух атмосферного давления. Пластины ротора возвращаются в свои приемные пазы на стенке статора и уменьшают объем воздуха. Давление воздуха увеличивается по мере уменьшения объема. Масло впрыскивается для охлаждения, уплотнения и смазки. Воздух под высоким давлением проходит через первичный маслоотделитель, который задерживает 99% уносимого масла. Сепаратор тонкой очистки поглощает остаточное масло и выпускает высококачественный сжатый воздух. Системный воздух проходит через дополнительный охладитель, который снижает температуру до <10 ° C выше температуры окружающей среды и отделяет конденсат.
Преимущества использования ротационного компрессора
- Небольшой размер
- Бесшумный
- Непрерывный воздушный поток
- Умеренное давление и объем воздуха
- Низкое энергопотребление
*В случае поломки или неисправности ремонт может быть нецелесообразным, скорее всего потребуется полная замена.
3.Винтовые компрессоры
Винтовой компрессор имеет простую конструкцию. Этот тип компрессора отличается равномерной и плавной работой. За счет особой конструкции винтового компрессора может быть достигнуто избыточное давление до 30 бар.
Устройство винтового компрессора и принцип его работы
Винтовой компрессор имеет как минимум два, а часто и больше винтов (спиралей, червяков), вращающихся в противоположных направлениях. Винты компрессора заключены в корпус имеют резьбовой профиль и входят в зацепление друг с другом как шестерни. Между витками винтов полости образуют пространство для транспортировки хладагента. Когда роторы вращаются, они перемещают соответствующую среду от входа к выходу. От стороны всасывания к стороне нагнетания объем полости уменьшается и происходит сжатие хладагента.
Этапы работы винтового компрессора
1. Открывающийся клапан втягивает газ в камеру компрессора. Два винтовых ротора расположены в камере; когда устройство включено, они крутятся на большой скорости.
2. Во время вращения крыльчатки они захватывают и изолируют воздух в полостях между винтами, тем самым перемещая воздух по камере.
3. Камера сжимается и отодвигается от открывающего клапана. По мере уменьшения объема давление увеличивается.
4. Давление растет, и газ сжижается.
5. Под определенным давлением открывается выпускной клапан и сжатый хладагент достигает сборного контейнера или другого резервуара для хранения.
6. Хладагент сжимается и перемещается в устройства, расположенные ниже по потоку, такие как осушители и водомасляные сепараторы для сушки и удаления примесей.
Винтовая конструкция в сравнении с поршневыми компрессорами обеспечивает меньший уровень шума.
Равномерный шаг резьбы винтового компрессора гарантирует, что полое пространство, то есть объем, не изменяется во время вращения ротора. Изменение объема в сторону сжатия может быть достигнуто путем изменения шага резьбы профиля винта по оси винта или постепенного изменения этих шагов резьбы в секциях.
Существуют винтовые компрессоры, использующие две технологии: двухроторные (тип SRM) и одинарные (тип ZIMMERN).
Объемный КПД винтового компрессора хорош, благодаря отсутствию мертвых зон, как у поршневых компрессоров. Это свойство позволяет обеспечить высокие степени сжатия с хорошей объемной эффективностью.
Современные винтовые компрессоры имеют роторы с асимметричным профилем, что предпочтительнее с энергетической точки зрения.
Изменения мощности достигаются в больших устройствах за счет действия «катушки», которая решает, использовать ли большую или меньшую длину винта при сжатии газов, и, следовательно, вызывает более или менее большую степень сжатия. В небольших компрессорах, которые все еще очень велики по сравнению с поршневыми компрессорами, модуляция мощности достигается за счет изменения скорости вращения или использования дополнительных всасывающих отверстий, или и того, и другого.
Преимущества винтового компрессора - низкий износ и простота регулировки.
Винтовой компрессор необходимо обильно смазывать, чтобы обеспечить уплотнение между движущимися частями и снизить уровень шума, а также для охлаждения хладагента: тогда можно достичь высоких степеней сжатия (до 20) без изменения хладагента.
В основном винтовые компрессоры используются для холодопроизводительности от 20 кВт.
4.Спиральные компрессоры
Спиральные компрессоры очень распространены в системах кондиционирования воздуха - их классическое применение - охладители. В частности, в секторе холодильных компрессоров спиральный компрессор завоевывает все большую долю рынка.
В таких компрессорах сжатие хладагента происходит при помощи двух одинаковых спиральных роликов. Первый фиксируется, второй описывает непрерывное круговое движение без включения. Спирали сдвинуты по фазе на 180 °.
Орбитальное движение вызывает смещение газовых карманов к центру, это смещение сопровождается постепенным уменьшением их объема до полного исчезновения. Так выполняется цикл сжатия хладагента.
Изоэнтропический КПД спиральных компрессоров немного выше, чем у типичного поршневого компрессора при схожих рабочих характеристиках. Спиральные компрессоры в этом случае более эффективны, потому что они не имеют динамического нагнетательного клапана, который вызывает дополнительные дроссельные потери. Однако эффективность спирального компрессора без нагнетательного клапана начинает снижаться при работе с более высокой степенью сжатия по сравнению с поршневым компрессором.
Меньшее количества деталей по сравнению с поршневыми компрессорами. Одиночная подвижная спираль заменяет поршни, шатуны, шатунные шейки и клапаны. Меньшее количество движущихся частей, меньшая масса вращения и меньшее внутреннее трение обеспечивают более высокую эффективность, чем у поршневых компрессоров.
Изменения крутящего момента составляют всего 30% от колебаний поршневого компрессора. Следовательно, он оказывает на двигатель очень низкую нагрузку, что является фактором надежности.
Спиральный компрессор ограничен по мощности (около 50 кВт), но можно поставить несколько компрессоров параллельно (например, до 300 кВт).
Отметим также его низкую чувствительность к проникновению капельных жидкостей.