разное

Винтовые компрессоры

Напомним, что винтовые компрессоры представляют разно­видность ротационных. История создания винтовых компрессоров начинается с 1934 года, когда шведский инженер А. Лисхольм получил патент на первую конструкцию винтового компрессора.

Существенное отличие и, одновременно, преимущество винто­вых компрессоров заключается в способности обеспечивать большие отношения давлений рк/ро при высоких значениях КПД.

Интервал холодопризводительностей современных винтовых компрессоров достаточно широк (от 30 до 3500 кВт) при возможности использования различных рабочих веществ.

В винтовых компрессорах одновременно используются два принципа сжатия, свойственные различным типам ротационных компрессоров:

• сжатие за счет изменения геометрического объема рабочей полости, так называемое внутреннее сжатие, характерное для ротационных компрессоров с катящимся ротором;

• сжатие до заданного давления обратным потоком рабочего вещества из нагнетательной полости, т. е. внешнее сжатие, имеющее место в пластинчатых ротационных компрессорах.

Роторы винтового компрессора представляют собой удли­ненные косозубые шестерни специального профиля с малым числом винтовых зубьев (рис.8.21). Каждая пара зубьев образует винтовой канал. Число зубьев может быть различным. Исторически сложилось, что ведущий ротор имеет 4 зуба, а ведомый - 6, что записывают как Zl=4, £2=6. В последние годы некоторые заводы-производители винтовых компрессоров перешли на другие соотношения зубьев.

Винтовой компрессор не имеет всасывающих и нагнетатель­ных клапанов, а всасывающие и нагнетательные окна располагаются в торцовых крышках цилиндра. Рабочим объемом компрессора, где про­исходит сжатие, служат впадины (полости) между зубьями винтов и

Стенками корпуса. Передачу вращения от ведущего ротора к ведомому осуществляет сжимаемый пар рабочего вещества. Частота вращения ведущего ротора составляет от 30 до 200 об/с (с[28]). Диаметры роторов одинаковые, поэтому угловая частота вращения ведомого ротора меньше, чем ведущего из-за различного числа зубьев.

Роторы имеют специальный профиль зубьев (рис.8.22):

• симметричный, образуемый дугами окружностей;

• ассимметричный, образованный дугами эллипса.

От профиля зубьев зависит длина линии контакта между рото­рами, которая отделяет полость сжатия от полости всасывания. Перетечки рабочего вещества через зазор между роторами пропорцио­нальны длине линии контакта. Ассимметричный профиль зубьев имеет меньшую длину линии контакта, характеризуется наибольшим объемом впадин ротора и, при прочих равных условиях, обеспечивает большую объемную производительность, поэтому в последние годы получил широкое применение.

Роторы конструируют так, что зуб ротора представляет непол­ный виток вокруг оси вала. Существует конструктивная характе­ристика - угол закрутки ротора (р. Это угол, на который повернут торец зуба со стороны нагнетания по отношению к торцу этого же зуба со стороны всасывания ((р <360°).

По числу основных деталей (роторов) винтовые компрессоры бывают: одно - , двух - и многороторными. В холодильных машинах (тепловых насосах) получили применение одно - и двухроторные конструкции.

К числу основных деталей и узлов винтового компрессора также относят опорные и упорные подшипники, поршень для уравновешивания осевых сил (думмис), золотниковый регулятор производительности, уплотнение ведущего вала (сальник).

Как и все холодильные компрессоры, винтовые компрессоры выпускают в сальниковом и бессальниковом исполнении - рис.8.23.

Рабочие процессы в винтовом компрессоре представляют: всасывание9 перенос, сжатие, нагнетание. Они осуществляются в

Герметичных полостях, ограниченных впадиной ротора, корпусом и торцовыми крышками. Во впадинах ведущего и ведомого роторов рабочий процесс одинаковый. Рассмотрим последовательно процессы, происходящие с рабочим веществом в винтовом компрессоре (рис.8.24).

При вращении винтов на стороне выхода зубьев из зацепления постепенно, начиная от торца всасывания, освобождаются впадины между зубьями. Эти впадины (называемые также полостями) благодаря создаваемому в них разрежению заполняются паром, поступающим через окно всасывания.

К моменту, когда одна из полостей винта полностью освободится от заполнявшего ее зуба (что произойдет у торца нагнетания) и объем полости достигает максимальной величины, она должна пройти окно всасывания и отсоединиться от камеры всасывания. Процесс всасывания пара в рассматриваемой полости на этом заканчивается. Объем пара, ограниченный поверхностями винтов и корпуса, таким образом уже разобщен с камерой нагнетания.

По мере вращения винтов зуб ведомого винта начинает заполнять одну из впадин ведущего винта, уменьшая ее объем; пар сжимается. Затем полость ведущего винта соединяется с соответствующей полостью ведомого, образуя одну общую полость. Процесс сжатия продолжается до того момента, когда полость подойдет к кромке окна нагнетания. В этот момент внутреннее сжатие пара заканчивается..

С момента соединения парной полости с камерой нагнетания начинается процесс нагнетания. В работе винтового компрессора возможны те же три случая отношений между рк и рнаг, свойственные пластинчатым ротационным компрессорам (рис.8.20). Процессы в индикаторной диаграмме имеют следующие названия: 1-2 - всасыва­ние; 2 - перенос; 2-3 - сжатие; 3-4 - нагнетание.

Отношение объема рабочей полости в начале процесса сжатия V} к объему рабочей полости в конце процесса сжатия V2 (рис.8.24) называется геометрической степенью сжатия винтового V,

Компрессора є = .

Компрессоры, выпускаемые в России, имеют три стандартных значения е.

• £ = 2,6 (режим кондиционирования воздуха, рабочие вещества R134a, R22);

• є = 4 (7о>-30°С, Тк <40°С, рабочие вещества R134a, R22,R717);

• 5 (Т0 =-45...-30°С, Тк <45°С, рабочие вещества R22 и R717). Для винтовых компрессоров, выпускаемых в мире, є =2,3 (для

R-22); є =3,0 (для R-134a); є =3,5 (для R-404A); є =4,8 (для R-407A). При одинаковых размерах винтов компрессоров, величина є обеспечивается изменением размеров окна нагнетания.

Таким образом в теории винтового компрессора существуют следующие понятия:

Р

• внутренняя степень повышения давления жо = ;

Ро

Рк

• внешняя степень повышения давления 71 вн = ——.

Ро

К основным характеристикам винтового компрессора относят:

• теоретическую объемную производительность, VV,

• коэффициент подачи X;

• эффективный кпд 7]е.

Введем обозначения: VoJ и Уо2 - объем впадины ведущего и ведомого ротора, соответственно (например, рис.8.22а); z и г2~ число зубьев ведущего и ведомого ротора, соответственно; п; и п2 - частота вращения ведущего и ведомого ротора, соответственно.

За один оборот ведущего ротора в одну впадину поступит объем Уої рабочего вещества, а во все впадины ведомого ротора поступит объем V0i zj. В единицу времени, объемы соответственно составят V0i Zini и Vo2 z2n2.

Объемная теоретическая производительность винтового комп­рессора определится как

Vh = Уоі Zi nj + Vo2 «2 = zi ПІ {Vai + Vo2 (8.52)

Где по условию зацепления zi nj = Z2 п>2. Величина Vh представляет теоретическую объемную производительность винтового компрес­сора, которая определяется конструктивными параметрами: межосевым расстоянием роторов; длиной ротора; формой зуба и впадины. Сумму (VoI + Vo2) называют объемом парной полости всасывания.

Проанализируем объемные потери в винтовом компрессоре при сравнении его с поршневым, как и ранее представив коэффициент подачи Л в виде произведения частных коэффициентов - ур.(8.28).

Винтовой компрессор практически не имеет «мертвого пространства», в связи с чем Ас~1 (для поршневого компрессора Хс<). В винтовом компрессоре отсутствуют клапаны, поэтому коэффициент подачи (для поршневого компрессора Хдр <1). Тепловые

Процессы в винтовом компрессоре более интенсивные, чем в поршневом, так как при равном объеме рабочих полостей в винтовом компрессоре площадь боковой поверхности полости в несколько раз больше, чем в поршневом, следовательно, Xw (ВК) < Xw (ПК). Основ­ный вид объемных потерь в винтовом компрессоре - перетечки рабо­чего вещества, поэтому (для поршневого компрессора Таким образом видно, что коэффициент подачи винтового компрес­сора в основном характеризуется степенью внутренней герметичности (чем меньше зазоры между роторами и корпусом, тем выше X). Это условие обеспечивает высокая точность изготовления роторов, корпусов и подшипниковых узлов.

Увеличенная частота вращения роторов компрессора оказыва­ет влияние на увеличение коэффициента подачи X, поскольку абсо­лютная величина утечек через зазоры обратно пропорциональна частоте вращения.

Для винтовых компрессоров не существует эмпирических зависимостей для определения коэффициента подачи X и эффектив­ного КПД компрессора Г)е. Эти величины определяют исключительно экспериментально. В качестве примера, на рис.8.25 и 8.26 в графи­ческом виде приведены усредненные зависимости (по винтовым компрессорам, выпускаемым в России) для определения X и т]е.

По способу герметизации рабочей полости винтовые компрессоры подразделяются на два больших класса:

• сухого сжатия, в которых сжатие рабочего вещества происходит без подачи масла в рабочую полость. Поскольку при этом касание зубьев роторов не допускается, то для передачи крутящего момента и синхронизации вращения роторов предусматриваются шестерни связи. «Сухие» винтовые компрессоры имеют пониженные значения коэффициентов Я и Г]е. Как следствие увеличенных перетечек, они не могут развивать большую степень внешнего

Рк

Повышения давления ло --—, поэтому не могут конкурировать с

Ро

Поршневыми компрессорами;

• маслозаполненные. В холодильной технике этим типам винто­вых компрессоров отдано предпочтение. В рабочие полости масло- заполненного компрессора в большом количестве впрыскивается охлажденное смазочное масло с давлением на 0,05...0,3 МІІа выше давления нагнетания и температурой не выше 45...50°С. Относи­тельный расход масла (отнесенный к 1 кг/с циркулирующего рабочего вещества) составляет от 3 до 10 и зависит от свойств рабочего вещества (большие значения относятся к R-717, меньшие - к R-22 и R - 134а). Впрыскиваемое масло заполняет зазоры, в результате уменьшаются перетечки рабочего вещества, охлаждаются конструк-

Тивные элементы рабочих полостей, приближая процесс сжатия к изотермическому, снижается уровень шума, уменьшается трение. Конструкция маслозаполненного винтового компрессора значительно проще, чем сухого. При наличии большого количества масла в рабочих полостях роторы могут касаться, поэтому отпадает необходи­мость в шестернях связи, как следствие этого, уменьшаются масса и габариты компрессора, уменьшается стоимость, увеличивается эксплуатационная надежность и долговечность компрессора.

Система смазки по массогабаритным характеристикам в нес­колько раз превышает массогабаритные характеристики самого компрессора и обычно состоит из внешнего маслонасоса с электро­двигателем, маслоотделителя с маслосборником, маслоохладителя и фильтров.

К преимуществам винтовых компрессоров относятся: наличие в конструкции компрессора регулятора производительности, обеспе­чивающего плавное изменение производительности компрессора от 10 до 100% при изменяющихся тепловых нагрузках в объектах охлаждения; высокая эксплуатационная надежность и энергетическая эффективность; работа на любых рабочих веществах и их смесях без изменения конструкции; работа по циклу Ворхиса (глава 13); полная уравновешенность; отсутствие клапанов; малое количество деталей.

К недостаткам винтового компрессора относят технологи­ческую сложность изготовления и громоздкую систему смазки (для маслозаполненных компрессоров).

Существующие винтовые компрессоры имеют следующие пределы в конструктивно-эксплуатационных характеристиках, кото­рые должны быть отражены при формировании диаграммы Бенке (рис.6.11):

• минимальное давление всасывания 0,05 МПа;

• минимальная температура всасывания -40°С;

• максимальное давление нагнетания 2,5 МПа;

• максимальная разность давлений (рнаг - /?вс)=1,7 МПа;

• максимальная наружная степень повышения давления в одноступенчатом сжатиириаг/ра-25

• максимальная температура нагнетания Гнаг=90°С;

• температура на всасывании не выше 25 °С, перегрев на всасывании 10...20°;

• температура масла на входе в компрессор 20.. .50°С.

8.7.4. Спиральные компрессоры

В последние 20 лет в номенклатуре холодильных компрес­соров появился новый тип компрессоров объемного сжатия - спиральный компрессор.

Идея такого компрессора известна более 100 лет, но промыш­ленное производство этих компрессоров стало возможным только в условиях использования новых современных технологий обработки деталей. Первыми на рынок холодильного оборудования спиральные компрессоры поставили фирмы «Воск» (Германия) и «Copeland» (Бельгия), научным группам этих крупных производителей холо­дильного оборудования принадлежат и значительные научные разра­ботки в области исследования спиральных компрессоров. По мере совершенствования металообрабатывающих технологий, холодо - производительность этих компрессоров увеличивается.

В настоящее время в холодильной технике спиральные компрессоры входят в состав холодильных машин малой и средней производительности, работающих на рабочих веществах HFC - и HCFC-типа в торговой технике, бытовых и транспортных кондицио­нерах, тепловых насосах.

Спиральные компрессоры классифицируют: ® по методу уплотнения и охлаждения рабочей полости: масло- заполненные, сухого сжатия, со впрыском холодильного агента; « по количеству ступеней сжатия: одноступенчатые, двух­ступенчатые;

• по типу спирали: с эвольвентными спиралями, со спиралями Архимеда, с кусочно-окружными спиралями;

• по расположению спиралей в пространстве: вертикальные, горизонтальные.

Спиральные компрессоры могут быть сальниковыми, бессальниковыми и герметичными.

К преимуществам спиральных компрессоров относят: высо­кую энергетическую эффективность; высокую долговечность; высо­кую эксплуатационную надежность; хорошую уравновешенность; малую степень неравномерности вращения; малую скорость потока рабочего вещества в проточной части; малый уровень шума; быстроходность (от 16 до 200 сек1); отсутствие мертвого пространства; уменьшенный вредный подогрев пара от стенки; отсутствие клапанов; возможность работы на любом рабочем веществе; возможность работы по циклу Ворхиса (глава 13);

Сравнение с поршневыми компрессорами той же холодо­производительности демонстрирует дополнительные преимущества спиральных компрессоров, что широко используется в рекламной продукции заводов-изготовителей: более высокий индикаторный КПД - до 15%; более высокий коэффициент подачи - до 30%; меньшие габариты - до 40%; меньшая масса - до 20%; меньшие капитальные затраты.

Спиральные компрессоры не лишены и некоторых недостат­ков. К ним относятся: потребность в сложных металлообрабаты­вающих станках с программными обеспечениями; сложная баланси­ровка ротора двигателя из-за сложной системы действующих в механизме сил: осевых, тангенциальных, центробежных; дополни­тельные потери мощности при отсутствии нагнетательного клапана (по аналогии с винтовым компрессором).

Одна из возможных конструкций спирального компрессора представлена на рис.8.27. К основным элементам любого спирального компрессора относят: вал с эксцентриком, коренные подшипники, подвижную спираль, неподвижную спираль.

Расстояние между осями вала и эксцентрика называют эксцентриситетом е. Эта величина является важнейшим конструктив­ным параметром спирального компрессора.

Спирали (неподвижная и подвижная) имеют одинаковые размеры, но разные направления закрутки спирали (левая и правая). Неподвижная спираль стопорится в корпусе или крышке компрессора. Платформа неподвижной спирали имеет в центре отверстие для выхода сжатого рабочего вещества.

Для описания принципа действия спирального компрессора необходимо мысленно вставить одну спираль в другую и посмотреть на них с торца вала. Между стенками спирали образуются полости, некоторые из них замкнутые. Если осуществить вращение вала, то размеры (объемы) полостей будут изменятся. Изменение объемов полостей и их расположение относительно оси координат в плоскости рассматривают на примере упрощенного графического изображения компрессора (рис.8.28). Обозначим угол поворота вала <р.

Подвижная спираль совершает движение по определенной орбите (в данном случае - круговой - радиусом є вокруг оси неподвижной спирали).

Процесс всасывания - раскрытие и закрытие полостей, образованных внешними дугами спиралей, крышкой компрессора и платформой неподвижной спирали за один оборот вала ((рвс = 360°).

Процесс сжатия и нагнетания длится дольше, примерно, за (Рсж-наг-^20 ... 900°, в зависимости от угла закрутки спиралей и размеров нагнетательного отверстия.

Таким образом, теоретическая объемная производительность компрессора определяется объемом двух наружных полостей спиралей и частотой вращения вала

Vh=2-Vrn. (8.53)

Действительная объемная производительность спирального компрессора связана с теоретической коэффициентом подачи К =Vh 'Л - К сожалению, в современных публикациях еще не встре­чаются эмпирические зависимости для расчета коэффициента подачи спирального компрессора. Эта величина может быть определена только по усредненным экспериментальным данным заводов - изготовителей, часто присутствующим в рекламной продукции.