Обзор конструкций холодильных спиральных компрессоров

Budanov V.A., Cand. Tech. Sc, associate
professor

Буданов В.А., канд. тех. наук, доцент

Odessa national academy of food technologies Ukraine, 65039,
city of Odessa, Kanatna Street, 112

Одесская национальная академия
пищевых технологий Украина, 65039,
г. Одесса, ул. Канатная, 112

Аннотация
В докладе дан обзор конструкций холодильных спиральных компрессоров, которые все
шире используются в индустрии искусственного холода, тепловых насосах и установках кондиционирования. Представлены способы и конструкции регулирования производительности спирального компрессора, обеспечивающие высокую точность поддержания эксплуатационных параметров.

В последние 30 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 Hitachi Ltd и Copeland (Emerson Climate Technologies), научным группам этих крупных производителей холодильного оборудования принадлежат и значительные научные разработки в области исследования спиральных компрессоров. По мере совершенствования металообрабатывающих технологий, холодопроизводительность этих компрессоров увеличивается и растет их количество. Сегодня производится более 14 млн. штук в год.
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.
Благодаря восстановлению мировой экономики мировой рынок спиральных компрессоров в последние два года показал некоторый рост. Развитые рынки, такие как рынки США и
Европы, показали слабый рост, а развивающиеся рынки, такие как Китай, Индия продолжали расти. Без учета объема внутренних поставок объем мирового рынка спиральных компрессоров достиг 14,9 млн единиц, что свидетельствует о росте на 6,2% в 2017 году. В 2018 году темпы роста рынка спиральных компрессоров несколько снизились на 0,62% в годовом исчислении [1]. Широко развивается технология модульных чиллеров, использующих спиральные компрессоры. Модульные чиллеры имеют несколько преимуществ: компактные размеры для легкой транспортировки и инсталляции, а также возможность параллельной инсталляции нескольких модулей для получения более высокой производительности. Благодаря этим преимуществам модульные чиллеры получили широкое распространение, особенно в Европе, Японии и Китае. Возможность применения нескольких агрегатов, работающих на один объект, значительно расширяет масштаб применения спиральных компрессоров причем в традиционных областях применения винтовых компрессоров.
При расширении функций тепловых насосов воздух–вода (ATW) не только для отопления дома, но и для горячего водоснабжения, спиральные компрессоры находят здесь все
более широкое применение.
В холодильной технике использование спиральных компрессоров расширяется благодаря их высокой эффективности и компактным размерам. Япония экспортирует компрессоры, использующие СО2 в качестве хладагента, в Европу и Австралию. Эти компрессоры также
можно использовать для тепловых насосов в системе нагрева воды и в системе охлаждения.
Популярность гибридных автомобилей вызывает значительный интерес в использовании спиральных компрессоров на СО2 в системах автокондиционеров [1]. Спиральные компрессоры классифицируют:
• по методу уплотнения и охлаждения рабочей полости: маслозаполненные, сухого сжатия, с 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 сек-1); отсутствие мертвого пространства; уменьшенный вредный подогрев пара от стенки; отсутствие клапанов; возможность работы на любом рабочем веществе; возможность работы по циклу Ворхиса. Спиральные компрессоры не лишены и некоторых недостатков. К ним относятся: потребность в сложных металлообрабатывающих станках с программным управлением; сложная балансировка ротора двигателя из-за сложной системы действующих в механизме сил: осевых, тангенциальных, центробежных; дополнительные потери мощности из-за отсутствия нагнетательного клапана (по аналогии с винтовым компрессором).
Изложим коротко основные принципы работы спирального компрессора.
Для описания принципа действия спирального компрессора (см. рис. 1) необходимо
мысленно вставить одну спираль в другую и посмотреть на них с торца вала. Между стенками спирали образуются полости, некоторые из которых замкнутые. Если осуществить вращение вала, то размеры (объемы) полостей будут изменяться. Подвижная спираль совершает движение по определенной орбите (например – круговой с радиусом r вокруг оси неподвижной спирали).
Процесс всасывания – раскрытие и закрытие полостей, образованных внешними дугами
спиралей, крышкой компрессора и платформой неподвижной спирали за один оборот вала.
Продолжительность процесса сжатия и нагнетания зависит от угла закрутки спиралей и
размеров нагнетательного отверстия.

Рисунок 1 – Принцип действия спирального компрессора

Таким образом, теоретическая объемная производительность компрессора определяется объемом двух наружных полостей спиралей Vr и частотой вращения вала n Vh=2Vrn
Действительная объемная производительность спирального компрессора связана с теоретической коэффициентом подачи
Vд =Vh, но, к сожалению, в современных публикациях практически не встречаются теоретические или 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.
Ярким представителем современных спиральных компрессоров являются модели для
холодильной техники Copeland Digital Scroll с плавным регулированием холодопроизводительности [2].
Конструкция компрессора и его технические особенности представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Технические особенности спирального компрессора Copeland

Основные отличия от стандартного спирального компрессора следующие:
–изменена конструкция верхней части корпуса и неподвижной спирали;
–цилиндр встроен в верхнюю часть компрессора;
–больший осевой ход неподвижной спирали;
–использование динамического обратного клапана;
–изменена конструкция плавающего уплотнения;
–вертикально подвижный поршень;
–соленоидный вентиль.
В компрессоре предусмотрен новый способ регулирования холодо-производительности, который полностью соответствует стандартам качества Copeland.
Регулирование холодопроизводительности по технологии Copeland Scroll основано на
радиальном и осевом согласовании спиралей. Согласование спиралей обеспечивает высокую надежность, эффективность и долговечность компрессора. Кроме того, обеспечивается устойчивость к «влажному ходу» и устойчивость к попаданию механических частиц.
Механизм регулирования спирального компрессора основан на осевом согласовании
(рисунок 3).

Рисунок 3 – Согласование спиралей

Конструкция механизма регулирования холодопроизводительности представлена на
рисунке 4.

Рисунок 4 – Механизм регулирования

Разгрузочная камера расположена над поршнем и cоединена с полостью высокого давления технологическим сверлением диаметром 0,6 мм. Соленоидный клапан соединяет разгрузочную камеру и полость всасывания. Поршень жестко закреплен на неподвижной спирали. Когда поршень движется вверх, он тянет за собой неподвижную спираль. Работа механизма регулирования заключается в следующем. Когда соленоидный вентиль закрыт (нормально закрытый СВ) давление с обоих сторон поршня равно давлению нагнетания, а усилие пружины обеспечивает контакт спиралей. Когда соленоидный вентиль открыт (подано питание на катушку) очень малое количество газа высокого давления из разгрузочной камеры перепускается на сторону низкого давления и поршень поднимается вверх и тянет за собой верхнюю спираль. При этом происходит мгновенное объединение всех полостей внутри спирального блока, т.е. компрессор не сжимает хладагент. При обесточивании соленоидного вентиля он закрывается, перекрывая канал сброса давления, и процесс сжатия возобновляется. Осевой ход неподвижной спирали очень мал, менее 1,0 мм. Количество газа высокого давления, перепускаемого на сторону низкого давления очень мало (диаметр сверления 0,6
мм), что не оказывает влияния на режим работы компрессора.
Плавное регулирование холодопроизводительности в пределах от 100% до 10% производится посредством изменения времени эффективного сжатия (рис. 5). Производительность компрессора составляет либо 100%, либо 0%. Длительность времени эффективного сжатия компрессора постоянно меняется, при этом длительность всего цикла может достигать 30 секунд. Разгрузка компрессора обеспечивается посредством вертикального хода неподвижной спирали. Соленоидный вентиль позволяет создать перепуск газа высокого давления для разгрузки спирального блока. При этом электродвигатель работает постоянно, что обеспечивает низкое потребление электроэнергии.

Рисунок 5 – Алгоритм работы

Рассмотрим пример работы компрессора согласно алгоритму (рис.6). Цикл работы составляет 20 с, если компрессор осуществляет сжатие в течении 10 с и не сжимает в течении 10 с, то производительность компрессора составляет 50%. Если компрессор сжимает в течении 5 с, то производительность равна 25%. Мощность регулируется в пределах 10 – 100% посредством изменения времени открытия соленоидного вентиля. Минимальная производительность соответствует настройке времени сжатия – 2 с.

Рисунок 6 – Цикл регулирования мощности

Такая конструкция компрессора позволяет прецизионно поддерживать температуру
(± 0,5°С) в системах кондиционирования и холодоснабжения за счет плавного регулирования и точного поддержания давления всасывания. При использовании компрессора в системах холодоснабжения большой протяженности не возникает проблем возврата масла в компрессор. Максимальный объем циркулирующего в системе масла составляет 1%, что обеспечивает очень низкий унос. При отключении спирального блока масло компрессор не покидает. Скорость перемещения газа по системе равна скорости при 100% производительности, что гарантирует возврат масла. Также наблюдается высокая энергетическая эффективность при частичной нагрузке. В разгруженном состоянии потребление энергии не превышает 500 Вт.
Нет потерь в инверторе, которые обычно составляют от 10 до 25% мощности в зависимости от конструкции инвертора.
Некоторые технические характеристики компрессора Digital Scroll представлены на
рисунках 7 и 8.

Рисунок 7 – Технические характеристики: взаимосвязь между потребляемой
мощностью, потребляемым током и cosφ и нагрузки на компрессор
Рисунок 8 – Зависимость холодильного коэффициента от холодопроизводительности

Таким образом, использование в холодильной технике систем с компрессором Digital
Scroll позволяет значительно повысить энергетическую эффективность и снизить стоимость по сравнению с инверторным компрессором. Обеспечивается более высокая надежность работы за счет применения механического метода регулирования по сравнению с электронным, что также полностью исключает электромагнитное излучение. Широкий диапазон регулирования холодопроизводительности не оказывает влияния на возврат масла в компрессор.

Список литературы

  1. Сводка новостей eJARN.com [Электронный ресурс] –2019. – Режим доступа:
    http://www.ejarn.com.
  2. Техническая информация Copeland [Электронный ресурс] – 2018. – Режим доступа:
    http://www.copeland.su.