Спиральный компрессор со perl and. Конструкция спиральных компрессоров. Основные сферы использования спиральных компрессоров

Рис. 2. 26. Спиральный компрессор Performer (Danfoss). 1 – подвижная спираль; 2 – неподвижная спираль; 3 - клеммная коробка; 4 – защита электродвигателя; 5 – смотровое стекло; 6 – всасывание; 7 – масляный насос; 8 - электродвигатель; 9 – нагнетание; 10 – защита от обратного вращения; 11 – обратный клапан.

Электродвигатель находится в нижней части компрессора, вал при помощи эксцентрика обеспечивает эллипсовидное движение подвижной спирали, вставленной в неподвижную спираль, установленную в верхней части компрессора. Всасываемый газ поступает в компрессор через патрубок всасывания, обтекает кожух электродвигателя и входит в него через отверстия в нижней части кожуха (рис.2.26). Масло, находящееся в парах хладагента, в результате поворота маслохладоновой смеси под действием центробежных сил отделяется из него и стекает на дно картера компрессора. Пар проходит через электродвигатель, обеспечивая полное охлаждение компрессора во всех режимах работы. Пройдя через электродвигатель, пар попадает в спиральные элементы компрессора, которые расположены в верхней части компрессора над электродвигателем. Рабочий цикл совершается за три оборота вала: первый оборот - всасывание, второй оборот – сжатие, третий оборот – нагнетание. Сразу над выходным каналом неподвижной спирали находится обратный клапан. Он предохраняет компрессор от обратного течения газа после его выключения. Пройдя обратный клапан, газ уходит из компрессора через патрубок нагнетания.

Эффективность спиральных компрессоров во многом определяется величиной внутренних радиальных и осевых утечек газа в процессе сжатия. Радиальные утечки происходят между соприкасающимися боковыми поверхностями спиралей, осевые - между верхним торцом одной спирали и опорной плитой другой (рис. 2. 24). Утечки ведут к увеличению потребляемой мощности компрессора, снижению его холодопроизводительности и эффективности работы.

Основное отличие этого компрессора от других спиральных заключается в принципе уплотнения спиральных элементов. Распространенный способ обеспечения радиального уплотнения заключается в создании плотного контакта от надавливания подвижной спирали на неподвижную под действием центробежной силы. Однако только что изготовленные компрессоры создают эффективное однородное уплотнение только после периода «притирки», в процессе которого между поверхностями образуется необходимый контакт. Касание боковых поверхностей спиралей является обязательным условием для таких компрессоров.

Компания Danfoss в компрессорах марки Performer использует так называемый «принцип контролируемого вращения» (controlled orbiting), что подразумевает движение спиралей по фиксированной траектории без соприкосновения подвижной и неподвижной спиралей при любых условиях эксплуатации компрессора.

Компрессоры Performer с контролируемым вращением для получения гарантированного уплотнения должны иметь спирали сверхточного профиля. Боковые поверхности таких спиралей никогда не соприкасаются друг с другом, а тонкая пленка масла, уплотняющая зазор, обеспечивает смазку спиралей без трения и износа их поверхности.

При создании осевого уплотнениянекоторые изготовители компрессоров для уплотнения прижимают подвижную спираль к неподвижной, используя давление сжимаемого газа.

В компрессорах Performer динамический контакт между верхним торцом подвижной спирали и опорной плитой неподвижной спирали поддерживается с помощью плавающего уплотнения (рис.2.27).

Рис. 2.27 . Плавающее уплотнение спирального компрессора Performer с контролируемым вращением:

1 - опорная плита; 2 - зазор между торцом и опорной плитой; 3- плавающее уплотнение; 4 - спираль; 5 - масляная пленка, предотвращающая утечки газа уплотнения; 6 - газ высокого давления

Этот уплотняющий элемент находится в канавке, прорезанной в верхнем торце подвижной спирали (рис. 2.27). Газ под давлением давит на плавающее уплотнение снизу и заставляет его прижиматься к опорной плите спирали, создавая динамический контакт при работе компрессора. Прижимающие силы очень малы, что в сочетании с небольшой площадью контакта снижает трение и увеличивает эффективность работы компрессора.

Характерной особенностью этих компрессоров является их запуск вхолостую, даже при несбалансированном давлении в системе. Это происходит за счет установки обратного клапана на линии нагнетания, закрывающемся при его остановке. В этих условиях в картер возвращается только газ, сжатый в компрессоре до места установки клапана, проходя при этом через спирали. Тем самым осуществляется выравнивание внутреннего давления. При остановке компрессора две спирали размыкаются как по вертикали, так и по горизонтали. При новом запуске компрессор не испытывает нагрузки, поскольку возрастание давления происходит постепенно.В спиральном компрессоре предусмотрен предохранительный клапан, открывающийся при превышении давления свыше 28 бар и перепускающий хладагент из нагнетательной полости во всасывающую.

Масло в спиральных компрессорах служит только для смазки подшипников и плавающего уплотнительного кольца. Смазка спиралей не требуется ввиду малой скорости вращения и силы трения в каждой точке контакта. Содержания масла в маслохладоновой смеси вполне достаточно, чтобы обеспечить необходимую смазку, ввиду чего масло не подвергается воздействию высоких температур, которые могут привести со временем к ухудшению характеристик масла. Другой положительной чертой является высокая способность противодействия уносу масла при пуске.

Вопросы для самоконтроля по главе 2.

В чем отличие прямоточных и непрямоточных компрессоров? 2. Какое конструктивное отличие компрессора простого действия от компрессора двойного действия? 3. Какое устройство для защиты от гидравлического удара имеется в компрессоре? 4. Чем отличается поршневое уплотнительное кольцо от маслосъемного? 5. Как смазывается сальник компрессора? 6. Каково назначение предохранительного клапана в компрессоре? 7. Каким образом масло, уносимое парами хладагента, возвращается в картер компрессора? 8. Почему компрессор, работающий на аммиаке, имеет большую холодопроизводительность, чем при работе на R22? 9. Каким образом можно изменить холодопроизводительность холодильного компрессора? 10. Как происходит сжатие в винтовом компрессоре? 11. Почему в винтовом компрессоре возникают энергетические потери, когда давление в конце сжатия не совпадает с давлением нагнетания? 12. Почему при перемещении золотника холодопроизводительность винтового компрессора изменяется? 13. Какие достоинства и недостатки имеет винтовой компрессор по сравнению с поршневым? 14. В чем преимущества спиральных компрессоров? 15. Уплотения спиральных компрессоров. 16. Принцип работы спиральных компрессоров. 17. Что такое «защемленный» объем в винтовых компрессорах?

Литература по главе 2.

1.Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Пекарев В.И., Тимофеевский Л.С. Холодильные машины – СПб: Политехника, 2006.-944 с.

2. Быстрый выбор автоматических регуляторов, компрессоров и компрессорно-конденсаторных агрегатов. Каталог. Danfoss. 2009.-234с

3. Ладин Н.В., Абдульманов Х.А., Лалаев Г.Г. Судовые рефрижераторные установки. Учебник. Москва, Транспорт, 1993.-246 с.

4. Швецов Г. М., Ладин Н. В. Судовые холодильные установки: Учебник для
вузов. - М.: Транспорт, 1986. - 232 с.

Спиральные компрессоры стали устанавливаться в оборудовании для кондиционирования жилых помещений с конца 1980-х гг. В системах коммерческого кондиционирования спиральные компрессоры широко используются с конца 1990-х гг. Теперь они нашли применение и в холодильных установках, и в тепловых насосах, и на транспорте. Спиральные компрессоры устанавливаются не только в системах кондиционирования, но и в центральных холодильных установках для супермаркетов, в сфере телекоммуникационных технологий, в системах охлаждения на производстве, в оборудовании для технологических процессов, в осушителях воздуха и в кондиционерах для вагонов метро. И заказчики продолжают находить оборудованию всё новые области применения.

Спиральный компрессор состоит из двух стальных спиралей. Они вставлены одна в другую и расширяются от центра к краю цилиндра компрессора. Внутренняя спираль неподвижно закреплена, а внешняя вращается вокруг нее. Спирали имеют особый профиль (эвольвента), позволяющий перекатываться без проскальзывания. Подвижная спираль компрессора установлена на эксцентрике и перекатывается по внутренней поверхности другой спирали. При этом точка касания спиралей постепенно перемещается от края к центру. Пары хладагента, находящиеся перед линией касания, сжимаются, и выталкиваются в центральное отверстие в крышке компрессора. Точки касания расположены на каждом витке внутренней спирали, поэтому пары сжимаются более плавно, меньшими порциями, чем в других типах компрессоров.
В результате нагрузка на электродвигатель компрессора снижается, особенно в момент пуска компрессора. Пары хладагента поступают через входное отверстие в цилиндрической части корпуса, охлаждают двигатель, затем сжимаются между спиралей и выходят через выпускное отверстие в верхней части корпуса компрессора.

Сейчас в различных системах охлаждения по всему миру работают миллионы компрессоров фирмы Копеланд, отличающиеся высоким качеством и передовой конструкцией. Каждый год на девяти предприятиях, расположенных на 3-х континентах, производится до 4 млн. спиральных компрессоров. Центры Инженерно-технической поддержки Copeland расположены в Европе, Азии и в США.

Спиральные компрессоры. Иллюстрации.
Для просмотра увеличенного изображения кликните на картинку

1	2	3	4	5	6	7
8	9	10	11	12	13	14
15	16	17	18	19

1. Габаритный чертеж спирального компрессора Copeland ZR22K3...ZR40K3
2. Габаритный чертеж компрессора Copeland ZR47...48KC

4. Габаритный чертеж компрессора Copeland ZPD61...ZRD83
5. Габаритный чертеж компрессора Copeland общий

7. Маркировка спиральных компрессоров Copeland

9. Спиральный компрессор Sanyo в разрезе
10. Фото компрессоров Sanyo C-SB, C-SC, C-SB Low temp, C-SC Low temp, C-SB Inverter, DC Inverter Horizontal, C-SB Tandem, C-SC Tandem
11. Линейка спиральных компрессоров Sanyo
12. Спиральный компрессор Sanyo серии C-SB
13. Спиральный компрессор Sanyo серии C-SD
14. Спиральный компрессор Sanyo серии C-SC
15. Габаритный чертеж компрессора Sanyo C-SBN373H8D
16. Габаритный чертеж компрессора Sanyo C-SB 2,6-4,5 KW
17. Габаритный чертеж компрессора Sanyo C-SC 6.0-7.5 KW
18, 19 Фото компрессора SANYO C-SBN303H8D

Спиральный компрессор - история вопроса
Идея спирали известна человечеству более 3 тыс. лет. Спирали (от греч. speira - виток) - это кривые, закручивающиеся вокруг точки на плоскости (плоские спирали), например, архимедова спираль, гиперболическая спираль, логарифмическая спираль, или вокруг оси (пространственная спираль), например, винтовая линия. Но технически воплотить идею в жизнь человечество смогло лишь к концу XX века.

А началось все в 1905 г., когда французский инженер Леон Круа разработал конструкцию спирального компрессора и получил на нее патент. Однако в то время эта технология не могла быть реализована в жизнь, т.к. отсутствовала необходимая производственная база. Поэтому конструкцию работающего прототипа пришлось ждать до второй половины двадцатого века, т.к. для эффективного функционирования, в спиральном компрессоре необходимо обеспечение малого конструктивного зазора в сопрягаемых деталях (спиралях). Такая точность стала возможной только при прецизионной машинной обработке, разработанной в течение второй половины двадцатого века, чем и объясняется относительно недавнее появление спирального компрессора на рынке высокотехнологического оборудования.

Реанимировал концепцию спиральных компрессоров физик Нильс Янг в 1972 г. Янг отдал идею сотрудникам фирмы "Arthur D. Little" (США). Руководство "Arthur D. Little" увидело высокий потенциал этой концепции и начало разработку возможной модели в январе 1973 г. Крупные производители холодильного и нефтехимического оборудования были очень заинтересованы в разработке компрессора принципиально новой конструкции, позволяющей достичь значительной эффективности. Уже в ходе испытаний прототипа спирального компрессора было выявлено, что он обладает возможностью создания высокой степени сжатия и самой большой эффективностью из существовавших в начале 70-х гг. холодильных компрессоров, а также имеет высокие эксплуатационные характеристики (надежность, низкий уровень шума и т.п.).

Затем "Arthur D. Little" предпринимает в конце 1973 г. значительные усилия по разработке действующей модели холодильного спирального компрессора для американской корпорации "Тгаnе". Немного позже многие крупные компании, например, "Copeland" (США), "Hitachi" (Япония), "Volkswagen1" (Германия), начинают интенсивные исследования и совершенствование конструкции холодильного спирального компрессора, осваивание технологии изготовления деталей и спирального компрессора в целом. Разработка прототипа воздушного спирального компрессора шла медленнее. В конце 80-х гг. "Hitachi" и "Mitsui Seiki" (Япония) представили маслосмазывающий воздушный компрессор. Однако эти компрессоры являлись просто модификациями холодильных спиральных компрессоров. "Iwata Compressor" (Япония) заключила лицензионное соглашение с "Arthur D. Little" на разработку воздушного спирального компрессора в 1987 г. В результате фирма "Iwata Compressor" первой в мире представила в январе 1992 г. "сухой" (без масла) спиральный компрессор. Первоначальная мощность воздушных компрессоров составляла 2,2 и 3,7 кВт. Основными преимуществами "сухих" спиральных компрессоров "Iwata Compressor" по сравнению с поршневыми "сухими" компрессорами являются: долговечность, надежность, низкий уровень шума и вибрации.

В настоящее время широкомасштабные исследования в области спиральных компрессоров ведут все фирмы-производители компрессоров для холодильной промышленности. Холодильные спиральные компрессоры успешно выдержали испытания временем и активно начали вытеснять другие типы компрессоров (особенно поршневые) с рынка холодильного оборудования, всего лишь за несколько лет заняв доминирующее положение на рынке кондиционирования и тепловых насосов. Спиральные компрессоры с каждым годом находят все большее применение в холодильной технике и системах кондиционирования воздуха. Это обусловлено тем, что они более надежны в эксплуатации, содержат на 40 % меньше деталей, чем поршневые, производят меньше шума и имеют больший ресурс эксплуатации.
Последние несколько лет объем производства спиральных компрессоров быстро увеличивается, и к январю 2000 г. было произведено свыше 20 млн. компрессоров.

Спиральные компрессоры нашли применение во всех основных системах воздушного кондиционирования, включая сплит и мультисплит модели, напольные версии и в чиллерах, руф-топах (крышных кондиционерах) и тепловых насосах. Типичным применением является кондиционирование воздуха в квартирах, на кораблях, фабриках и больших зданиях, также на АТС, в процессах охлаждения и на транспорте. Холодильные спиральные компрессоры широко используются в компрессорно-конденсаторных агрегатах, в системах "выносного холода" супермаркетов, в промышленном холоде и в транспортных установках, включая контейнеры. Границы холодопроизводительности для спиральных компрессоров постоянно увеличиваются и в настоящее время приближаются к 200 кВт при использовании многокомпрессорной станции.

Популярность спиральных компрессоров очень высока из-за широкой области применения, что объясняется их надежностью и многофункциональностью.

Бытовое кондиционирование
Спиральные компрессоры отвечают требованиям этого сектора кондиционирования воздуха низким уровнем шума, компактными размерами, уменьшенной массой по сравнению с поршневыми компрессорами.
Их характеристики, будучи более постоянными, лучше соответствуют требованиям комфортного кондиционирования.
Однофазные электродвигатели (используемые для комнатного кондиционирования) не нуждаются в стартовых реле или конденсаторах. Они предпочтительны из-за своего минимального влияния на другие элементы контура.

Коммерческое кондиционирование
Их холодопроизводительность более чем достаточна, чтобы удовлетворять требованиям коммерческого кондиционирования.
Также спиральные компрессоры применяются для кондиционирования воздуха в магазинах, туристических агентствах, офисах, банках, ресторанах, закусочных "фаст-фуд", барах и во многих других объектах. Кондиционеры со спиральными компрессорами - удачное техническое решение, особенно для агрегатов, работающих летом и круглогодично, а также - в режиме теплового насоса.

Тепловые насосы
В тепловых насосах спиральные компрессоры имеют преимущества в виде увеличения надежности перед другими типами компрессоров, используемых в тепловых насосах из-за возможности управления жидким хладагентом, поступающим в аварийных ситуациях в компрессор (без разрушения его составных элементов).

Холодильные агрегаты для компьютерных центров и АТС
Эти направления требуют фактически непрерывной работы холодильных агрегатов, часто свыше 8000 ч/год. Особенно важно обеспечить для данных условий непрекращающуюся работу за счет постоянного сервисного обслуживания. При таких условиях спиральные компрессоры могут оказывать эффективное воздействие на снижение энергопотребления благодаря высокой эффективности.
Низкий уровень шума спиральных компрессоров является еще одним фактором, позволяющим применять их в системах кондиционирования, часто устанавливаемых в самих кондиционируемых помещениях.

Автономные агрегаты "руф-топ"
Их наиболее типичным применением являются фабрики и продуктовые супермаркеты, где особенно необходимы преимущества высокой производительности спиральных компрессоров, потому что это сектора, обычно характеризуемые высоким энергопотреблением систем воздушного кондиционирования и холодильных установок.
Надежность является еще одним важным вкладом, который спиральные компрессоры вносят в общую экономию средств, при работе супермаркета, где непрерывность работы оборудования является решающим фактором.

Другие области применения
Многофункциональность спиральных компрессоров расширяет области их применения в технологических процессах, например, в автоклавах для очистки вина, системах охлаждения формовочных машин химической промышленности, холодильных системах, испытательных камерах, холодильном консервировании сырья биологического происхождения (мясопродуктов, плодов и овощей и т.д.), охлаждении безводноочищающегося оборудования (конденсация растворителей), переработки пищевого сырья и т.д.

Спиральные компрессоры относятся к одновальным машинам объемного принципа действия. Как известно, машины такого принципа действия обратимы, т.е. могут работать практически без изменения конструкции, и как компрессоры, и как моторы (детандеры или расширители.

Идея такой машины известна более ста лет, но реализовать ее и довести до промышленного производства и широкого применения удалось только в 80-е годы ХХ века. Причина та же, что и при разработке винтовых компрессоров не было достаточно точного оборудования для изготовления такой формы детали, как спирали.

В настоящее время в холодильной технике спиральные компрессоры используют в бытовых и транспортных кондиционерах, тепловых насосах, холодильных машинах малой и средней мощности до 50 кВт. Но расчеты показывают, что холодильную мощность спиральных компрессоров можно увеличить до 100 и более кВт по мере совершенствования их конструкции и технологии изготовления.

28 Классификация спиральных компрессоров

Спиральные компрессоры классифицируются следующим образом: маслозаполненные; с впрыском капельной жидкости (например холодильного агента); сухого сжатия.

И, естественно, одно- и двухступенчатые с различным расположением ступеней по отношению к двигателю.

В зависимости от рода газа, мощности и других условий: герметичные, бессальниковые, сальниковые.

По типу применяемых спиралей: с эвольвентными спиралями, со спиралями Архимеда, с кусочно-окружными и т.д.

Существенно деление спиральных компрессоров на вертикальные и горизонтальные. В последних вал 1 расположен горизонтально (см. рисунок 65). В горизонтально расположенных спиральных компрессорах, например у транспортного кондиционера с параллельным расположением вала и продольной оси транспортного средства, труднее обеспечить надежную работу системы смазывания компрессора.

29 Достоинства и недостатки спиральных компрессоров

Основными достоинствами спиральных компрессоров являются:

1.Высокая энергетическая эффективность; их эффективный КПД достигает 80-86%;

2.Высокая надежность и долговечность, определяемая долговечностью подшипников;

3.Хорошая уравновешенность; незначительное изменение крутящего момента на валу компрессора; малые скорости движения газа в машине-все это обеспечивает ход машины с низким уровнем шума.

4.Быстроходность-число оборотов вала компрессора от 1000 до 13000 , и этот диапазон расширяется.

5.Отсутствие мертвого объема, малая доля протечек, и, следовательно, более высокий индикаторный КПД; всасываемый компрессором газ не соприкасается с горячими стенками деталей компрессора;

6.Процессы всасывания, сжатия и нагнетания “растянуты” по углу поворота вала и поэтому даже при большой частоте вала скорости газа невелики.

7.Отсутствие клапанов на всасывании, а часто и на нагнетании;

8.Спиральный компрессор, как и винтовой, может работать по циклу с “дозарядкой”;

9.Спиральный компрессор, как и все компрессоры объемного принципа действия, может работать на любом холодильном агенте, на любом газе и даже с впрыском капельной жидкости.

По сравнению с поршневыми компрессорами одинаковой мощности спиральный компрессор имеет следующие преимущества:

К недостаткам спиральных компрессоров надлежит отнести следующие:

1.Спиральным машинам требуются новые для машиностроения детали-спирали, для изготовления которых необходимы фрезерные станки с ЧПУ.

2.На подвижную спираль действует сложная система сил: осевые, центробежные, тангенциальные, требующие грамотного расчета и уравновешивания, а, следовательно, и балансировки ротора.

3.Если отсутствует нагнетательный клапан, то теоретическая индикаторная диаграмма спирального компрессора будет по виду такой же, как и у винтового компрессора, с возможными недосжатиями и пережатиями газа, т.е. с дополнительными потерями.

Основными достоинствами спиральных компрессоров являются:

1.Высокая энергетическая эффективность; их эффективный КПД достигает 80-86%;

2.Высокая надежность и долговечность, определяемая долговечностью подшипников;

4.Быстроходность-число оборотов вала компрессора от 1000 до 13000 , и этот диапазон расширяется.

7.Отсутствие клапанов на всасывании, а часто и на нагнетании;

8.Спиральный компрессор, как и винтовой, может работать по циклу с “дозарядкой”;

1. Более высокий КПД - на 10-15%;

2. Более высокий коэффициент подачи - на 20-30%;

3. Меньшие размеры - на 30-40%;

4. Меньшая масса - на15-18%;

5. Уровень шума ниже на 5-7 дБА;

6. Нет деталей, часто выходящих из строя - поршневых колец, клапанов.