Обзорно-аналитическая статья по предстоящей диссертационной работе:
Методика расчёта коэффициента подачи спирального компрессора (СПК)
Абитуриент Кованов Александр Викторович
План статьи
1. Влияние тенденции развития низкотемпературных технологий на совершенствование компрессоров объёмного принципа действия.
2. Спиральный компрессор (СПК), конструкция, принцип действия, классификация, особенности эксплуатации, сфера применения.
3. Влияние внешних факторов на работу СПК, производительность компрессора.
4. История создания и современное состояние развития СПК
5. Актуальные направления совершенствования холодильного СПК, метод исследования объёмных и энергетических показателей.
Технология, проникая в область инженерии, конкретизирует цели, принципы и решения практических задач развития общества, оказывая влияние на технический прогресс отдельных регионов и цивилизации в целом. спиральный компрессор низкотемпературный
Низкотемпературные технологии, охватывают значительную часть жизни деятельности нашего общества, пронизывая такие сферы как: медицина, электроника, транспорт, промышленность, энергетика, сельское хозяйство, бытовая сфера и многие другие. Холод является неявной, но важной частью многих технологических производственных процессов в пищевой промышленности, на транспорте, в поддержание искусственного климата и т.д. В настоящее время главными направлениями развития холодильной отрасли являются:
· создание и внедрение наукоёмких технологий, обеспечивающих: условия для высокого качества хранения продуктов на всём пути до конечного покупателя, оптимизацию и совмещение процессов охлаждения, климатизации.
· переход от дискретных (циклических) технологий к непрерывным (поточным) производственным процессамповышение их эффективности;
· применение в холодильных системах экологически безопасных холодильных агентов и, в первую, очередь природных рабочих веществ - аммиака, воды, воздуха, углеводородов и диоксида углерода;
· повышение промышленной безопасности и энергоэффективности холодильных систем, с использованием возобновляемых источников энергии, вторичного использования энергии.
Основной проблемой на сегодняшний день в холодильной отрасли, которую следует отметить, является практически полное отсутствие производства в РФ современного холодильного оборудования.Соответственно нет комплектной поставки холодильных установок, а для комплектации приходится использовать технику зарубежных фирм, вызывает импортозависимость и приводит к ряду проблем, связанных с этим.
Любая холодильная машина, это многокомпонентное устройство, однако такие составляющие как: компрессор, теплообменные аппараты, хладагенты - пожалуй формируют основу развития низкотемпературных технологий, давая толчок, к совершенствованию дополнительных элементов и устройств, средств автоматизации.
В настоящее время продолжается поиск холодильных агентов, совокупность свойств которых позволит обеспечить приемлемое соотношение эффективности, экологии, безопасности эксплуатации и стоимости компрессорных систем охлаждения. Очередным этапом стал выбор рабочих веществ с высокой термодинамической эффективностью и низким значением GWP и ODP.
Ведутся работы по интенсификации процессов в теплообменных аппаратов за счет совершенствования их геометрии, изменения конструктива отдельных элементов с целью сокращения гидравлических потерь, при протекании жидкости и аэродинамических потерь при омывание теплообменника внешней воздушной средой. Наряду с улучшением теплообменных характеристик аппаратов, внимание уделяется упрощению их изготовления.
Современная компрессорная техника, на которой мы остановимся более подробно, в соответствие с общими направлениями развития низкотемпературных технологий и опытом эксплуатации, предъявляет к себе следующие основные требования:
- Энергоэффективность
- Надёжность (безопасность)
- Ресурс
В области компрессоров объёмного принципа действия, модификация в основном коснулась системы регулирования производительности, причем как для поршневых, так и для винтовых, спиральных компрессоров. Следует отметить, что наметились два принципиально разных подхода, связанных с региональными особенностями производителей.
Оба основаны на росте цены на электроэнергию и попытке рационализировать ее потребление. Европейский подход основан на применении все более доступных частотных регуляторов азиатского производства (часто называемых инверторами), встраиваемых непосредственно в компрессоры. Такой подход применим лишь при надежной эксплуатации электросетей, малодоступных в Азии. Поэтому азиатские производители, имеющие преимущество в низкой оплате труда, используют в коммерческих компрессорах золотниковые регуляторы производительности, более характерные для промышленных компрессоров. На порядок повысилась максимальная холодильная мощность компрессоров, что даёт возможность выйти в области ранее недоступных температур кипения и конденсации, это позволяет изменить конфигурацию так называемых централей, собираемых ранее на простых рамах из множества небольших компрессоров.
Объектом нашего изучения, являетсяспиральный компрессор (СПК), это новое высокотехнологичное оборудование, плод накопленных отраслевых знаний по компрессорной технике и технологии, а также значительного научно-технического прогресса, состоявшегося в XX веке.
По конструкции, спиральный компрессор - это объемная одновальная машина.
Основные элементы СПК следующие: вал с эксцентриком, оси которых должны быть строго параллельны и расположены на расстоянии эксцентрисита. Вал вращается в опорных подшипниках, находящихся на одной оси. Вместе с валом вращается и эксцентрик вокруг оси вала. Расстояние между осью вала и осью эксцентрика - эксцентриситет - является важнейшим конструктивным параметром компрессора: оно выдерживается с точностью до 0,005 мм, а непараллельность осей - в пределах половины от этого допуска. Эксцентрик соединяется шарнирно с подвижным элементом, состоящим из его платформы (или диска) и спирали. Поскольку собственно спираль и ее платформа составляют одно целое (даже если изготавливаются раздельно), то подвижный элемент называют короче - подвижной спиралью (ПСП). Другой спиральный элемент - неподвижный (НСП). Она имеет такие же размеры, как и ПСП, но другое направление закрутки спирали. Неподвижная спираль (ее платформа) закрепляется от проворота в корпусе или крышке компрессора.
Если вставить спирали ПСП и НСП одна в другую, то между стенками перьев (или) ребер спиралей образуются ячейки (парные полости). Поворот ПСП вокруг своей оси не допускается, этому препятствует противоповоротное устройство (ППУ). В качестве которого применяются: муфта Ольдгейма, поводковое, шестеренчатое и другие устройства. Орбитальное движение подвижной спирали предъявляет специфические требования к конструкции упорного подшипника, который, помимо его прямого назначения, в ряде случаев может выполнять функции устройства, удерживающего спираль от вращения вокруг своей оси.
На рисунке 2, показано взаимное положение спиралей в момент начала сжатия газа во внешних парных полостях (на нижней проекции подвижная спираль заштрихована)
НСПсоединена с корпусом компрессора. Вблизи ее оси имеется отверстие А для выхода сжатого газа и два отверстия для его входа. ПСП, имеет хвостовик В, которым шарнирно соединяется с эксцентриком ведущего вала. Оси спиралей смещены на величину е0, равную эксцентриситету вала, оставаясь параллельными между собой. Между спиралями две (или больше) всегда парные замкнутые полости, объем которых при относительном движении спиралей изменяется.
В положении, показанном на рис.2, две внешние парные полости заполненные газом, две внутренние - соединены с окном нагнетания А.
Следует отметить, что на подвижную спираль действует сложная система сил: осевые, центробежные, тангенциальные, требующие грамотного расчета и уравновешивания, а, следовательно, и балансировки ротора - это можно отнести к недостаткам СПК.
Основное же требование к геометрии спиралей - обеспечение образования замкнутой полости во всем диапазоне изменения угла поворота ротора от начала до конца процесса сжатия.
Принцип действия спирального компрессора иллюстрирует рис. 3, на котором показаны взаимные положения спиралей при перемещении подвижной спирали по круговой орбите через 90є.
Рис. 3. Последовательное положение спиралей через 90° перемещения подвижной спирали по орбите в процессах всасывания, сжатия и выталкивания газа
Цикл всасывания (раскрытие и закрытие внешних ячеек) совершается за один оборот вала компрессора с эксцентриком. Затем он повторяется.
Цикл сжатия и выталкивания газа длится дольше, примерно от 2 до 2,5 и более оборотов в зависимости от угла закрутки спирали и размера окна нагнетания, расположенного рядом с «носиком» неподвижной спирали.
Рабочий цикл спирального компрессора совершается за один оборот (проход) подвижной спирали по своей орбите.
Следует обратить внимание на то, что одновременно с процессом сжатия и последующим вытеснением газа в одной паре полостей проходит образование новой пары полостей, их постепенное заполнение свежим газом в течение всего цикла, затем процесс повторяется, т.е. в спиральном компрессоре, в процессе работы, сжатие паров происходит непрерывно, так как точка касания спиралей не одна и рабочих зон сжатия образуется несколько, что видно из рис. 4.
Электродвигатели герметичных спиральных компрессоров охлаждаются за счет всасывающих паров хладагента.
Благодаря простоте своей конструкции, количество деталей, в т.ч. взаимно трущихся в спиральном компрессоре значительно меньше, чем в поршневом, что теоретически говорит о его надежностии удешевляет стоимость производства этих компрессоров.
Также к достоинствам конструкции можно отнести отсутствие мертвого вредного пространства в зоне сжатия, что увеличивает эффективность работы.
Благодаря тому, что в процессе сжатия газа образуются одновременно несколько рабочих зон см. рис. 4, пары хладагента нагнетаются равномерней, чем в поршневых компрессорах и меньшими рабочими объемами, что снижает нагрузку на электродвигатель.
Для повышения эффективности работы, большое внимание в спиральных компрессорах уделяется герметизации боковых и торцевых поверхностей контактов спиралей, для уменьшения перетечек газа между соседними зонами сжатия.
Отсутствуют всасывающие клапаны т.к. подвижная спираль сама отсекает рабочую камеру от канала всасывания. В линии нагнетания спирального компрессора может устанавливаться динамический клапан, который не допускает обратного потока и, как следствие, вращения спирали под действием сжатого газа при выключенном двигателе. При этом следует учитывать, что динамический клапан создает дополнительное сопротивление в линии нагнетания. Но его отсутствие приводит к тому, что теоретическая индикаторная диаграмма спирального компрессора будет по виду такой же, как и у винтового компрессора, с возможными недожатиями и пережатиями газа, т.е. с дополнительными потерями. В качестве холодильного агента можно применять практически любой из используемых хладагентов.
Классификацию СПК следует проводить по конструктивным признакам, подразделяя их на:
- вертикальные и горизонтальные по расположению вала. В горизонтально расположенных спиральных компрессорах, например, у транспортного кондиционера с параллельным расположением вала спирального компрессора и продольной оси транспортного средства, труднее обеспечить надежную работу системы смазывания компрессора;
- герметичные, бессальниковые и сальниковые. Применение того или иного типа зависит от назначения и условий эксплуатации, а также от рода сжимаемого рабочего вещества;
- одинарные и сдвоенные. Одинарные имеют по одной подвижной и неподвижной спирали, а у сдвоенных имеются две неподвижные спирали, между которыми установлены две подвижные, имеющие общий эксцентриковый вал;
- одно, двух-, и многоступенчатые с различным расположением ступеней по отношению к двигателю;
- с клапаном на нагнетании и без него;
- маслозаполненные, сухого сжатия и с впрыском охлаждающей, в том числе быстро испаряемой жидкости (например, холодильного агента).
По типу профиля и числу заходов спиралей различают:
- спираль Архимеда;
- эвольвентную спираль;
- одно, двух-, и многозаходные спирали;
- с кусочно-окружными элементами.
По функциональному назначению спирали СПК подразделяются на компрессоры общего назначения, холодильный, вакуумный насос, детандер (расширительная машина - спиральная турбина).
Спиральные компрессоры изначально проектировались и нашли своё наибольшее применение в области высоко- и средне-температурных холодильных систем - это кондиционирование воздуха, чиллеры, тепловые насосы. Но и в низкотемпературных холодильных установках они также используются, благодаря технологии впрыска малого количества хладагента в центр спиралей в процессе работы. Область применения СПКпо давлению нагнетания ориентировочно лежит в пределах 0,7…1,2 МПа, а по производительности 6…100 мі/ч. В холодильной технике наиболее распространенная область применения спиральных компрессоров находится в диапазоне холодопроизводительностей от 1 до 200 кВт. Область применения в диапазоне температур кипения - конденсации, зависит от типа применяемого хладагента, на рис. 5 показаны диаграммы на примере компрессоров Copeland, для наиболее распространённого фреона в коммерческом холоде R404A. Т.о. можно выделить, не вдаваясь в подробности, несколько основных факторов, оказывающих влияние на энергетические и объёмные показатели компрессоров в том числе и в СПК: