Методика расчёта коэффициента подачи спирального компрессора (СПК)

Размещено на http://www.allbest.ru/

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:

- Вредный или так называемый «мёртвый» объём не вытесненного газа

- Потери энергии на всасывании и нагнетании

- Изменение давления и температуры в процессе всасывания и нагнетания

- Изменение показателя политропы расширения и сжатия

- Потери мощности на трение сопряжённых деталей

- Внутренние перетечки и внешние утечки газа

При эксплуатации СПК следует обращать внимание на работу оборудования при отрицательных температурах наружного воздуха и устанавливать подогрев картера, что продиктовано конструкцией компрессора и типом применяемых масел. Так при температурах ниже -10⁰С вязкость масла заметно растет, снижаются перетечки, но велика вероятность, что компрессор будет в этом случае работать в условиях «сухого трения», что влечёт за собой выход из строя подшипников.

Жидкий хладагент растворенный в масле, приводит к тому, что на смазку поступает масляная суспензия с пониженной вязкостью. Бронзовые и многие другие подшипники скольжения будут сильно изнашиваться. Применение тефлоновых подшипников увеличивает ресурс компрессора.

Регулирование производительности спиральных компрессоров возможно с помощью частотных преобразователей, изменяя скорость вращения вала. Кроме этого, производитель спиральных компрессоров Copeland, разработал технологию регулировки производительности за счет изменения расстояния между спиралями во время вращения. Эта технология позволяет работать спиральному компрессору в холостую, вообще не образуя рабочих зон сжатия.

На сегодняшний день спиральные холодильные компрессоры производят и поставляют в Россию такие всемирно известные фирмы, как EmersonCopeland, DanfossPerformer, Bitzer, Daikin.

Ознакомившись с конструкцией и принципом действия СПК, немного обратимся к истории, чтобы лучше понять, почему его выпуск начался сравнительно недавно. Сама идея спирали известна человечеству более 3 тыс. лет. Спирали (от греч. speira -- виток) -- это кривые, закручивающиеся вокруг точки на плоскости.История СПК берёт начало 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, что можно отнести к своего рода недостатку данной технологии. 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). Уже в ходе испытаний прототипа было выявлено, что он обладает возможностью создания высокой степени сжатия и самой большой эффективностью из существовавших в начале 70-х гг., 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 спирального компрессора для американской корпорации «Тгаnе». Немного позже многие крупные компании, например, «Copeland» (США), «Hitachi» (Япония), «Volkswagen1» (Германия), начинают интенсивные исследования и совершенствование конструкции спирального компрессора, осваивание технологии изготовления деталей. Разработка прототипа шла медленнее. В конце 80-х гг. «Hitachi» и «MitsuiSeiki» (Япония) представили маслосмазывающий воздушный компрессор. Однако они являлись просто модификациями спиральных компрессоров. «IwataCompressor» (Япония) заключила лицензионное соглашение с «Arthur D. Little» на разработку воздушного компрессора в 1987 г. В результате фирма «IwataCompressor» первой в мире представила в январе 1992 г. «сухой» (без масла) прототип. Первоначальная мощность составляла 2,2 и 3,7 кВт. Основными преимуществами «сухих» спиральников «IwataCompressor» по сравнению с поршневыми «сухими» являются: долговечность, надежность, низкий уровень шума и вибрации.

В настоящее время широкомасштабные исследования ведут все фирмы-производители компрессоров, что позволило расширить тип и размерный ряд моделей, увеличив производительность и технологичность СПК. Спиральные компрессоры успешно выдержали испытания временем и активно начали вытеснять другие типы (особенно поршневые) с рынка холодильного оборудования, всего лишь за несколько лет заняв доминирующее положение на рынке кондиционирования и тепловых насосов, коммерческого холодоснабжения. На рубеже веков их выпуск составил уже свыше 20 млн. компрессоров.

Производители спиральных компрессоров не стоят на месте и не только по объёмам выпуска. Они постоянно совершенствуют технологии, и достигает новых границ холодопроизводительности. С настоящее время специалисты достигли больших результатов, так как технический показатель составляется 200 кВт при применении многокомпрессорных станций. Модельный ряд имеет определенные функции и свойства, которые соответствуют стандартному набору свойств. Более современные модели обладают дополнительными функциями, которые упрощают процесс эксплуатации. Набор возможностей у спиральных компрессоров Copeland не встречается ни у одного другого производителя. Вот так данный производитель создает спиральные компрессоры с диапазоном мощностей, который составляет от 2 л.с. до 15 л.с.

Как стало ясно из всего описанного, то подобные спиральные компрессоры обладают широчайшим рабочим диапазоном, который обеспечивает эффективность работы. Сравнить такие модели можно только с полугерметичными компрессорами, которые имеют преимущество над низкотемпературными компрессорами. Движущиеся части в таких моделях меньше двигаются и поэтому это повышает надежность работы, а также обеспечивает постоянный процесс сжатия газа внутри оборудования. Надежность работы определяется благодаря эксплозивной конструкции агрегата. Спиральные модели от компании CopelandScroll выделяются массогабаритными показателями, то есть компрессоры занимают всего третью часть от опорной поверхности, что является отличным показателем для работы. Чаще всего подобные устройства выделяются не только ненадежностью в работе, но также они отлично оптимизированы для работы с любой температурой кипения.

Спиральные компрессоры, в силу своих преимуществ:оптимальный уровень шума, компактные размеры, меньшая масса и количество деталей до 40% по сравнению с поршневыми, достаточный диапазон холодопроизводительности, однофазные электродвигатели не нуждаются в стартовых реле или конденсаторах, а также работа в режиме теплового насоса, 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, за счётвозможности управления жидким хладагентом в СПК, поступающим в аварийных ситуациях в компрессор (без разрушения его составных элементов). Охлаждение компьютерных центров и АТС,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. Широко используются в компрессорно-конденсаторных агрегатах, в системах «выносного холода» супермаркетов, в промышленном холоде и в транспортных установках, включая контейнеры. Границы холодопроизводительности постоянно увеличиваются и в настоящее время приближаются к 200 кВт при использовании многокомпрессорной станции.

Надежность является еще одним важным вкладом, который вносят в общую экономию средств, при работе супермаркета, где непрерывность работы оборудования является решающим фактором.

Многофункциональность СПК 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.

СПК могут успешно применяться в децентрализованных системах охлаждения, что помимо перечисленных достоинств позволит снизить хладоемкость системы, протяженность и количество трубопроводов, арматуры и тем самым обеспечить надежность и экологическую безопасность холодильных систем.

Сегодняшнее состояние развития и малоизученность новой спиральной технологии, вместе с описанными преимуществами и недостатками СПК, а также с учётом факторов, влияющих на его работу, определяют и дальнейшие пути его совершенствования. На примере отечественных и зарубежных научных статей, и монографий рассмотрим некоторые из них.

Одним из объектов изучения является: сложная система газовых сил, действующая на рабочие элементы компрессора, разработка методов построения контуров рабочих органов, оптимизация геометрии спирали. К другой основной проблематике СПК, следует отнести изучение рабочих процессов с учётом терм-, газодинамических аспектов. Вместе с этим исследования действительного компрессора может охватывать такие типы как компрессор «сухого сжатия», масозаполненный, с впрыском рабочего вещества, т.е. моделирование процесса сжатия с двухфазным рабочим телом.

Актуальность будущей работы состоит в изучение влияния различных факторов на энергетические и объёмные характеристики СПК, с целю оптимизации рабочих процессов и повышения его энергоэффективности, что соответствует современным тенденциям совершенствования компрессоров объёмного принципа действия и укладывается в рамки общих направлений развития холодильной техники.

В ходе работы предполагается определить и изучить факторы, некоторые из них указаны в настоящей статье, оказывающие прямое или косвенное влияние на объёмные и энергетические показатели СПК. Алгоритм исследования гл. образом включает в себя построение математической модели теоретического и действительного компрессоров, описывающей рабочие процессы СПК, проведение натурных испытаний на реально работающем оборудовании и сравнительного анализа полученных данных. Результатом исследованиядолжна стать разработанная методика расчёта коэффициента подачи спирального компрессора.

Использованная литература

1. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование» Д-р. техн. наук, Пронин В. А. Тенденции развития компрессорной техники.

2. Ибрагимов Е.Р.Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. «Повышение эффективности спирального компрессора сухого сжатия».

3. Воронов Владимир Андреевич. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.

«Исследование спирального детандера на различных рабочих веществах».

4. В. А. Косачевский. Автореферат диссертации на соискание учёной степени к.т.н. «Разработка метода расчета и анализ рабочего процесса спиральных компрессоров»

5. ПаранинЮ.А. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. «Совершенствование метода расчёта рабочего процесса спирального компрессора сухого сжатия с использованием результатов экспериментальных исследований».

6. Фоменко М.В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. «Разработка методики расчёта и исследование спирального компрессора»

7. Рабочий материал компании «Copeland»: Спиральная технология “КОПЛАНД” для современных холодильных систем.

8. Рабочий материал компании «Copeland»: Спиральные компрессоры R410A

9. Рабочий материал компании «Copeland»: Спиральныe компрессоры для кондиционирования воздуха

10. Рабочий материал компании «Copeland»: Компрессорная технология. Тенденции.

11. ГороховС.Ю., EmersonClimateTechnologies/ Copeland. Спиральные компрессоры в супермаркете.

12. Канд. техн. наук Косачевский В. А. ВЕСТНИК МАХ №4, 2016 «О производительности спирального компрессора».

13. Development of High Performance 3D Scroll Compressor.юTaichiTateishi, Haijime Sato, Hiroyuki Kobayashi

14. Development of High-efficiency Scroll Compressor for Automotive Air Conditioners Takayuki Kuwahara, Makoto Takeuhi

15. Refrigerant and Scroll Compressor Options for Best Performance of Various European Heat Pump Configurations Eric Winandy Emerson Climate Technologies Guy Hundy Emerson Climate Technologies

16. XVIII Международная научно-техническая конференция по компрессоростроению,Ибрагимов Е.Р., Налимов В.Н., Паранин Ю.А.,«Индицирование рабочего процессаспирального компрессора сухого сжатия».

17. Бабакин Б.С., Выгодин В.А. монография. «Спиральные компрессоры в холодильных системах».

Размещено на Allbest.ru