Сравнение поршневых, винтовых и спиральных холодильных компрессоров.

Поршневые компрессоры

Изменение давления в поршневых компрессорах происходит при возвратно-поступательном движении поршня в цилиндрической камере сжатия. Индикаторные диаграммы холодильного поршневого компрессора при работе в режимах охлаждения и замораживания представлены на рис. 1.

Отчетливо видно, что при более высокой степени сжатия коэффициент подачи падает, причем главным образом из-за увеличения влияния процесса обратного расширения.При обратном расширении работа передается на коленчатый вал (заштрихованная область), происходит охлаждение газа и изоэнтропический КПД поршневого компрессора уменьшается, но не так сильно, как коэффициент подачи. Это свойство характерно только для поршневых компрессоров.

На практике описанные особенности работы холодильных поршневых компрессоров приводят к тому, что объемная производительность при глубоком охлаждении заметно падает, что влияет на выбор рабочего объема. Тот же эффект может наблюдаться в случаях привода поршневого компрессора от двигателя с изменяемой частотой вращения. При увеличении частоты вращения степень сжатия повышается и коэффициент подачи уменьшается
(рис. 2).

В холодильных поршневых компрессорах автомобильных кондиционеров, приводимых от двигателя внутреннего сгорания, этот эффект может быть полезно использован. При увеличении частоты вращения обеспечивается желаемое сокращение холодопроизводительности. Поэтому в автобусных установках кондиционирования воздуха часто отказываются от каких-либо специальных систем регулирования производительности.Если эффект уменьшения производительности нежелателен (например, в холодильных установках), то следует переходить на двухступенчатый поршневой компрессор (рис. 3).

Спиральные холодильные компрессоры

В традиционной конструкции спиральных холодильных компрессоров, используемых на сегодняшний день в технике кондиционирования, подвижный спиральный элемент выполняет орбитальное движение. За один оборот подвижной спирали компрессора производятся впуск порции всасываемого газа, его сжатие и выталкивание нагнетаемого газа.В спиральных холодильных компрессорах нет нагнетательных клапанов, т. е. газ сжимается до заложенной при проектировании степени сжатия. Другая особенность спирального холодильного компрессора заключается в уменьшении объема камеры сжатия снаружи к центру и наличии радиального отверстия для нагнетания в самой маленькой центральной камере. Это также ограничивает эффективность рабочего нагнетательного клапана, имеющегося в некоторых низкотемпературных холодильных компрессорах.На рис. 4, а — представлена индикаторная диаграмма давления в спиральных компрессорах для систем кондиционирования воздуха, на рис. 4, б – для нормального охлаждения.

В случае применения в системах кондиционирования воздуха, где, как известно, отношения давлений низкие, спиральный холодильный компрессор может продемонстрировать свои преимущества: отсутствие потерь в клапанах; высокий КПД при небольшой тепловой и механической нагрузке из-за низкого трения, что связано с низкой относительной скоростью; малые внутренние перетечки (благодаря относительно небольшой разности давлений).В том же компрессоре при более высокой степени сжатия (см. рис. 4, б) величина работы сжатия увеличивается в конце этого процесса из-за обратного расширения в направлении, противоположном направлению вращения.Это повышает тепловую нагрузку и увеличивает внутренние перетечки, что определяет снижение КПД. Равномерность сжатия в спиральном холодильном компрессоре для нормального охлаждения значительно меньше, чем в компрессоре, работающем в системах кондиционирования воздуха, что может привести к повышенным пульсациям газа. В этом состоит принципиальный недостаток спиральных холодильных компрессоров по сравнению с поршневыми, который усугубляется с ростом степени сжатия.

Сравнивая поршневые и спиральные холодильные компрессоры, можно отметить, что коэффициент подачи спиральных компрессоров выше, чем у поршневых, при любой степени сжатия (рис. 5, а). Несмотря на это, изоэнтропический КПД двух разных по эффективности спиральных холодильных компрессоров в любом случае ниже изоэнтропического КПД поршневых холодильных компрессоров при степени сжатия, превышающей степень сжатия компрессоров, применяемых в кондиционировании воздуха (рис. 5, б).

Винтовые холодильные компрессоры

Винтовой холодильный компрессор по различным причинам иногда предпочтительнее для применения в холодильной технике, чем спиральный. Правда, речь идет о винтовых холодильных компрессорах, традиционно охлаждаемых маслом. Кроме того, в винтовых холодильных компрессорах большой объемной производительности можно «искусственно подпитать» процесс сжатия посредством ЭКОНОМАЙЗЕРНОГО РЕЖИМА (рис. 6).

В спиральных холодильных компрессорах реализовать это гораздо труднее, так как в них сечения каналов недостаточны для подвода газа. Возможность установки порта экономайзера ограничена толщиной стенок спиралей. Кроме того, затраты на подключение экономайзера к спиральным холодильным компрессорам относительно более высоки.

Поэтому в спиральных компрессорах часто используют неэкономичный впрыск жидкости, который в действительности лишь предотвращает тепловую перегрузку холодильного компрессора, не влияя на увеличение давления.

Винтовые и спиральные холодильные компрессоры рекомендуется применять при малых степенях сжатия (среднетемпературное охлаждение и кондиционирование воздуха), где они могут быть особенно эффективны. Но в отличие от спиральных винтовые холодильные компрессоры с масляным охлаждением и экономайзером при больших рабочих объемах являются наиболее интересным и перспективным решением для использования в холодильном оборудовании.

Выигрышные особенности

Учитывая все основные достоинства и недостатки рассмотренных типов холодильных компрессоров, компания BITZER создала новую серию холодильных поршневых полугерметичных компрессоров Octagon, в которой с целью их усовершенствования подвергся модификации ряд существенных параметров, среди которых: плавность хода и шумовые характеристики, КПД, регулируемость производительности, габаритные размеры и масса, стоимость. Шумовые характеристики холодильных поршневых полугерметичных компрессоров серии Octagon с демпфером пульсаций в головке блока цилиндров. Несмотря на исключительную плавность хода, обусловленную конструкционными особенностями холодильных компрессоров этой серии, в отдельных случаях возникали значительные резонансные пульсации в нагнетательных трубопроводах. Как правило, такие пульсации сокращаются до приемлемой величины путем установки глушителей (демпферов) на трубопроводе. Недостаток такого технического решения состоит в том, что на участке нагнетательного трубопровода между демпфером и холодильным компрессором всегда присутствуют значительные пульсации. Полностью избежать негативного воздействия пульсаций давления в системе удалось благодаря новой головке блока цилиндров (рис. 1), где с помощью резонансного канала пульсации гасятся в месте их возникновения.

Сравнение характера пульсаций при стандартной и модифицированной головках блока цилиндров показано на рис. 2.

Стендовое измерение базовых шумовых характеристик поршневого полугерметичного компрессора не показало значительного их улучшения. Однако при работе поршневого компрессора в составе холодильной установки выявлено отчетливое уменьшение шумовых показателей. В связи с этим несколько серийных компрессорно-конденсаторных агрегатов с воздушным охлаждением были дополнительно подвергнуты многократным циклическим испытаниям на шумовые характеристики на расстоянии 1 м по DIN 45635. Затем были сопоставлены результаты испытаний, полученные на холодильном поршневом полугерметичном компрессоре серии Octagon без демпфера пульсаций (ДП), компрессоре серии Octagon с ДП и спиральном компрессоре.

Замеренные звуковые давления могут рассматриваться как типичные для агрегатов с конденсатором воздушного охлаждения. Очевидно снижение шума, которое достигается применением новых головок блока цилиндров (рис. 3). О том, насколько низкими являются эти шумовые характеристики, можно судить по рис. 4.

Холодильный поршневой полугерметичный компрессор серии Octagon с ДП оказывается не просто работающим тише спирального компрессора, но даже находится на уровне шумовых характеристик вентилятора компрессорно-конденсаторного агрегата.

Значительное снижение шумовых характеристик поршневых полугерметичных компрессоров BITZER позволило также достичь универсальности их применения во всех возможных типах установок. Было доказано, что поршневые компрессоры не только не являются более шумными и подверженными вибрациям, чем ротационные, но даже могут превосходить их по этим показателям.

Регулирование холодопроизводительности поршневых компрессоров изменением частоты вращения

Объемная производительность короткоходовых поршневых компрессоров оптимально регулируется путем изменения частоты вращения коленчатого вала. Хорошим примером является серия поршневых полугерметичных компрессоров Octagon, допустимый диапазон частот питающего тока для которой 30…60 Гц (стандартное исполнение) и 20…70 Гц (расширенный вариант исполнения)
(рис. 5).

Однако и это не предел. В одной из опытных установок, где изучались предельные возможности холодильных поршневых полугерметичных компрессоров, электродвигатель двухцилиндрового полугерметичного компрессора теплового насоса, представленного на рис. 6, успешно работал в диапазоне частот 20…80 Гц.

Существенное преимущество поршневых полугерметичных компрессоров, реализованное в конкретном проекте.

Если требуется регулировать холодильный компрессор морозильной установки изменением частоты вращения, необходимо учитывать, что, начиная с некоторой предельной частоты, ее повышение не вызывает увеличения холодопроизводительности. В этом случае можно применить вариант с двухступенчатым поршневым компрессором. В качестве примера рассмотрим экспериментальный компрессор для холодильной установки типового рефрижераторного контейнера.

Ни винтовой, ни спиральный холодильный компрессоры не подошли для выполнения этих требований(в частности, очень низким оказался КПД при частичной нагрузке). Но даже одноступенчатый поршневой компрессор с регулированием частоты вращения смог частично выполнить поставленную задачу. Однако затем оказалось, что при частоте питающего тока выше 80 Гц и t0 = –33 °C (R134a) повышение холодопроизводительности оказалось невозможным (рис. 7). Самое оптимальное решение было достигнуто при использовании двухступенчатого поршневого компрессора (рис. 8), который по холодопроизводительности превосходил одноступенчатый на 25 %.

Среднее потребление энергии за типичный цикл нагрузки было на 30 % меньше того же показателя для серийной машины. Благодаря использованию переохладителя хладагент R134а, типичный для кондиционирования воздуха, смог прекрасно работать в морозильных установках и по результатам сравнительных измерений обеспечил такие же показатели, что и R404A. Принципиальная схема установки показана на рис. 9.

Все требования по конструктивным размерам и холодопроизводительности были выполнены.Можно с уверенностью сказать, что в этом конкретном случае никакой другой тип холодильного компрессора не будет лучше, чем поршневой.

Таким образом, холодильные поршневые полугерметичные компрессоры все еще обладают значительным потенциалом развития, который позволит оптимально использовать их в холодильной технике и в будущем. Адаптация поршневых компрессоров к новым областям применения и хладагентам возможна при относительно низких издержках. По массе, плавности хода и компактности современные поршневые компрессоры вполне конкурентоспособны с ротационными. Регулирование изменением частоты вращения, пока еще не общепринятое для холодильных поршневых компрессоров, при широком использовании даст значительную экономию энергии.