Малые холодильные компрессоры относятся к объемным машинам, в которых пары хладагента сжимаются в результате уменьшения замкнутого объема. Объемные машины подразделяются на поршневые и ротативные.
Классификация малых холодильных компрессоров включает:
- принцип действия
- тип механизма движения
- тип электродвигателя
- схема расположения цилиндров
- вид хладагента
- диапазон температур кипения
- условия эксплуатации.
По принципу действия различают:
- поршневые компрессоры (с возвратно-поступательным движением поршня)
- ротационные компрессоры, винтовые компрессоры (с вращательным движением роторов)
- спиральные компрессоры (с плоскопараллельным движением спирального элемента)
Поршневые компрессоры
Поршневые компрессоры имеют вращательный или колебательный привод; в последних вместо асинхронного двигателя и кривошипно-шатунного механизма применяют электромагнит, взаимодействующий с постоянным магнитом. Поршневые компрессоры подразделяются на непрямоточные, у которых всасывающий и нагнетательный клапаны расположены в крышке цилиндра, и прямоточные, всасывающий клапан которых установлен в дне поршня.
Современные малые компрессоры являются непрямоточыми, за исключением компрессоров с колебательным приводом. Поршневые компрессоры являются наиболее распространенным типом холодильных компрессоров в области малых холодильных установок производительностью до 2÷3 кВт (бытовые холодильники и морозильники, торговые холодильные установки и системы кондиционирования воздуха). Ограниченное применение прямоточных компрессоров связано с наличием целого ряда недостатков. Усложнение конструкции поршня приводит к увеличению его массы, появлению дополнительных сил инерции и ограничению частоты вращения коленчатого вала; повышению мощности трения из-за увеличения длины поршня; недоступности всасывающего клапана, установленного на поршне, для управления при регулировании производительности; снижению прочности стенки гильзы цилиндра из-за наличия в ней отверстий; расположению поршневого пальца выше маслосъемных колец, что ухудшает условия его смазывания и увеличивает унос масла из картера компрессора.
Ротационные компрессоры
Ротационные компрессоры (РК) подразделяются на пластинчатые и с катящимся ротором. Пластинчатый ротационный компрессор (ПРК) имеет ротор, в котором радиально перемещаются разделительные пластины, а в компрессорах с катящимся ротором (ККР) последний расположен эксцентрично относительно цилиндра, по поверхности которого он перемещается с небольшим зазором.
Преимущества этих машин следующие:
- небольшое число деталей, простота конструкции, относительно низкая стоимость изготовления
- надежность в эксплуатации, простое обслуживание
- хорошие массогабаритные показатели, особенно у пластинчатых (ПРК)
- отсутствие клапанов на всасывании, а в некоторых типах и на линии нагнетания, что снижает суммарные газодинамические потери.
Недостатки этих РК заключаются в изнашивании движущихся частей; пластин у ПРК и разделительной лопасти у ККР. Поэтому при изготовлении этих деталей необходимо выбирать, возможность работы винтового одноступенчатого компрессора в цикле с дозаправкой рабочим веществом, реализация работы винтового компрессора в холодильных циклах с одно — и двухкратным дросселированием, работа на любых хладагентах и газах, плавность изменения рабочих характеристик компрессора при изменении частоты вращения электродвигателя или степени повышения давления, независимость степени повышения давления от частоты вращения ротора, отсутствие зон неустойчивой работы (компажа) компрессорa, — полная уравновешенность роторов компрессора (статистическая и динамическая), отсутствие клапанов и других деталей, часто выходящих из строя.
К недостаткам винтовых компрессоров следует отнести сложность изготовления винтов (ведущего и ведомого), тонкость поддержания необходимых зазоров, обеспечивающих нормальную работу компрессора, наличие шума при работе.
Спиральные холодильные компрессоры относятся к одновальным машинам объемного принципа действия. Эти машины могут работать в режиме сжатия паров хладагента (компрессоры), так и их расширения (детандеры).
Спиральные компрессоры имеют следующую классификацию: маслозаполненные, с впрыском капельной жидкости (хладагента); сухого сжатия; одно- и двухступенчатые с различным расположением ступеней по отношению к электродвигателю. В зависимости от рода хладагента, мощности и других условий: герметичные, бессальниковые и сальниковые.
По типу применяемых спиралей: с эвольвентными спиралями, со спиралями Архимеда, с кусочно-окружными и другими.
По расположению вала компрессора: вертикальные и горизонтальные.
Основные преимущества спиральных компрессоров следующие:
- высокая надежность и долговечность благодаря небольшому количеству деталей, участвующих в процессе сжатия хладагента
- хорошая уравновешенность, незначительное изменение крутящего момента на валу компрессора
- малые скорости движения газа (пара) в машине
все это обеспечивает спокойный ход машины с низким уровнем шума; - высокая энергетическая эффективность
- их эффективный КПД достигает 80÷86%
- высокая быстроходность — число оборотов вала компрессора составляет от 1000 до 13000 об/мин, и этот диапазон расширяется
- отсутствие мертвого пространства, малая доля перетечек паров хладагента, более высокий коэффициент подачи и индикаторный КПД, всасываемый компрессором пар не соприкасается со стенками деталей компрессора
- отсутствие клапанов на всасывании, а часто и на нагнетании
- процессы всасывания, сжатия и нагнетания растянуты по углу поворота вала, и поэтому скорости пара невелики, даже при большой частоте вращения
- спиральный компрессор может работать на любом хладагенте и даже с впрыском капельной жидкости, например, в маслозаполненном варианте, как и винтовой.
По сравнению с поршневым компрессором одинаковой мощности спиральные компрессоры имеют следующие преимущества:
Это приводит к уменьшению вибрации и уровня шума, повышает надежность компрессора. Благодаря этому также достигается несколько большая компактность спирального компрессора и его меньшая масса. Ввиду отсутствия клапанов спиральный компрессор более устойчив в случае попадания в него жидкого хладагента и загрязнений, чем поршневой.
Согласованно-спиральный компрессор сочетает в себе почти 100%-ную объемную эффективность (вследствие расширения пара хладагента из «мертвого пространства») с крайне низкими тепловыми потерями, имеет лучшую организацию движения газового потока, отсутствуют потери в клапанах, теплообмен между линиями всасывания и нагнетания, которые в спиральном компрессоре размещены раздельно. Все это способствует увеличению эффективности спирального компрессора по сравнению с поршневым.
Центробежная сила обеспечивает хороший боковой контакт между спиралями. Надежный контакт между спиралями и отсутствие зазоров в осевом и радиальном направлениях исключают перетечки паров хладагента и максимально увеличивают объемную эффективность (производительность) спирального компрессора. В компрессоре достигнуто полное осевое и радиальное согласование спиральных элементов благодаря их совершенной конструкции, допуски при изготовлении спиралей не превышают 1/104 дюйма. Между спиральными элементами не требуются какие-либо специальные уплотнительные приспособления.
Согласованно-спиральный компрессор сохраняет высокую эффективность работы в течение всего срока службы независимо от степени износа спиралей.
Холодильный коэффициент спирального компрессора при работе в стандартном европейском режиме кондиционирования воздуха достигает значения 3,37 против 2,75-2,95 у поршневого герметичного компрессора. Движущая спираль совершает весьма плавное движение, так как она хорошо сбалансирована. Поэтому движение потока паров хладагента на линиях всасывания и нагнетения имеет непрерывный характер, причем пульсации давления пара, а значит, и гидравлические потери крайне малы по сравнению с поршневыми аналогами. В результате для такого компрессора отпадает дополнительная установка внешнего или встроенного глушителя.
Кроме того, в спиральном компрессоре при отсутствии клапанов не возникает специфического шума, нет здесь и механизмов, совершающих возвратно-поступательные движения, заметно влияющих на уровень шума при эксплуатации. Спиральный компрессор в 8 раз «тише», чем его поршневой аналог, особенно при переменных режимах работы.
В поршневом компрессоре при пуске и остановке наблюдаются всплески уровня шума, что объясняется в том числе «влажным» ходом. У спирального компрессора подобного эффекта не наблюдается.
Согласованно-спиральный компрессор «Copeland» имеет ряд преимуществ и с экономической точки зрения. Они проявляются как при установившемся режиме работы, так и в моменты пуска и остановки.
Для спирального компрессора «Copeland» не требуется подогреватель картера для большинства случаев применения, так как он не боится «влажного» хода.
Во-вторых, пуск согласованно-спирального компрессора происходит без нагрузки и поэтому для него не требуется разгрузочного устройства, независимо от типа дросселирующего вентиля холодильной системы.
В-третьих, спиральный компрессор, обладая большей энергетической эффективностью, чем поршневой аналог, позволяет при конструировании холодильных машин несколько сократить расходы на теплообменную аппаратуру.
Благодаря отработанной за многие годы производственной программе, спиральные компрессоры «Copeland» имеют наименьший процент отказов по сравнению с любыми другими компрессорами в холодильной отрасли в мире. Надежность и технические стандарты спиральных компрессоров наибольшим образом соответствуют высоким требованиям, предъявляемым сегодня к производителям холодильного оборудования во всем мире.
К недостаткам спиральных компрессоров относятся:
- более высокий технологический уровень изготовления и организации производства;
- сложность изготовления спиралей, использование более точной технологии в машиностроении;
- на подвижную спираль действует сложная система сил: осевых, тангенциальных, центробежных, требующих грамотного расчета и уравновешивания, а следовательно, и балансировки ротора. При отсутствии нагнетательного клапана индикаторная диаграмма спирального компрессора по виду такая же, как и у винтового с возможными эффектами «недожатия» и «пережатия» пара, т.е. с дополнительными потерями.
В настоящее время спиральные компрессоры используют в основном в бытовых и транспортных системах кондиционирования воздуха, тепловых насосах, холодильных машинах малой и средней мощности до 50 кВт.
По принципу расположения электродвигателя различают следующие компрессоры: герметичные (со встроенным электродвигателем в неразъемном корпусе), бессальниковые (с электродвигателем в разъемном корпусе со съемными крышками цилиндров) и открытые или сальниковые с отдельным электродвигателем, соединенным с компрессором муфтой или клиноременной передачей.
Промежуточное положение занимает экранированный компрессор: между ротором и статором его электродвигателя установлен тонкий герметичный экран из нержавеющей стали; ротор омывается парами хладагента, а статор — наружным воздухом. Компрессоры со встроенным электродвигателем сложней в изготовлении, чем открытые, но компактней, легче, надежней. Бессальниковые и экранированные компрессоры дороже, чем герметичные, но более ремонтопригодны.
По пусковому (начальному) вращающему моменту встроенного электродвигателя малые компрессоры делятся на компрессоры с повышенным пусковым моментом (для холодильных машин с терморегулирующим вентилем) и с пониженным (для холодильных машин с капиллярной трубкой); по частоте используемого тока — для сетей с частотой 50, 60 и 400 Гц; по частоте вращения вала электродвигателя — на обычные и высокооборотные (n>30 с-1).
По принципу механизма движения различают поршневые компрессоры с коленчатым валом и разъемным шатуном, с эксцентриковым валом и неразъемным шатуном, с кривошипно-кулисным механизмом и аксиальные (с косой шайбой).
Так, бытовые компрессоры типа ДХ имеют кривошипно-шатунный механизм, горизонтальный вал и наружную подвеску, а компрессоры типов ФГ, ХКВ КС — кривошипно-кулисный механизм, вертикальный вал и внутреннюю подвеску.
По расположению цилиндров бессальниковые и открытые компрессоры могут быть вертикальные (с вертикальной осью рабочих цилиндров) и угловые (U-образные). В герметичных компрессорах оси рабочих цилиндров обычно горизонтальные, расположение угловое, рядное и оппозитное или крестообразное (в компрессорах с четырьмя цилиндрами) с осями под прямым углом.
По типу хладагента различают хладоновые, аммиачные, хлорметиловые и сернисто-ангидридные компрессоры. Наиболее распространены в настоящее время в основном только хладоновые малые компрессоры.
По условиям применения различают компрессоры, эксплуатируемые в обычных условиях, и специальные — в тропическом исполнении.
По диапазону температур кипения хладагента различают компрессоры:
низкотемпературные (номинальная температура кипения t0= -35 °С); среднетемпературные (номинальная температура кипения t0= -15 °С); высокотемпературные (номинальная температура кипения t0 = +5 °С).