Принцип действия спирального компрессора

Спиральный холодильный компрессор. Принцип работы и устройство.

Главным элементом любого холодильного оборудования является компрессор. Он служит для обеспечения движения хладагента в системе и создания разности давлений.

Относительно недавно стали применяться в холодильной технике компрессоры спирального типа. В основном они работают в составе систем кондиционирования, чиллеров, тепловых насосов, средне и высокотемпературных холодильных установок.

Рабочим элементом спирального компрессора является спираль. Принцип работы холодильного спирального компрессора основан на согласованном вращении одной спирали относительно другой.

Принцип работы спирального холодильного компрессора.

В спиральном компрессоре сжатие паров хладагента происходит между двумя спиралями.

Одна спираль неподвижная, вторая – совершает вращение вокруг неё. Причем это движение имеет непростую траекторию. Электродвигатель, находящийся в одном герметичном корпусе компрессора, совершает работу – вращает вал, на конце которого находится эксцентрично установленная спираль. Вращаясь, подвижная спираль перекатывается по стенкам неподвижной спирали, скользя по масленой плёнке. Точки контакта спиралей постепенно перемещаются от края к центру, причем они расположены на каждом витке рабочего элемента. Захватывая всасываемые пары хладагента в зоне большего объема сжимаемого газа, спирали постепенно сжимают их по мере приближения рабочей зоны к центру, так как объем её уменьшается. Соответственно, в центре спиралей достигается максимальное давление газа, который через линию нагнетания компрессора затем поступает в конденсатор. В спиральном компрессоре, в процессе работы, сжатие паров происходит непрерывно, так как точка касания спиралей не одна и рабочих зон сжатия образуется несколько. Электродвигатели герметичных спиральных компрессоров охлаждаются за счет всасывающих паров хладагента.

Устройство спирального холодильного компрессора.

Рассмотрим устройство спирального холодильного компрессора на примере продукции фирмы Danfoss Performer . Устройство компрессоров других производителей аналогично. Основные узлы спирального компрессора показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Устройство спирального холодильного компрессора.

Благодаря своей конструкции, количество взаимно трущихся деталей в спиральном компрессоре значительно меньше, чем в поршневом, что теоретически говорит о его надежности.

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, 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.

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.

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 и соответственно в Челябинск такие всемирно известные фирмы, как Emerson Copeland , Danfoss Performer , Bitzer .

Воздушные спиральные компрессоры для идеального безмасляного воздуха

Спиральные компрессоры – это достойная альтернатива другим типам воздушных нагнетателей, особенно поршневым. В последние годы все больше компаний предпочитают спиральный тип компрессора для обеспечения потребителя чистым воздухом без малейших примесей масла.

Спиральный компрессор – удовольствие не из дешевых, особенно оснащенный ресивером. Но для производств, где по стандартам ISO8573-1 (2010) степень загрязненности воздуха должна соответствовать классу «0», он является наилучшим выбором.

К тому же, учитывая низкую стоимость сервисного обслуживания и высокий КПД агрегата, его стоимость быстро отбивается. Добавьте к этому абсолютно чистый воздух и бесшумную работу – и станет понятно, почему воздушные спиральные компрессоры так стремительно завоевывают рынок.

Устройство и принцип работы

Принцип работы нагнетателя спирального типа основывается на вращении одной спирали относительно другой:

• первая – статическая – неподвижно фиксируется на корпусе;
• вторая – динамическая – осуществляет вращения вокруг нее, проталкивая порцию сжатого воздуха к выходному тракту.

Цикл повторяется непрерывно, исключая резкие перепады воздушного давления, так называемые пульсации. Единичный цикл состоит из 3-х этапов.

1. Начальный, когда происходит засасывание воздуха в пространство, освобождаемое движущейся спиралью. Между статической и динамической деталями нет зазоров.
2. Этап сжатия. По мере оборачивания спирали поступивший воздух сжимается, постепенно продвигаясь к точке выхода.
3. Завершающий, когда сжатый воздух выбрасывается из выходного отверстия и подается к потребителю.

Количество оборотов приводного вала достигает нескольких десятков тысяч за 1 мин. Но в отличие от поршневых компрессоров, здесь нет пульсаций, которые приводят к раннему износу комплектующих.

Дорогие модели воздушных нагнетателей предусматривают регулировку показателей осевого смещения спиралей для того, чтобы настраивать предельное выходное давление. Для проветривания обеспечивается нулевой цикл без нагнетания.

Самые распространенные – электрические компрессоры, но в продаже встречаются нагнетатели с дизельным или бензиновым силовыми установками. Дольше прослужит спиральный компрессор с шестеренчатой передачей. Он показывает нулевой уровень проскальзывания при максимальных нагрузках, отличается КПД, близким к 100% и просто в обслуживании.

Наличие динамического клапана предотвратит движение воздуха в обратную сторону, если на потребителе фиксируется высокое давление. Если компрессор оснащен воздушным фильтром, то его производительность несколько снизится, но повысится ресурс антифрикционных уплотнителей, а значит, и самого агрегата. Эти элементы не являются обязательными, они поднимают общую стоимость системы. Но предсказуемость работы компрессора и срок его службы резко повышаются.

Области применения

Спиральные компрессоры широко применяются в системах кондиционирования воздуха, как бытового, так и производственного, а также в ряде других сфер:

• тепловых насосах;
• системах подачи воздушной смеси с точной концентрацией;
• в медицинском оборудовании;
• на производстве продуктов питания (хладокомбинаты, плодохранилища, автоклавы для очистки вина, переработка продуктов питания и проч.);
• в химической промышленности (для конденсации растворителей, охлаждения формовочной техники и т. д.).

В системах воздушного кондиционирования, в том числе, сплит-системах, спиральные нагнетатели применяются из-за низкого уровня шумности, который позволяет устанавливать кондиционеры в спальнях. Их рабочие качества не меняются с годами, в отличие от поршневых компрессоров, а благодаря компактному размеру (и массе) их влияние на внешнее оформление контура сплит-системы минимально. Теперь рассмотрим более подробно другие области применения спиральных воздушных компрессоров.

Медицина

Спиральный компрессор, предназначенный для использования в медучреждениях, должен пройти проверку на соответствие стандартам качества:

• ISO 8573-1 (класс 0) – полное отсутствие масляных вкраплений в подаваемом воздухе;
• ISO7396 – требования к трубопроводным системам для медицинских газов;
• HTM02-01 – международный стандарт качества медицинских газов.

Только сертифицированные агрегаты допускаются для использования в медицине:

• в стоматологии;
• анестезиологии;
• залах реанимации и операционных;
• лабораториях;
• отделениях хирургии, кардиологии, интенсивной терапии и т. д.

Спиральный компрессор для медицинских целей готовит воздушную смесь с очень точной концентрацией газов. Данные отображаются на дисплее, а концентрацию веществ регулируют посредством панели управления (кнопочной или сенсорной). Некоторые модели оснащаются осушителем воздуха. Также прибор может иметь систему оповещения.

За постоянную подачу газовой смеси отвечают дублирующие системы контроля. Даже при остановке одного нагнетателя работа не прекратится. Современная электроника гарантирует непрерывную эксплуатацию, чуть снизив производительность.

В состав станции сжатого воздуха, кроме компрессора, входят:

• блок управления станцией;
• ресиверы;
• осушители воздуха;
• система фильтрации воздуха.

Для защиты элементов нагнетателя от коррозии на детали медицинских компрессоров наносится полимерное покрытие.

Пищевое производство

Определяющим фактором при выборе воздушного нагнетателя в производстве продуктов питания является то, как его цена (учитывая амортизацию) отразится на конкурентоспособности товаров. Безопасность и производительность также важны, ведь возможные судебные риски от потребителей некачественной продукции могут привести к закрытию производства при самом плохом сценарии.

Их применяют в различных отраслях пищевой промышленности:

• упаковке (производство и перемещение элементов по конвейеру);
• начинке выпечки;
• для насосов, перекачивающих жидкости;
• подаче азота под высоким давлением;
• пневматических ножницах (очистка, нарезка орехов, лука, овощей);
• приготовления пищевых смесей.

Также сжатый воздух используют для привода механизмов на производстве.

Полиграфия

Современная полиграфическая продукция характеризуется высоким качеством изображения, а также страниц, покрытых глянцевым слоем. Требовательный читатель выберет то издание, которое приятно держать в руках и рассматривать, поэтому так важно применять для типографского производства качественно очищенный воздух.

Спиральный нагнетатель обеспечивает подачу очищенного воздуха под постоянным давлением, не допуская перепадов. Основные места, где применяют компрессор в полиграфии, это:

• пневмопривод автоматизированных линий;
• кондиционирование и осушение воздуха в помещении;
• смешивание растворов, красок;
• упаковка при помощи сжатого воздуха;
• ламинирование бумаги.

Чем чище воздух, используемый для высушивания напечатанных страниц, тем меньше искажений на них будет. Спиральные компрессоры гарантируют стабильность работы осушительного оборудования типографии.

Химическая промышленность

Для создания газовых смесей и их перемещения на предприятиях химической промышленности применяют компрессоры. Наиболее частой сферой их использования является отрасль органического синтеза, где производятся:

Стандартное использование сжатого воздуха – это передача силового импульса на работающие механизмы (краны, подъемники) и конвейерные линии. Узкоспециальное назначение спирального компрессора – это:

• передвижение жидкостей в эжекторе;
• создание зоны низкого давления в аппаратах;
• поддержка заданного давления в сети распределения воздуха;
• перемещение газовых смесей по трубам;
• создание газовых смесей;
• нагнетание или отсасывание испарений.

В промышленных системах очистки воздуха спиральные компрессоры, занимающие мало места, выигрывают в сравнении с поршневыми благодаря высокой производительности и стабильной работе, без рывков и торможений. Для повышения производительности оборудования химической промышленности важно своевременно отводить воздух от фреонового контура, а также перед заправкой снижать давление.

Преимущества и недостатки

К несомненным достоинствам спиральных компрессоров относятся:

• плавная работа без вибраций и рывков;
• отсутствие «мертвого объема»;
• КПД, приближающийся к 100%;
• тихая работа;
• компактность;
• не нужна пружинная доска;
• низкая стоимость сервисного обслуживания;
• минимальный износ элементов.

Конечно, полное отсутствие масла в воздухе – это также преимущество спирального нагнетателя. Но у каждой медали две стороны, поэтому не стоит забывать о недостатках:

• необходима точная настройка оборудования профессионалом;
• требуется периодическая замена спиралей;
• компрессор без динамического клапана не обеспечит нужный уровень давления в подаваемом воздухе.

Для каждого производства и оборудования нужно подбирать компрессор с соответствующими техническими характеристиками. Не существует идеального устройства, которое подходило бы ко всему. Перед покупкой дорогостоящего агрегата обязательно нужно провести консультации с опытным специалистом.

Спиральный компрессор

Спиральный компрессор — устройство для сжатия газа (воздуха или хладагента), за счет уменьшения его объема в камерах, образованных поверхностями спиралей.

Спиральные компрессоры используются в системах кондиционирования, охлаждения, нагрева, в автомобилях, в криогенных и холодильных системах, в качестве вакуумных насосов.

Устройство и принцип работы спирального компрессора

Существует несколько типовых конструкции спиральных компрессоров.

Наиболее распространенный вариант — использование двух спиральных элементов, установленных с эксцентриситетом. Один из этих элементов подвижный, другой нет.

Конструкция компрессора с одной подвижной спиралью

Спиральный компрессор показан на рисунке.

В герметичном корпусе размещен электродвигатель, который приводит во вращение вал. В верхней части корпуса установлена неподвижная спираль. На валу установлена подвижная спираль, которая может перемещаться по направляющим совершая сложное движение относительно неподвижной спирали.

В результате перемещения между спиралями образуются камеры (карманы), объем которых при дальнейшем движении уменьшается, и как следствие газ находящийся в этих карманах сжимается.

Принцип работы такого компрессора показан в ролике:

Также встречаются компрессоры с двумя подвижными спиралями, совершающими вращательное движение относительно разных осей. В результате вращения спиральных элементов также образуются камеры, объем которых при вращении уменьшается.

В большей степени от представленных выше вариантов отличается компрессор, в котором жесткий элемент выполненный в форме архимедовой спирали воздействует на гибкую упругую трубку. По принципу работы такой компрессор схож с перистальтическим насосом. Такие спиральные компрессоры обычно заполнены жидкой смазкой для снижения износа гибкой трубки и отвода тепла. Такие компрессоры часто называют шланговыми.

Динамические клапаны

В спиральных компрессорах клапан на всасывании не нужен, 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.

Динамические клапаны устанавливают в линии нагнетания средне- и низкотемпературных компрессоров Copeland, предназначенных для холодильной техники.

Достоинства спиральных компрессоров

Спиральный компрессор работает более плавно, и надежно, чем большинство других объемных машин. В отличие поршней, подвижная спираль может быть идеально уравновешена, что сводит к минимуму вибрацию.

Отсутствие мертвого объема в спиральных компрессорах обуславливает повышенную объемную эффективность.

Спиральные компрессоры обычно обладают меньшей пульсацией чем поршневые компрессоры с одним поршнем, но большей чем много поршневые машины.

Спиральные компрессоры имеют меньше движущихся частей, по сравнению с поршневыми, что, теоретически, обеспечивает их большую надежность.

Спиральные компрессоры, как правило, очень компактны и не требуют пружиной подвески, вследствие плавной работы.

Недостатки спиральных компрессоров

Спиральные компрессоры чувствительны к загрязнению перекачиваемого газа, т.к. мелкие частицы могут оседать на поверхности спирали, что не позволит обеспечить достаточную герметичность рабочей камеры.

Вал спирального компрессора должен вращаться только в одном направлении.

Регулируемые спиральные компрессоры

Долгое время спиральные компрессоры выпускались без возможности регулировки производительности. При необходимости уменьшить подачу использовалось частотное регулирование приводного электродвигателя, либо перепуск части газа из линии нагнетания в линию всасывания.

В настоящее время регулируемые спиральные компрессоры производятся компанией Emerson. В этих компрессорах может изменяться расстояние между осями вращения спиралей, при необходимости это расстояние можно выбрать таким, что между спиральным элементами не будут образоваться камеры, а значит подача компрессора будет рана 0. Чередуя два различных рабочих состояния (холостой и рабочий ход) с помощью электронного управления, можно добиться требуемой производительности.

Конструкция и принцип действия спиральных компрессоров

Конструктивная схема спирального компрессора включает две спирали, ведущий вал с эксцентриком, корпус и другие узлы, обеспечивающие заданное движение и правильное взаимодействие деталей компрессора.

Вблизи ее оси имеется отверстие А для выхода сжатого газа и два отверстия для его входа. Другая спираль – подвижная, имеет хвостовик В, которым шарнирно соединяется с эксцентриком ведущего вала. Оси спиралей смещены на величину ε0, 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.1, две внешние парные полости заполненные газом, две внутренние – соединены с окном нагнетания А.

Подвижная спираль не может вращаться вокруг своей оси. Она должна совершать только орбитальное движение по окружности радиусом ε0, вокруг оси неподвижной спирали (может быть и иная траектория).

Принцип действия спирального компрессора иллюстрирует рис. 2, на котором показаны взаимные положения спиралей при перемещении подвижной спирали по круговой орбите через 90º.

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.

Важны узлы компрессора, обеспечивающие орбитальное движение подвижной спирали и предотвращающие ее поворот вокруг собственной оси. Эти устройства имеют различное конструктивное оформление. В качестве противоповоротного устройства 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.

Классификация спиральных компрессоров проводится по конструктивным признакам и подразделяются 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.

Основное требование к геометрии спиралей – обеспечение образования замкнутой полости во всем диапазоне изменения угла поворота ротора от начала до конца процесса сжатия.

По функциональному назначению спирали подразделяются на спиральные компрессоры общего назначения, холодильный, вакуумный насос, детандер (расширительная машина – спиральная турбина).

Область применения спиральных компрессоров по давлению нагнетания ориентировочно лежит в пределах 0,7…1,2 МПа, а по производительности 6…100 м³/ч. Наиболее широко они используются в системах кондиционирования воздуха на автомобильном и железнодорожном транспорте и в жилых помещениях, в торговом холодильном оборудовании, в тепловых насосах и водоохлаждающих холодильных машинах. Наиболее распространенная область применения спиральных компрессоров находится в диапазоне холодопроизводительностей от 1 до 20 кВт.