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 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 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.

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.

Рис. 2. 26. Спиральный компрессор Performer (Danfoss). 1 – подвижная спираль; 2 – неподвижная спираль; 3 - клеммная коробка; 4 – защита электродвигателя; 5 – смотровое стекло; 6 – всасывание; 7 – масляный насос; 8 - электродвигатель; 9 – нагнетание; 10 – защита от обратного вращения; 11 – обратный клапан.

Электродвигатель находится в нижней части компрессора, вал при помощи эксцентрика обеспечивает эллипсовидное движение подвижной спирали, вставленной в неподвижную спираль, установленную в верхней части компрессора. Всасываемый газ поступает в компрессор через патрубок всасывания, обтекает ко­жух электродвигателя и входит в не­го через отверстия в нижней части кожуха (рис.2.26). Масло, находящееся в парах хладагента, в результате поворота маслохладоновой смеси под действием центробежных сил отделяется из него и стекает на дно картера компрессора. Пар проходит через электродвигатель, обеспечи­вая полное охлаждение компрессора во всех режимах работы. Пройдя че­рез электродвигатель, пар попадает в спиральные элементы компрессора, которые расположены в верхней части компрессора над электродвигателем. Рабочий цикл совершается за три оборота вала: первый оборот - всасывание, второй оборот – сжатие, третий оборот – нагнетание. Сразу над выходным каналом непод­вижной спирали находится обратный клапан. Он предохраняет компрессор от обратного течения газа после его выключения. Пройдя обратный кла­пан, газ уходит из компрессора через патрубок нагнетания.

Эффективность спиральных компрессоров во многом определяет­ся величиной внутренних радиальных и осевых утечек газа в процессе сжатия. Радиальные утечки происходят между со­прикасающимися боковыми поверхностями спиралей, осе­вые - между верхним торцом одной спирали и опорной пли­той другой (рис. 2. 24). Утечки ведут к увеличению потребляемой мощности компрессора, снижению его холодопроизводительности и эффективности работы.

Основное отличие этого компрессора от других спиральных заключается в принципе уплотнения спиральных элементов. Распространенный способ обеспечения радиального уплотнения заключается в создании плотного контакта от надавливания подвижной спирали на неподвижную под действием центробежной силы. Однако только что изготов­ленные компрессоры создают эффективное одно­родное уплотнение только после периода «притирки», в процессе которого между по­верхностями образуется необходимый контакт. Касание боко­вых поверхностей спиралей является обязательным условием для таких компрессоров.

Компания Danfoss в компрессорах марки Performer исполь­зует так называемый «принцип контролируемого вращения» (controlled orbiting), что подразумевает движение спиралей по фиксированной траектории без соприкосновения подвижной и неподвижной спиралей при любых условиях эксплуатации компрессора.

Компрессоры Performer с контролируемым вращением для получения гарантированного уплотнения должны иметь спира­ли сверхточного профиля. Боковые поверхности таких спи­ралей никогда не соприкасаются друг с другом, а тонкая пленка масла, уплотняющая зазор, обеспечивает смазку спиралей без трения и износа их поверхности.

При создании осевого уплотнениянекоторые изготовители ком­прессоров для уплотнения прижимают подвижную спираль к неподвижной, используя давление сжимаемого газа.

В компрессорах Performer динамический контакт между верх­ним торцом подвижной спирали и опорной плитой неподвижной спирали поддерживается с помощью плавающего уплотнения (рис.2.27).

Рис. 2.27 . Плавающее уплотнение спирального компрессора Performer с контролируемым вращением:

1 - опорная плита; 2 - зазор между торцом и опорной плитой; 3- плавающее уплотнение; 4 - спираль; 5 - масляная пленка, предотвращающая утечки газа уплотнения; 6 - газ высокого давления

Этот уплотняющий элемент находится в канавке, прорезанной в верхнем торце подвижной спирали (рис. 2.27). Газ под давлени­ем давит на плавающее уплотнение снизу и заставляет его при­жиматься к опорной плите спирали, создавая динамический кон­такт при работе компрессора. Прижимающие силы очень малы, что в сочетании с небольшой площадью контакта снижает тре­ние и увеличивает эффективность работы компрессора.

Характерной особенностью этих компрессоров является их запуск вхолостую, даже при несбалансированном давлении в системе. Это происходит за счет установки обратного клапана на линии нагнетания, закрывающемся при его остановке. В этих условиях в картер возвращается только газ, сжатый в компрессоре до места установки клапана, проходя при этом через спирали. Тем самым осуществляется выравнивание внутреннего давления. При остановке компрессора две спирали размыкаются как по вертикали, так и по горизонтали. При новом запуске компрессор не испытывает нагрузки, поскольку возрастание давления происходит постепенно.В спиральном компрессоре предусмотрен предохранительный клапан, открывающийся при превышении давления свыше 28 бар и перепускающий хладагент из нагнетательной полости во всасывающую.

Масло в спиральных компрессорах служит только для смазки подшипников и плавающего уплотнительного кольца. Смазка спиралей не требуется ввиду малой скорости вращения и силы трения в каждой точке контакта. Содержания масла в маслохладоновой смеси вполне достаточно, чтобы обеспечить необходимую смазку, ввиду чего масло не подвергается воздействию высоких температур, которые могут привести со временем к ухудшению характеристик масла. Другой положительной чертой является высокая способность противодействия уносу масла при пуске.

Вопросы для самоконтроля по главе 2.

В чем отличие прямоточных и непрямо­точных компрессоров? 2. Какое конструктив­ное отличие компрессора простого действия от компрессора двойного действия? 3. Ка­кое устройство для защиты от гидравличе­ского удара имеется в компрессоре? 4. Чем отличается поршневое уплотнительное коль­цо от маслосъемного? 5. Как смазывается сальник компрессора? 6. Каково назначение предохранительного клапана в компрессоре? 7. Каким образом масло, уносимое парами хладагента, возвращается в картер компрес­сора? 8. Почему компрессор, работающий на аммиаке, имеет большую холодопроизводительность, чем при работе на R22? 9. Каким образом можно изменить холодопроизводительность холодильного компрес­сора? 10. Как происходит сжатие в винто­вом компрессоре? 11. Почему в винтовом ком­прессоре возникают энергетические потери, когда давление в конце сжатия не совпадает с давлением нагнетания? 12. Почему при перемещении золотника холодопроизводительность винтового компрессора изменяется? 13. Какие достоинства и недостатки имеет винтовой компрессор по сравнению с порш­невым? 14. В чем преимущества спиральных компрессоров? 15. Уплотения спиральных компрессоров. 16. Принцип работы спиральных компрессоров. 17. Что такое «защемленный» объем в винтовых компрессорах?

Литература по главе 2.

1.Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Пекарев В.И., Тимофеевский Л.С. Холодильные машины – СПб: Политехника, 2006.-944 с.

2. Быстрый выбор автоматических регуляторов, компрессоров и компрессорно-конденсаторных агрегатов. Каталог. Danfoss. 2009.-234с

3. Ладин Н.В., Абдульманов Х.А., Лалаев Г.Г. Судовые рефрижераторные установки. Учебник. Москва, Транспорт, 1993.-246 с.

4. Швецов Г. М., Ладин Н. В. Судовые холодильные установки: Учебник для
вузов. - М.: Транспорт, 1986. - 232 с.

Главным элементом любого 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, 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.

Рассмотрим устройство спирального холодильного компрессора на примере продукции . 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 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 , Danfoss Performer , .

Спиральные компрессоры относятся к одновальным машинам объемного принципа действия. Как известно, машины такого принципа действия обратимы, т.е. могут работать практически без изменения конструкции, и как компрессоры, и как моторы (детандеры или расширители.

Идея такой машины известна более ста лет, но реализовать ее и довести до промышленного производства и широкого применения удалось только в 80-е годы ХХ века. Причина та же, что и при разработке винтовых компрессоров не было достаточно точного оборудования для изготовления такой формы детали, как спирали.

В настоящее время в холодильной технике спиральные компрессоры используют в бытовых и транспортных кондиционерах, тепловых насосах, холодильных машинах малой и средней мощности до 50 кВт. Но расчеты показывают, что холодильную мощность спиральных компрессоров можно увеличить до 100 и более кВт по мере совершенствования их конструкции и технологии изготовления.

28 Классификация спиральных компрессоров

Спиральные компрессоры классифицируются следующим образом: маслозаполненные; с впрыском капельной жидкости (например холодильного агента); сухого сжатия.

И, естественно, одно- и двухступенчатые с различным расположением ступеней по отношению к двигателю.

В зависимости от рода газа, мощности и других условий: герметичные, бессальниковые, сальниковые.

По типу применяемых спиралей: с эвольвентными спиралями, со спиралями Архимеда, с кусочно-окружными и т.д.

Существенно деление спиральных компрессоров на вертикальные и горизонтальные. В последних вал 1 расположен горизонтально (см. рисунок 65). В горизонтально расположенных спиральных компрессорах, например у транспортного кондиционера с параллельным расположением вала и продольной оси транспортного средства, труднее обеспечить надежную работу системы смазывания компрессора.

29 Достоинства и недостатки спиральных компрессоров

Основными достоинствами спиральных компрессоров являются:

1.Высокая энергетическая эффективность; их эффективный КПД достигает 80-86%;

2.Высокая надежность и долговечность, определяемая долговечностью подшипников;

3.Хорошая уравновешенность; незначительное изменение крутящего момента на валу компрессора; малые скорости движения газа в машине-все это обеспечивает ход машины с низким уровнем шума.

4.Быстроходность-число оборотов вала компрессора от 1000 до 13000 , и этот диапазон расширяется.

5.Отсутствие мертвого объема, малая доля протечек, и, следовательно, более высокий индикаторный КПД; всасываемый компрессором газ не соприкасается с горячими стенками деталей компрессора;

6.Процессы всасывания, сжатия и нагнетания “растянуты” по углу поворота вала и поэтому даже при большой частоте вала скорости газа невелики.

7.Отсутствие клапанов на всасывании, а часто и на нагнетании;

8.Спиральный компрессор, как и винтовой, может работать по циклу с “дозарядкой”;

9.Спиральный компрессор, как и все компрессоры объемного принципа действия, может работать на любом холодильном агенте, на любом газе и даже с впрыском капельной жидкости.

По сравнению с поршневыми компрессорами одинаковой мощности спиральный компрессор имеет следующие преимущества:

К недостаткам спиральных компрессоров надлежит отнести следующие:

1.Спиральным машинам требуются новые для машиностроения детали-спирали, для изготовления которых необходимы фрезерные станки с ЧПУ.

2.На подвижную спираль действует сложная система сил: осевые, центробежные, тангенциальные, требующие грамотного расчета и уравновешивания, а, следовательно, и балансировки ротора.

3.Если отсутствует нагнетательный клапан, то теоретическая индикаторная диаграмма спирального компрессора будет по виду такой же, как и у винтового компрессора, с возможными недосжатиями и пережатиями газа, т.е. с дополнительными потерями.

Спиральные компрессоры зарекомендовали себя как надежные, энергоэффективные и удобные в эксплуатации установки для производства скомпрессированного воздуха. В таких компрессорах воздух сжимается за счет двух спиралей - одна из них является неподвижной, а вторая вращается на высоких оборотах и при этом перемещается. Движение подвижной спирали уменьшает объем камеры, где содержится воздух - и за счет этого плотность газа повышается.

Применение

Спиральные установки позволяют получить на выходе поток высочайшей степени очистки: воздух в процессе компрессии не контактирует с маслом или другими смазочными материалами и, соответственно не смешивается с ним. Поэтому спиральные компрессоры используются в тех отраслях, где к качеству воздуха предъявляются особо жесткие требования (медицинские и стоматологические клиники, пищевые и фармацевтические производства, изготовление высокоточной электроники и т.д.). А использование такого оборудования вкупе с осушителями и дополнительными фильтрующими устройствами позволяет в итоге получить наилучший с точки зрения качества воздушный поток.

Преимущества спиральных компрессоров