Как работает спиральный компрессор

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 .

Спиральный компрессор — это техника для получения сжатого воздуха или хладагента. Уменьшение объема производится путем вращения двух спиралей, на чем основан принцип действия установки. Агрегаты данного типа успешно используются в кондиционировании, нагревании/охлаждении, холодильных контурах и изготовлении вакуумных насосов.

Конструкция и устройство

На практике применяются различные принципы действия, основанные на спиральном движении. Промышленность выпускает следующие типы аппаратов:

с двумя спиральными элементами, один из которых стационарный, другой является подвижным контуром. При вращении одной из спиралей возникают карманы, объем которых уменьшается при повышении скорости оборотов. Газ, находящийся в отсеках, сжимается и на выход подается нужного давления;

с двумя вращающимися по различным осям спиралями. Принцип остается прежним: при работе образуются карманы, повышение скорости приводит к сжатию газа внутри системы;

наличие в системе жесткой спирали Архимеда и гибкой трубки. Подобное инженерное решение называют шланговым экземпляром, требующим дополнительной смазки и отвода тепла.

Важным отличием спиральных моделей является отсутствие всасывающего клапана. Подвижный ходовой элемент автоматически отсекает канал поступления воздуха/газа от рабочей камеры при вращении. В системе нагнетания может присутствовать обратный клапан, не позволяющий возникать потоку при остаточном вращении.

Принцип работы основан на перемещении спирали, укрепленной на валу двигателя, с постепенным перемещением к центру установки. При этом захваченный газ попадает из больших отсеков в малые, и так до полного сжатия. Из центра системы сжатый газ поступает в конденсатор непрерывно, поскольку во время вращения вала образуется несколько зон сжатия. Двигатели охлаждаются за счет всасываемых при вращении паров хладагента, что значительно повышает ресурс эксплуатации.

Появление регулируемых моделей значительно расширило сферу применения и позволило снизить энергопотребление компрессорных станций. Скорость вращения регулируется с помощью комплектации преобразователями. Появилась возможность корректировать зазор между осями вплоть до нулевых показателей. Меняя холостой ход и рабочую нагрузку с помощью дополнительного регулятора, можно добиться нужной производительности агрегата.

Для повышения технических характеристик особое внимание уделяется герметичности контактов. Боковые и торцевые части конструкции тщательно подгоняются, чтобы сжимаемая субстанция не могла переходить из одного отсека в другой. При остановке движения спирали размыкаются по всем направлениям. При новом запуске оборудование не испытывает повышенной нагрузки, поскольку происходит плавное повышение давления.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом спиральной техники является высокий КПД (80-85%), что позволяет получить значительную экономию в процессе длительного применения. Спиральный компрессор, в отличие от поршневого, работает намного тише. Движение не дает сильной вибрации, оборудование является уравновешенным и работает практически без шума.

К очевидным плюсам подобных моделей можно отнести:

количество трущихся поверхностей гораздо меньше, чем при ином принципе, что говорит о надежности аппарата;

отсутствие не используемого объема в зоне сжатия, что повышает эффективность эксплуатации;

нагрузка на двигатель уменьшена, поскольку нагнетание осуществляется равномерно и умеренными дозами;

благодаря плавной работе, техника не требует повышенного внимания к расположению.

не требуется пружинной подвески и укрепленного основания, благодаря плавному ходу;

возможность применения на любом холодильном агенте, воздухе или включении капельной жидкости;

количество движущихся деталей снижено на 80% по сравнению с поршневыми аналогами.

По сравнению с поршневыми типами, вес изделий меньше на 15%, размеры снижены на 30%. Это компактное и современное оборудование легко монтируется и обслуживается, первичная наладка и пуск не представляют затруднений. Следует учесть высокую быстроходность агрегатов, скорость действия возможна в рамках 1000-13000 об/мин., эти параметры постоянно расширяются.

Недостатком моделей является то, что требуется следить за чистотой подаваемого газа, поскольку частицы попадают на спирали и приводят к дополнительному трению, разгерметизации камеры и быстрому износу техники.

Кроме того, необходимо учитывать следующие моменты:

работа вала допускается только в одном направлении, обратное поступательное движение не предусмотрено конструкцией;

при движении подвижная часть машины испытывает различные системы силового воздействия, поэтому необходима тщательная балансировка, расчет и уравновешивание моментов;

данному типу требуются детали, производимые на новейших фрезерных станках с ЧПУ, что является более сложным технологическим решением.

Приобретая компрессоры данного вида, потребитель может рассчитывать на длительную и бесперебойную эксплуатацию в быту или на производстве.

Теги: спиральный компрессор устройство и принцип работы, устройство спирального компрессора

Спиральные компрессоры стоят недешево, так как выполняются с обязательным требованием минимальных допусков и высокой точностью обработки элементов. Однако эти устройства имеют массу достоинств, которых не могут предложить нагнетатели другого типа. Спиральные компрессоры крайне тихие, и в выходном тракте воздух абсолютно не содержит масла. Если добавить к этому низкую стоимость обслуживания, становится понятно, почему все больше частных лиц и компаний тщательно исследуют рынок предложений агрегатов именно такого класса.

Устройство и принцип работы

Основной рабочий орган, как следует из названия класса агрегатов — архимедова спираль. В компрессоре их две. Одна статическая и неподвижна, может выполняться на элементах корпуса, если речь идет об устройстве с внешним приводом. Вторая спираль вращается на валу. Принцип работы агрегата следующий:

• во время вращения рабочей спирали между ее концом и стенками стационарного элемента отсутствует зазор;
• в процессе оборачивания образуется зона сжатия, по мере поступления к центру спирали воздух сжимается;
• сжатое рабочее тело выбрасывается в выходной тракт.

Такой процесс работы считается одним циклом спирального компрессора. Он повторяется многократно, так как число оборотов на валу привода может достигать тысяч в минуту. Процесс сжатия стабилен, у него нет резких бросков давления в пределах одного цикла, как это происходит в поршневых компрессорах.

Данная схема функционирования реализуется путем смещения осей спиралей, рабочей и неподвижной. Это называется эксцентриковым расстоянием.

На заметку! В некоторых компрессорах предусматривается регулировка, изменение показателя смещения, как для настройки предельного выходного давления, так и для обеспечения нулевого цикла без нагнетания.

Преимущества спиральных компрессоров

Одно из преимуществ спирального компрессора, а именно стабильность подачи, уже упомянуто выше. На практике это означает, что в выходном воздушном потоке нет биений, что улучшает режимы работы потребителя, например, пневматического инструмента, действующего со значительными усилиями.

Пользователь получает дополнительный плюс. Минимальные показатели биения потока и стабильная подача воздуха означают, что спиральный компрессор работает очень тихо. На практике, показатель звукового давления может находиться на уровне 5-10 Дб, что весьма ценно в медицинском оборудовании, системах кондиционирования. Кроме этого, у компрессоров спирального класса есть и другие преимущества.

Минимальные потери

Спиральный компрессор при близком к нулевому износу антифрикционных уплотнителей, нейтрализующих зазор между рабочими элементами, показывает отсутствие потерь массы газа в пределах одного цикла. Это открывает устройству широкие возможности применения в разнообразных дозаторах. Они используются в оборудовании для приготовления газовых смесей с контролируемым составом.

Нулевой мертвый объем

Характеристика мертвого объема есть у поршневых компрессоров. У спиральных этот показатель равен нулю. Весь объем рабочего блока выполняет свои функции с максимальными показателями эффективности.

Нулевые гидравлические потери

Спиральные компрессоры (классического конструкционного решения) безмасляные, у них нет редукторов и преобразователей момента. В результате вся энергия, переданная системой привода, идет на сжатие газа, без гидравлических потерь в любых режимах эксплуатации.

Минимальный теплообмен

При сжатии газ нагревается. Если это тепло будет уходить в окружающую среду или связанные части механизмов, это может повлиять на количество вариантов использования компрессора. У спиральных установок не происходит теплообмен с окружающей средой.

Минимальные потери на трение

Единственные потери на трение, которые существуют в компрессорах рассматриваемого типа, наблюдаются в точках прохода конца рабочей спирали, ее контакта с антифрикционным уплотнителем. Их уровень ничтожен. Поэтому можно считать, что общие потери на трение в рамках всего устройства равны нулю.

Одновременный забор и выпуск

Конструкция спиралей компрессора такова, что при рабочем цикле (одном обороте движущегося элемента) момент забора воздуха и его выброс в нагнетательный тракт происходит одновременно. Это значит, что двигатель привода может работать в стабильном режиме, без бросков отбора мощности.

Коэффициент подачи

У спирального компрессора нет перетечек, неполного выброса газа или газообмена по зазорам (как пример, основные потери в поршневых установках происходят на уплотнительных кольцах в цилиндре). В идеальном случае, при нулевом износе уплотнителей, он показывает коэффициент передачи, равный 1.

Важно! На практике, по результатам опытных исследований, был установлен несколько меньший коэффициент. Так, спиральные установки показывают 0,92 при отрицательных температурах в -10 градусов Цельсия, 0,94 при нуле градусов, 0,95-0,98 при положительных температурах. При этом коэффициент передачи тем выше, чем значительнее производительность установки.

Есть еще несколько технологических показателей, по которым спиральные нагнетатели обходят конкурентов. В обывательской формулировке можно описать их преимущества достаточно просто.

1. Спиральные компрессоры показывают коэффициент подачи на 20-30% выше, чем у поршневых установок.
2. При высоких температурах (более +10 градусов) у них на 10-15% выше КПД.
3. Спиральные компрессоры очень тихие, не вносят примеси в воздух, формируют стабильный поток без заметного биения пара.

Разновидности

Можно привести множество разновидностей и моделей спиральных компрессоров. Они отличаются конструкционными особенностями, типом рабочего элемента, уровнем герметизации, базовым назначением и другими характеристиками. Различают одно и двухступенчатые устройства, есть агрегаты горизонтального и вертикального размещения.

Компрессоры могут иметь классическую спираль Архимеда, эвольвентный элемент, кусочно-окружной и другие конфигурации рабочего органа. Есть полностью герметичные устройства, безсальниковые и негерметичные сальниковые. Различают агрегаты сухого сжатия и маслозаполненные. Устройства отличаются требованиями к приводу или мощностью, максимальным давлением на выходе, производительностью и рекомендациями к охлаждению.

Советы по выбору

Чтобы правильно выбрать спиральный компрессор, следует ознакомиться с ассортиментом, ценами, назначением и характеристиками продукции. Последний критерий стоит рассмотреть более подробно.

Тип привода

Самая распространенная категория спиральных компрессоров оснащается электрическим двигателем. Это самодостаточные устройства. Сегодня можно приобрести нагнетатели с дизельными и бензиновыми двигателями. Для некоторых категорий пользователей будет интересен агрегат, к которому можно подключить внешний привод.

Метод передачи крутящего момента

Сегодня основной передачей в спиральных компрессорах является ременная (клиноременная). Но у нее есть один недостаток: со временем ремень растягивается и может проскальзывать в моменты, когда на потребителе резко растет нагрузка и обратное давление на компрессор.

Более надежна зубчато-ременная передача, но она требует точной настройки. Без этого ремень не отработает положенный срок службы. Передача данного типа показывает близкие к нулевым проскальзывания, стоит доступные деньги.

Коробки передач и другие шестеренчатые узлы максимально надежны и долговечны, но они не дают свободы в установке привода. Однако если хочется получить нулевые показатели проскальзывания при любой нагрузке, преобразования момента, предсказуемость поведения и простоту обслуживания — без шестеренчатой передачи не обойтись.

Входной фильтр

Износ антифрикционных уплотнителей зависит не только от характеристик спирального компрессора. Его резко увеличивает пыль и другие механические включения в поток забираемого воздуха. Поэтому, несмотря на факт, что фильтр очистки негативно влияет на производительность, разумно рассмотреть компрессор с такой комплектацией. Он покажет срок службы до момента обслуживания, максимально соответствующий заявленному производителем.

Динамический клапан

Динамический клапан предотвращает обратное движение воздуха. Например, из-за высокого давления на стороне потребителя при отключенном приводе регулируемого компрессора. Этот узел не является обязательным, однако он резко повышает предсказуемость подсистемы нагнетания воздуха в целом.

Регулировка

Регулируемые компрессоры путем изменения эксцентрикового расстояния рабочей и стационарной спирали позволяют настраивать показатель максимума выходного давления. Кроме этого, нагнетатели данного типа способны работать в нулевом цикле (вентилирование) или без подачи. Подобная опция будет стоить немалых денег, однако в некоторых вариантах применения компрессора может быть весьма привлекательна.

Последнее, на что стоит обратить внимание покупателя — материал антифрикционных уплотнителей и их доступность в розничной продаже. По сути, это практически единственная деталь компрессора, которую требуется периодически менять.

Собственно, идею спирального компрессора удалось реализовать только после появления стойких к трению материалов для антифрикционных уплотнителей. Поэтому при рассмотрении агрегатов средней и бюджетной ценовой категории, когда производитель не дает данных наработки на отказ или другой полезной информации — можно ориентироваться на год выхода модели на рынок. Чем она свежее, тем больше вероятность использования надежных и долговечных антифрикционных уплотнителей.