Методы, которые используют для выбора парокомпрессионных машин

Перед тем, как отдать предпочтение той или иной модели компрессора, которая будет включена в состав будущей холодильной установки, необходимо определиться с ее конструктивным исполнением. Вначале дадим определение, что такое компрессор. Компрессором называют устройство (энергетическую машину), которое служит для повышения давления и перемещения газов. Если он соединен с приводным механизмом, то такое устройство будет называться компрессорным агрегатом. В холодильном оборудовании чаще всего используются такие названия как герметичный и бессальниковый компрессоры. Ниже будут предложены характеристики этих и других устройств:

• герметичный холодильный компрессор – представляет собой устройство с электродвигателем, расположенное в герметичном кожухе;
• бессальниковый компрессор со встроенным электродвигателем имеет разъемный герметичный корпус и внешние детали;
• сальниковый компрессор – устройство, используемое в холодильном оборудовании с характерным уплотнением приводного конца вала.

Очень часто в литературе можно встретить такие понятия как «полугерметичный» и «открытый» компрессор. Сразу следует отметить, что под ними подразумевается сальниковый и бессальниковый компрессор соответственно. Эти определения появились в результате неграмотного перевода англоязычной литературы, но, тем не менее, они прочно прижились среди специалистов по холодильному оборудованию, несмотря на свою неграмотность с технической точки зрение. Данное отступление необходимо было для того, чтобы в дальнейшем только грамотно использовать правильную (общепринятую) терминологию.

Другим видом конструктивного исполнения холодильных компрессоров является компрессорный агрегат. Он характеризуется тем, что вал ротора приводного двигателя имеет жесткое крепление к приводному концу вала компрессора, при этом обмотки статора приводного электродвигателя отделены от ротора тонким экраном из нержавеющей стали. В данном устройстве ротор контактирует с хладагентом, а статор – с воздухом, который находится вокруг агрегата. По этой причине их называют холодильными компрессорами с экранированным статором.

Каждый вариант исполнения наделен своими преимуществами и недостатками. Если рассмотреть сальниковый компрессор, то в роли привода в нем можно применить любой тип двигателя и придаточного механизма (шкив, муфту, редуктор и пр.). Это позволяет использовать данные компрессоры в холодильных установках различного назначения (автомобильных, железнодорожных системах кондиционирования). Сальниковые компрессоры хорошо себя зарекомендовали в холодильных установках, функционирующих на аммиаке, поскольку здесь приводной двигатель не контактирует с хладагентом. Таким образом, если в холодильной установке предусмотрен электродвигатель, то в этом случае обмотки его статора не будут подвержены агрессивному воздействию хладагента. То же касается и компрессоров с экранированным статором. К недостаткам сальниковых компрессоров следует отнести то, что уплотнение на конце приводного вала не является полностью герметичным и допускает небольшие утечки хладагента (в некоторых случаях недопустимые).

В отличие от сальниковых герметичные компрессоры не имеют вышеописанных утечек, но с технической стороны такой двигатель и компрессор высокой производительности (более 40 кВт) собрать в герметичном кожухе будет проблематично и экономически невыгодно, поскольку последующий ремонт подобных компрессоров практически невозможен.

Таким образом, выбор конструктивного решения для компрессора необходимо рассматривать в каждом отдельном случае, учитывая такие показатели как: производительность и назначение холодильной установки, условия ее эксплуатации, тип применяемого хладагента, экономические факторы и пр.

Еще один момент, который следует обязательно учитывать при подборе компрессора, это принцип действия агрегата и тип рабочих органов. По принципу действия компрессоры разделяют на две большие группы: объемные и динамические.

К компрессорам объемного действия относят устройства, в которых рабочий процесс происходит за счет циклического изменения объемов рабочих камер:

• в поршневом компрессоре – цилиндра при движении поршня;
• в винтовом компрессоре – парной полости, которая образуется винтовым зацеплением;
• в спиральном компрессоре – серповидной полостью, расположенной между неподвижной и подвижной спиралями.

В компрессоре динамического действия рабочий процесс происходит за счет непрерывного потока сжигаемого газа. К таким компрессорам относят: осевые, струйные, центробежные агрегаты.

Также встречаются одноступенчатые и многоступенчатые компрессоры. Их принадлежность к той или иной группе определяется количеством ступеней (секций), которые входят в их состав.

При выборе компрессора и его рабочих органов необходимо учитывать назначение холодильной установки, ее производительность, условия эксплуатации, тип используемого хладагента, а также экономические факторы. Из этого следует вывод, что вопрос выбора компрессора является не простой задачей, которая требует комплексного подхода.

Еще давно были проведены исследования, касающиеся применения различных типов компрессоров в зависимости от принципа действия. Их результатом стала разработка номограмм (рис. 1). Но на сегодняшний день номограммы предоставляют нам не полную информацию о технологическом процессе, поскольку на то время не использовались холодильные установки, работающие на хладагенте, состоящем из двуокиси углерода. Кроме того, те расчеты были ориентированы только на промышленный холод и не учитывали установки с холодопроизводительностью менее 10 кВт. Тем не менее, номограммы можно использовать как опору при выборе компрессора и подборе его рабочих органов.

После того, как тип конструктивного исполнения компрессора (сальниковый, герметичный, бессальниковый, с экранированным статором) выбран, а также определены его основные рабочие узлы, только после этого можно приступать непосредственно к подбору модели. На данный момент на российском рынке представлен широкий выбор данного оборудования, поэтому при выборе холодильной установки более рационально остановится на функциях, которую будет выполнять холодильный компрессор, находясь в составе холодильной машины.

В парокомпрессионной холодильной машине компрессор является одним из 4-х ведущих элементов, осуществляющих часть основных процессов холодильного цикла.

Рис.1 области применения компрессор различных типов:

• Q – холодопроизводительность установки, МВт;
• t0 – температура, при которой хладагент закипает в испарителе, °С.

На схеме А компрессоры установок работают на аммиаке и углеводородах: 1-одноступенчатые поршневые, 2- одноступенчатые винтовые, 3- центробежные, 4- двухступенчатые, основанные на базе поршневых и винтовых поджимающих, 5- двухступенчатые на базе винтовых, 6 – центробежные.

На схеме Б компрессоры установок работают на галогенсодержащих углеводородах: 1- одноступенчатые поршневые (спиральные), 2- одноступенчатые винтовые, 3 – центробежные, 4- двухступенчатые, основанные на базе поршневых и винтовых поджимающих, 5- двухступенчатые на базе винтовых, 6 – каскадные на базе винтовых.

Также отметим, что компрессор холодильной установки должен обеспечивать стабильную работу испарителя, поэтому подбирать модель компрессора необходимо только после того, как определены параметры испарителя, а также основные температурные характеристики холодильного агрегата.

К ним относятся следующие параметры компрессора:

• температура, при которой происходит закипание хладагента в испарителе То;
• перегрев пара хладагента на входе в компрессор. Отметим, что перегрев пара на входе и выходе из компрессора – это абсолютно разные величины и только в некоторых случаях они могут быть численно равны;
• температура конденсации Тк;
• температура хладагента на выходе из конденсатора Тж (другими словами – переохлаждение хладагента на выходе из конденсатора, которое определяют разностью Тк-Тж).

Цифровые значения последних показателей определяют только после того, как выбран конденсатор. При выборе компрессора их можно задать, учитывая то обстоятельство, что в холодильной установке вначале рассчитывается процесс конденсации, а после, согласно полученным результатам, подбирается конденсатор.

Относительно температуры и перегрева хладагента на входе в компрессор эти параметры рекомендуется подбирать с учетом требований ГОСТ Р 54381–2011 «Компрессоры холодильные…». Аналогом является европейская версия стандарта EN 12900:2006.

Согласно этим стандартам производители должны определять и указывать в технической документации характеристики холодильных компрессоров, а именно: холодопроизводительность и потребляемую мощность на всасывании (перегрев на всасывании 10К для компрессоров, работающих на углеводородах и галогеносодержащих углеродах и их смесях, а для компрессоров работающих на аммиаке — 5 К). Исходя из требований переохлаждение жидкого хладагента на выходе из конденсатора, должно быть равно нулю.

По всей видимости, во время работы компрессора такие температурные режимы по перегреву невозможно реализовать. Переохлаждение жидкого хладагента на выходе из конденсатора будет выше нуля, а перегрев на всасывании меньше значений, указанных в стандартах. Таким образом, при подборе компрессора по производительности, учитывая заданные температурные режимы, получим модель с производительностью выше или ниже, указанной в документации.

При подборе компрессора показатель температуры конденсации определяют в зависимости от того, каким образом организован процесс конденсации в холодильной машине. Для конденсаторов воздушного охлаждения температура конденсации Тk зависит от температуры наружного воздуха, поступающего на вход в конденсатор Та3:

Тk= Та3 + DTмакс,

где DTмакс – температурный напор на входе в конденсатор.

Независимо от назначения установки и марки хладагента для трубчато-ребристых конденсаторов воздушного охлаждения с принудительным обдувом значение DTмакс считают равным 15 К. Таким образом, для стабильной работы установки температура конденсации Тk в трубчато-ребристых конденсаторах будет больше температуры воздуха вокруг конденсатора, но не меньше чем на 12 К и не более чем на 18 К.

Так, при подборе конденсатора воздушного охлаждения с принудительным обдувом расчетное значение температуры наружного воздуха Та3 принимают равным среднему значению дневной июльской температуры наружного воздуха, в том месте, где предполагают эксплуатировать установку. Например, если данный показатель для средней полосы России составит 28 С, то расчетное значение Тk равняется 40–46 С.

Что касается конденсаторов водяного охлаждения, то здесь необходимо контролировать не максимальный температурный напор, а минимальный DTмин= Тk-Те4 – разность между температурой конденсации хладагента в конденсаторе Тk и Те4 – температурой охлаждающей среды на выходе из него. При нормальной работе установки данный показатель должен составлять 4–5 К.

Перепад температур по воде составит:

ΔТек=Те4 – Те3,

где Те4 и Те3 – температура воды на выходе и входе в конденсатор.

Для стабильной работы пластинчатых и кожухотрубных конденсаторов рекомендуют сохранять диапазон 10–15 К. Из этого можно сделать вывод, что если в установке предусмотрен конденсатор водяного охлаждения, то показатель температуры конденсации должен быть таким, при котором температура конденсации Тk будет на 15–20 К больше температуры охлаждающей воды на входе в конденсатор.

Для других вариантов организации процесса конденсации необходимо определять расчетное значение температуры конденсации.

После определения расчетных (номинальных) значений температур кипения То и конденсации Тk, а также перегрева, необходимо по каталогу производителя выбрать модель, которая будет иметь потребную производительность с коэффициентом запаса.

Компрессор считается правильно подобранным, если коэффициент рабочего времени равен 0,8. Например, если за расчетный период принимать сутки, то компрессор должен иметь суммарную наработку не более 22 часов, но и не менее 18 часов. Если суммарная наработка компрессора больше положенного времени, то значит, что он не справляется с количеством теплоты, для отбора которой предназначена холодильная установка. Если же суммарная наработка времени за сутки менее положенного, то это означает, что для данного количества теплоты выбрана переразмеренная, более дорогостоящая модель.

Согласно требованиям ГОСТА Р 54381–2011 «Компрессоры холодильные…» значения холодопроизводтельности компрессоров в каталогах указывают в виде графиков и таблиц, а также аппроксимационных зависимостей от температур кипения и конденсации. Для компрессоров, работающих на углеродах и углеводородах перегрев на всасывании составляет 10 К, а для установок, работающих на аммиаке 5 К. Переохлаждение жидкого хладагента на выходе из конденсатора должно быть, согласно требованиям, равным нулю.

Также необходимо учитывать тот фактор, что для компрессора холодопроизводительность является условным понятием, поскольку он сам никакого холода не производит. Он используется только для откачки паров хладагента при давлении кипения Ро, сжимая их до давления конденсации Рk. Чтобы холодильная установка работала стабильно, необходимо соблюдать баланс между образующимся в испарителе паром и тем количеством, которое компрессор способен откачать из испарителя.

С этой целью используется понятие удельной холодопроизводительности холодильного цикла q. Это количество теплоты, которое отводится от охлаждаемой среды из расчета на 1 кг хладагента, что прошел через испаритель. Его определяют как разность энтальпий i хладагента. Следует также учесть, что значение энтальпий i хладагента определяют с учетом переохлаждения жидкости на выходе из конденсатора, а также перегрева пара на выходе из испарителя.

Чтобы установить связь между удельной холодопроизводительностью холодильного цикла q и требуемой холодопроизводительностью компрессора Q, применяют соотношение:

Q=qxm,

где m – массовый расход хладагента через испаритель, кг/с.

Для определения требуемой холодопроизводительности Q холодильной установки, следует подобрать такой компрессор, чтобы при заданных давлениях кипения и конденсации, обеспечивался массовый расход хладагента через испаритель:

m=Q/q

Вместе с этим бывает и так, что компрессор обслуживает несколько испарителей с разными показателями температур кипения. В этом случае при подборе компрессора следует просуммировать показатели массовых расходов через все испарители, которые обслуживает компрессор (суммарный массовый расход должен обеспечиваться компрессором при минимальных показателях давления кипения).

Другим вопросом, который возникает при подборе компрессора, является регулировка производительности. Если холодильная установка предназначена для постоянного отбора теплоты на протяжении одного и того же количества времени, то компрессор может не иметь системы регулирования производительности. В обратном случае компрессор должен быть оснащен механизмами регулирования в зависимости от тепловой нагрузки. Современные технические решения позволяют производить как плавную регулировку, так и ступенчатую регулировку. Начиная с применения многокомпрессорной установки (несколько параллельно установленных компрессоров) и заканчивая частотными преобразователями, которые позволяют изменять частоту двигателя компрессора.