Изменение числа работающих цилиндров

Данный способ применим для многоцилиндровых компрессоров, в конструкции которых предусмотрены устройства, позволяющие включать в работу или выключать отдельные цилиндры или группы цилиндров. Используя этот способ, можно создавать многопозиционные системы регулирования. При совмещении этого способа со способом «пуск - остановка» и снижении нагрузки ниже, чем холодопроизводительность минимальной ступени, выключают компрессор.

В зависимости от числа цилиндров компрессора встречаются следующие варианты деления на ступени:

Число цилиндров Ступень холодопроизводительности

3, 6, 12 0, 1/3, 2/3, 1

4, 8, 16 0, 1/4, 1/2, 3/4, 1

Кроме указанных могут использоваться и другие варианты, например, 0, 2/3, 1 или 0, 1/2, 1.

В современных холодильных компрессорах используют различные методы включения и выключения цилиндров, главными из которых являются отжим всасывающих клапанов и байпасный перепуск из отдельных цилиндров. Общим для этих методов является возвращение пара из отключенного цилиндра во всасывающую полость соответственно через отжатый всасывающий клапан и через нагнетательный клапан и байпас.

Отжим всасывающих клапанов. Устройства для отжима всасывающих клапанов обеспечивают удержание их в открытом состоянии в течение необходимого времени. В зависимости от типа привода устройства для отжима разделяют на электромагнитные и гидравлические.

Электромагнитные устройства состоят из катушек электромагнитов, магнитопроводов и собственно пластин клапанов, являющихся подвижными элементами электромагнитов. В зависимости от места расположения катушек различают электромагнитные устройства с внутренними и внешними катушками.

Схематически клапанная часть цилиндров, снабженная электромагнитным устройством с внутренними катушками, показана на рис. 3.5, а. Катушка 1 размещается в корпусе клапана 2, выполненного из стали с высокой магнитной проницаемостью. Снизу катушка закрыта проставкой 3 из немагнитного материала. Кольцевая пластина всасывающего клапана 5 перемещается между проставкой и седлом 4.

3.5. Электромагнитные устройства для отжима всасывающих клапанов:

а - с внутренними катушками; б - с внешними катушками

При отсутствии тока в катушке пластина под давлением газового потока свободно перемещается, в результате чего открывается и закрывается проход седла. При подаче тока в катушку вокруг нее образуется магнитное поле, которое пронизывает газовый зазор, замыкаясь через пластину клапана, также выполненную из стали с высокой магнитной проницаемостью. Сила тяги выбирается так, чтобы при поднятии пластина далее удерживалась в верхнем положении независимо от положения поршня. При этом полость цилиндра оказывается соединенной со всасывающей полостью компрессора, в результате чего данный цилиндр оказывается исключенным из работы.

После выключения тока магнитное поле исчезает и пластина освобождается. Цилиндр вновь включается в работу.

Описанная схема проста в изготовлении и надежна в работе, однако для ремонта или замены катушки требуется частичная разборка компрессора. Кроме того, размещение внутренних катушек затруднено, если хладагент (например, аммиак) агрессивен к меди. В этих случаях применяют электромагнитные устройства с внешними катушками (рис. 3.5, б).

Катушка 1 размещается в крышке компрессора, которая является внешней частью магнитопровода. В катушке находится постоянный магнит 2, который соприкасается с деталями, составляющими внутренний магнитопровод (пружина, нагнетательный клапан и др.). Для придания магнитному потоку нужного направления применяют немагнитные проставки 3 и 4.

Постоянный магнит создает начальный магнитный поток, на который накладывается создаваемый катушкой поток нужного направления. Как и в предыдущем случае, суммарный поток замыкается через газовый зазор и пластину 5 всасывающего клапана. Пластина удерживается в верхнем положении.

Основным достоинством электромагнитных устройств является их быстродействие (время срабатывания не превышает 5-10 мс). Это позволяет изготовлять на их основе как простые многопозиционные системы регулирования, так и системы, близкие по свойствам к плавным.

Гидравлические устройства состоят из гидравлических приводов, являющихся силовыми элементами, элементов управления и распределения, а также из маслосистемы с насосом и трубопроводом. В большинстве случаев для отжима клапанов используют маслосистему смазки компрессора, дополняя ее необходимыми трубопроводами.

В качестве гидравлических приводов обычно применяют поршневые механизмы с возвратной пружиной, нормально отжатые, т.е. при отсутствии давления масла отжимающие клапан и выключающие цилиндр.

Один из возможных вариантов конструкции гидравлического устройства представлен на рис. 3.6. Цилиндр 1 снабжен кольцевым всасывающим клапаном 2 и нагнетательным клапаном 10. Собственно гидравлический привод состоит из масляного цилиндра 5, поршня 7 и возвратной пружины 6. Масляные трубопроводы присоединяются к боковому (напорному) и верхнему (сливному) штуцерам.

Когда через напорный штуцер подается масло от насоса, поршень, преодолевая сопротивление пружины, переходит в верхнее положение. Когда же этот штуцер сообщается с картером и давления над и под поршнем сравниваются, поршень под действием возвратной пружины опускается вниз.

Рис. 3.6. Гидравлическое устройство для отжима всасывающих клапанов:

а - цилиндр включен; б - цилиндр выключен

Перемещения поршня через шток 8 передаются диску 9, к которому крепятся несколько толкателей 3 с пружинами 4. Нижний конец каждого толкателя при движении вниз упирается в пластину всасывающего клапана и принудительно отжимает ее от седла, выключая данный цилиндр компрессора из работы. При отводе толкателей вверх всасывающий клапан освобождается и цилиндр вводится в работу.

При неработающем компрессоре, когда давление во всей маслосистеме равно давлению в картере, все цилиндры, снабженные гидравлическими отжимными устройствами, оказываются выключенными, что обеспечивает разгрузку при пуске. Управление работой гидравлических приводов осуществляется с помощью распределителей, обеспечивающих подачу масла к соответствующим цилиндрам по командам от регулирующего прибора.

Известно большое число различных распределителей. Далее рассматриваются два наиболее часто применяемых типа: с помощью электромагнитных вентилей и золотниковый.

Схема управления работой гидравлических приводов с помощью электромагнитных вентилей показана на рис. 3.7, а. В качестве примера взят трехцилиндровый компрессор Км, все цилиндры которого имеют устройства для отжима клапанов. При этом два цилиндра Ц₁ и Ц₂ участвуют в изменении холодопроизводительности, а цилиндр Ц₃ отключается только при остановке компрессора.

При стоянке компрессора, а следовательно, и перед пуском всасывающие клапаны всех цилиндров отжаты и цилиндры отключены. Это происходит вследствие того, что при неработающем компрессоре давление нагнетания р_м маслонасоса Мн равно давлению р_вс в картере.

Рис. 3.7. Управление работой гидравлических приводов

для отжима всасывающих клапанов:

а - электромагнитными вентилями; б - золотниковым распределителем прямого действия;

в - золотниковым распределением непрямого действия; г - вращающимся золотником

При работающем компрессоре и отключенных электромагнитных вентилях ЭВ₁ и ЭВ₂ включен только цилиндр Ц₃, так как к штуцеру а₃ подведено полное давление маслонасоса, а давление в штуцерах а₁ и а₂ равно р_вс из-за сообщения этих штуцеров с картером через дроссели малого сечения Др₁ и Др₂. В этом положении компрессор имеет 1/3 полной холодопроизводительности.

Если включить электромагнит вентиля ЭВ₂, то к штуцеру а₂ будет подано полное давление (дроссель не оказывает влияния из-за малого сечения) и в работу включится цилиндр Ц₂.

При включении вентиля ЭВ₁ в работу вводится цилиндр Ц₁, после чего компрессор работает с полной холодопроизводительностью.

При отключении электромагнитных вентилей будут выключаться соответствующие цилиндры.

Управление электромагнитными вентилями распределителя осуществляется по командам от регулирующего прибора РП.

Схема с применением золотникового распределителя прямого действия показана на рис. 3.7, б. В корпусе распределителя Р двигается золотник З, перемещаемый по командам от регулирующего прибора РП. К штуцеру d подводится масло с давлением р_м, через штуцер с масло сливается в картер компрессора, через штуцеры е и f масло подается в гидравлические приводы соответствующих цилиндров.

В крайнем правом положении золотника штуцера гидравлических приводов соединены со сливным трубопроводом, в результате чего цилиндры Ц₁ и Ц₂ выключены из работы. При перемещении золотника влево штуцер d соединяется со штуцером f, вследствие чего к приводу цилиндра Ц₂ подводится давление р_м и цилиндр включается в работу. При дальнейшем перемещении золотника влево включается цилиндр Ц₁.

Для перестановки золотника необходим механизм, преобразующий сигналы регулирующего прибора в поступательное движение. Для этого используют электродвигатели с редукторами и винтовыми парами, пневматические механизмы и др.

В тех случаях, когда целесообразно применять золотниковые распределители с малым ходом входного штока и малыми усилиями, используют золотниковые распределители непрямого действия (рис. 3.7, в). Входной шток заканчивается регулирующим клапаном Кл, через который масло перепускается в правую полость и далее через штуцер h сбрасывается в картер. Перед штуцером g установлен дроссель малого сечения, в связи с чем давление в полости справа от золотника зависит от положения регулирующего клапана: чем больше открыт клапан, тем ниже давление в полости. Таким образом, возникают разность давлений и сила, действующая на золотник в направлении справа налево. В противоположном направлении действует сила сжатия пружины. Золотник будет занимать положение, при котором имеет место баланс сил. При движении входного штока справа налево золотник будет перемещаться слева направо.

В некоторых случаях применяют распределитель с вращающимся золотником (рис. 3.7, г). Принцип его действия не отличается от рассмотренных выше. Привод такого распределителя осуществляется от электродвигателя с редуктором.

Байпасный перепуск из отдельных цилиндров. При использовании данного метода необходимо, чтобы каждый из цилиндров или группа цилиндров имели раздельные нагнетательные полости (рис. 3.8).

На индивидуальных нагнетательных линиях установлены обратные клапаны ОК₁ и ОК₂ и к ним присоединены электромагнитные вентили ЭВ₁ и ЭВ₂. Выход цилиндра Ц₃ соединен с нагнетательным коллектором напрямую.

Когда электромагнитные вентили закрыты, сжатый пар, проходящий через обратные клапаны и нагнетательный вентиль В₂, подается в конденсатор. Если по сигналу регулирующего прибора РП будет открыт электромагнитный вентиль ЭВ₁, то давление р_н1 на выходе цилиндра Ц₁ станет ниже, чем давление р_к в общей линии нагнетания. Это приводит к закрытию клапана ОК₁. Весь пар, нагнетаемый цилиндром Ц₁, будет возвращаться во всасывающую полость. При этом степень сжатия будет невелика: она зависит от сопротивления цепи «нагнетательный клапан цилиндра - электромагнитный вентиль - трубопроводы». Чем меньше сопротивление и степень сжатия, тем система более эффективна и работает с меньшими энергетическими потерями.

Рис. 3.8. Байпасный перепуск из отдельных цилиндров

При открытии электромагнитного вентиля ЭВ₂ закрывается обратный клапан ОК₂, что приводит к отключению цилиндра Ц₂.

Конструктивно обратные клапаны можно встроить в компрессор, например в клапанные доски. Иногда обратные клапаны выполняют как единое целое с электромагнитным вентилем.

При проектировании такого компрессора допустимое гидравлическое сопротивление байпасной ветви рассчитывают исходя из предельной степени сжатия, а следовательно, из предельного падения давления.

При выборе электромагнитного вентиля следует учитывать возможности повышения температуры пара, протекающего через него, а также требования к герметичности затвора в закрытом положении. В случае негерметичности перетечки пара вызывают энергетические потери, а также преждевременный выход из строя самого вентиля из-за длительного воздействия на него высокой температуры.