Компрессоры холодильных машин

Компрессоры ХМ обеспечивают циркуляцию хладагента в системе и, в отличие от газовых компрессоров, самостоятельно вне холодильных машин не применяются.

Условия работы компрессоров в составе ХМ существенно отличаются от условий работы компрессорных машин общего назначения:

1) работают в широком диапазоне изменения давлений всасывания и нагнетания;

2) часто ХА растворяют масла и условия смазки компрессора ухудшаются;

3) всасываемый пар имеет низкую температуру и часто несет капли жидкости;

4) может наблюдаться конденсация ХА в цилиндре (при интенсивном охлаждении);

5) часто ХА очень текучи и обладают высокой проницаемостью;

6) к холодильным компрессорам предъявляются повышенные требования: большая надежность, значительный моторесурс, высокий КПД и т.д.

Как и в воздухоснабжении в холодильной технике используются компрессоры объемного типа (поршневые, винтовые, пластинчатые) и кинетического действия (турбокомпрессоры, эжекторы).

6.1.1. Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры для холодильных машин, работающие на хладонах и аммиаке, с электрической мощностью N_эл>5 кВт, выпускаются в соответствии с ГОСТ 6492-84. Этим ГОСТом предусмотрены ограничения на степень повышения давления (Р_к/Р₀<9), на разность давлений (Р_к-Р₀<1,4 МПа), на температуру нагнетания (t₂<145 °C) и на поршневые усилия.

При выборе компрессоров необходимо учитывать указанные факторы.

Наиболее часто в холодильных машинах используются:

а) бескрейцкопфные аммиачные и фреоновые компрессоры. Это вертикальные или угловые (V- и W-образные) в блок-картерном исполнении (для прочности, жесткости и удобства компоновки) машины простого действия. Обычно это прямоточные компрессоры, с ложными крышками цилиндров (для защиты от гидроударов).

Цилиндры охлаждаемые. У аммиачных компрессоров – рубашечное, водой. У фреоновых компрессоров – воздушное, с оребрением цилиндров.

Достоинства: машины быстроходные, легкие и компактные; незаменимы при малых производительностях.

Недостатки: сложный доступ к подшипникам, смазочной системе и др. узлам, расположенным в блок-картере.

б) крейцкопфные компрессоры с горизонтальным оппозитным расположением цилиндров. Это машины двойного действия с повышенной производительностью, одно- и двухступенчатые, с взаимно противоположным движением поршней. Предназначены для работы на аммиаке, пропане, пропилене. Охлаждение - водяное.

Недостаток – чувствительность к гидроударам.

Машины этого типа успешно вытесняются винтовыми компрессорами.

6.1.2. Винтовые компрессоры

Винтовые компрессоры широко применяются в холодильных машинах в пределах холодопроизводительности от 350 кВт до 2,5 МВт. Это одно- или двухроторные машины объемного действия с постоянной геометрической степенью сжатия. Они подразделяются на два типа: сухие и маслозаполненные. В маслозаполненных компрессорах в рабочую полость впрыскивается значительное количество масла для уплотнения зазоров, смазки и охлаждения. Впрыск масла позволяет существенно снизить уровень шума.

Достоинства:

-быстроходность, малая масса и габариты (габариты в 2-10 раз, а масс 10-100 раз меньше, чем у поршневых компрессоров той же производительности), полная уравновешенность, практически беспульсационная подача, отсутствие вибраций;

-широкий диапазон плавного регулирования производительности (от 10 до 100%), работа на переменных режимах с незначительным изменением КПД;

-отсутствие помпажного режима;

-возможность работы во влажной среде, так как эти машины не боятся гидроударов;

-высокая надежность и значительный моторесурс (нет клапанов и трущихся деталей);

-простота обслуживания, автоматизации и дистанционного управления.

Недостатки:

-высокий уровень шума;

-необходимость охлаждения при средних и высоких степенях повышения давления.

Регулирование холодопроизводительности осуществляется передвижением золотника, перемещаемого вдоль оси роторов. Перемещением его в сторону нагнетания уменьшается рабочая длина винта а, следовательно, производительность. При запуске компрессор полностью разгружается.

6.1.3. Турбокомпрессоры

Это, как правило, центробежные компрессоры с объемной производительностью от 50-60 м³/мин и более. Они используются для крупных холодильных станций и установок. Число секций – 2-3, ступеней от 3-х до 7-ми, с патрубками между секциями для реализации промежуточного охлаждения и ступенчатого дросселирования.

Для регулирования производительности компрессора используется входной регулирующий (направляющий) аппарат (ВРА или ВНА). Путем закручивания потока на входе в рабочее колесо можно менять производительность в пределах от 100 до 50 % номинального значения.

Это высокооборотные машины (n=13000-15000 об/мин), поэтому при электроприводе необходимы редукторы.

Преимущества и недостатки холодильных турбокомпрессоров такие же как и у воздушных нагнетателей такого типа.

6.1.4. Определение холодопроизводительности компрессоров при работе на нерасчетных режимах

Для компрессоров холодильных машин серийного производства (агрегатированных ХМ) в каталогах, справочниках обычно указана холодопроизводительность при стандартных условиях: t₀=-15 °C (или t_s2=-10 °C); t_к=30 °C; t_по=25 °C (температура переохлаждения конденсата ХА). Иногда приводятся так называемые номинальные режимы ХМ. В справочниках эти режимы называют условиями определения указанной в них холодопроизводительности. Указывается, также, рабочий диапазон по температурам получаемого холода t₀ и конденсации ХА в конденсатора t_к.

Реальные условия работы ХМ (рабочие режимы) отличаются от стандартных. Чтобы оценить пригодность выбираемой ХМ нужно уметь определять ее холодопроизводительность при любых условиях работы (в указанных рабочих диапазонах).

Проще всего это проделать по внешним характеристикам холодильных машин, по так называемым кривым испытаний. Это зависимости холодопроизводительности Q₀ и потребляемой мощности N_эл от температуры окружающей (охлаждающей) среды на входе в конденсатор и температуры получаемого холода в испарителе.

Примеры таких характеристик приведены на рис. 6.1.

Если отсутствуют кривые испытаний, холодопризводительность ХМ Q₀ с нагнетателями объемного типа можно оценить расчетным путем.

Объем описываемый поршнями компрессора величина постоянная (при n=const) и не зависит от внешних условий работы ХМ:

, м³/с,=const, (6.1)

где V₀ – расчетная объемная производительность компрессора, м³/с;

l - коэффициент подачи компрессора, который можно определить как

Рис.6.1. Зависимости холодопроизводительности Q₀ и электрической мощности N_эл от температур охлаждающей воды t_w1 , хладоносителя t_s2 и температуры кипения ХА t₀ для:

а) агрегатированных заводской готовности ХМ - ФУ40/I и ФУ40/II при частоте вращения 16 1/с;

б) компрессорно-конденсаторных агрегатов АК80-2-0 и АК80-2-1

, (6.2)

где – объемный коэффициент подачи, учитывающий влияние вредного пространства;

– коэффициент подогрева;

l_пл @0,98 – коэффициент плотности, учитывающий герметичность;

m – показатель политропы расширения (можно считать m@1,0);

c=0,02-0,04 – относительный коэффициент вредного пространства.

Объемная производительность компрессора может быть выражена через массовый расход хладагента циркулирующего в ХМ:

, м³/с, (6.3)

где v₀, м³/кг – удельный объем сухих насыщенных паров ХА на входе в компрессор (определяется по термодинамическим таблицам или диаграммам);

массовый расход ХА, циркулирующего в холодильной машине определяется отношением:

, кг/с (6.4)

где q₀, Дж/кг – удельная массовая холодопроизводительность хладагента.

Записываем выражение (6.1) для стандартных и рабочих условий и, т.к. рабочий объем компрессора неизменен, то:

, (6.5)

Подставляем в это равенство выражения (6.3) и (6.4), получаем

, (6.6)

откуда получаем формулу для пересчета холодопроизводительности компрессора при нестандартных условиях работы ХМ:

или , (6.7)

где - удельная объемная холодопроизводительность ХА.

Для приближенных расчетов, например при выборе холодильных машин, можно принимать l/l_ст=1.