II. Принцип устройства и работы компрессоров холодильных машин различных типов

 

Рисунок  -  Типы компрессоров: а и б - открытые; в - полугерметичный; г - герметичный

 

 

а). Поршневого компрессора открытого типа

 

Поршневым называют компрессор, у которого поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательные движения. Изменение давления в поршневых компрессорах происходит при возвратно-поступательном движении поршня в цилиндрической камере сжатия. Главным достоинством поршневых компрессоров является относительная простота конструкции и отработанная технология производства. Другие их преимущества  -  универсальность по отношению к различным хладагентам, многорежимность  -  не имеют значения для бытовой техники. Недостатки  - наличие высоконагруженных элементов (клапаны, пары трения), а также механизма, преобразующего вращательное движение двигателя в возвратно - поступательное движение поршня, что уменьшает долю камеры сжатия в общем объеме компрессора.

Простейший поршневой компрессор состоит из следующих основных частей: картера, цилиндра, поршня, клапанной доски, всасывающего и нагнетательного клапанов, крышки, шатуна,коленчатого вала и маховика.

В картере  расположен коленчатый вал, к шатунной шейке которого прикреплен своей нижней головкой шатун. Нижняя часть картера заполняется маслом для смазки трущихся деталей.

Место выхода вала из картера уплотнено сальником, чтобы исключить утечку масла через неплотности между валом и подшипником. На конец вала, выходящий из картера, насажен маховик, который так же, как и вал, вращается от электродвигателя с помощью ременной передачи.

Шатун посредством поршневого пальца соединен верхней головкой с поршнем. При вращении вала поршень попеременно движется вдоль оси цилиндра от одного крайнего положения до другого. Чтобы пары холодильного агента не могли попасть в картер, на поршень, надеты кольца. Верхняя часть цилиндра закрыта крышкой, которая перегородкой разделена на две полости  -   всасывающую и нагнетательную. Во всасывающей полости находится всасывающий клапан, в нагнетательной   -   нагнетательный клапан. Клапаны расположены по обе стороны клапанной доски и закрывают имеющиеся в ней отверстия, которые соединяют цилиндр с полостями крышки.

Компрессор работает следующим образом.  При движении поршня вниз объем цилиндра над поршнем увеличивается, и давление паров холодильного агента в нем падает. Когда давление в цилиндре становится ниже давления во всасывающей полости крышки, открывается  всасывающий клапан и пары холодильного агента поступят в цилиндр. Начнется процесс всасывания, который будет продолжаться до тех пор, пока поршень, достигнув крайнего нижнего положения, не начнет двигаться вверх. Объем цилиндра над поршнем будет уменьшаться, а давление паров холодильного агента увеличиваться. Как только давление паров в цилиндре превысит давление во всасывающей полости крышки, всасывающий клапан закроется, и процесс всасывания закончится. Затем начнется сжатие паров, которое будет происходить до тех пор, пока давление паров в цилиндре не превысит давления в нагнетательной полости крышки, в результате чего откроется нагнетательный клапан. После этого начнется процесс нагнетания, при котором сжатые пары нагне­таются в нагнетательную полость крышки компрессора и далее в конденсатор.

Компрессор всасывает пары хладагента, имеющие низкую температуру и давление, затем сжимает его, повышая температуру (до 70 - 90°С) и давление (до 15 - 25 атм.), а затем направляет парообразный хладагент к конденсатору.

Поршневые компрессоры также различаются по конструкции картера и цилиндров - картерные или блок-картерные; по типу привода - с ременной передачей, с непосредственным приводом.

Основные характеристики компрессора - степень компрессии (сжатия) и объем хладагента, который он может нагнетать. Степень сжатия - это отношение максимального выходного давления паров хладагента к максимальному входному.

 

б). Бессальникового  компрессора

 

 

Основными узлами компрессора являются блок-картер, клапанная группа, поршневая группа с кривошипно-шатунным механизмом, запорные вентили, встроенный электродвигатель.

Всасывающий запорный вентиль  смонтирован на корпусе блок-картера со стороны задней крышки. Пары фреона, идущие от испарителя через всасывающий вентиль и фильтр, поступают в корпус встроенного электродвигателя и охлаждают его. Пройдя через внутреннее пространство блок-картера, пары фреона направляются по каналам во всасывающую полость крышки, а затем через всасывающие клапаны - в цилиндры и процесс осуществляется как и в простом поршневом компрессоре. Нагнетательный вентиль компрессора расположен на блок-картере.

Компрессоры поршневые холодильные бессальниковые одноступенчатые ПБ25, ПБ40, ПБ50, ПБ80, ПБ100 (со встроенным электродвигателем) предназначены для работы в составе холодильных машин и агрегатов с воздушным и водяным охлаждением конденсаторов используемых в различных отраслях хозяйства. Компрессоры максимально унифицированы: единые шатунно-поршневая группа, всасывающие, нагнетательные и предохранительные клапаны, гильзы, система смазки, крышки. Бессальниковые компрессоры оснащены электроподогревателями масла, встроенными датчиками перегрева двигателя.

 

б). Герметичного поршневого компрессора

 

Компрессор, сопряженный с электродвигателем без промежуточной передачи и находящийся вместе с ним в общем наглухо заваренном кожухе, называют герметичным компрессором илимотор - компрессором. Ротор электродвигателя насажен непосредственно на вал компрессора, а статор закреплен на корпусе компрессора или в кожухе.

Основными элементами конструкции герметичного поршневого компрессора с вертикальным расположением эксцентрикового вала являются: герметичный корпус с двумя цилиндрами, расположенными в горизонтальной плоскости под углом 90^о один к другому и поршневой группой; всасывающий патрубок, всасывающий вентиль, ротор электродвигателя, статор электродвигателя, эксцентриковый вал,  противовес эксцентрикового вала, глушитель, нагнетательный штуцер, клеммная коробка.

Пары хладагента из испарителя поступают через всасывающий вентиль под кожух, охлаждают двигатель и цилиндры и через две вертикальные всасывающие трубки направляются в цилиндры. При движении поршня от кла­панной доски давление паров хладагента в цилиндре понижается и становится меньше, чем во всасывающем трубопроводе. Под действием разности давлений открывается всасывающий клапан,  и пары хладагента поступают в цилиндр до тех пор, пока поршень не займет крайнего противоположного положения и не начнет перемещаться к клапанной доске. В результате всасывающий клапан закроется, и дальнейшее движение поршня будет сопровождаться сжатием паров хладагента, пока давление в цилиндре не превысит давления в конденсаторе. Под действием избыточного давления откроется нагнетательный клапан, и поршень вытолкнет пары хладагента в по­лость глушителя  и далее по трубопроводу в конденсатор.

Совершенствование конструкций герметичных компрессоров привело к созданию экранированных герметичных компрессоров.

Экранированные герметичные компрессоры. Конструктивно компрессоры выполнены так, что в герметичной полости их находится только ротор электродвигателя. Статор отделен от ротора тонкостенным стаканом (экраном) и работает в условиях, аналогичных условиям работы открытых двигателей. Вынесение статора из полости компрессора существенно упрощает технологию его сборки и дает возможность монтировать оборудование непосредственно  на месте его эксплуатации. Одним из основных преимуществ экранированных компрессоров передгерметичными является возможность быстрой замены вышедшего из строя статора без нарушения герметичности холодильной системы.

Компрессор вместе с электродвигателем находятся в стальном кожухе. Кожух представляет собой трубу, закрытую с обеих сторон наглухо приваренными крышками. Внутри кожуха имеется кольцевой выступ, по одну сторону которого запрессован компрессор, по другую  -  статор электродвигателя.

 

в). Герметичного ротационного  компрессора

 

Компрессоры, у которых ротор (поршень) вращается относительно цилиндра, называются ротационными.

В ро­тационном компрессоре с катящимся ротором по неподвижной поверхности цилиндра  катится ротор, который приводится в движение валом с эксцентриком. Так как ось ротора смещена относительно оси цилиндра, то между цилиндром и ротором образуется серповидная полость, положение которой непре­рывно меняется в зависимости от угла поворота ротора.Серповидная полость разделена лопастью, плотно прижимаемой пружиной к ротору, на две изолированные части  - всасывающую и нагнетательную. Когда ротор находится в верхнем положении и отжимает лопасть в паз, в цилиндре образуется одна серпообразная полость, заполненная парами холодильного агента. При дальнейшем вращении ротора пластина под действием массы и силы пружины опускается, разделяя цилиндр на две изолированные полости. Объем серповидной полости, находящейся за ротором, увеличивается, и полость заполняется паром из всасывающего трубопровода.

Процесс всасывания закончится, как только всасывающая полость займет максимальный объем. По мере движения ротора объем полости перед ним уменьшается, в результате чего пар сжимается. Когда давление пара несколько превысит давление в на­гнетательном трубопроводе, откроется нагнетательный клапан, и сжатый пар вытолкнется в нагнетательный трубопровод.

 

г). Винтового компрессора

 

Винтовые и спиральные холодильные компрессоры рекомендуется применять при малых степенях сжатия (среднетемпературное охлаждение и кондиционирование воздуха), где они могут быть особенно эффективны.

Благодаря своей конструкции винтовые компрессора имеют наименьший размер по сравнению с другими типами компрессоров. Модели с одинарным винтом имеют одну или две шестерни-сателлита, подсоединенные к ротору с боков.

Принцип работы винтового компрессора прост. Сжатие паров хладагента происходит с помощью вращающихся в разные стороны роторов. Их вращение обеспечивает центральный ротор в виде винта. Пары хладагента поступают через входное отверстие компрессора, охлаждают двигатель, затем попадают во внешний сектор вращающихся шестеренок роторов, сжимаются и выходят через скользящий клапан в выпускное отверстие. Винты компрессора должны прилегать герметично, поэтому используется смазывающее масло. Впоследствии масло отделяется от хладагента в специальном сепараторе компрессора. Всасывание хладагента постоянно происходит с одной стороны компрессора, а его выпускание - с другой стороны. При таком способе сжатия паров уровень шума гораздо ниже, чем у поршневых компрессоров

Винтовые компрессоры позволяют плавно регулировать мощность холодильной машины с помощью изменения частоты оборотов двигателя. Отсутствие клапанной системы впуска-выпуска, малым количеством трущихся деталей, дает винтовым компрессорам преимущество по надежности перед другими типами компрессоров. Особенностью надежности винтового компрессора является малая вероятность гидравлического удара жидким хладагентом.

 

д). Спирального компрессора

 

Спиральные холодильные компрессоры, используются на сегодняшний день чаще всего в технике кондиционирования. В конструкции компрессора подвижный спиральный элемент выполняет орбитальное движение. Спиральный компрессор работает по принципу двух архимедовых спиралей, одна из которых фиксированная, а другая двигается по орбите (не вращаясь) вокруг первой. Хладагент всасывается с периферии, к центру одной из двух спиралей, где происходит его сжатие, после чего он выбрасывается. Этот процесс сжатия происходит почти постоянно, по этому пульсации газа, характерные альтернативным компрессорам, не образуется.

За один оборот подвижной спирали компрессора производятся впуск порции всасываемых паров хладагента, их сжатие и нагнетание. В спиральных холодильных компрессорах нет нагнетательных клапанов, т.е. пары хладагента сжимаются до заложенной при проектировании степени сжатия. Другая особенность спирального холодильного компрессора заключается в уменьшении объема камеры сжатия снаружи к центру и наличии радиального отверстия для нагнетания в самой маленькой центральной камере.

Благодаря малому количеству трущихся деталей, спиральных компрессор более долговечен. ­Но недостатком является неремонтнопригодность из-за герметичности компрессора.

 

III.                        Холодопроизводительность поршневого компрессора

Удельная холодопроизводительность, Вт/Вт  -  отношение холодопроизводительности компрессора к потребляемой мощности, которая измеряется при определении холодопроизводительности.

 

Теоретическая холодопроизводительность компрессора Q, Вт, выражается произведением объема пара, всасываемого компрессором в цилиндр V_h, м³/с, и объемнойхолодопроизводительности q_v, Дж/м³:

                             Q=V_h·q_v, Bт,                                                                          (1)

где V_h - объем, описываемый поршнем, соответствующий теоретическому объему пара, поступающего в цилиндр компрессора, м³/с,

q_v - удельная объемная холодопроизводительность, Дж/м³.

Объемная холодопроизводительность определяется по формуле:

                                                                                                           (2)

                                                        

где v₀  -  удельный объем паров, поступающих из испарителя в   компрессор,   м³/кг.

Теоретическая объемная производительность поршневого компрессора V_h, м³/с, зависит от геометрических характеристик компрессора (диаметра цилиндра и хода поршня), частоты вращения вала компрессора, числа цилиндров. Объем пара, всасываемого в компрессор V_h, м³/с, определяется размерами цилиндра и частотой вращения вала.

Образующиеся в испарителе пары должны отсасываться компрессором. Теоретический часовой объем паров V_h, отсасываемых порш­нями компрессора,  -  величина постоянная и определяется по формуле

                                 ,                                                            (3)                          

где D  -  диаметр цилиндра, м;

 S  -  ход поршня, м;

 z  -  число цилиндров;

 n  -  число   оборотов   в   минуту,   об/мин.

Из цилиндра компрессора в конденсатор нагнетается не весь парообразный хладагент. Некоторое его количество остается в зазоре между поршнем и днищем цилиндра, в каналах клапанов. Объем, который занимает оставшийся в цилиндре хладагент, получил название «мертвый объем». Чем меньше величина мертвого объема, тем меньше потери компрессора и лучше характеристики работы компрессора. Наглядно процессы, происходящие в рабочей полости ком­прессора, отражает индикаторная диаграмма (рис.).

Рисунок – Индикаторная диаграмма поршневого компрессора

 

Линия 1-2 характеризует процесс сжатия паров хладагента и движение поршня от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), при этом оба клапана закрыты.

В точке 2 давление достигает величины р_к, открывается нагнетательный клапан, через который пары хладагента нагнетаются в конденсатор – линия 2-3.

В точке 3 поршень находится в точке ВМТ и процесс нагнетания заканчивается.

Оставшиеся в цилиндре из-за мертвого пространства холодильный агент (С) при движении поршня от ВМТ к НМТ расширяется и давление его падает – линия 3-4. При этом часть оставшихся ранее паров хладагента занимает полезный объем С₁ цилиндра (мертвый объем  3-5% от общего объема цилиндра).

В точке 4 открывается всасывающий клапан, и полость цилиндра заполняется парами хладагента – линия 4-1.

Потери учитываются коэффициентом подачи компрессора (кпд).

Действительная холодопроизводительность компрессора меньше теоретической на величину объемных потерь в цилиндре. Объемные потери учитываются коэффициентом подачи.Действи­тельная  холодопроизводительность определяется  по формуле:

                                            Q = 0,278V_hq_vλ Вт,                                                                       (4)

где V_h  -  часовой объем компрессора, м³/ч;

       q_v  -  объемная холо­допроизводительность,   кДж/м³;

       λ  -  коэффициент   подачи компрессора.

В правой части уравнения λ и q_v для одного и того же компрессора, работающего при одной и той же частоте вращения вала, являются переменными величинами, зависящими от температурного режима работы машины. На них влияют температуры кипе­ния, конденсации, температура перед регулирующим вентилем и температура всасывания холодильного агента.

Графически коэффициент подачи компрессора отражается как функция отношения давлений конденсации p_k, МПа, и кипения p_о, МПа.

Значения удельной холодопроизводительности для поршневых компрессоров регламентируются ГОСТом в зависимости от их типоразмера. Типоразмер компрессора определяется описанным объемом  -  объемом, который вытесняется поршнем за один ход.