4. Технические устройства и особенности эксплуатации парокомпрессионных холодильных и климатических установок

4.1. Компрессоры

Компрессор – это механизм, в котором используют механическую энергию для увеличения давления среды. Все типы холодильных компрессоров могут быть отнесены к двум большим группам: объемные компрессоры (поршневые и ротативные), в которых газ сжимается в результате уменьшения замкнутого объема и динамические (центробежные и осевые), где силовое воздействие на газ осуществляется вращающимися лопатками.

По функциональным признакам холодильные компрессоры разделяют на такие группы: промышленные, транспортные и коммерческие, высоко-, средне- и низкотемпературные.

По холодопроизводительности различают крупные компрессоры с холодопроизводительностью при стандартных условиях (t₀ = -15⁰С, t_к = 30⁰С) Q₀ > 120кВт, средние компрессоры Q₀ = 120…12кВт и малые компрессоры

Q₀ < 12кВт.

Компрессорный агрегат – это машина, состоящая из собственно компрессора и его приводного двигателя – электродвигателя, турбины, двигателя внутреннего сгорания и др. В холодильной технике находят применение следующие три типа компрессорных агрегатов на базе объемных компрессоров:

• герметичные компрессорные агрегаты, в которых собственно компрессор и его приводной двигатель объединены в один механизм, имеют общий вал и заключены в общий, герметично заваренный кожух;

• полугерметичные (бессальниковые) компрессорные агрегаты, в которых собственно компрессор и его приводной двигатель объединены в один механизм, имеющий общий вал и заключенный в общий кожух, герметичность которого обеспечивается болтовым соединением с фланцем;

• компрессорные агрегаты открытого типа, состоящие из собственно компрессора, вал которого выходит из его корпуса через сальник наружу и приводится во вращение приводным двигателем при помощи специального устройства (муфта или ременная передача).

В последующем нами будут рассмотрены только три типа компрессоров объемного принципа действия (поршневые, винтовые и спиральные), как наиболее широко применяемые при производстве промышленного и коммерческого холода.

4.1.1. Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры являются одним из наиболее распространенных типов холодильных компрессоров. По конструктивным признакам различают одноступенчатые, двухступенчатые, многоступенчатые, крейцкопфные и бескрейцкопфные (или тронковые) компрессоры. Все поршневые компрессоры имеют самодействующие всасывающие и нагнетательные клапаны.

Крейцкопфные компрессоры обычно выполняют двойного действия и чаще всего горизонтальными с оппозитным расположением цилиндров (рис. 4.1. В таком компрессоре рабочий процесс осуществляется по обе стороны поршня.

Бескрейцкопфные (тронковые) компрессоры подразделяются по конструкции на непрямоточные (рис. 4.2, а) и прямоточные (рис. 4.2, б).

Т еоретическим объемным расходом, или объемом, описанным поршнями компрессора в единицу времени, называют объем, описанный поршнями всех его цилиндров.

Для бескрейцкопфного компрессора двойного действия и крейцкопфного простого действия теоретические объемные расходы, м³/с рассчитываются соответственно по формулам:

и

,

где диаметр цилиндра, м; диаметр штока крейцкопфного компрессора, м; полный ход поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней (НМТ), м; число цилиндров; частота вращения коленчатого вала, 1/с.

Действительный объемный расход пара, м³/с хладагента через компрессор будет

,

где общий коэффициент подачи, учитывающий объемные потери в компрессоре.

Общий коэффициент подачи состоит из произведения следующих частных коэффициентов

,

коэффициент мертвого пространства; коэффициент дросселирования; коэффициент подогрева; коэффициент плотности; коэффициент прочих потерь.

Установлено, что для одноступенчатых фреоновых холодильных компрессоров с точностью до 5% справедлива формула

,

где доля мертвого объема ( ); давление нагнетания и всасывания.

Приближенная оценка для любого типа поршневого одноступенчатого компрессора может быть рассчитана из соотношения

.

Здесь:

;

;

давление конденсации и давление кипения хладагента в цикле; температура конденсации и температура кипения хладагента в цикле.

4.1.2. Винтовые компрессоры

Винтовые компрессоры относятся к классу ротационных машин объемного принципа действия. Роль камер сжатия здесь выполняют впадины (полости) между зубьями винтов, прикрытыми стенками корпуса (рис. 4.3).

Винтовые компрессоры, в отличие от поршневых, не имеют всасывающих и нагнетательных клапанов.

Винтовые компрессоры, в отличие от поршневых, не имеют всасывающих и нагнетательных клапанов. По числу роторов винтовые компрессоры могут быть одно-, двух- и многороторными. Последние практически не используются. Некоторое применение нашли однороторные компрессоры.

Наиболее распространены двухроторные винтовые компрессоры.

Винтовые компрессоры, в отличие от поршневых, не имеют всасывающих и нагнетательных клапанов.

В зависимости от подачи масла компрессоры подразделяются на следующие типы:

• винтовые маслозаполненные компрессоры (ВМК);

• винтовые компрессоры сухого сжатия (ВКС);

• винтовые компрессоры мокрого сжатия (ВКМС).

В холодильной технике преимущественное применение нашли маслозаполненные компрессоры. Другие типы – ВКС и ВМКС – имеют пока единичное применение, хотя и обладают некоторыми достоинствами, особенно при больших производительностях.

В ВМКС также впрыскивается капельная жидкость, в частности жидкий хладагент в малых количествах, главным образом с целью снижения температуры сжимаемого газа.

Принцип действия двухроторного винтового компрессора показан на рис.4.4. При вращении винтов у торца всасывания образуется разряжение, благодаря которому газ из камеры всасывания через окно всасывания поступает во впадины винтов. Зуб ведомого винта первым вступает во впадину ведущего. Затем зуб ведущего винта входит во впадину ведомого и их впадины объединяются, образуя одну общую парную полость. Если и с торца нагнетания эти впадины полностью успели освободиться от зубьев, то в парной полости начнется сжатие, так как по мере вращения винта ее объем уменьшается.

По достижении заданного давления газа в парной полости и тогда, когда эта полость подойдет к окну нагнетания, произойдет выталкивание сжатого газа в нагнетательный трубопровод.

Ограничений по применению хладагентов винтовые компрессоры практически не имеют.

Винтовые компрессоры обладают следующими основными достоинствами:

• высокая надежность в различных вариантах работы;

• возможность работы одноступенчатого компрессора в схемах холодильных машин с системой экономайзера;

• полная статическая и динамическая уравновешенность роторов компрессора;

• отсутствие клапанов и других деталей.

Теоретическая объемная производительность м³/с двухроторного винтового компрессора может быть определена из соотношения

,

где длина винтов, м; число зубьев ведущего винта; частота вращения ведущего винта, 1/с; – соответственно площади в торцевом сечении впадин ведущего и ведомого винтов, м².

Действительная объемная производительность м³/с винтовых компрессоров оценивается коэффициентом подачи

.

Коэффициент подачи винтового компрессора при одинаковых степенях сжатия должен быть выше, чем у поршневого. Данные по коэффициентам подачи могут быть затребованы у соответствующих производителей.

4.1.3. Спиральные компрессоры

Спиральные компрессоры (СПК) относятся к одновальным машинам объемного принципа действия. В холодильной технике СПК используют в основном в бытовых и транспортных кондиционерах, тепловых насосах и холодильных машинах холодопроизводительностью до 50кВт.

СПК могут быть маслозаполненными, с впрыском капельной жидкости хладагента и сухого сжатия. Они могут быть одно- и двухступенчатыми.

Принцип действия спирального компрессора представлен на рис.4.5.

Подвижная спираль (ПСП) согласованно двигаясь по отношению к неподвижной спирали (НСП), создает между этими спиралями систему из серповидных и равных областей 1^′ и 1, заполненных паром.

В процессе прохождения пара в полость спиралей всасывающие области закрываются. Так как подвижная спираль продолжает орбитальное движение пар сжимается в двух постоянно уменьшающихся областях. К тому времени, как пар достигает центра, создается давление нагнетания и пар, который теперь находится под высоким давлением, выталкивается из порта, расположенного в центре.

Теоретическая объемная производительность м³/с спирального компрессора может быть определена из соотношения

,

где геометрический объем одной области всасывания, м³; частота вращения вала, 1/с.

Действительная объемная производительность будет

.

Установлено, что коэффициенты подачи спиральных компрессоров выше, чем поршневых при любой степени сжатия. Так, например, при изменении степени сжатия от 4-х до 15 для хладагента R404А коэффициент подачи в спиральном компрессоре уменьшается от 0,97 до 0,85, а в поршневом – от 0,8 до 0,55.

Спиральные компрессоры обладают практически теми же достоинствами, что и винтовые.

4.1.4. Система смазки холодильных компрессоров

Компрессор является одной из главных частей систем охлаждения, длительная эксплуатация которого в значительной степени зависит от эффективности смазки его трущихся поверхностей. В настоящее время трущиеся детали компрессоров холодопроизводительностью менее 10 кВт смазыва- ются простым разбрызгиванием масла, а в компрессорах холодопроизводительностью более или равной 10 кВт предусматривается принудительная смазка с помощью насосов, как правило, шестеренчатого типа, устанавливаемых в картере. В некоторых случаях для очень больших компрессоров масляный насос устанавливают снаружи, а система смазки иногда бывает смешанной, т.е. капельной (разбрызгиванием) и принудительной (насосной).

Дополнительные функции масла в холодильном компрессоре:

• охлаждение;

• унос абразивных частиц;

• герметизация уплотнений;

• сглаживание пульсаций и снижение уровня шума.

Таким образом, наличие масла в холодильной системе положительно влияет на работу компрессора. В тоже время присутствие масла снижает интенсивность теплообмена в испарителе и конденсаторе. Поэтому важным является обеспечение наиболее рациональной циркуляции масла, обеспечивающего надежную работу всех технических устройств, входящих в холодильную систему. Определяющая роль в существенном снижении процентного содержания масла в контуре отводится маслоотделителям.

Особенности систем смазки поршневых компрессоров

Смазывать необходимо все трущиеся детали: подшипники коленчатого вала, шатунные шейки, поршневые пальцы, цилиндры, сальниковые уплотнения. Простой вариант смазки – разбрызгивание масла, налитого до определенного уровня в картер, при вращении коленчатого вала. Более надежной является принудительная смазка с помощью масляного насоса. При этом, нагнетаемое масло через каналы, просверленные в коленчатом валу подается к шатунным шейкам. Иногда в крупных поршневых компрессорах путь масла продлевается по сверлениям в шатунах к поршневым пальцам.

Смазочное масло, заливаемое в картер, частично уносится хладагентом, из-за чего при длительной работе компрессора может возникнуть опасность сухого трения в трущихся парах. Чтобы избежать этого, в холодильной машине после компрессора устанавливают маслоотделитель, из которого масло периодически возвращается обратно в картер.

Маслоотделители холодильных машин

При уносе масла из компрессора необходима частая дозаправка масла в картер либо следует предусматривать специальные устройства для возврата масла в компрессор.

Влияние масла на работу холодильной машины зависит от вида холодильного агента. В жидком аммиаке минеральные масла растворимы в очень небольшом количестве. При этом аммиак не смешивается с маслом, а так как плотность масла выше плотности аммиака, то масло накапливается в нижних точках различных узлов и агрегатов, откуда оно может быть возвращено в компрессор с помощью сливных кранов. Текучесть масла с падением температуры снижается, следовательно, для установок на аммиаке, работающих при низких температурах, должно быть предусмотрено использование масел, остающихся текучими в этих условиях. Если же обеспечить это невозможно, слив масла должен производится после выключения установки и подъеме температуры до такой величины, при которой масло вновь станет текучим. Установлено, что только незначительная доля масла поступает в аммиачный конденсатор с нагнетаемым паром. Поэтому на трубках конденсатора масло практически не оседает. В то же время, в аммиачном испарителе масло скапливается и, оседая на трубках, ухудшает теплопередачу.

Отделение масла от паров аммиака

Для лучшего отделения капель масла их заставляют соприкасаться с твердой поверхностью, от которой масло уже не может оторваться и стекает на дно аппарата. С целью увеличения поверхности холодильный агент можно пропускать через слой колец Рашига или другую насадку.

Хорошие результаты достигаются также в маслоотделителях типа «Циклон» (рис.4.6, а), в которых пару сообщается интенсивное вращательное движение и масло отбрасывается к стенкам аппарата.

Для аммиачных установок весьма эффективным оказался аммиачный маслоотделитель с двойной промывкой жидким аммиаком конструкции Яковлева (рис.4.6, б). Этот маслоотделитель отделяет 98 - 99% масла. При этом наивысшие скорости движения пара в кольцевых сечениях 1, 2 и 3 составляют соответственно 3,85; 1,23 и 0,86 м/с. Уровень жидкого аммиака в маслоотделителе поддерживается поплавковым клапаном. Наличие жидкого аммиака над маслом затрудняет автоматизацию выпуска масла из маслоотделителя. Масло из маслоотделителя выпускают вручную.

Другие возможные конструктивные схемы аммиачных маслоотделителей приведены на рис.4.7. На этом рисунке в схеме "в" предусматривается охлаждение паров хладагента водяным змеевиком с последующим отделением капель масла в насадке. В схеме "г" установлен наиболее распространенный вариант конструкции маслоотделителя с промывкой паров в жидком аммиаке и отбиванием капель с помощью наклонных отбойников.

В схемах рис.4.7 используются следующие обозначения: 1 – патрубок для подачи паров хладагента из компрессора; 2 – патрубок для выхода паров в конденсатор;

3 – перегородка; 4 – направляющие лопатки; 5 – перегородка, защищающая от струи пара;

6 – насадка; 7 – водяной змеевик; 8 – уровнедержатель; 9 – переливная труба; 10 – ресивер; 11 – конденсатор

Отечественные промывные (барботажные) маслоотделители обозначают ОММ, а инерционные – М или МО.

Отделение масла от паров фреона

Для холодильных установок, работающих не на аммиаке, а на других холодильных агентах, например, на фреонах, в которых масло хорошо растворяется и смешивается появляется вероятность распределения масла по всему контуру.

В системах с фреоном-22 применяют как минеральные масла ХФ12-18, ХФ22-24, ограниченно растворимые во фреоне-22, так и синтетическое ХФ22с-16, полностью в нем растворимое. При полном растворении масла оно не оседает на теплопередающей поверхности и не забивает трубки даже при температуре более низкой, чем температура застывания чистого масла. Однако содержание масла в растворе заметно ухудшает теплоотдачу. Кроме того, с увеличением концентрации масла повышается температура кипения. Для увеличения эффективности использования поверхности испарителя следует уменьшать поступление масла в испаритель, применяя маслоотделители, либо применить испарители с рециркуляцией холодильного агента. Выбор метода должен быть экономически обоснован.

При положительных температурах и небольших концентрациях все минеральные масла растворяются во фреоне-22. Поэтому отделить масло в конденсаторе или ресивере невозможно, и все масло, угоняемое компрессором, попадает в испаритель. При низких температурах раствор фреона с минеральным маслом разделяется на две фазы, и фаза с высокой концентрацией масла всплывает на поверхность. При –30…–50°С эта фаза застывает.

В испарителях с кипением внутри труб масло, застывая, забивает проходные сечения. Поэтому для низкотемпературных испарителей такого типа минеральные масла неприменимы.

При температурах кипения ниже (-)40°С предпочтительнее синтетическое масло ХФ22с-16.

Для работы на фреоне-13 применяют масло ФМ5,6-АП, которое при концентрации 9% и ниже полностью растворимо во фреоне. В испарителях с кипением внутри труб, которые чаще применяют на фреоне-13, концентрация масла в конце испарителя возрастает, и оно выделяется из раствора. Благодаря низкой температуре застывания (-110°С) масло не забивает трубки, а только ухудшает теплопередачу.

Чтобы избежать попадания жидкого фреона в картер компрессора масло с фреоном (рис.4.6, в) предварительно подогревают в специальном ректификаторе 3 при низком давлении, который обычно располагают в верхней части маслоотделителя. Масло, осевшее на кольцах Рашига 2, стекает по конической сетке и стенкам маслоотделителя вниз и, пройдя поплавковый клапан 1, подается в ректификатор 3. Продвигаясь по спиральному каналу, масло соприкасается с дном ректификатора, которое снизу подогревается горячими парами холодильного агента. За счет отвода пара во всасывающую линию этого же компрессора в ректификаторе поддерживается низкое давление, и фреон выкипает. Оставшееся масло стекает в картер вследствие разности уровней.

При интенсивной конденсации ректификатор может не обеспечить испарение всего жидкого фреона. Поэтому в маслоотделители следует подавать охлаждающую воду, предварительно подогретую в конденсаторе, а затем в рубашке компрессора.

В других конструктивных схемах фреоновых маслоотделителей используют предварительное охлаждение водой, нагнетаемых компрессором горячих паров хладагента, с последующим их пропусканием через слой керамических колец, задерживающих масло. Масло, осажденное на керамических кольцах, затем стекает вниз и периодически по мере накопления перепускается в картер компрессора.

Способы возврата масла в компрессор

Как уже указывалось, масло, попавшее в аммиачный испаритель, при низких температурах застывает в нем, оседая на теплопередающей поверхности и в нижней части аппарата (так как масло тяжелее аммиака). Поэтому для удаления масла из аммиачного испарителя необходимо испаритель выключить из работы и отогреть.

Во фреоновых испарителях масло растворено в жидком холодильном агенте либо плавает на его поверхности. Обычно масло из фреонового испарителя можно удалить и возвратить в компрессор вместе с фреоном, не выключая испаритель из работы.

Проще всего возвратить масло из прямоточных испарителей, расположенных выше компрессора. Для этого горизонтальные участки трубопроводов делают с уклоном по ходу пара, и масло стекает в компрессор самотеком.

П ри необходимости в подъеме всасываемого пара делают петлю в начале вертикального участка трубопровода для создания гидравлического затвора (рис.4.8, а). Скапливающееся в петле масло периодически перекрывает проход пару, а затем давлением пара выбрасывается вверх. В трубопроводах большого диаметра такие петли неэффективны и создают опасность гидравлического удара. Чтобы обеспечить подъем масла вместе с паром, выбирают повышенные скорости движения пара. При кипении жидкости в большом объеме и свободном удалении пара (что имеет место в кожухотрубном испарителе) масло не может вместе с паром подняться из раствора и накапливается в нем. Поэтому для возврата масла из кожухотрубного испарителя необходимо отбирать из него часть жидкого холодильного агента.

Проще всего забирать жидкость (в виде пены или брызг) вместе с паром, поддерживая в испарителе соответственно высокий уровень жидкости.

В теплообменнике через который проходит пар (рис.4.8, б), жидкость доиспаряется, и масло выделяется почти в чистом виде. При прохождении через вертикальный теплообменник масло не может вернуться обратно в испаритель из-за высокой скорости пара. По такой схеме из испарителя может удаляться и нерастворимое масло.

Схема возврата масла с паром имеет следующие недостатки:

• требуется точное регулирование степени заполнения испарителя, так как при перегреве пара на выходе из испарителя более 2°С возврат масла нарушается, а при перегреве менее 1°С возможен влажный ход;

• система работоспособна только при достаточно высоких скоростях движения пара в трубопроводе. При уменьшении холодопроизводительности компрессора скорость пара может оказаться недостаточной для возврата масла.

Значительно более надежна схема возврата масла с горизонтальным теплообменником конструкции Шапошникова и Галежи [3] (рис. 4.8, в). После перегрева пара в теплообменнике отделившееся в нем масло направляют по отдельной трубке в картер компрессора, расположенного ниже теплообменника. При такой схеме устойчивость возврата масла не зависит от скорости пара во всасывающем трубопроводе, однако для подъема масла с паром из испарителя в теплообменник необходимо точно регулировать подачу жидкого холодильного агента в испаритель.

Чтобы надежность возврата масла не зависела от уровня жидкости в испарителе можно часть жидкости непосредственно перепускать из испарителя во всасывающий трубопровод перед теплообменником. Преодолеть разность давлений для транспортирования жидкости можно при помощи петли (рис.4.8, г). эжектора (рис.4.8, д) или насоса, применяемого в установках с рециркуляцией жидкости в испарителе (рис.4.8, е). В любой из этих схем масло после теплообменника можно направлять к компрессору вместе с паром, как показано рис. 4.8, г, д (при подъеме пара его скорость должна быть не ниже определенной величины), либо по отдельной трубке (рис. 4.8, е).

Дополнительные трудности с возвратом масла возникают в том случае, если несколько компрессоров работают на одну испарительную систему. Для равномерного распределения возвращаемого масла картеры компрессоров необходимо при этом объединять как сообщающиеся сосуды, т.е. и в нижних и в верхних частях. Верхняя трубка должна обеспечить достаточно быстрое выравнивание давлений в картерах в случае попадания в один из компрессоров жидкого фреона.

Размещение маслоотделителя в схемах и другие возможные способы возврата масла в компрессор

Размещение маслоотделителя в схемах холодильной системы зависит от степени взаимной растворимости хладагента с маслами.

Так для аммиачных систем, в которых хладагент не смешивается с маслами, эффективность маслоотделителя повышается при его размещении как можно дальше от компрессора. Наоборот, для лучшего отделения масла во фреоновых системах маслоотделитель должен быть размещен сразу после компрессора.

Применяются схемы возврата масла в компрессор как с отдельными, так и с общим маслоотделителем. В первом случае каждый компрессор имеет собственный маслоотделитель, из которого масло возвращается в компрессор. Однако, если в составе установки имеется несколько компрессоров, работающих параллельно с общим коллектором как всасывания, так и нагнетания, необходимо предусматривать:

• единый сепаратор масла для группы компрессоров, или в некоторых случаях сепаратор масла для каждого компрессора в отдельности;

• буферную масляную емкость для всех или группы компрессоров;

• регулятор уровня масла для каждого компрессора;

• масляный фильтр для каждого компрессора;

• обратный клапан в каждом компрессоре.

Количество маслоотделителей и масляных буферных емкостей зависит от типа установки. Так, например, одного маслоотделителя и одной буферной емкости иногда вполне достаточно для установок большой и средней мощности, в которых не предполагается снижение нагрузки. Однако для установок, предусматривающих возможность работы на пониженной мощности, маслоотделитель и буферная емкость будут переразмерены и перестанут нормально выполнять свои функции.

4.1.5. Методы регулирования холодопроизводительности компрессора

Естественно, простейшим является метод пусков и остановок (ВКЛ/ВЫКЛ), но в зависимости от требований он может привести к плохой характеристике регулирования, сильным изменениям рабочих условий и большому числу пусков, в результате чего снижается эффективность и сокращается эксплуатационный ресурс компрессора и других элементов системы. Поэтому данный метод должен быть ограничен холодильными системами с высокой аккумулирующей способностью и/или относительно постоянной нагрузкой.

Значительно лучшие методы регулирования, но также сопровождаемые большими изменениями нагрузки, - параллельная работа нескольких компрессоров, тандем компрессоров или разделение системы на несколько независимых контуров. Однако подобные решения также не исключают значительного числа циклов регулирования (либо при очень высоких требованиях к точности регулирования, либо при очень быстром изменении требуемой холодопроизводительности). В таких случаях необходимо сочетание с механическим регулированием холодопроизводительности компрессора (ступенчатым или плавным) и с соответствующей системой управления. Ниже рассмотрению подлежит регулирование поршневых, винтовых и спиральных компрессоров. К механическому регулированию их холодопроизводительности (встроенные регуляторы) возможны различные подходы, которые могут в корне отличаться в зависимости от типа компрессора.

Поршневые компрессоры:

• отжим всасывающих клапанов;

• внутренний перепуск пара;

• изменение мертвого объема цилиндра;

• сокращение хода сжатия;

• блокировка всасывающих каналов отдельных цилиндров или групп цилиндров;

• изменение частоты вращения.

Винтовые компрессоры:

• внутренний перепуск пара;

• внутренние управляющие поршни;

• регулирующий золотник, параллельный оси вала;

• изменение частоты вращения.

Спиральные компрессоры:

• внутренний перепуск пара;

• отжим спиралей;

• изменение частоты вращения.

Критерии выбора способа регулирования холодопроизводительности

 В зависимости от конкретной холодильной системы требования к регулированию могут существенно различаться, причем следует тщательно рассмотреть следующие критерии: 

• характеристика регулирования (грубое либо точное ступенчатое или плавное);

• энергопотребление (холодильный коэффициент);

• стоимость выбранного решения;

• эксплуатационная надежность;

• область применения компрессора;

• минимальное время работы компрессора;

• нагрузка электросети.

• Известно, что полное энергопотребление холодильной установки, системы кондиционирования воздуха или теплового насоса в течение срока службы, являющееся значительной статьей расходов, зачастую многократно превышает начальные капиталовложения. Как следствие и с учетом косвенного воздействия на окружающую среду (выделение CO₂ при выработке электроэнергии) оптимальное регулирование холодопроизводительности должно быть направлено на точное соответствие потребности в холоде. В зависимости от аккумулирующей способности системы и изменений нагрузки методы, основанные на ступенчатом регулировании, могут быть достаточными, но, исходя из чисто энергетических соображений, плавное регулирование является предпочтительным. В стационарных условиях работы при различных нагрузках существенные различия между ступенчатым и плавным регулированием не всегда можно заметить с первого взгляда. Но сравнительные исследования показали, что динамические свойства и конечная эффективность системы существенно зависят от способа регулирования.

При грубом ступенчатом регулировании снижение холодопроизводительности вызывает значительное падение температуры конденсации, что приводит к сбою в регулировании поступления хладагента в испаритель. Подобным же образом резкое повышение холодопроизводительности приводит к резким колебаниям в цепи регулирования, включая значительное снижение температуры кипения, часто сопровождающееся недостаточным перегревом всасываемого газа.

Как правило, с течением времени ступенчатое регулирование приводит к значительным отклонениям от оптимальных рабочих условий. При этом ограничения, касающиеся частичных нагрузок, распространяются даже на системы с очень хорошими характеристиками регулирования. Например, оптимальное поступление хладагента в испаритель с непосредственным кипением не гарантировано при низких массовых расходах. В таких случаях ниже определенной нагрузки необходимо, чтобы система периодически работала с минимальной холодопроизводительностью (из-за рабочих характеристик расширительного вентиля и для обеспечения надежной подачи масла). Более того, эффективное регулирование при частичной нагрузке также требует контролируемого снижения давления конденсации и увеличения давления всасывания. Кроме того, энергопотребление вспомогательных приводов (вентиляторы, насосы) должно быть точно определено, а значит, для этих элементов также потребуется эффективная система регулирования.

Компрессоры с механическим регулированием холодопроизводительности

Для поршневых компрессоров прежде всего используются методы "разгрузки цилиндра", требующие относительно низких затрат и применяемые обычно для многоцилиндровых компрессоров. Достижимая градация холодопроизводительности зависит от конструкции компрессора. В случае 4-, 6- и 8-цилиндровых компрессоров обычно отключают 2 цилиндра на каждой ступени нагрузки, что позволяет регулировать холодопроизводительность с интервалами (25)-50-(75)-100 % или 33-66-100 %. В комбинации с тандем-компрессорами или с параллельной работой компрессоров возможна даже более тонкая градация.

Для крупных промышленных компрессоров обычно применяются системы отжима всасывающих клапанов (кольцевые клапаны) с использованием гидравлического масляного привода. Пар, всасываемый соответствующими цилиндрами, при нагнетании поступает на сторону всасывания. При этом цилиндр работает практически на холостом ходу. Такой метод регулирования может также применяться для разгруженного пуска компрессора. Метод высокоэффективен, потери энергии возникают лишь вследствие механической работы трения колец и сопротивления во всасывающем клапане.

Для полугерметичных компрессоров часто использовались решения с применением встроенного перепускного контура. При этом между полостями высокого и низкого давления цилиндров, которые необходимо разгрузить, в перепускном канале устанавливается регулирующий клапан (байпас), который прерывает поток газа. Дополнительный обратный клапан на стороне высокого давления предотвращает противоток уже сжатого газа. Данное конструктивное решение относительно просто, но недостаточно эффективно из-за значительных потерь при работе байпаса. К тому же термическое напряжение компрессора при частичных нагрузках весьма высоко, что в значительной мере ораничивает диапазон применения метода.

Другим вариантом регулирования является изменение мертвого объема цилиндра поршневого компрессора. Головка цилиндра оснащена дополнительной камерой высокого давления, которая посредством управляемого клапана может быть соединена с цилиндром, что увеличивает его мертвый объем. В процессе сжатия часть газа отводится в ту же камеру, откуда он возвращается в цилиндр под высоким давлением при обратном ходе поршня. Это позволяет значительно уменьшить объем цилиндра при нормальной работе компрессора. Данная система применяется на компрессорах с числом цилиндров менее четырех. Однако высокие потери при обратном расширении приводят к существенному падению эффективности при частичной нагрузке. Более того, диапазон регулирования существенно зависит от отношения давлений. Так, при небольших отношениях давлений возможно лишь незначительное уменьшение холодопроизводительности.

Для герметичных поршневых компрессоров также используется другое решение – механически изменяемый ход поршня (сокращение хода сжатия).

Наиболее распространенным методом механического регулирования холодопроизводительности поршневых компрессоров для коммерческого холода является метод отключения цилиндров путем блокировки всасывающих каналов отдельных цилиндров или групп цилиндров. Эта концепция была разработана BITZER уже в 70-е годы и благодаря постоянному усовершенствованию достигла непревзойденного уровня.

  В режиме полной нагрузки работают все цилиндры компрессора; соленоидный клапан отключен. Как следствие, все газовые каналы в клапанной доске и головке цилиндра, а также регулирующий поршень находятся в открытом положении.

При работе в режиме частичной нагрузки включается соленоидный клапан, его якорь поднимается. В результате регулирующий поршень оказывается под действием высокого давления, движется вниз и закрывает общий впускной канал в клапанной доске. Таким образом, поступление газа прекращается, и соответствующие поршни работают в режиме "холостого хода". Данный метод регулирования чрезвычайно эффективен, поскольку потери ограничиваются лишь механическим трением поршней. В широком рабочем диапазоне энергопотребление электродвигателя при частичной нагрузке уменьшается почти пропорционально снижению холодопороизводительности.

Изменение частоты вращения ведущего вала компрессора

Изменение частоты вращения коленчатого вала можно осуществить плавно и ступенчато. Для плавного регулирования используют двигатели постоянного тока с дополнительным сопротивлением и двигатели переменного тока с устройством для изменения частоты тока. Для ступенчатого регулирования может использоваться специальный многоскоростной двигатель переменного тока с переключением пар полюсов. Для ступенчатого регулирования также могут использоваться при клиноременной передаче шкивы с различными диаметрами.

Этот способ, связанный с изменением частоты вращения коленчатого вала самый выгодный, поскольку при его реализации потребляемая мощность компрессора уменьшается практически пропорционально уменьшению холодопроизводительности. При этом холодильный коэффициент практически не изменяется.

Дросселирование на всасывании

При дросселировании на всасывании уменьшение холодопроизводительности происходит за счет уменьшения коэффициента подачи в результате повышения степени давления в компрессоре, что одновременно приводит к увеличению его потребляемой мощности, а значит и к значительному снижению холодильного коэффициента.

Байпасирование

При этом способе между нагнетательным и всасывающим трубопроводом компрессора устанавливается байпасный вентиль. При открывании байпасного вентиля часть сжатого нагретого пара из нагнетательного трубопровода перетекает во всасывающий трубопровод. При этом в компрессоре будет циркулировать то же самое количество холодильного агента, а в конденсатор и испаритель будет подаваться меньшее его количество на величину, прошедшего пара хладагента через байпас. При байпасировании холодопроизводительность уменьшается, а степень повышения давления в компрессоре возрастает из-за повышения температуры пара хладагента на всасывании, что в итоге приводит к существенному снижению холодильного коэффициента.

Подключение дополнительного мертвого объема

При таком способе регулирования к мертвому объему компрессора добавляется дополнительный мертвый объем.