Компрессоры, применяющиеся в холодильной технике

В статье представлен краткий обзор компрессоров, применяющихся в холодильной технике, и описан их принцип действия.

Компрессор – основной элемент парокомпрессионной холодильной машины. Компрессор это устройство, предназначенное для сжатия и перемещения холодильного агента.

На базе компрессоров собирают компрессорные, компрессорно-испарительные, компрессорно-конденсаторные агрегаты, а также комплектные холодильные машины.

Компрессорный агрегат — в состав его входят компрессор и другое, как правило, унифицированное для различных холодильных систем дополнительное оборудование, но без конденсатора.

Компрессорно-конденсаторный агрегат — в состав его входят один или несколько компрессоров и другое, как правило, унифицированное для различных холодильных систем оборудование, в том числе один или несколько конденсаторов и, возможно, ресивер.

Моноблочная холодильная система — автономная холодильная система, собранная и прошедшая испытания на месте изготовления и не требующая при монтаже соединения частей, содержащих хладагент. Моноблочная система может включать в себя переходники и отсечные вентили, смонтированные на заводе.

По принципу действия компрессоры, наиболее широко применяющиеся в холодильной технике, делятся на два типа: объемные и динамические. В компрессорах объемного принципа действия сжатие газообразного хладагента происходит за счет уменьшения начального объема. В компрессорах динамического принципа действия хладагент непрерывно перемещается с большой скоростью через проточную часть компрессора, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную, а плотность и давление хладагента повышаются.

К компрессорам объемного принципа действия относятся поршневые, винтовые, ротационные, спиральные и линейные компрессоры.

К компрессорам динамического принципа действия относятся центробежные компрессоры.

По конструктивному исполнению компрессоры делятся на герметичные (рис.1), полугерметичные (рис.2) и открытые или сальниковые (рис.3).

Рис.1. Герметичные компрессоры

Герметичные компрессоры представляют собой машину, где механическая часть компрессора и электродвигатель находятся в герметичном кожухе, как правило, такие компрессоры обладают невысокой производительностью и являются практически неремонтопригодными, поскольку для разборки компрессора необходимо разрезать, а затем снова сварить герметичный корпус.

Рис.2. Полугерметичные компрессоры

У полугерметичных компрессоров механическая часть и электродвигатель также находятся в одном корпусе, но в отличие от герметичных, компрессор можно разобрать и собрать, не повреждая корпус. Компрессоры данного типа применяются для средних производительностей.

Рис.3. Открытые (сальниковые) компрессоры

В открытых (сальниковых) компрессорах механическая часть находится в одном корпусе, а электродвигатель находится за пределами корпуса компрессора. Привод таких компрессоров осуществляется через муфту. Как правило, такие компрессоры применяются для средних и больших производительностей, но для некоторых специальных применений (транспортное холодильное оборудование, аммиачные системы и т. д.) возможно применение компрессоров и меньшей производительности.

Принцип действия поршневого компрессора

Принцип работы поршневого компрессора (рис.4) и описывается соотношением P1V1=P2V2 (при постоянной температуре).
Индекс 1 относится к состоянию газообразного хладагента на входе в компрессор, индекс 2 — к состоянию сжатого хладагента.

1. Когда поршень опускается, в цилиндре образуется свободное пространство, и в результате перепада давления открывается всасывающий клапан, через который газообразный хладагент всасывается в камеру сжатия.
2. Затем, когда поршень проходит точку, соответствующую наибольшему объему камеры сжатия, всасывающий клапан закрывается, и давление хладагента начинает возрастать.
3. По мере уменьшения объема камеры сжатия давление хладагента увеличивается.
4. Когда давление в камере достигает заданных параметров, открывается нагнетательный клапан, и сжатый хладагент покидает камеру сжатия.

Рис.4. Сжатие в поршневом компрессоре

Принцип действия винтового компрессора (рис.5).

Рис.5. Сжатие в винтовом компрессоре

Первая стадия. Воздух проходит через впускное отверстие и попадает в открытые полости роторов на стороне всасывания. После чего всасывающее окно закрывается и начинается процесс сжатия

Вторая и Третья Стадия Сжатия. Поскольку роторы вращаются в противоположных направлениях, открытые полости закрываются и объем полостей постепенно уменьшается, из-за чего происходит повышение давления. Одновременно с этим процессом происходит впрыск масла, что необходимо для уплотнения зазоров между роторами и стенками корпуса, для отвода тепла и смазки подшипников.

Четвертая Стадия. Нагнетание. Когда процесс сжатия закончен и достигнуто необходимое давление — сжатый воздух выталкивается в специально спрофилированное нагнетательное окно

Принцип действия ротационного компрессора

Компрессор со стационарными пластинами

Рис.6. Сжатие в ротационном компрессоре

а. Хладагент заполняет имеющееся пространство
б. Начинается сжатие хладагента внутри компрессора и всасывание новой порции хладагента
в. Сжатие и всасывание продолжается
г. Сжатие завершено

Компрессор с вращающимися пластинами

Рис.7. Сжатие в роторном пластинчатом компрессоре

В компрессоре с вращающимися пластинами (рис.7) хладагент сжимается при помощи пластин, закрепленных на вращающемся роторе. Ось ротора смещена относительно оси цилиндра компрессора. Края пластин плотно прилегают к поверхности цилиндра, разделяя области высокого и низкого давления.

а. Парообразный хладагент заполняет имеющееся пространство
б. Начинается сжатие хладагента внутри компрессора и всасывание новой порции хладагента
в. Сжатие и всасывание завершается.
г. Начинается новый цикл всасывания и сжатия.

Принцип действия спирального компрессора (рис.8).

Рис.8. Сжатие в спиральном компрессоре

Компрессор состоит из двух спиралей, вставленных одна в другую. Внутренняя спираль неподвижно закреплена, а внешняя вращается вокруг нее.

Спирали имеют особый профиль (эвольвента), позволяющий перекатываться без проскальзывания. Подвижная спираль компрессора установлена на эксцентрике и перекатывается по внутренней поверхности другой спирали. При этом точка касания спиралей постепенно перемещается от края к центру. Хладагент, находящийся перед линией касания, сжимается, и выталкивается в центральное отверстие в крышке компрессора. Точки касания расположены на каждом витке внутренней спирали, поэтому хладагент сжимается более плавно, меньшими порциями, чем в других типах компрессоров. В результате нагрузка на электродвигатель компрессора снижается, особенно в момент пуска компрессора.

Через входное отверстие в цилиндрической части корпуса, поступающий воздух охлаждает двигатель, затем сжимается между спиралей и выходит через выпускное отверстие в верхней части корпуса компрессора.

Принцип действия линейного компрессора

Рис.9. Сжатие в линейном компрессоре

Принцип действия линейных компрессоров (рис.9) основан на возвратно-поступательном движении поршня, однако это движение осуществляется за счет электромагнитного поля, создаваемого обмоткой электродвигателя. Такая конструкция позволяет снизить энергопотребление компрессора и минимизировать уровень шума.

Принцип действия центробежного компрессора

Рис.10. Сжатие в центробежном компрессоре

Динамический компрессор — машина с непрерывным потоком, в которой при протекании газа происходит рост давления газа (рис. 10). Вращающиеся лопатки рабочего колеса компрессора приводят к ускорению газа до высокой скорости, после чего скорость газа при расширении преобразуется в давление и соответственно уменьшается. В зависимости от основного направления потока компрессоры могут быть радиальными или осевыми.

В отличие от объемных компрессоров в динамических компрессорах даже небольшое изменение рабочего давления приводит к большому изменению производительности.

Каждая скорость характеризуется верхним и нижним пределами производительности. При верхнем пределе скорость потока газа достигает скорости звука. При достижении нижнего предела противодавление превышает создаваемое компрессором давление, что означает обратный поток газа в компрессоре. Это в свою очередь вызывает пульсацию, шум и риск механической поломки компрессора.

Таким образом, в холодильной технике применяется большое количество компрессоров, отличающихся как по принципу действия, так и по конструктивному исполнению.