Цикл Карно 4 страница

Принудительный подвод масла осуществляется за счет центробежных сил по каналам в теле эксцентрикового вала. Для эффективного охлаждения обмотки электродвигателя в верхней части ротора имеется крыльчатка.

10.2.4. Компрессоры герметичные с экранированным ротором

Отличительной особенностью герметичных компрессоров является их “чувствительность” к утечке холодильного агента из холодильной машины. Холодильный агент может выйти из холодильной машины через неплотности в сальниковых уплотнениях на всасывающем и нагнетательном вентилях, через неплотности в ниппельных соединениях трубопроводов с элементами холодильной машины (испарителем, ресивером) и т.д. Таким образом, достаточно совершенная конструкция герметичного компрессора, объединенного в холодильной машине с другими элементами посредством трубопроводов и ниппельных соединений, нуждается в высокой технической культуре обслуживания, в тщательном контроле всех соединений элементов холодильной машины. В противном случае, при утечке холодильного агента, возможно сгорание обмотки электродвигателя компрессора.

Учитывая реальные условия эксплуатации холодильных машин производится компрессор, в котором обмотка электродвигателя (статор) охлаждается потоком воздуха, прошедшего через конденсатор, а ротор, не имеющий электрических проводов, помещен внутрь экрана. Таким образом, реализован физический принцип наведения магнитного поля в роторе через магнитопроводящий материал, изготовленный с этой целью из нержавеющей стали (рис. 10.6).

Охлаждение статора потоком воздуха обеспечивает независимость компрессора от потерь холодильного агента из холодильной машины, что, лишь в определенной мере можно считать эксплуатационным достоинством компрессора. Недостаток конструкции вытекает, прежде всего, из необходимости наведения магнитного поля в роторе через среду – нержавеющую сталь. Создание статором необходимого магнитного поля предполагает увеличение энергозатрат и увеличения габаритных размеров статора сравнительно с электродвигателями компрессоров полностью герметичных той же холодопроизводительности. Вследствие совокупных причин компрессоры с экранированным ротором находят применение преимущественно в холодильных машинах, обслуживающих холодильные камеры.

10.3. Компрессоры объемного действия

10.3.1. Компрессоры герметичные ротационные

Работа компрессора (рис. 10.7) состоит в следующем. В положении катящегося ротора (рис.10.8,а) цилиндр имеет одну полость, заполненную холодильным агентом.

При вращении эксцентрикового вала компрессора объем холодильного агента в серповидном пространстве уменьшается (рис.10.8,b), холодильный агент сжимается, повышается его температура и давление.

При дальнейшем перемещении ротора (рис.10.8,c) давление холодильного агента в нагнетательной полости повышается, открывается нагнетательный клапан, и пары холодильного агента начинают поступать в конденсатор. Одновременно со сжатием происходит заполнение всасывающей полости компрессора паром. Всасывающий клапан в компрессоре отсутствует, поскольку ротор, перемещаясь по поверхности цилиндра, перекрывает всасывающее отверстие.

Последующее движение ротора (рис.10.8,d) завершает процесс сжатия, холодильный агент поступает в полость всасывания.

Сравнительно с поршневыми компрессорами, герметичные ротационные компрессоры имеют ряд преимуществ:

- они имеют меньшие габариты и массу,

- в них отсутствует всасывающий клапан, что повышает надежность компрессора,

- компрессор имеет хорошую уравновешенность, поскольку нет линейного перемещения поршня,

- небольшое количество движущихся частей снижает износ, повышает надежность, упрощает техническое обслуживание.

Эксплуатационные качества компрессора заключены в особенностях его конструкции. Серповидные объемы компрессора образованы с одной стороны – контактом ротора с поверхностью разделительной лопасти, с другой, - контактом ротора с поверхностью цилиндра. Геометрически этот контакт происходит по линии, разделяющей полости нагнетания и всасывания (при давлении кипения и конденсации).

Контакт ротора и цилиндра должен быть таким, что бы предотвратить перетекание холодильного агента из полости нагнетания в полость всасывания. Это возможно при качественной обработке поверхности ротора и цилиндра, исключающего любые зазоры между ними. Именно в этом заключается одна из эксплуатационных особенностей компрессора.

При загрязнении конденсатора холодильной машины, уменьшается площадь поверхности теплообмена конденсатора, и ротор компрессора нагревается, переходя порог, ограничивающий величину его теплового расширения.

Следствием этого могут быть царапины на поверхности ротора и цилиндра, в худшем случае может наблюдаться "заклинивание" ротора, т.е. остановка его вращения.

Для торгового холодильного оборудования и системы кондиционирования воздуха герметичные ротационные компрессоры выпускаются холодопроизводительностью от 0.3 до 1.3 кВт.

10.3.2. Компрессоры спиральные

Концепция создания холодильного компрессора спирального типа запатентована в 1905 году французским инженером Леоном Креусом (Leon Creux). Однако, в силу высоких технологических требований к изготовлению компрессора, спиральные компрессоры стали создаваться лишь при внедрении в металлообработку станков с числовым программным управлением.

Впервые в мире на рынок холодильного оборудования спиральный компрессор представила американская фирма «Copeland» (рис. 10.9). В настоящее время он производится рядом зарубежных фирм - Danfos, Hitachi, Jork и др.

Спиральный компрессор состоит из двух спиралей - неподвижной и подвижной (рис. 10.12). Подвижная спираль не должна вращаться вокруг своей оси. Она совершает движение только по определенной орбите, в основном круговой, вокруг оси неподвижной спирали (рис. 10.11).

Однако из спиралей, связанная с эксцентриковым валом, совершает плоскопараллельное орбитальное движение. Вторая спираль закреплена неподвижно относительно корпуса компрессора. В процессе работы места контакта (К) подвижной спирали (рис.10.11) перемещаются по профилю неподвижной спирали против часовой стрелки. Образующиеся при этом замкнутые серповидные полости концентрически перемещаются от периферии к центру.

В начальный момент, когда полость еще не замкнута, в нее свободно входит всасываемый пар. В дальнейшем пар перемещается к центру, испытывая повышение давления и температуры из-за уменьшения объема полости, и в конце процесса сжатия, через на гнетательное отверстие в центре, выводится из компрессора.

Количество движущихся частей спирального компрессора сравнительно с поршневым компрессором снижено на 80% (с 15 у поршневого до 3 у спирального).

Движущаяся спираль совершает плавное движение, т.к. она хорошо сбалансирована. Поэтому движение потока на всасывании и нагнетании имеет непрерывный характер, что обеспечивает практически бесшумную работу компрессора. Он в 8 раз «тише», чем поршневой аналог.

Спиральный компрессор не боится «влажного хода», а равным образом и механических примесей. Пуск компрессора происходит без нагрузки, поэтому не требует специального вспомогательного пускового устройства.

Спиральные компрессоры имеют наименьший процент отказов по сравнению с компрессорами любых других типов, в силу чего их по праву считают «вечными».

В целом, достоинства спиральных компрессоров перед герметичными поршневыми или бессальниковыми аналогами можно отразить в виде перечня следующих качеств:

- высокая надежность и повышенный срок службы благодаря небольшому количеству деталей, участвующих в процессе сжатия хладагента;

- крайне низкий уровень шума вследствие отсутствия клапанов и возвратно поступательного движения деталей;

- крайне малая вибрация вследствие плавного, непрерывного сжатия;

- очень высокий коэффициент подачи из-за отсутствия «мертвого пространства»;

- стабильность работы компрессора при работе “влажным ходом” и попадании в зону сжатия механических примесей;

- малый пусковой момент и пусковые токи. Для однофазных моделей нет необходимости в пусковом оборудовании;

- компактность и малая масса.

Компрессоры в агрегатах фирмы Copeland поставляются заполненными минеральным маслом для работы на R22 или полиэфирным маслом для работы на новых озонобезопасных хладагентах, либо на R22.

Спиральные компрессоры используются в холодильных машинах малой и средней холодопроизводительности. Так же, как и компрессионные, они могут быть в герметичном исполнении, бессальниковыми и сальниковыми.

Стоимость спиральных компрессоров сопоставима или даже ниже стоимости поршневых компрессоров.

Относительным “недостатком” компрессора является необходимость его изготовления на станках с ЧПУ, поскольку спиральный компрессор - это техническая конструкция очень высокого технологического уровня и организации производства.

10.3.3. Компрессоры винтовые

Винтовые компрессоры – компрессоры объемного типа, в которых сжатие холодильного агента осуществляется за счет уменьшения замкнутого объема рабочей полости (рис. 10.13, 10.14). Пар в этой полости движется в осевом и радиальном направлениях. Сжатие пара продолжается до тех пор, пока полость между выступом и впадиной не достигнет нагнетательного окна в цилиндре.

К достоинствам этого типа компрессора относят возможность плавного регулирования холодопроизводительности, возможность работы практически на любом холодильном агенте при высокой степени сжатия и в широком температурном диапазоне кипения, включая, прежде всего низкотемпературном диапазоне кипения и, соответственно, при низкой температуре воздуха в охлаждаемом объеме.

Недостатком компрессора является необходимость создания системы смазки роторов, которая, ко всему прочему, обеспечивает охлаждение роторов, предотвращает перегрев компрессора, уплотняет рабочие зазоры между роторами. Однако, применение масляного охлаждения роторов порождает необходимость применения надежных и эффективных систем отделения масла от холодильного агента (маслоотделителей), поскольку при работе компрессора масло в него впрыскивается в большом количестве. При отсутствии маслоотделителя масло может быть унесено в конденсатор.

Все это недостатки, несмотря на очевидные достоинства компрессора, ограничивают его применение в торговом холодильном оборудовании.

Компрессоры подобного типа применяют в основном в холодильных машинах большой холодопроизводительности.

10.3.4. Компрессоры центробежные

Компрессоры этого типа используют для достижения большой холодопроизводительности в установках химической промышленности или системах кондиционирования зданий и зрелищных сооружений (рис. 10.15).

Центробежные компрессоры конструктивно выполняются из сборки роторов, насаженных на один вал. Каждый ротор помещается в отдельной полости, выполняя функцию отдельной ступени сжатия.

Холодильный агент последовательно переталкивается из одной полости в другую, (D®E®F®G) с все возрастающим давлением, равным на выходе давлению конденсации.

Парообразный холодильный агент, сжимаемый в компрессоре, практически не содержит масла. Отсутствие масла на внутренних поверхностях конденсатора и испарителя улучшает процесс теплопередачи в теплообменных аппаратах.

Центробежные компрессоры являются уравновешенными, однако они предназначены для работы при большой частоте вращения ротора. Компрессоры эффективны в холодильных установках большой холодопроизводительности, порядка 900…10000 кВт.

10.4. Холодопроизводительность поршневого компрессора

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

, Вт, (10.1)

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

q_v - удельная объемная холодопроизводительность, Дж/м³.

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:

, (10.2)

где: D – диаметр цилиндра, м,

S – ход поршня, м,

n – частота вращения вала компрессора, с^-1,

z – число цилиндров.

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. Наибольшую наглядность про­цессов, происходящих в рабочей по­лости компрессора, дает индикатор­ная диаграмма (рис. 10.16).

В процессе 1—2 происходит пере­мещение поршня компрессора из “нижней мертвой точки” (НМТ) к “верхней мертвой точке” (ВМТ). Так, как оба клапана ком­прессора закрыты, а объем хладагента в полости цилиндра умень­шается, происходит повышение давления или сжатие хладагента. В точке 2 открывается выпускной (нагнетательный) клапан и хладагент при давлении р_к нагнетается в конденсатор холодильной машины (процесс 2—3).

В точке 3 поршень находится в ВМТ и процесс нагнетания за­канчивается. Из цилиндра компрессора не весь хладагент подается в конденсатор. Часть сжатого до давления р_к хладагента остается в “мертвом объеме” (отрезок С). При движении поршня от ВМТ по направле­нию к НМТ оставшийся в “мертвом объеме” хладагент расширяется (его давление понижается) — процесс 3—4.

В точке 4 открывается впускной (всасывающий) клапан комп­рессора и начинается процесс всасывания, т.е. заполнения полости цилиндра парообразным хладагентом из испарителя холодильной машины (процесс 4—1). При достижении поршнем положения НМТ процесс всасывания заканчивается.

Наличие мертвого объема приводит к тому, что на части хода поршня, соответствующего объему С, происходит расширение хладагента. Чем меньше “мертвый объем”, тем меньше потерь на расширение, т.е. меньше величина С.

10.4.1. Объемные потери

В действительности в цилиндре компрессора пара сжимается меньше, чем это следует из величины V_h,м³/с. Отличие обусловлено совокупностью причин, связанных с объемными потерями в компрессоре. Среди этих причин принято выделять объемные потери компрессора ( ), потери, связанные с подогревом пара при всасывании ( ), с дросселированием холодильного агента, проходящего через всасывающий и нагнетательный клапаны ( ), с утечками пара через неплотности ( ).

Наиболее значимыми являются объемные потери ( ), обусловленные наличием “мертвого пространства”. Поршень вплотную не подходит к крышке цилиндра. Пространство между поршнем и крышкой цилиндра, включая щели до пластин клапанов, представляет собой “объемное мертвое пространство С” (рис. 10.16). Наличие “мертвого пространства” связано с тепловым расширением поршня и шатуна. При отсутствии “мертвого пространства” поршень достигнет клапанной доски. При этом не исключается поломка конструктивных элементов компрессора.

При ходе поршня в сторону нижней мертвой точки (НМТ) пар, присутствующий в объеме “С” расширяется, занимая часть полезного объема цилиндра “С₁”.

В поршневых компрессорах объем “мертвого пространства” может составлять 3…5% объема цилиндра.

Потери, связанные с подогревом ( ), обусловлены тем, что холодильный агент при всасывании касается нагретых стенок цилиндра и расширяется. Это приводит к уменьшению массы холодильного агента, поступающего в цилиндр.

Потери холодильного агента во всасывающем и нагнетательном клапанах при дросселировании ( ) обусловлены малым проходным сечением клапанных каналов. Кроме того, при всасывании и нагнетании, для преодоления упругости клапанов и клапанных пружин, давление холодильного агента в цилиндре компрессора должно быть ниже давления кипения, а при сжатии - выше давления конденсации.

Остальные потери холодильного агента относят к потерям его через так называемые “неплотности” ( ), величина которых зависят от особенностей конструкции компрессора и меры износа его конструктивных элементов.

Коэффициент подачи компрессора или, проще говоря, К.П.Д. компрессора, выражают произведением всех объемных коэффициентов:

, (10.3)

Таким образом, действительная холодопроизводительность компрессора может быть выражена следующим образом:

, (10.4)

Для одного и того же компрессора, при постоянной частоте вращения коленчатого вала, величина V_h,м³/с постоянна. Коэффициент подачи компрессора , а так же массовая q_o,кДж/кг и объемные q_v,кДж/м³ холодопроизводительности компрессора зависят от температурного режима работы холодильной машины (температуры кипения и конденсации).

Графически коэффициент подачи компрессора принято представлять как функцию отношения давлений конденсации p_k,МПа и кипения p_o,МПа (рис. 10.17).

10.4.2. Энергетические потери

Вращение вала компрессора обеспечивается электродвигателем. Мощность электродвигателя оценивается на основе соотношения:

, (10.5)

где: N_т – теоретическая мощность компрессора, Вт,

- индикаторный, механический коэффициенты компрессора, коэффициенты энергетических потерь в электродвигателе и приводе электродвигателя, например, клиноременной передаче.

- приближенно равны 0.9...0.97.

Теоретическая мощность, потребляемая компрессором на адиабатическое сжатие холодильного агента N_e,Вт устанавливают на основе соотношения:

,Вт, (10.6)

где: M – массовая производительность компрессора, кг/с,

l = (i₂ - i₁) – энергия, затрачиваемая на адиабатное сжатие холодильного агента в компрессоре, Вт.

i₂, - теплосодержание холодильного агента в конце процесса сжатия, Дж/кг,

i₁ - теплосодержание холодильного агента в начале сжатия, Дж/кг.

Массовую производительность компрессора выражают отношением холодопроизводительности холодильной машины Q_o,Вт, к удельной массовой холодопроизводительности 1 кг холодильного агента q_o,Дж/кг:

, кг/с. (10.7)

Удельная массовая холодопроизводительность 1 кг холодильного агента q_o,Дж/кг выражается через разность теплосодержаний холодильного агента:

, Дж/кг, (10.8)

где: i₄ – теплосодержание жидкого холодильного агента перед его дросселированием в регулирующем вентиле, Дж/кг.

Помимо объемных потерь, снижающих производительность компрессора, существуют энергетические потери, приводящие к увеличению энергетических затрат на при­вод компрессора.

, (10.9)

где: l - удельная массовая работа сжатия, Дж/кг; i₁ - энтальпия хладагента на входе в компрессор, Дж/кг; i₂ - энтальпия сжатого хладагента на выходе из компрессора, Дж/кг.

В действительном цикле компрессора присутствуют потери, приводящие к увеличению мощности. Мощность, затрачиваемая в действительном цикле компрессора на сжатие хладагента, на­зывают индикаторной мощностью N_i . Индикаторная мощность N_i всегда боль­ше теоретической N_m на величину потерь. Эти потери обусловлены гидравлическими сопротивлениями при движении хладагента че­рез клапаны, теплообменом в цилиндре компрессора и другими факторами.

Соотношение между теоретической N_m и индикаторной мощ­ностями N_i, принято называть индикаторным коэффициентом по­лезного действия

, (10.10)

где: N_m, N_i - теоретическая и индикаторная мощности соответствен­но, Вт.

Индикаторный к.п.д. не учитывает потерь на трение в под­шипниках и всех движущихся частей компрессора. Эффективная мощность или мощность, подведенная к валу компрессора, учи­тывает все потери на трение:

, (10.11)

где: D N_mp - мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения во всех движущихся частях компрессора (потери на трение), Вт.

Отношение индикаторной мощности , к эффективной N_e по­лучило название механического коэффициента полезного действия

, (10.12)

Для хладоновых малых и средних по производительности холодильных компрессоров величина механического к. п. д. составляет = 0.84...0.97.

10.5. Оценка холодопроизводительности холодильных машин, работающих при различных температурных режимах

В справочных данных холодопроизводительность холодильной машины указывается при условии ее работы в номинальном (стандартном режиме) тепловом режиме. Под номинальным режимомпонимается режим холодильной машины, работающей в рамках фиксированных параметров температуры кипения t_o,^оС, конденсации t_к,^оС, температуры холодильного агента перед его подачей в компрессор (температуры всасывания) t_вс,^oC (t₁,^oC) и температуры переохлаждения холодильного агента перед дросселированием t_п,^оС. Параметры номинальных режимов для холодильных агентов отражены в таблице 10.1.

Таблица 10.1.

Номинальные (стандартные) режимы работы холодильных машин

Холодопроизводительность холодильной машины, работающей в номинальном режиме, называют номинальной холодопроизводительностью Q_o,_ном, Вт.

Работа холодильной машины в температурном режиме отличном от номинального, называют рабочим режимом, а его холодопроизводительность – рабочей холодопроизводительностью Q_o,_раб, Вт.

Пересчет холодопроизводительности с рабочих условий на номинальные или наоборот, производится на основе соотношения:

(10.13)

где: , - коэффициенты подачи, рабочий и номинальный,

, - рабочая и номинальная удельные объемные холодопроизводительности, Дж/м³.

Обычно выражение 10.13 представляют в виде решения относительно номинальной холодопроизводительности Q_o,_ном, Вт:

. (10.14)

При необходимости, это же выражение позволяет пересчитать номинальную холодопроизводительность на рабочую. Подобный пересчет необходим, если температурный режим работы холодильной машины существенно отличается от номинального режима.

Контрольные вопросы:

55. Какая принята в холодильной технике классификация компрессоров?

56. В чем состоят конструктивные особенности непрямоточных сальниковых компрессоров открытого типа?

57. Каков принцип работы клапанов поршневого компрессора 2ФВ4?

58. Как устроено сальниковое уплотнение компрессора?

59. Каковы эксплуатационные достоинства и недостатки компрессоров герметичных?

60. В чем состоит конструктивная особенность компрессоров герметичных с экранированным ротором?

61. Каковы конструктивные и эксплуатационные особенности спиральных компрессоров?

62. Каким образом обеспечивается сжатие холодильного компрессора в винтовых компрессорах?

63. Каковы конструктивные особенности центробежных компрессоров?

64. В чем смысл коэффициента подачи компрессора?

65. От чего зависит величина объемных потерь в цилиндре компрессора?

66. Как оценивается величина энергетических потерь в компрессоре холодильной машины?

67. Какие параметры являются основой для выбора холодильной машины?

Глава 11

11. Теплообменные аппараты

Основными теплообменными аппаратами холодильной машины являются испаритель и конденсатор.

11.1. Теплообмен в испарителях и конденсаторах

Целевое назначение теплообменных аппаратов - обеспечить интенсивный обмен тепла между холодильным агентом и охлаждаемой (испаритель) и теплоотводящей (конденсатор) средами.

Интенсивность любого теплообмена зависит от разности температур между средами, свойств, прежде всего теплофизических, этих сред, свойств материала через которое осуществляется теплоперенос, скорости движения сред, участвующих в теплообмене.

Уравнение теплового потока Q, Вт выражают следующей зависимостью:

, (11.1)

где: k - коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата, Вт/(м2×К),

F - площадь поверхности теплообмена, м2,

- средний логарифмический температурный напор между средами, оС.

, (11.2)