Регулирование производительности компактных винтовых компрессоров

Регулирование производительности компактных винтовых компрессоров

Компактные винтовые компрессоры традиционной конструкции с золотником могут работать и с внешним частотным преобразователем. Золотниковое управление в этом случае используется только для стартовой разгрузки. После выхода на режим производительность компрессоров регулируется посредством частотного преобразователя.

Диапазон регулирования при этом зависит от некоторых ограничений, распространяющихся на компактные винтовые компрессоры как с внешним, так и со встроенным частотным преобразователем.

Исходя из параметров электропитания (400В/Зф/50Гц в Центральной Европе или 460В/Зф/ 60Гц в США), необходимо выбрать нужный электродвигатель и частотный преобразователь. Из-за высокой стоимости частотных преобразователей разработчики обеспечивают требуемую максимальную производительность холодильного оборудования увеличением частоты вращения вала компрессора, а следовательно, его производительность будет значительно выше номинальной. Таким способом можно получить лучшее соотношение стоимости установки и ее производительности.

Основное условие работы частотного преобразователя — это соблюдение постоянного отношения напряжения питания к рабочей частоте (U/f = const). Если компрессор со стандартным электродвигателем подключать в сеть 400В/Зф/50Гц через частотный инвертор,то при частоте на выходе больше 50 Гц напряжение, подаваемое на электродвигатель, будет пониженным.

Напряжение на выходе из частотного преобразователя не может быть выше напряжения сети. Если электродвигатель в определенной рабочей точке обладает достаточным резервом мощности, то он может эксплуатироваться с понижением напряжения на 20 %. Но для компрессоров, используемых в системах кондиционирования с высокими рабочими температурами, крайне маловероятно, чтобы их электродвигатели при максимальной нагрузке обладали большим резервом. Поэтому здесь требуются компрессоры со специальными электродвигателями. При питании от сети 400В/Зф/50Гц эти электродвигатели могут эксплуатироваться с регулированием до 87 Гц без понижения напряжения. Недостаток такого варианта в том, что компрессор со специальным электродвигателем не может напрямую подключаться и работать от обычной сети. Кроме того, рабочий ток и типоразмер частотного преобразователя из-за низкого напряжения электродвигателя возрастает на коэффициент 1,73. Потенциал производительности при частотном регулировании компрессора до 87 Гц полностью не исчерпывается.

Винтовые компрессоры Copeland (Копланд) Германия

В холодильных установках большой производительности применяют винтовые компрессоры. Пожалуй, стоит разобраться, что же представляют эти устройства, в чём их особенности В конструкции винтового компрессора используют два ротора для сжатия газа. Роторы имеют разную форму, но подходят друг к другу точно. Когда роторы начнут вращаться, воздух всасывается с одной стороны, и оказывается в «ловушке» между роторами.

По сравнению с компрессорами поршневого типа, винтовой компрессор гораздо дороже. Но он будет работать в режиме 24/7 и 365 дней в году без каких-либо проблем в силу отсутствия пар трения и возвратно-поступательных механизмов (поршень-цилиндр). Производительность винтовых компрессоров, как правило, намного больше по сравнению с поршневыми компрессорами. Кроме холодильной техники винтовые компрессоры получили широкое применение при перекачке газов и для сжатия воздуха. В таких компрессорах существуют различия в конструкции. В маслозаполненном компрессоре пространство между роторами заполнено специальным маслом, обеспечивающим уплотнение зазоров и отвод тепла от рабочего вещества в процессе сжатия. В «сухих» компрессорах масло отсутствует. Зазоры между роторами в таких компрессорах существенно меньше за счёт очень высокого качества изготовления. Как следствие — повышается цена Маслозаполненные на сегодняшний день являются наиболее распространенными из винтовых компрессоров. Безмасляные винтовые компрессоры применяются в основном на крупных заводах, например химических, крупных предприятиях пищевой промышленности или в других местах, где сжатый воздух должен быть на 100% без масла (в противном случае это может привести к загрязнению пищевых продуктов или химических процессов).

К плюсам винтового компрессора относят:

— меньшую вибрацию по сравнению с поршневыми;
— высокую производительность, постоянный газовый поток;
— более низкие затраты энергии (по сравнению с поршневыми компрессорами одинакового размера);
— подходит для непрерывной работы (24/7)

К недостаткам винтового компрессора можно отнести:

— высокую стоимость по сравнению с поршневыми компрессорами;
— повышенный шум при работе.

Конструкция цифрового спирального компрессора

Чисто визуально компрессоры Digital Scroll (рис. 1) отличаются от обычных спиральных компрессоров наличием элемента, похожего на линию байпаса.

В принципе это и есть байпас, оснащенный соленоидным вентилем, но выполняет он несколько необычную функцию.

Как было сказано выше, компрессор работает циклами, каждый цикл делится на два участка — работа под нагрузкой и работа без нее. Максимальная длительность цикла составляет 30 секунд. Работа электродвигателя компрессора и вращение вала происходят постоянно и непрерывно.

Для реализации режима работы без нагрузки верхняя часть компрессора была перепроектирована так, чтобы верхняя спираль могла немного (не более чем на 1 мм) смещаться по вертикали.

Процесс регулирования (рис. 3) выглядит следующим образом:

1. Компрессор работает под нагрузкой. Соленоидный клапан закрыт. Пружина прижимает спирали друг к другу — обеспечивается сжатие газа.
2. По истечении интервала времени, отведенного на сжатие, на соленоид подается сигнал, клапан открывается. Давление в полости нагнетания падает, а давление под поршнем остается высоким, следовательно, поршень поднимается и поднимает за собой верхнюю спираль. Межспиральные объемы мгновенно объединяются. Несмотря на вращение вала, сжатия уже не происходит, газ с высоким давлением не генерируется. Энергопотребление в холостом режиме составляет 0,5 кВт.
3. По окончании длительности холостой работы подается сигнал на закрытие соленоидного вентиля, и компрессор снова работает на сжатие.

Таким образом, мгновенная производительность компрессора составляет либо 100, либо 0 %, плавное регулирование холодопроизводительности достигается за счет изменения длительности работы на сжатие.

Холодильные компрессоры

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

Отличия условий работы компрессоров в составе холодильных машин от условий работы компрессорных машин общего назначения:

работают в широком диапазоне изменения давлений всасывания и нагнетания;

часто хладагенты растворяют масла и условия смазки компрессора ухудшаются;

всасываемый пар имеет низкую температуру и часто несет капли жидкости;

может наблюдаться конденсация хладагента в цилиндре (при интенсивном охлаждении);

часто хладагенты очень текучи и обладают высокой проницаемостью;

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

В холодильной технике используются компрессоры нескольких типов объемного типа (поршневые, винтовые, спиральные) и кинетического действия (турбокомпрессоры, эжекторы).

Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры для холодильных машин, работающие на хладонах и аммиаке, с электрической мощностью больше 5 кВт, выпускаются в соответствии с ГОСТ 6492-84. Этим ГОСТом предусмотрены ограничения на степень повышения давления (Рк/Р0<9), на разность давлений (Рк-Р0<1,4 МПа), на температуру нагнетания (^<145 °С) 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 охлаждение, водой. У фреоновых компрессоров — воздушное, с оребрением цилиндров.

Достоинства:

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

• сложный доступ к подшипникам, смазочной системе и др. узлам, расположенным в блоккартере.

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.

• чувствительность к гидроударам.

Машины этого типа успешно вытесняются винтовыми компрессорами.

Винтовые компрессоры

Винтовые компрессоры широко применяются в холодильных машинах. 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.

высокий уровень шума;

необходимость охлаждения при средних и высоких степенях повышения давления.

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

Спиральные компрессоры

Данный тип оборудования чаще всего используется для сжимания безмасляных газов. Благодаря своим конструктивным особенностям они имеют некоторые преимущества перед другими типами компрессорного оборудования:

• снижение нагрузки на электродвигатель, особенно в момент его пуска;
• проходя через цилиндрический корпус, хладагент эффективно охлаждает двигатель;
• обеспечивается равномерность подачи газа;
• отличаются высоким уровнем надежности;
• имеют сниженный уровень шумности.

Недостатки

Наряду с целым рядом преимуществ спиральных компрессоров, они имеют и недостатки, которые мешают внедрять их более активно. Среди наиболее серьезных можно отметить два:

• сложные технология изготовления
• относительно невысокая производительность.

При этом нужно отметить, что на рынке сегодня предлагается все большее количество спиральных компрессоров, при постоянном повышении их качества. Стоит ожидать, что в скором времени этот тип оборудования начнет вытеснять другие менее надежные системы.

Турбокомпрессоры

Это, как правило, центробежные компрессоры с объемной производительностью от 50-60 м /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 («=13000-15000 об/мин), поэтому при электроприводе необходимы редукторы.

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

Герметичные, полугерметичные и открытые компрессора

Холодильные компрессоры различаются по своей конструкции на герметичные, полугерметичные и открытые устройства.

Герметичные холодильные компрессоры

Герметичные компрессоры располагаются в одном корпусе с электродвигателем, который охлаждается непосредственно хладагентом. К их преимуществам можно отнести:

• экономичность;
• компактность;
• универсальность.

Герметичные холодильные компрессоры обладают сравнительно небольшой мощностью – до 35 кВт.

Полугерметичные холодильные компрессоры

Полугерметичные компрессоры применяются в установках, где требуется установить компактное оборудование большой мощности. Данный тип оборудования может развивать мощность до 350 кВт, чаще всего встречаются поршневые и винтовые модели компрессоров. Рабочая часть и электродвигатель устройства этого типа находятся в разборном корпусе, что делает компрессор более ремонтопригодным. Его можно разобрать, снять электродвигатель и заменить нужные детали. Регулировка режима работы может осуществляться закрытием части всасывающих клапанов. К другим преимуществам данного оборудования можно отнести:

• высокую мощность;
• компактность;
• удобство обслуживания.

Открытые холодильные компрессора

Главной особенностью открытого компрессора является наличие внешнего двигателя. Это достаточно громоздкая конструкция, но она имеет множество преимуществ. Чаще всего открытые компрессоры используются в крупных промышленных установках, где они наиболее эффективны. Вал, приводящий в движение механику компрессора, выходит за его пределы, поэтому требует специального уплотнения. Как правило, используется сальник или вращающееся уплотнение. Компрессор может вращаться со скоростью двигателя или, при использовании передачи (чаще всего клино-ременной) его скорость вращения можно увеличить, подобрав шкив нужного диаметра. Среди преимуществ данного типа компрессоров можно отметить:

Современные поршневые компрессоры – сплошные преимущества

Постоянное совершенствование компрессорной техники и внедрение инноваций привело к тому, что, применять принцип работы холодильных агрегатов на поршневых компрессорах становится все более выгодно, в т. ч. с экономической точки зрения:

• повышенная производительность при сниженном энергопотреблении;
• достаточно компактная конструкция, которую легко установить в ограниченном пространстве;
• многие модели серийно оснащаются масляным насосом, что обеспечивает цикл смазки, независимый от направления вращения коленчатого вала;
• возможность работать на наиболее распространенных хладагентах (R134a, R404A, R407C);
• предельное рабочее давление до 28 бар;
• практически полное отсутствие «мертвого объема»;
• отсутствие необходимости в дополнительном охлаждении;
• современные подшипники с уменьшенной степенью трения;
• материалом для изготовления клапанов служит ударопрочная пружинная сталь, что гарантирует огромный срок их эксплуатации.

Особенности расчёта основного параметра агрегата для нагнетания воздуха

Расчет производительности компрессора производится в объёмных, а не в массовых долях. Это часто создаёт путаницу при проведении расчётов основного параметра оборудования для покраски автомобиля. Если вы решили остановить свой выбор на импортном устройстве, помните, что в каталогах фирм-производителей величиной А (производительность) обозначается максимальное всасывание воздуха на входе.

Эта величина не показывает, какой объём сжатого воздуха будет поступать на краскопульт для покраски автомобиля. Производительность по всасыванию определяется объёмом воздуха, который наполнит ресивер за единицу времени (литров в минуту). Собираясь купить компрессор для покраски авто впервые, следует ориентироваться на требуемое значение потребления воздуха пневмокраскопультом.

Аппарат должен работать в кратковременно-повторном режиме. Если он производит такое же количество сжатого газа, что и потребляет, то режим функционирования будет беспрерывным, и агрегат станет перегреваться. Это приведёт к быстрому выходу из строя двигателя. Реальную потребность в воздухе для самого распространённого вида компрессора – поршневого – можно рассчитать по формуле:

N = (Pmax–Pmin) xV/t, где

Pmax – давление, требуемое для включения агрегата;

Pmin – давление, при котором агрегат выключается

V – объём ресивера;

t – время (мин.) в течение которого P в ресивере упадёт с максимального значения до минимального.

Чтобы определить производительность импортного компрессора для покраски автомобиля, производительность, указанную в паспорте, надо разделить на коэффициент b. Его величина зависит от давления в таких пропорциях:

• для 6 – 4 атм b=1,4;
• для 6 – 8 атм b=1,5;
• для 8 – 10 атм b=1,6.

Зависимость производительности агрегата от давления не прямо пропорциональна, и её нельзя увеличить в разы, снизив давление. Многие умельцы, чтобы увеличить производительность нагнетательных устройств, увеличивают шкив на двигателе на 30-35 %. Производительность аппарата становится больше, но при этом нагревается головка.

Таким образом, чтобы не привести двигатель к быстрой поломке, лучше выполнить простые расчёты и приобрести компрессор с необходимой производительностью.