Промышленные спиральные компрессоры
Спиральный компрессор — разновидность компрессора (насоса) объёмного типа, в котором сжатие рабочей среды происходит при взаимодействии двух спиралей. Одна спираль остаётся неподвижной, а другая — совершает эксцентрические движения без вращения, благодаря чему обеспечивается перенос рабочей среды из полости всасывания в полость нагнетания.
В герметичном корпусе размещен электродвигатель, который приводит во вращение вал. В верхней части корпуса установлена неподвижная спираль. На валу установлена подвижная спираль, которая может перемещаться по направляющим совершая сложное движение относительно неподвижной спирали. В результате перемещения между спиралями образуются камеры (карманы), объем которых при дальнейшем движении уменьшается, и как следствие газ находящийся в этих карманах сжимается.
Также встречаются компрессоры с двумя подвижными спиралями, совершающими вращательное движение относительно разных осей. В результате вращения спиральных элементов также образуются камеры, объем которых при вращении уменьшается.
В большей степени от представленных выше вариантов отличается компрессор, в котором жесткий элемент выполненный в форме архимедовой спирали воздействует на гибкую упругую трубку. По принципу работы такой компрессор схож с перистальтическим насосом. Такие спиральные компрессоры обычно заполнены жидкой смазкой для снижения износа гибкой трубки и отвода тепла. Такие компрессоры часто называют шланговыми.
Винтовой и спиральный компрессоры объединяет не только лексика, но
и закономерности биографий. Изобретения, содержавшие принципы работы этих
машин, появились намного раньше, чем их удалось реализовать не то чтобы в
промышленных масштабах, но даже изготовить экспериментальные образцы. Оба были
открыты, как принято говорить, «на кончике пера». И эти открытия на многие
десятилетия опередили свое время, а точнее, существовавший тогда уровень
металлообработки. Станки, способные изготавливать детали с точностью, требуемой
для рабочих элементов спиральных компрессоров, появились совсем недавно.
Идеи, развивавшие устройство спирального компрессора, появились
еще в XIX веке. А свое стройное оформление нашли в самом начале века
двадцатого, в 1905 году. Во французском и американском патентах, полученных
французским инженером и писателем, автором научно-фантастических романов
«Путешествие Изабеллы к центру Земли» и «Секрет Доурады» Леоном Круа (Léon
Creux). В этих патентах речь шла о роторном паровом двигателе, но одновременно
с этим они содержали основные принципы устройства машины, которая сегодня носит
название спиральный компрессор или компрессор спирального типа. Потребовалось
почти целое столетие, прежде чем в 80-х годах XX века удалось организовать
промышленное производство спиральных компрессоров. За это время «от нуля» до
сверхзвуковых скоростей разогналась авиация, человечество полетело в космос и
сумело раскрыть тайны получения атомной энергии. А наладить промышленное
производство спиральных компрессоров никак не получалось. Одним из первых, кому
это удалось, стала японская компания Hitachi Ltd, с 1983 г. начавшая
устанавливать спиральные компрессоры в системах кондиционирования воздуха. У
истоков нового сегмента компрессорной техники стояла также американская
компания Copeland Corp. Спиральные компрессоры Copeland начали разрабатывать в
1979 году, а в 1987-м приступили к их серийному выпуску. Сначала на шести
производственных линиях завода в Сиднее (шт. Огайо). Затем был построен завод в
шт. Миссури, и организовано производство на европейских предприятиях компании в
Бельгии и Северной Ирландии. Сегодня Copeland Corp изготавливает ежегодно
примерно 5 млн спиральных компрессоров холодопроизводительностью от 5 до 170
кВт. Всего же в мире установлено свыше ста миллионов компрессоров Copeland
Scroll (компрессор спиральный на английском звучит как scroll compressor). Одна
из знаковых разработок компании ─ компрессор спиральный ZR ─ серия машин,
применяемых в оборудовании для климат-контроля, а также в промышленных, в т. ч.
прецизионных, системах охлаждения.
А ведь еще в середине 90-х во всем мире насчитывалось всего
несколько миллионов спиральных компрессоров…
Косвенным подтверждением молодости спиральных компрессоров
является тот факт, что в отечественном нормативном документе «ГОСТ 28567-90
Компрессоры. Термины и определения» о них не сказано ни слова. Хотя это вовсе
не означает, что российские инженеры не работали в этом направлении.
Исследования велись в Москве, Санкт-Петербурге, Казани.
В столице ─ во Всесоюзном научно-исследовательском
проектно-конструкторском и технологическом институте холодильного
машиностроения (ВНИИхолодмаш). Там был изготовлен образец спирального
компрессора СК-16 для морской холодильной машины МХМ25.
В Санкт-Петербурге, начиная с 80-х, исследования проводились в
Ленинградском институте холодильной промышленности. Затем его название
менялось: Санкт-Петербургская Государственная Академия холода и пищевых
технологий, Государственный Университет низкотемпературных и пищевых
технологий, а ныне ─ мегафакультет биотехнологий и низкотемпературных систем
Санкт-Петербургского национального исследовательского университета
информационных технологий, механики и оптики.
В Казани спиральные компрессоры разрабатывали в «НИИ
турбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа» ─ стратегическом партнере Казанского завода
компрессорного машиностроения (ОАО «Казанькомпрессормаш»).
Спиральный компрессор ─ сложный в производстве, простой в
эксплуатации
Спиральные компрессоры ─ машины объемного сжатия, как правило,
имеющие среднюю и малую производительность (0,05-1,5 м3/мин), ─
продукт высокотехнологичный. Производство, а также разработка и проектирование
спиральных компрессоров и сегодня остаются сложными задачами, а потому
представлены преимущественно в странах с высоким технологическим уровнем
машиностроения. (Что совсем не отменяет простоту их конструкции и удобство в
эксплуатации и обслуживании). Спиральные компрессоры можно уподобить
«лакмусовой бумажке», позволяющей судить об уровне развития научно-технического
потенциала страны происхождения фирмы-производителя.
Основная сложность заключается в организации экономически
конкурентоспособного производства качественных спиралей с точными размерами.
Экономический аспект чрезвычайно важен. Компрессор спиральный, цена которого
намного выше стоимости, скажем, винтового компрессора, не сумеет победить его в
технологической конкурентной борьбе.
Необходимо уметь изготовить спиральный компрессор, купить который
сможет широкий круг потребителей, а не единицы избранных.
В процессе проектирования спиральных компрессоров ─ разработки
конфигураций и размеров, а также моделировании рабочих процессов ─ широко
используют аналитические методы. В поисках наилучшего решения инженерам
приходится сталкиваться с задачами, включающими множество неизвестных и
переменных, принимать во внимание большое число взаимосвязанных между собой
механических и термодинамических факторов. Например, зависимость объемов
рабочих полостей, температуры и давления рабочей среды от геометрии спиралей.
Очень важно найти оптимальные размеры зазоров, определяющих объемы рабочей
среды, перетекающей между полостями. С одной стороны, обеспечивающие наилучшие
энергетические параметры, а с другой, исключающие заклинивание спиралей в
результате механических и тепловых деформаций.
Рабочая среда в спиральном компрессоре не только испытывает
сжатие, но и находится в постоянном движении, перетекая из полостей сжатия во
всасывающую полость. Наблюдается движение рабочей среды из областей сжатия с
более высоким давлением в области сжатия с более низким давлением и т. д. Все
эти перемещения не могут не оказывать влияния на потребляемую мощность,
коэффициент полезного действия и производительность спирального компрессора.
Вследствие газодинамических потерь процесс сжатия практически перестает быть
адиабатическим.
Нельзя упускать из виду вопросы прочности, отчетливо понимая,
какие величины сил и моментов способны выдержать рабочие элементы
компрессора. Серьезную технологическую задачу
представляют сборка и наладка спирального компрессора.
Спиральный компрессор: устройство и принцип работы
Работа спирального компрессора возможна благодаря рабочему блоку,
установленному внутри корпуса и состоящему из двух спиралей, ─ одной
неподвижной и другой, совершающей циклические движения. Оси спиралей, будучи
параллельными между собой, смещены на величину, равную эксцентриситету вала,
обеспечивающего перемещения подвижной спирали. Его вращение происходит за счет
контакта с валом электродвигателя ─ напрямую через муфту или через ременную
передачу. Неподвижная спираль, имеющая в центральной части отверстие для выхода
сжатого воздуха, жестко прикреплена к корпусу.
Благодаря наличию противоповоротного устройства (его функции может
выполнять специальная муфта или шестеренчатый механизм) подвижная спираль не
вращается, а совершает движения, больше похожие на колебания. Поскольку она
словно перемещается по некоей орбите, эти движения иногда называют
орбитальными. В результате такой траектории между спиралями образуются
замкнутые полости серповидной формы. При перемещении к центру их объем
уменьшается, а давление воздуха (воздушный спиральный компрессор) или газа
возрастает. В каждый момент времени существует несколько полостей: всасывающая,
промежуточная полость, из которой сжатая рабочая среда уходит в нагнетательное
отверстие. Работа спирального компрессора представляет совокупность нескольких
циклов: всасывания, сжатия, рабочего. Приуроченный к внешним частям спиралей
процесс всасывания, и к внутренним ─ процесс сжатия, происходят одновременно.
Наполненные газом серповидные области находятся на различных этапах сжатия, что
предопределяет плавность работы спирального компрессора.
Две спирали ─ одна стационарная, другая подвижная ─ не аксиома.
Возможны конструктивные решения с двумя подвижными спиралями. Используют
спиральные компрессоры, принцип работы которых предполагает наличие четырех
спиралей: двух неподвижных и двух подвижных, расположенных на одном
эксцентриковом валу.
Эффективный способ управления производительностью спирального
компрессора ─ изменяющий скорость вала частотный преобразователь. Возможно
регулирование с помощью изменения взаимного положения спиралей, вплоть до
холостого хода, когда замкнутые серповидные зоны сжатия не образуются.
Единый принцип работы объединяет все спиральные компрессоры;
особенности конструкции служат поводом для их классификации. По расположению
вала различают вертикальные и горизонтальные спиральные компрессоры. По числу
ступеней ─ одно-, двух- и многоступенчатые. Герметичный спиральный компрессор
(в отличие от открытого или полугерметичного) исключает попадание газа из
окружающей среды в компрессор и утечки сжимаемого газа из него.
Особенности конструкции рабочего блока спиральных компрессоров
позволяют отказаться от всасывающего и нагнетательного клапанов. И это не
единственное их преимущество.
Преимущества и область применения спиральных компрессоров
Возможность обойтись без всасывающего и нагнетательного клапанов,
как и целого ряда деталей и узлов, обязательных для других типов компрессоров,
означает повышенную надежность. Минимизация числа движущихся деталей
способствует упрощению сервиса и повышению сроков эксплуатации.
По сравнению с поршневым компрессором аналогичной
производительности у спирального суммарное число деталей меньше в два раза. А
масса и габаритные размеры ─ на 20-50%.
Еще одно достоинство спиральных компрессоров ─ более высокие энергетические
показатели по сравнению с компрессорами других типов, в т. ч. объемный и
эффективный коэффициент полезного действия. Спиральный компрессор даже в одной
ступени способен достигнуть отношения давления нагнетания к давлению сжатия
выше 10.
К числу достоинств спиральных компрессоров относятся невысокая
нагрузка на электродвигатель, не исключая момент пуска, и низкие уровни шума и
вибрации.
Благодаря многочисленным преимуществам спрос на спиральные
компрессоры на мировом рынке постоянно растет, и их производство каждый год
увеличивается на несколько процентов. Поскольку изготовление спиральных
компрессоров является технологически сложным, изначально основная часть
производственных мощностей была сосредоточена в США, Японии, Германии, Франции.
Сегодня можно говорить о диверсификации производства. Выпуск спиральных
компрессоров налажен в Южной Корее (с 2004 г. их изготавливает компания
Kyungwon Machinery под брендом COAIRE) и Таиланде. Важным игроком на рынке ─ и
не только в качестве потребителя, но и производителя ─ стал Китай.
Первой и до сих пор остающейся одной из важнейших областей
применения спиральных компрессоров является кондиционирование воздуха:
коммерческое, промышленное, в жилых помещениях. Спиральные компрессоры
используют в чиллерах, крышных кондиционерах, моноблоках.
Еще одна знаковая для этого вида компрессоров сфера использования
─ охлаждение ─ холодильная и криогенная техника. Спиральные холодильные
компрессоры, обеспечивающие движения хладагента, устанавливают в холодильниках,
морозильниках, охлаждаемых прилавках и витринах для замороженных продуктов.
Спиральные компрессоры нашли широкое применение в тепловых
насосах. Учитывая их компактность, а для безмасляных моделей не
принципиальность расположения в пространстве, они ─ привлекательное решение для
установки в системах кондиционирования транспортных средств. Спиральные
компрессоры небольшой мощности применяют в исследовательских лабораториях.
Их можно встретить в таких традиционных отраслях, в т. ч. тяжелой
промышленности, как сталелитейное производство или автомобилестроение.
Например, в пневматических системах, обслуживающих производственные линии
металлургических заводов.
Еще в конце 80-х фирма Volkswagen использовала спиральный
компрессор для наддува двигателей внутреннего сгорания.
При разговоре о спиральных компрессорах было бы неправильным
обойти тему безмасляных компрессоров.
Безмасляные спиральные компрессоры
Значение масла для компрессорной техники хорошо известно.
Во-первых, его впрыск в рабочие полости компрессора позволяет улучшить его
энергетические показатели за счет уплотнения зазоров и уменьшения работы
сжатия. Во-вторых, так удается снизить износ деталей в результате трения, а,
значит, увеличить ресурс компрессора. В третьих, масло помогает регулировать
температурный режим. Но сколь бы качественной не была очистка сжатого воздуха,
полностью избавиться от масляных паров невозможно.
Не редкость ситуации, когда качество воздуха является критически
важным, и над ответом на вопросы, какой ─ масляный или безмасляный ─ компрессор
предпочесть, или какой компрессор лучше: масляный или безмасляный ─ думать не
приходится. Правильный ответ один ─ компрессор воздушный безмасляный.
Известны безмасляный винтовой компрессор и безмасляный поршневой
компрессор. Широкое распространение получил безмасляный спиральный компрессор.
Полностью исключить попадание даже следов масла в сжатый воздух
принципиально необходимо при производстве лекарств, в медицине (компрессор
стоматологический безмасляный обеспечивает подачу воздуха в стоматологический
инструмент), пищевой промышленности, при переработке технологических газов,
покрасочных работах, в научно-исследовательских лабораториях, когда выражение
«чистота эксперимента» понимается буквально.
В большинстве случаев решая, какой компрессор ─ масляный или
безмасляный ─ лучше, исходят из анализа суммы факторов, сугубо индивидуальной в
каждой конкретной ситуации. Так, для промышленных компрессоров очень важен
такой фактор как ресурс, который у маслозаполненных компрессоров выше. Но для
периодического использования в бытовых целях электрический безмасляный
компрессор купить может оказаться целесообразнее.
Безмасляные спиральные компрессоры предъявляют более жесткие
требования к профильной и торцевой герметичности, чем компрессоры с впрыском
жидкости, т. н. жидкостнозаполненные. Первую можно увеличить за счет высокой
точности изготовления; вторую ─ использованием уплотнительных элементов.
Учитывая, что рабочий процесс в безмасляном спиральном компрессоре
сопровождается интенсивным теплообменом между рабочей средой и стенками
спиральных элементов, необходимо организовать эффективный отвод тепла.
В какой-то степени все связанные с вышесказанным издержки
позволяет уменьшить снижение затрат на эксплуатацию, обусловленное отказом от
фильтров, а также сокращением расходов на техническое обслуживание и обработку
масляного конденсата.
Производить
спиральные компрессоры в промышленных масштабах научились сравнительно недавно.
И до сих пор высокие требования к точности изготовления деталей и качеству
сборки сдерживают рост их производительности и повышение давления. Но время
играет на их стороне. Технологии производства постоянно совершенствуются, в ход
идут новые конструкционные материалы. А это значит, что перспективы у
спиральных компрессоров самые благоприятные.
Пн-Пт с 9:00 до 18:00