Практическое занятие № 4 Тепловой расчет и подбор одноступенчатых и многоступенчатых компрессоров для термотрансформаторов

Компрессор – основной элемент теплового насоса, предназначенный для отсасывания паров хладагента из испарителя, сжатия от давления кипения до давления конденсации и перемещения в конденсатор. Энергия, подводимая двигателем к валу компрессора, преобразуется в энергию сжатого пара, что обеспечивает осуществление цикла.

По принципу действия компрессоры делят на две 2 группы:

-компрессоры объемного сжатия, в которых пар сжимается благодаря уменьшению замкнутого объема рабочего пространства, это - поршневые, винтовые и ротационные машины;

-компрессоры динамического сжатия, в которых процесс сжатия происходит при непрерывном принудительном перемещении рабочего вещества через проточную часть компрессора (при этом кинетическая энергия потока переходит в потенциальную), это – центробежные, осевые и вихревые машины.

В зависимости от вида применяемого хладагента холо­дильные компрессоры делятся на аммиачные и хладоновые (R12, R22, R502 и др.).

В зависимости от температурного диапазона работы разделяют на высокотемпературные (от 10 до-15 ^оС), среднетемпературные (от - 10 до-30^оС) и низкотемпературные (ниже -30^оС).

По холодопроизводительности компрессоры, условно делят на малые (Q_o < 10 кВт), средние (10-60 кВт) и крупные (> 60 кВт).

По частоте вращения вала различают компрессоры с часто­той вращения 12,16,25 и 50 с^-1.

По степени герметичности компрессоры классифицируют на открытые (сальниковые), полугерметичные (бессальниковые) со встро­енным электродвигателем, но с отъемными крышками и герметичные со встроенным электродвигателем в заваренном кожухе без разъемов.

В зависимости от типа привода компрессоры бывают с электродвигателями, двигателями внутреннего сгорания и др.

По характеру смазочного устройства различают компрессоры принудительной смазкой и со смазкой разбрызгиванием.

Поршневые компрессоры различаются по следующим признакам:

• типу кривошипно-шатунного механизма - крейцкопфные и бескрейцкопфные;

• направлению движения паров хладагента в цилиндре - пря­моточные и непрямоточные;

• числу ступеней сжатия - одно-, двух-и трехступенчатые;

• количеству цилиндров - одно- и многоцилиндро­вые (2, 4, 6, 8 и 16);

• расположению осей цилиндров - горизонтальные, U-, W, UU- и звездообразные

• по конструк­ции корпуса компрессора - блок-картерные и блок-цилиндровые;

характеру охлаждения - с водяным и воздушным охлаждением, и т. д. Наибольшее распространение получили бескрейцкопфные компрессоры.

Схемы работы бескрейцкопфных компрессоров показаны на рис. 4.1. В прямоточных компрессорах (рис. 4.1, а) всасывающие клапаны 5 расположены в днище поршня 6, а нагнетательные клапаны 1- в верхней внутренней крышке безопасности (ложной крышке) 4. Всасывающий патрубок 7 компрессора сообщается с полостью поршня. Нагнетательный патрубок 2 расположен в верхней части цилиндра.

Рисунок 4.1 - Схемы работы бескрейцкопфных компрессоров

При ходе поршня вниз в рабочей полости цилиндра давление над поршнем снижается, всасывающий клапан открывается, и пар через всасывающий патрубок 7 поступает в надпоршневое пространство. При движении поршня вверх всасывающий клапан закрывается, пар сжимается и выталкивается через открытый нагнетательный клапан 1 и через патрубок 2 в конденсатор. Ложная крышка 4, прижимаемая к цилиндру буферной пружиной 3, предохраняет компрессор от гидравлического удара при попадании жидкого хладагента в цилиндр.

В прямоточных компрессорах объемные потери, вызываемые подогревом всасываемого пара, уменьшаются за счет меньшего нагрева пара, поступающего в цилиндр.

Недостатки прямоточных компрессоров - большая масса поршня, ограничивающая частоту вращения коленчатого вала, и невозможность регулирования холодопроизводительности компрессора путем принудительного открытия всасывающих клапанов.

Непрямоточные компрессоры выполняются двух видов: с расположением всасывающих и нагнетательных клапанов в клапанной плите (4.1, б) и с периферийным расположением всасывающего клапана (рис. 4.1, в).

В малых хладоновых компрессорах всасывающие 5 и нагнетательные 1 клапаны расположены в неподвижной клапанной плите 9 (см. рис. 4.1, б). Крышка цилиндров разделена перегородкой 8 на вса­сывающую и нагнетательную полости. При ходе поршня вниз давление в цилиндре снижается и через всасывающий клапан 5 в рабочую полость цилиндра всасывается пар из испарителя. При ходе поршня вверх всасывающий клапан закрывается, пар сжимается и через нагнетательный клапан выталкивается в конденсатор.

В непрямоточных компрессорах средней и крупной холодопроизводительности всасывающие клапаны размещены периферийно (рис. 4.1, в), что позволяет увеличить проходное сечение клапа­нов, (всасывающих и нагнетательных) и, следовательно, уменьшить дроссельные потери.

Поршни непрямоточных компрессоров имеют меньшую массу, что делает возможным увеличение частоты коленчатого вала.

Прямоточные и непрямоточные бескрейцкопфные компрессоры имеют следующие основные узлы и детали: картеры (блок-картеры), цилиндры (блоки цилиндров, гильзы цилиндров), поршни с поршневы­ми кольцами, кривошипно-шатунный механизм (шатуны, коренные и эксцентриковые валы), сальники, клапаны (всасывающие и нагне­тательные), смазочное устройство, предохранительные клапаны и др.

Ротационные компрессоры

Компрессор, в котором ротор (поршень) вращается относительно цилиндра, называется ротационным. По характеру движения ротора ротационные компрессоры разделяют на две основные группы: с катя­щимся ротором и с вращающимся ротором. На рис. 4.2 изображена схема ротационного компрессора с катящимся ротором. По неподвиж­ной поверхности цилиндра 1 катится ротор 2, который приводится в движение валом с эксцентриком. Так как ось ротора смещена относи­тельно оси цилиндра, то между цилиндром и ротором образуется сер­повидная полость, положение которой непрерывно меняется в зависи­мости от угла поворота ротора. Серповидная полость разделена плас­тиной (лопастью 3), плотно прижимаемой пружиной 4 к ротору, на две изолированные части: всасывающую и нагнетательную. Когда ротор находится в верхнем положении I и отжимает лопасть в паз, в цилинд­ре образуется одна серпообразная полость, заполненная парами хла­дагента. При дальнейшем вращении ротора пластина под действием массы и силы пружины опускается (положение II), разделяя цилиндр на две изолированные полости. Объем серповидной полости, находя­щейся за ротором, увеличивается, и полость заполняется паром из вса­сывающего трубопровода. Процесс всасывания заканчивается, когда всасывающая полость занимает максимальный объем (положе­ние III). По мере движения рото­ра объем полости перед ротором уменьшается, в результате чего пар сжимается; когда давление пара несколько превысит давле­ние в нагнетательном трубопро­воде (т. е. в конденсаторе), от­крывается нагнетательный клапан 5, и сжатый пар выталкивается в нагнетательный трубопровод (по­ложение IV).

Ротационные компрессоры по сравнению с поршневыми имеют ряд преимуществ: значительно меньшие габаритные размеры и масса; отсутствие всасывающих, а часто и нагнетательных клапанов; хорошая уравновешенность, что дает возможность отказаться от фундаментов, устанавливать компрессоры на верхних этажах зданий и применять их в транспортных установках. Вследствие небольшого количества движущихся частей, подвергающихся износу и поломке, ротационные компрессоры надежды в эксплуата­ции даже при работе влажным ходом и просты в обслуживании. Существенным их недостатком по сравнению с поршневыми компрес­сорами является большая точность изготовления, так как высокий КПД этих машин можно обеспечить при минимальных неплотностях между ротором и торцами цилиндра или пластинами и стенками цилинд­ра.

Рисунок 4.2 - Схема ротационного компрессора с катящимся ротором:

1 — цилиндр; 2 — ротор; 3 — лопасть; 4 — пружина; 5 — нагнетательный клапан

Винтовые компрессоры

Различают два типа винтовых компрессоров: 1) компрессоры су­хого сжатия, которые сжимают и нагнетают пар, не загрязненный маслом, т. е. в полость сжатия таких компрессоров масло не поступает; 2) маслозаполненные компрессоры, в полость сжатия которых подает­ся большое количество масла. В холодильной технике применяются в основном маслозаполненные винтовые компрессоры.

По сравнению с сухими они имеют преимущества: масло охлаждает сжимаемый пар и уплотняет зазоры между элементами компрессора, что уменьшает внутренние перетечки пара и повышает объемную подачу компрессора, а также снижает температуру пара при нагнета­нии, это позволяет упростить конструкцию компрессора, снизить частоту вращения, уменьшить шум, расширить область одноступенчатого сжатия, приблизить процесс сжатия к наиболее выгодному изо­термическому, повысив надежность и долговечность компрессоров, осуществить полную их автоматизацию.

К недостаткам винтовых маслозаполненных компрессоров отно­сится наличие развитой системы смазки, что приводит к увеличению массы и габаритов компрессорных агрегатов, повышению их стоимос­ти.

Винтовые компрессоры имеют преимущества и перед поршневыми: отсутствуют всасывающие и нагнетательные клапаны, возвратно-пос­тупательно движущиеся части, нет трения между ротором и корпусом, что повышает их надежность и долговечность и увеличивает межре­монтные сроки, однако энергетическая эффективность их несколько ниже, чем поршневых. С учетом вышеперечисленных преимуществ и недостатков винтовые маслозаполненные компрессоры целесообразно применять в диапазоне холодопроизводительности от 400 до 1750 кВт.

Винтовой компрессор показан на рис. 4.3. Компрессор состоит из корпуса 1, ведущего 2 и ведомого 4 роторов, регулятора производи­тельности и уплотнений.

Корпус I компрессора чугунный, литой, с одним вертикальным разъемом. В нем имеется рабочая полость с диагональным расположе­нием окон всасывания и нагнетания. Окно нагнетания выполнено в сменной торцевой приставке разных размеров, что позволяет унифи­цировать корпус в компрессорах с различными геометрическими сте­пенями сжатия (λ = 2,6; 4,0; 5,0). В цилиндрических расточ­ках корпуса находятся роторы (винты) ведущий 2 и ведомый 4, изго­товленные из легированной конструкционной стали, с зубчато-винто­выми лопастями. Ведущий ротор, соединенный с электродвигателем муфтой, имеет четыре выпуклых зуба, ведомый ротор, приводимый в движение давлением пара, сжимаемого в рабочих полостях, имеет шесть впадин. При вращении роторов профили зубьев взаимно обкаты­ваются, не соприкасаясь друг с другом, что достигается точным выпол­нением профилей зубьев и синхронизирующей парой шестерен 8, которая удерживает валы ротора на определенном расстоянии друг от друга вследствие одинаковой угловой скорости их вращения и обес­печивает минимальные зазоры между профилями роторов (менее 1 мм), а также их крышками и расточкой корпуса - со стороны всасы­вания 0,5 мм, со стороны нагнетания 0,1 мм. Зазоры между ротором и цилиндрической поверхностью корпуса 0,25 мм. Опорами роторов служат подшипники скольжения 7 в виде бронзовых втулок (ГОСТ 5017) с заливкой баббитом (ГОСТ 1320), воспринимающие ра­диальные нагрузки.

При работе компрессора на роторах возникают большие не только радиальные, но и осевые нагрузки из-за значительной разности давле­ний нагнетания и всасывания (17... 18)10⁵ Па.

Осевые нагрузки, действующие на роторы, воспринимаются сдвоенными радиально-упорными шарикоподшипниками 6, установ­ленными в стакане 5, с диаметральным зазором и не воспринимающи­ми радиальных сил. Кроме подшипников 6 осевые нагрузки воспри­нимаются разгрузочным поршнем 9, который перемещается под дав­лением масла, подаваемого в полость перед поршнем. Вал ведущего ротора со стороны всасывания имеет уплотнение 3 торцевого типа с графитовыми кольцами трения.

Рисунок 4.3 – Винтовой компрессор