Спиральный компрессор

Спиральный холодильный компрессор, также известен как спиральная помпа, — это механическое устройство, из категории объемных машин, предназначенное для сжатия паров хладагента.

Принцип действия спирального компрессора

Камеры (полости) для сжатия и разряжения, в спиральном компрессоре, создаются при помощи спиралей: неподвижной и подвижной. При движении подвижной спирали относительно неподвижной происходит изменение объема камер компрессора, и соответственно, сжатие и разряжение газов.

Предназначение спирального холодильного компрессора

Предназначение спирального холодильного компрессора, такое как и других видов компрессоров холодильных установок — он предназначен для сжатия и подачи паров холодильного агента (хладагента) в холодильной установке.

Если сравнивать спиральный холодильный компрессор с другими видами компрессоров, например, с распространенным поршневым компрессором, то заметен ряд преимуществ. Спиральный компрессор компактнее, легче, не так шумен, меньше подвержен вибрациям, обладает более высоким КПД.

Конструкция и устройство спирального компрессора

По конструкции, спиральный компрессор — это объемная одновальная машина. Например, спиральный компрессор, с плоскопараллельным движением спирального элемента.

Устройство спирального компрессора отличается простотой и меньшим количеством деталей, что повышает надежность и удешевляет стоимость производства компрессоров. Отсутствуют всасывающие клапаны, и даже нагнетательные клапаны. В качестве холодильного агента можно применять практически любой из используемых хладагентов.

Область применения спирального холодильного компрессора

Область применения спирального компрессора достаточно широка, например, в пищевой промышленности для холодильной техники, либо как компрессоры для тепловых насосов, либо для прочих малых и средних холодильных установок.

Но основная область применения спирального холодильного компрессора — это системы кондиционирования.

Разновидности спиральных компрессоров

Спиральные компрессоры можно группировать по различным критериям, и по общим критериям классификации компрессоров. Например,

Классификация спиральных холодильных компрессоров по ступеням сжатия:

Классификация спиральных холодильных компрессоров по типу спирали:

• компрессор с эвольвентной спиралью,
• компрессор со спиралью Архимеда,
• компрессор с кусочно-окружной спиралью
• с прочими типами спиралей;

Классификация спиральных холодильных компрессоров по расположению вала:

Классификация спиральных холодильных компрессоров по другим условиям:

• герметичный спиральный компрессор;
• бессальниковый (полугерметичный) спиральный компрессор;
• сальниковый (открытый) спиральный компрессор;

• маслозаполненный спиральный компрессор, с впрыском капельной жидкости (хладагента);
• спиральный компрессор сухого сжатия;

Свойства и особенности спирального компрессора

• надежность;
• низкий уровень шума, в том числе и во время пуска (начала работы);
• низкая вибрация;
• компактность;
• небольшой вес компрессора;
• низкое число отказов в работе компрессора;
• высокий коэффициент полезного действия (КПД);
• незначительные потери при работе компрессора;

Некоторые характеристики спирального холодильного компрессора

Холодильный коэффициент (кондиционирование воздуха)

Спиральные холодильные компрессоры — это современные компрессоры, которые благодаря своих преимуществам, быстро и уверенно занимают свое лидирующее место среди компрессоров для холодильных машин.

Спиральный компрессор

Спиральный компрессор — устройство для сжатия газа (воздуха или хладагента), за счет уменьшения его объема в камерах, образованных поверхностями спиралей.

Спиральные компрессоры используются в системах кондиционирования, охлаждения, нагрева, в автомобилях, в криогенных и холодильных системах, в качестве вакуумных насосов.

Устройство и принцип работы спирального компрессора

Существует несколько типовых конструкции спиральных компрессоров.

Наиболее распространенный вариант — использование двух спиральных элементов, установленных с эксцентриситетом. Один из этих элементов подвижный, другой нет.

Конструкция компрессора с одной подвижной спиралью

Спиральный компрессор показан на рисунке.

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.

Принцип работы такого компрессора показан в ролике:

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.

Динамические клапаны

В спиральных компрессорах клапан на всасывании не нужен, т.к. подвижная спираль сама отсекает рабочую камеру от канала всасывания. В линии нагнетания спирального компрессора может устанавливаться динамический клапан, который не допускает обратного потока и, как следствие, вращения спирали под действием сжатого газа при выключенном двигателе. При этом следует учитывать, что динамический клапан создает дополнительное сопротивление в линии нагнетания.

Динамические клапаны устанавливают в линии нагнетания средне- и низкотемпературных компрессоров Copeland, предназначенных для холодильной техники.

Достоинства спиральных компрессоров

Спиральный компрессор работает более плавно, и надежно, чем большинство других объемных машин. В отличие поршней, подвижная спираль может быть идеально уравновешена, что сводит к минимуму вибрацию.

Отсутствие мертвого объема в спиральных компрессорах обуславливает повышенную объемную эффективность.

Спиральные компрессоры обычно обладают меньшей пульсацией чем поршневые компрессоры с одним поршнем, но большей чем много поршневые машины.

Спиральные компрессоры имеют меньше движущихся частей, по сравнению с поршневыми, что, теоретически, обеспечивает их большую надежность.

Спиральные компрессоры, как правило, очень компактны и не требуют пружиной подвески, вследствие плавной работы.

Недостатки спиральных компрессоров

Спиральные компрессоры чувствительны к загрязнению перекачиваемого газа, т.к. мелкие частицы могут оседать на поверхности спирали, что не позволит обеспечить достаточную герметичность рабочей камеры.

Вал спирального компрессора должен вращаться только в одном направлении.

Регулируемые спиральные компрессоры

Долгое время спиральные компрессоры выпускались без возможности регулировки производительности. При необходимости уменьшить подачу использовалось частотное регулирование приводного электродвигателя, либо перепуск части газа из линии нагнетания в линию всасывания.

В настоящее время регулируемые спиральные компрессоры производятся компанией Emerson. В этих компрессорах может изменяться расстояние между осями вращения спиралей, при необходимости это расстояние можно выбрать таким, что между спиральным элементами не будут образоваться камеры, а значит подача компрессора будет рана 0. Чередуя два различных рабочих состояния (холостой и рабочий ход) с помощью электронного управления, можно добиться требуемой производительности.

Библиотека — Полезная информация

Данный материал посвящён воздушным спиральным компрессором.

Краткое содержание статьи и какие вопросы мы сегодня рассмотрим:

• краткая история спиральных компрессоров от возникновения идеи до производства первых коммерческих моделей;
• конструкции принцип действия спиральных компрессоров (сделаем акцент на работе спирального блока);
• области применения (озвучим основные);
• преимущества и недостатки спиральных компрессоров;
• в конце мы подведём итог.

Спиральный компрессор — это машина объемного сжатия, то есть повышение давления газа происходит за счет уменьшения объема рабочих полостей. Основные технические принципы и идеи, на базе которых можно было приступить к производству спиральных компрессоров проскальзывали уже в конце 19 века, но непосредственно до производства первой коммерческой модели дело дошло только в 1983 году. Японская компания Hitachi выпустила первый спиральный компрессор, который был использован в воздушном кондиционере. То есть сжимал компрессор не воздух, а хладагент.

Речи о масштабном производстве тогда не стояло, так как, несмотря на несложную с первого взгляда конструкцию спирального компрессора, для их массового изготовления требуется высокий уровень технологической подготовки производства. Поэтому между появлением идеи и ее реализацией прошло около века, так как лишь в начале 2000-х годов появилось оборудование, которое позволило с необходимой точностью обрабатывать детали для создания рабочих элементов в промышленных масштабах.

Сегодня же, ситуация выглядит совсем иначе, и эти аппараты производятся по несколько миллионов штук в год. Чаще всего речь идет о холодильных спиральных компрессорах, которые используются в кондиционерах, холодильниках и так далее. Но дальше говорить будем только о воздушных компрессорах. И хотя сжатие и хладагента и воздуха осуществляется по одному принципу, конструкции воздушного и холодильного компрессоров значительно отличаются. Поэтому давайте посмотрим из каких же узлов и элементов у нас состоит воздушный спиральный компрессор и как он вообще работает.

В качестве примера мы выбрали установку, которая нам отлично подходит с точки зрения наглядности. Итак, что мы тут видим: электродвигатель, крутящий момент от которого, с помощью ременного привода, мы передаем на спиральный блок, где и происходит сжатие воздуха. Здесь расположены воздушные фильтры, которые устанавливаются на режим всасывания, концевой охладитель, панель управления, обратный клапан и, в нашем случае, есть ресивер, хотя некоторые спиральные компрессоры поставляются без него.

Основным элементом, конечно же, является спиральный блок не только потому что здесь происходит сжатие воздуха, но и потому что он составляет около 60 процентов стоимости всего компрессора. Состоит он из двух спиралей: подвижной и неподвижной, уплотнения, корпуса, коленчатого вала, пальцев кривошипа, вентилятора охлаждения, приводного шкива и защитного кожуха. В собранном виде мы уже можем рассмотреть те самые полости, в которых воздух сжимается, когда подвижная спираль осуществляет орбитальное движение.

Принцип действия спирального блока мы разберём на основе холодильного спирального компрессора, так как сжатие хладагента происходит таким же образом, как и сжатие воздуха. Итак, после того как воздух прошел через воздушный фильтр, он попадает спиральный блок, где у нас имеется сразу две свободные полости. После небольшого пути подвижной спирали эти полости закрываются и начинают уменьшать, перемещаясь от периферии к центру, где у нас находится нагнетательное окно. В это время в блок попадает новая порция воздуха, таким образом мы имеем сразу несколько полостей с различными давлениями: атмосферное, промежуточное и давление нагнетания. И это даёт нам очень важное преимущество. Дело в том что у нас нет ярко выраженных границ между областью с высоким давлением и низким. Как, например, в случае с поршневым компрессором, где с одной стороны поршня давление нагнетания, а с другой — атмосферное, что может стать причиной значительных перетечек воздуха из области высокого давления в область с низким.

Благодаря отсутствию такой большой разницы давлений между полостями, в спиральных компрессорах удаётся значительно снизить нежелательные радиальные и тангенциальные перетечки. Радиальные — это между спиралями, а тангенциальные — между спиралями и корпусом. Чем меньше перетечек, тем выше КПД блока, соответственно ниже затраты на
электроэнергию.

Продолжая тему перетечек напомним, что в обычных компрессорах эта проблема решается при помощи масла, например, как в масслозаполненных винтовых или поршневых установках. Масло уплотняет зазоры и уменьшает перетекание воздуха по полостям сжатия. Но в нашем спиральном компрессоре сжатие сухое. С одной стороны — это очень хорошо, т.к. мы получаем безмасляный воздух хорошего качества, за что спиральные компрессоры и ценят. С другой стороны, без использования охлаждающей жидкости, то есть масла, мы не можем эффективно отводить тепло, которое выделяется при сжатии воздуха. Поэтому температура воздуха на выходе спирального блока может достигать 200 градусов. В качестве основного инструмента по отводу тепла у нас вступают разве что охлаждающие рёбра на крышке спирального блока и на этом всё, и в этом проблема.

Если вы просматривали характеристики спиральных компрессоров, то наверное заметили, что максимальное давление обычно ограничивается 10 барами. Именно этим и объясняются ограничение в давлении, так как без использования охлаждающей жидкости производить сжатый воздух до более высоких давлений в одной ступени нецелесообразно. Кроме этого, при давлении свыше 10 бар у нас значительно увеличится нагрузка мы подшипники, которые и так работают в тяжелых условиях, особенно подшипник на эксцентрике.

После спирального блока воздух через нагнетательное окно подает на концевой охладитель, после него — либо в ресивер, либо сразу потребителю. В целом, спиральный компрессор очень похож на привычный нам всем поршневой, только вместо поршневой головы у нас стоит спиральный блок.

Переходим к областям применения. Чаще всего спиральные компрессоры используются там, где необходим строго безмасляный сжатый воздух: медицина, стоматология, интенсивная терапия, анестезия, хирургия и так далее, достаточно серьезные области, где речь идет о здоровье, а иногда и жизни человека. Пищевое производство — область, где используются различное пневмооборудование, которое осуществляет такие действия как: фасовка продуктов, сортировка, смешивание, просеивание и упаковка. Разумеется, что в этих процессах возможен контакт сжатого воздуха с продуктами и наличие масляных примесей категорически запрещено. Также отметим, что спиральные компрессоры широко используются в полиграфии, фармацевтической и химической промышленностях.

Переходим к преимуществам и недостаткам. Преимущества производства безмасляного сжатого воздуха:

• именно благодаря этому спиральные компрессоры получили широкое применение даже несмотря на высокую стоимость;
• низкий уровень шума — очень важный аспект, который позволяет устанавливать спиральные компрессоры практически везде без ограничений, даже рядом с рабочим персоналом, в различных павильонах и так далее;
• относительно небольшое количество деталей по сравнению с другими типами компрессоров, например поршневыми, роторно-пластинчатыми или винтовыми, а как мы знаем, чем меньше деталей и прочих механизмов, тем выше надежность;
• малая масса и габариты;
• простота монтажа;
• относительно недорогое обслуживание (так как у нас нет масляного контура и нам не нужно менять масло, масляный фильтр, сепаратор как у винтовых компрессорных станций);
• высокая эффективность спирального блока из-за небольшого количества перетечек;
• возможность круглосуточной работы с небольшими перерывами.

• высокая стоимость (самый дешевый спиральный компрессор стоит около четырех с половиной тысячи евро, что сегодняшнему курсу приблизительно 400 тысяч рублей, по сути за эту сумму можно взять недорогой винтовой компрессор с системой подготовки сжатого воздуха, осушители и магистральные фильтры. Хотя получить технически безмасляный сжатый воздух не получится, но мы все равно получим воздух очень хорошего качества, поэтому цена спирального компрессора — основной аспект, который существенно замедляет выход оборудование этого типа в широкие массы);
• низкая ремонтопригодность (здесь речь идёт о спираль на блоке — если с ним что-то случится, то отремонтировать его не всегда удается и остается вариант только с полной заменой, однако, стоимость у него около 60 процентов стоимости всего компрессора.

Итог: спиральный воздушный компрессор — это достаточно специфическое и дорогое оборудование, которое целесообразно использовать в ситуациях, когда необходим технический безмасляный сжатый воздух хорошего качества, но в определенном небольшом интервале производительности и давления. Напоминаем, что серийное производство спиральных компрессоров началось относительно недавно и этот тип оборудования можно считать одним из самых молодых, поэтому мы можем предположить, что весь потенциал спиральных компрессоров с точки зрения энергоэффективности ещё не раскрыт.

Если в ближайшее время появится новое оборудование, которое бы могло хотя бы частично снизить затраты при изготовлении спиральных компрессоров, тем самым уменьшив окончательную стоимость, нам кажется, что альтернатив для производства безмасляного сжатого воздуха при давлении до 10 бар и производительность до трех кубов в минуту у спиральных компрессоров просто не будет.

📹 Видео