Поршневые компрессоры холодильных машин

Один из основных элементов (можно даже сказать: главный элемент) парокомпрессионной холодильной' машины — компрессор. Он обеспечивает циркуляцию хладагента в системе холодильной машины, создает высокое давление, достаточное для перехода хладагента из парообразного состояния в жидкое (в конденсаторе), и низкое давление, при котором он кипит (в испарителе) при заданной низкой температуре.

Наиболее широкое распространение получили холодильные компрессоры четырех типов: поршневые, винтовые, ротационные и центробежные.

Первые три типа относят [2] к классу компрессоров объемного действия — сжатие пара в них происходит за счет уменьшения начального объема. Центробежные относят к классу компрессоров динамического действия — хладагент непрерывно перемещается с большой скоростью через проточную часть компрессора, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную, а плотность хладагента повышается.

Поршневые компрессоры классифицируют также по различным конструктивным признакам: числу и расположению цилиндров, направлению движения пара внутри цилиндра, степени герметичности корпуса и др.

Поршневые компрессоры в настоящее время применяют почти исключительно в машинах малой и средней холодопроизводительности.

Это — самый старый тип холодильных компрессоров, над совершенствованием конструкции которого инженеры и технологи в содружестве с учеными трудятся вот уже несколько десятилетий. В результате у современного компрессора некоторые детали по классу точности и чистоте обработки не уступают деталям часового механизма.

Принцип действия поршневого компрессора весьма прост. Внутри цилиндра взад-вперед перемещается поршень. При его движении в одном направлении происходит всасывание паров хладагента, в обратном направлении — сжатие и нагнетание. Пар поступает в цилиндр через всасывающий клапан, который немедленно закрывается, как только всасывание закончилось. Сжатый пар выталкивается из цилиндра через нагнетательный клапан, свободно открывающийся только в одну сторону, благодаря чему пар не может возвратиться в цилиндр.

Нагнетательный клапан всегда размещается в крышке цилиндра, а всасывающий — либо в крышке, либо в днище. В последнем случае всасываемый и сжимаемый пар проходит прямо от одного конца цилиндра к другому, поэтому такой компрессор называют прямоточным (рис. I). Когда же оба клапана находятся рядом в крышке, поток пара делает поворот на 180 градусов, и такой компрессор называют непрямоточным (рис. 2).

Современные поршневые холодильные компрессоры конструируют исключительно по непрямоточной схеме. Это объясняется тем, что у непрямоточных компрессоров, по сравнению с прямоточными, существенно короче и, главное, легче поршень, что позволяет делать нх более компактными и гораздо более высокооборотными.

Возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом, состоящим из коленчатого или эксцентрикового вала и шатуна (рис. 3, а). Иногда в компрессорах малых холодильных машин применяют кривошипно-кулисный механизм (рис. 3, б).

Чтобы предотвратить утечку хладагента в окружающую среду, механизм движения поршня помещают в непроницаемый для пара хладагента корпус (картер), соединяемый с цилиндром в одну неразъемную отливку, реже — с помощью шпилек.

В первом случае цилиндрами служат гильзы, плотно вставленные в расточки корпуса. В этом случае он называется блок-картером. Для того чтобы предотвратить, по возможности, утечку сжимаемого пара через зазор между стенками цилиндра и поршнем, о кольцевые проточки поршня вставляют пружинящие поршневые кольца.

Коленчатый вал соединяется с приводящим его в движение валом двигателя (в большинстве случаев это — электродвигатель, редко—двигатель внутреннею сгорания) клиноременной передачей либо непосредственно муфтой В этом варианте двигатель располагается снаружи компрессора: Электродвигатель может также находиться внутри картера: его ротор насаживают непосредственно на коленчатый вал.

Существует два типа компрессоров с электродвигателем внутри картера — так называемые бессальниковые и герметичные компрессоры. У бессальниковых компрессоров (рис. 4) картер разъемный, благодаря чему их можно ремонтировать на месте эксплуатации. Герметичные компрессоры (рис. 5) наглухо заваривают в состоящий из двух половин кожух со впаянными в него всасывающей и нагнетательной трубками и электропроводами для питания электродвигателя. Такие компрессоры ремонтируют только на специализированном предприятии, зато при массовом производстве они обходятся значительно дешевле, а в случае поломки их можно заменить целиком.

Рис. 5. Герметичный холодильный компрессор:

1 – кожух; 2 – блок цилиндров; 3 – шатунно-поршневая группа; 4 – масляный насос; 5 – коленчатый вал; 6 – электродвигатель; 7 – глушитель шума

Бессальниковые и герметичные компрессоры применяют только во фреоновых холодильных машинах.

Если в качестве хладагента служит аммиак, размещать электродвигатель внутри картера недопустимо. Аммиак весьма агрессивен по отношению к меди и имеет незначительное электрическое сопротивление, поэтому очень трудно защитить медные обмотки электродвигателя от разрушения.

Если двигатель располагается вне герметичного компрессора, то конец коленчатого вала должен быть выведен через картер наружу и необходимо позаботиться о том, чтобы в этом месте не было утечек хладагента. Достигается это с помощью сальникового уплотнения. Оно состоит из двух кольцеобразных деталей, одна из которых крепится к вращающемуся валу, а другая — к неподвижному корпусу. Плотный контакт тщательно отполированных поверхностей двух колец обеспечивается специальной пружиной. Благодаря высокой чистоте обработки поверхностей, подбору материалов и обильной смазке кольца при вращении почти не изнашиваются, а потери на трение оказываются очень небольшими. Масляный слой между соприкасающимися поверхностями колец дополнительно препятствует просачиванию хладагента через сальниковое уплотнение. Иногда для надежности в сальниковом уплотнении применяют две пары трущихся колец.

Очень важна для эффективной работы компрессора хорошая смазка. Смазывать необходимо все трущиеся детали: подшипники коленчатого вала, шатунные шейки, поршневые пальцы, цилиндры, сальниковые уплотнения. Простой вариант смазки — разбрызгивание масла, налитого до определенного уровня в картер, при вращении коленчатого вала. Более надежной является принудительная смазка с помощью масляного насоса (шестереночного, лопастного, центробежного и др.). Нагнетаемое насосом масло через каналы, просверленные в коленчатом валу, подается к шатунным шейкам. Иногда в крупных поршневых компрессорах путь масла продлевается по сверлениям в шатунах к поршневым пальцам.

Смазочное масло, заливаемое в картер, частично уносится потоком хладагента, из-за чего при длительной работе компрессора может возникнуть опасность сухого трения в трущихся парах. Чтобы избежать этого, в холодильной машине после компрессора устанавливают маслоотделитель, из которого масло периодически возвращается обратно в картер. В холодильных машинах, работающих на хладагентах, которые хорошо растворяют масло (таким свойством обладают многие фреоны), маслоотделители обычно не ставят, так как масло свободно циркулирует по системе вместе с хладагентом и своевременно возвращается в картер с потоком всасываемого пара.

При работе компрессор нагревается, за счет теплоты сжатого пара и различных потерь (в основном из-за трения), поэтому его температура может повышаться довольно значительно. Чтобы компрессор не перегревался (а это может привести к подгоранию масла, заклиниванию и другим неприятностям), применяют охлаждающие водяные рубашки, охлаждающие змеевики в масляной ванне картера, оребренный корпус, вентилятор для принудительного обдува корпуса.

В компрессорах устанавливают также приборы, облегчающие обслуживание или повышающие безопасность,— манометры, запорные вентили, указатели уровня масла, фильтры, приборы автоматической защиты и т. д.

Некоторые модели компрессоров снабжены специальными устройствами для регулирования производительности.

Объемная производительность компрессора V_км, м³/с, тем больше, чем больше объем его цилиндра , м³ (где D — диаметр цилиндра, м; S — расстояние между двумя крайними положениями поршня, м), число цилиндров z и частота вращения (число оборотов) n, 1/с, вала компрессора.

Теоретическая, при отсутствии каких-либо потерь, объемная производительность

Ее называют также объемом, описываемым поршнями.

Если эту величину умножить на плотность всасываемого пара r, кг/м³, то получим теоретическую массовую производительность компрессора , кг/с.

Действительная производител­ность компрессора всегда меньше теоретической:

Коэффициент l, называемый коэффициентом подачи или наполнения, учитывает потери, связанные с наличием мертвого пространства, подогревом всасываемого пара, утечками пара через неплотности, гидравлические потери в клапанах.

Мертвое пространство (или мертвый объем) — это небольшое свободное пространство в цилиндре, в котором остается сжатый пар, когда поршень достигает крайнего положения в конце хода нагнетания. Оно предохраняет поршень от удара о клапанную доску.

По мере того, как поршень двигается в цилиндре в обратном направлении, пар, находящийся в мертвом пространстве под высоким давлением нагнетания, начинает расширяться, заполняет цилиндр и затрудняет тем самым всасывание новой порции пара. В результате в цилиндр поступает нового пара меньше, чем могло бы. Это можно рассматривать как потерю производительности компрессора по сравнению с теоретической.

Конструкторы стараются свести мертвое пространство к минимуму. В современных компрессорах оно составляет 3—4 % полного объема цилиндра, и лишь в редких случаях его удается уменьшить до 1,5-2 %.

Потеря производительности из-за других, названных выше причин, каждой в отдельности, как правило, меньше, но общие потери из-за них могут быть и больше, чем потери из-за наличия мертвого пространства.

Действительная производительность компрессора меньше теоретической на 10—40 %. Коэффициент подачи l=0,9...0,6. Конкретное значение l зависит от многих факторов: конструкции компрессора, качества его изготовления, режима работы (чем больше отношение давления нагнетания к давлению всасывания, тем меньше l), вида хладагента и др.

В технической документации, как правило, указывается холодопроизводительность компрессора. Это понятие условное, так как сам компрессор холода не производит. Холод вырабатывает холодильная машина, которая, помимо компрессора, имеет другие обязательные элементы, а ее холодопроизводительность зависит от вида хладагента и термодинамического цикла.

Если они оговорены, то известна удельная массовая холодопроизводительность компрессора q_0км кДж/кг, и его холодопроизводителыюсть, кВт, легко подсчитывается по формуле

Если известен объем, описываемый поршнями V_км.т, to холодопроизводительность компрессора можно определить как

где q_nкм — удельная объемная холодопроизводительность компрессора, кДж/м³.

По аналогии с холодильной машиной (см. тему 4) можно определить условный холодильный коэффициент компрессора e_км=Q_0км/N.

Для компрессоров с электродвигателем, встроенным в корпус, в эту формулу подставляют мощность N_э, измеренную электроприборами на клеммах питания (e_э.км=Q_0км/N_э). В этом случае холодильный коэффициент называют электрическим. Для компрессоров с вынесенным из корпуса двигателем определяют так называемый эффективный холодильный коэффициент e_е.км=Q_0км/N_е, для вычисления которого в формулу подставляют механическую мощность N_е на приводном валу компрессора.

Еще одним важным показателем является коэффициент полезного действия (КПД) h_км компрессора, который дает представление о том, насколько действительная потребляемая мощность больше теоретической1, т.е. затрачиваемой на сжатие пара при отсутствии каких-либо потерь: теоретическую мощность находят с помощью i, lgp-диаграммы (см. тему 4):

Для компрессоров со встроенным электродвигателем определяют электрический КПД а для компрессоров с вынесенным двигателем — эффективный КПД

КПД компрессора, как и коэффициент подачи, зависит от режима работы, в первую очередь, от отношения давлений нагнетания и всасывания. Для современных компрессоров со встроенным электродвигателем h_э.км=0,45...0,7, для компрессоров с вынесенным двигателем — h_екм=0,6...0,77. Более высокие значения h_екм объясняются тем, что в этом коэффициенте не учитываются электрические потери, входящие в h_э.км.

В настоящее время широко используют поршневые холодильные компрессоры холодопроизводительностью при так называемых стандартных условиях (сравнительных, наиболее распространенных значениях t₀, t_к, t_нч и t_и) от десятков ватт до примерно 250 кВт. Однако, несмотря на совершенство, поршневые компрессоры понемногу уступают место компрессорам других типов, отличающимся более длительным рабочим ресурсом, меньшей виброактивностью и большей компактностью.

Сокращение области применения компрессоров поршневого типа будет происходить в ближайшие годы в основном за счет вытеснения компрессоров большой холодопроизводительности. Компрессоры же малой холодопроизводительности, видимо, еще долго будут удерживать главенствующее положение в компрессорном парке.

Список литературы

1. Холодильные компрессоры: Справочник/Под ред А. В. Быкова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.

2. Холодильные машины/Под ред. И. А. Сакуна. Л.: Машиностроение, 1985.

Тема 8

Дата добавления: 2014-01-04