Компресори холодильних машин

Компресор – це пристрій, який забирає пари холодильного агента з випарника та направляє їх в конденсатор в стисненому стані. Компресор складається з циліндра, поршня та електродвигуна.

Компресор виконує такі функції:

- відсмоктує пари холодильного агента із випарника, знижуючи в ньому тиск і тим самим підтримуючи низьку температуру кипіння робочого тіла;

- стискає пари холодильного агента;

- нагнітає пари холодильного агента в конденсатор.

При цьому компресор працює як тепловий насос, що відрізняє холодильний компресор від компресорів іншого призначення.

Компресори для холодильної техніки класифікуються по конструкції, принципу роботи, розміщенням привода тощо.

За принципом роботи холодильні компресори поділяються на поршневі, ротаційні, гвинтові, відцентрові (турбокомпресори), спіральні. Найбільш розповсюджені поршневі компресори.

У всіх типах компресорів, крім відцентрових пари стискаються в результаті зменшення об'єму (під час руху поршня, обертання ротора, зчеплення двох гвинтів тощо). Їх називають компресорами об'ємної дії.

За ступенем герметичності або за розміщенням приводу компресори є:

- відкриті (або сальникові), де компресор і двигун з'єднані пасовою передачею, тобто це компресор із зовнішнім приводом. На кінці вала, що виступає із корпуса є сальникове ущільнення;

- напівгерметичні (безсальникові) – електродвигун насаджений на вал компресора;

- герметичні – компресор і двигун заварені в один кожух без роз'ємів.

Всі типи компресорів працюють за різним принципом, проте термодинамічні процеси в них ідентичні. Тому робочий процес будь-якого об'ємного компресора можна дослідити на прикладі поршневого компресора, дійсний робочий процес якого найкраще вивчений.

Рис. 2.5 Хід всмоктування (а) та хід стискання (б) в поршневому компресорі

Пари холодильного агента в найпростішому поршневому компресорі стискаються під дією поршня, який здійснює зворотно-поступальний рух в циліндрі (рис. 2.5).

Поршень приводиться в рух від колінчатого вала і здійснює по черзі ходи всмоктування та стискання в циліндрі, який обладнано всмоктувальним та нагнітальним клапанами. Вони відкриваються і закриваються в результаті перепаду тиску між робочою зоною компресора і простором за клапаном.

Для відкривання всмоктувального клапана тиск в циліндрі повинен бути меншим, ніж у випарнику, з якого в циліндр надходять нові порції парів хладону.

Нагнітальний клапан відкривається тоді, коли тиск в циліндрі перевищить тиск в конденсаторі.

Для відведення теплоти від циліндрів, які сильно нагріваються під час стискання парів, поршневі компресори обладнані ребрами (при охолодженні повітрям) або сорочками (при охолодженні водою). Через сорочки пропускають воду, а ребра за рахунок збільшення поверхні теплообміну більш інтенсивно віддають теплоту в навколишнє середовище. Повітряне охолодження використовують в малих компресорах, в інших – примусове водяне охолодження.

Мертвий простір. Під час роботи компресора поршень і шатун нагріваються та подовжуються. Щоб не відбувався удар поршня об кришку циліндра, між поршнем у крайньому верхньому положенні та кришкою циліндра залишають зазор – "мертвий" або "шкідливий" простір. Чим він більший, тим менше нових парів холодильного агента всмоктується в циліндр.

Основні вузли та деталі поршневих компресорів

Основними елементами конструкцій поршневих компресорів є: картери, (блок-картери), циліндри, поршні, колінчаті або ексцентрикові вали, шатуни, клапани, сальники та пристрої для змащення.

Картер – конструктивна основа машини, яка об'єднує її окремі частини. Картер має вигляд полої відливки з вікнами для монтажу, гніздами для підшипників та пристроями для кріплення деталей. Для зменшення кількості роз'ємів та збільшення герметичності циліндри відливають разом з картерами. Така конструкція називається блок-картер.

Картери виготовляють з чавуну, сталі та сплавів алюмінію. Внутрішній простір картерів (нижня частина) слугує ємністю для заливання в компресор мастила.

Циліндри – найбільш відповідальна частина компресорів, оскільки в них відбувається робочий процес (всмоктування, стискання та нагнітання). Циліндри виготовляються як окремі блоки або у вигляді спільного блока з картером.

В циліндри блок-картера впресовують змінні гільзи, які можна замінити при зношування.

Циліндри і гільзи виготовляють з чавуну. Для зменшення тертя під час руху поршнів та створення ущільнення циліндри шліфують.

Поршні – виготовляють із чавуну або алюмінієвого сплаву. В невеликих холодильних компресорах встановлюють поршні т.з. тронкового типу – суцільна пола конструкція у вигляді перевернутого стакана. У верхній частині поршнів проточені канавки для поршневих кілець. Як правило є три канавки: дві верхні – для кілець ущільнення, одна нижня – для кільця, який знімає мастило.

Вали – в невеликих компресорах застосовують колінчаті та ексцентрикові вали. Кривошипні вали встановлені в герметичних компресорах.

Шатуни – передають рух від колінчатого вала поршням.

Всмоктувальні та нагнітальні клапани – виконують розподільну функцію в компресорі. Через всмоктувальні клапани пари холодильного агента всмоктуються в циліндр компресора, а через нагнітальні відбувається виштовхування стиснених парів в нагнітальний трубопровід. В поршневих холодильних компресорах клапани відкриваються і закриваються внаслідок різниці тисків навколо них.

Запобіжні клапани – дозволяють уникнути аварії у разі перевищення тиску нагнітання. При перевищенні допустимої різниці тисків нагнітання і всмоктування (ΔP = 1,68 МПа) запобіжні клапани пропускають стиснену пару із нагнітального простору у всмоктувальний. Застосовують пружинні запобіжні клапани. Коли різниця тисків перевищує допустиму, пружина стискається, клапан відкривається і нагнітальна сторона компресора з'єднується з всмоктувальною.

Сальники – спеціальні пристрої для ущільнення рухомих деталей (наприклад валів) для запобігання витікання рідини, парів або газів. В малих та середніх відкритих компресорах сальники ущільнюють приводний кінець колінчатого вала в місці виходу його з картера.

Рис. 2.6 Схема відритого сальникового компресора (ФВ-6) 1 – картер; 2 – блок циліндрів; 3 – шатун з поршнем; 4 – клапанна поверхня; 5 – кришка циліндрів; 6 – колінчатий вал; 7, 8 – підшипники; 9 – корпус підшипників; 10 – передня кришка; 11 - сальник  

Конструкції поршневих компресорів

За холодопродуктивністю поршневі компресори поділяються на малі (Q₀ до 12 кВт), середні (Q₀ 12–120 кВт) та великі (Q₀ більше 120 кВт).

За видом холодильного агента розрізняють аміачні, фреонові та універсальні компресори.

Відкриті (сальникові) компресори. До недавнього часу компресори даного типу були широко розповсюджені. Однак з появою безсальникових і герметичних компресорів сальникові компресори стали застосовувати рідше.

Даний компресор (рис. 2.6) призначений для роботи у складі стаціонарних компресорно-конденсаційних агрегатів, транспортних установках та системах кондиціонування повітря. Холодопродуктивність сальникових компресорів знаходиться в межах 2,2 – 61,5 кВт залежно від виду холодильного агента і температури його кипіння.

Вразливим вузлом сальникових компресорів є ущільнення колінчатого валу, крізь яке відбуваються втрати холодильного агента, особливо в малих фреонових компресорах.

Безсальникові (напівгерметичні) компресори. Ці компресори разом з герметичними є сьогодні домінуючими.

Рис. 2.7 Напівгерметичний компресор 1 – розбризкувач масла; 2 – масляний кран; 3 – прохідний контакт; 4 – клапанна плита; 5 – нагнітальний клапан; 6 – поршень; 7 – шатун; 8 – оглядове скло; 9 – ексцентриковий вал; 10 – статор електродвигуна; 11 – ротор електродвигуна  

Напівгерметичні компресори надійніші в експлуатації, ніж сальникові: можуть працювати при підвищеній частоті обертання вала; мають більше потужність, оскільки електродвигун охолоджується парами холодильного агента; мають кращі віброакустичні показники (менше шуму та вібрацій), менші габарити (≈ в 1,5 рази), менша маса (≈ на 40 %); вартість встановлення та обслуговування також менша, ніж у сальникових компресорах.

Безсальникові компресори призначені для роботи з холодильними агентами, які не руйнують мідну обмотку статора електродвигуна.

Компресор разом з електродвигуном розміщені в спільному кожусі, а ротор електродвигуна закріплено консольно безпосередньо на валу компресора, що полегшує монтаж і демонтаж.

В компресорі відсутній сальник, який є джерелом витікання мастила та холодильного агента.

Для доступу до електродвигуна та механізму компресора корпус має знімні кришки.

Холодопродуктивність напівгерметичних компресорів знаходиться в межах 8,6 – 24,5 кВт при температурі кипіння холодильного агента -15 °С.

Герметичні компресори. За принципом дії герметичні компресори поділяються на поршневі зі зворотно-поступальним рухом робочого органа (поршня) та ротаційні з обертовим рухом ротора. Герметичні компресори мають холодопродуктивність до 10 кВт.

Рис. 2.8 Схема герметичного компресора 1 – циліндр; 2 – прошень; 3 – кришка циліндра; 4 – всмоктувальний патрубок; 5 – крильчатка ротора; 6 – ротор електродвигуна; 7 – обмотка статора; 8 – статор; 9 – підшипник шатуна; 10 – ексцентриковий вал  

Герметичні компресори виготовляють для трьох різних діапазонів температур кипіння холодильного агента: С – середньотемпературні (від -25 до +10 °С); Н – низькотемпературні (від -40 до 25 °С); В – високотемпературні (від -10 до +10 °С).

Компресори С використовують в торговому холодильному устаткуванні та побутових холодильниках.

Компресори Н використовують в низькотемпературному холодильному обладнанні та невеликих морозильних пристроях.

Компресори В використовують для кондиціонерів, охолоджувачів напоїв, соків, молока та інших продуктів.

Герметичні компресори мають багато переваг, порівняно з відкритими компресорами.

В герметичному компресорі відсутній сальник, котрий є найуразливішим місцем машини – через нього можливі витікання холодильного агента в процесі експлуатації. Ротор герметичного компресора насаджено безпосередньо на вал двигуна, що робить компресор швидкохідним, а це, в свою чергу, дає змогу зменшити діаметр циліндрів, а отже, знизити масу і габарити герметичних компресорів зі збереженням такої ж продуктивності.

В машинах з герметичними компресорами кількість холодильного агента в системі можна зменшити, оскільки запас хладону в системі для компенсації витікань непотрібен. Витрати холодильного агента зменшуються, тому що відпадає необхідність періодичного заправлення системи. В герметичних компресорах є можливіть охолоджувати обмотку електродвигуна потоком парів хладону, що дає змогу підвищити навантаження на електродвигун, зменшити його масу і габарити.

Герметичні машини майже безшумні в роботі, їх малі розміри дають змогу збільшити корисний об'єм холодильного обладнання, зменшити розміри торгових автоматів і застосовувати для кондиціонування повітря.

Рис. 2.9 Схема ротаційного компресора та фази його роботи 1 – циліндр; 2 – ротор; 3 – лопать; 4 – пружина; 5 – нагнітальний клапан  

Недоліком герметичного агрегату є те, що при виникненні несправностей він, як правило, не підлягає ремонту.

Ротаційні компресори. В холодильних агрегатах торгового обладнання, яке працює в сереньо- і високотемпературних режимах, використовують ротаційні компресори з обертовим ротором (рис. 2.9).

Ротор 2, який виконує роль поршня, ексцентрично розміщений в циліндрі 1 (вісь циліндра не співпадає з віссю ротора) і приводиться в рух ексцентриком вертикального вала, розміщеного в корпусі циліндра.

Оскільки вісь ротора зміщена відносно осі циліндра, то між циліндром і ротором утворюється серпоподібний простір, положення якого постійно змінюється залежно від кута повороту ротора. Цей простір розділено пластиною (лопатю) 3, яка щільно притискається пружиною 4 до ротора, на дві ізольовані частини – всмоктувальну та нагнітальну. За один оберт ексцентрикового вала здійснюється повний цикл роботи компресора:

– всмоктування парів холодильного агента в простір перед роботом, коли тиск у ній стає приблизно на 5-10 кПа нижче, ніж у випарнику;

– стискання парів в просторі за ротором до тиску, який дещо перевищує тиск в конденсаторі;

– нагнітання парів у конденсатор.

Таким чином, цикли всмоктування та нагнітання відбуваються одночасно.

Переваги ротаційних компресорів у порівнянні з поршневими:

- простота конструкції;

- відсутність всмоктувальних клапанів;

- краща врівноваженість;

- надійність в експлуатації;

- менша залежність продуктивності від температури конденсації.

Ротаційні компресори мають холодопродуктивність 0,25 – 5,6 кВт.

Виготовлення і ремонт ротаційних компресорів потребує високої кваліфікації, оскільки високий ККД цих машин можливо забезпечити лише при точному дотриманні мінімальних зазорів між ротором і циліндром (0,04 – 0,1 мм).

В ротаційному компресорі з одним ротором відбувається швидке зношування лопті з пружиною. Для покращення надійності та ефективності розроблені ротаційні компресори з двома роторами. За рахунок урівноваження навантажень на вал підвищується термін експлуатації та надійність.

Гвинтові компресори. Основу гвинтових компресорів складають два ротора з зубчато-гвинтовими лопатями – ведучого та веденого (рис. 2.10).

Під час проходження біля всмоктувального вікна гвинтові заглибини роторів заповнюються газоподібним хладоном. При подальшому обертанні роторів газ стискається, оскільки зубці одного ротора входять в заглиблення іншого, при цьому зменшується об'єм, який займає газ. В кінці стискання заглибини зі стисненим газом об'єднуються з нагнітальним вікном. Гвинтове розміщення на роторах кількох заглибин забезпечує безперервну подачу газу компресором. Частота обертання ведучого ротора становить 50 с^-1.

Рис. 2.10 Ротори гвинтового компресора 1 – ведучий ротор з чотирма зубцями; 2 – ведений ротор з шістьма заглибинами; 3 – синхронізуючі шестерні

Гвинтові компресори надійні в експлуатації, їх холодопродуктивність регулюється більш рівномірно. Вони мають невеликі габаритні розміри та масу порівняно з поршневими та ротаційними компресорами.

Гвинтові компресори широко використовують в низькотемпературних холодильних установках. Доцільно використовувати аміачні гвинтові компресори з холодопродуктивністю 350–1745 кВт. При меншій продуктивності вони втрачають переваги перед поршневими компресорами по масі та габаритним розмірам.

2.5 Теплообмінні апарати холодильних машин

Основне призначення теплообмінних апаратів холодильних машин – передача теплоти від одного робочого середовища (газ, рідина) до іншого. Перехід теплоти може відбуватися через розподільну поверхню або при безпосередньому контакті робочих середовищ.

До складу обов'язкових компонентів парокомпресійних холодильних машин відносяться два теплообмінні апарати – випарник і конденсатор.

Дата добавления: 2014-01-04