Принцип работы и потери в винтовых компрессорах.


Принцип работы винтовых ком­прессоров известен более 100 лет, но начали использовать их в холо­дильной технике лишь в 40-х годах XX в. Возможность использования винтовых компрессоров в холодиль­ной технике возникла в связи с при­менением компрессора маслозаполненного типа, когда в полость между винтами подается значительное ко­личество масла. Подаваемое масло пред­назначено для смазывания и уплот­нения зазоров между роторами и корпусом компрессора. Роторы (винты) представляют собой цилиндрические косозубые крупномодульные шестерни с зубьями специального профиля. Ведущий ротор имеет четыре или пять выпуклых зуба (выступа нарезки), ведомый — шесть или семь «вогнутых» зубьев. Наружные диаметры роторов одинаковы. Ни одна полость (впадина винтов) не соединяется одновременно с окном всасывания и окном нагнетания. Она перекрыта (перегорожена) зубом парного винта.

Окна всасывания и нагнетания расположены примерно по диа­гонали: окно всасывания — вверху (в камере всасывания), окно нагнетания —внизу (в специальных проставках корпуса).

Рабочий цикл винтового компрессора состоит из четырех про­цессов (фаз): всасывания, переноса, сжатия и нагне­тания. На рис. 2.18, а показан момент всасывания. При вращении винтов у торцевой плоскости всасывания образуется разрежение, в результате чего газ из камеры всасывания через окно всасывания поступает во впадины винтов. Всасывание начинается в момент выхода зубьев из пар­ных впадин .

 

 

Рис.2.18 . Схема работы винтового компрессора.

1 – ведомый ротор; 2 – ведущий ротор.

 

Зуб ведомого винта первым вступает во впадину ведущего. За­тем зуб ведущего винта входит во впадину ведомого и их впадины объединяются и отсекаются от окна всасывания, образуя одну общую парную полость (рис.2.18, б).

В этой части корпуса производится подача циркулирующего масла. При дальнейшем повороте роторов на некоторый угол пара переносится без изменения замкнутого объема каждой парной полости в направлении окна нагнетания. Затем он сжимается в парных полостях, так как зубья ведущего ротора входят во впади­ны ведомого, и объем парных полостей уменьшается (рис.2.18 ,в). Процесс сжатия продолжается до момента сообщения парных полостей с окном нагнетания (рис.2.18,г). По достижении требуемого давления в парной полости — дав­лениявнутреннего сжатия— парная полость подойдет к окну нагнетания и через него сжатая маслохладоновая смесь вытесняется зубьями из уменьшающегося объема парных полостей через окно нагнетания в камеру нагнета­ния. Наличие нескольких парных полостей, их винтовое расположение, а также высокая скорость перемещения полостей обеспечивают непрерывность подачи сжатого пара.

Дав­ление внутреннего сжатия pвн(см. рис. 2.19) может не совпадать с давлением нагнетания pн, которое устанавливается для стандартных условий данной маши­ны в зависимости от температуры воды, охлаждающей конденсатор.

Рис.2.19 . Режимы работы компрессора: а) – оптимальный; б) – внегеометрическое дожатие; в) – режим с пережатием.

Произойдет смешение газа парной полости и камеры, сопровождающееся необратимыми по­терями. Если рвнн , то проис­ходит так называемое внегеометрическое дожатие пара до давления нагнетания. Если pвн>pн , то происходят расширение сжатого в полостях роторов пара и падение давления. При работе компрессора на данных режимах наблюдается повышенный расход энергии, причем случай с «пережатием» наиболее неэкономичный режим. Зна­чение этих потерь определяется пло­щадью одного из заштрихованных треугольников.

В конце процесса выталкивания газа из парной полости у тор­ца нагнетания остается небольшой объем, заполненный сжатым газом, но не имеющий свободного выхода в камеру нагнетания. Это так называемый защемленныйобъем (рис. 2.20).

 

 

 

Рис. 2.20 . Вид на торец винтов со стороны нагнетания.

Wвн – защемленный объем на нагнетании. Прерывистой линией условно показана канавка на корпусе для выхода газа из защемленного объема.

Размер защемленного объема зависит от типа профиля и числа зубьев винтов. Потеря массовой производительности от защемленного объема незначительна, но потеря механической рабо­ты на «продавливание» через минимальные зазоры оставшегося там газа достаточно значительна, особенно у маслозаполненных компрессоров. Для выхода защемленной маслохладоновой смеси делают специальные канавки, значительно уменьшая потери работы сжатия. Аналогичное явление происходит и на торце всасывания в процессе разрежения, на которое также расходуется работа. Чтобы ее снизить, защемленный объем соеди­няют канавкой со впадиной.

В конструкции ре­альных винтовых машин между зубьями ведущего и ведомого винтов, также как и между вершинами и торцами их зубьев и кор­пусом компрессора, имеются кроме канавок зазоры между подвижными деталями, достаточные для компенсации теплового расширения всех деталей (винтов, корпуса и др.).

От размеров зазоров и сопротивления течению газа в них за­висят объемные и энергетические потери, оцениваемые, как и у поршневых компрессоров, коэффициентом подачи и КПД.

Коэф­фициент подачи винтового компрес­сора так же, как у поршневого, равен отношению действительной объемной производительности к тео­ретической, определяемой при одних и тех же условиях.

Теоретическая объемная производительность винтового компрессора, т.е. его рабочий объем, равна сумме объемов полостей:

 

V = m1f1nn1l + m2f2nn2l (2.24)

где m1 и m2число зубьев (заходов) ведущего и ведомого роторов, шт;

f1n и f2n – площадь впадин между зубьями (в торцевой части) ведущего и ведомого роторов, м2;

n1 и n2 – частота вращения ведущего и ведомого роторов, с-1;

l – длина винтовой части ротора.

Действительная объемная холодопроизводительность винтового компрессора Vд меньше теоретиче­ской. Снижение величины Vд вызвано такими потерями, как внутренние протечки, гидравли­ческие сопротивления всасывающего тракта, подогрев всасываемого пара, влияние защемленных объемов. Знание видов объемных потерь и процессов, происхо­дящих в холодильных винтовых компрессорах, позволит избежать ошибок при их эксплуатации.

В реальном компрессоре на всех периодах его рабочего цикла происходит тепломассообмен. Особенно сущест­венное влияние оказывают протечки газа из полостей, в которых происходит сжатие газа в полость всасывания. Кроме увеличения работы из-за протечек, они имеют более высокую температуру и подогревают газ, содержащийся в полостях всасывания, и, следовательно, снижают долю заряда свежим газом.

Коэффициент подачи винтового компрессора можно представить следующим образом:

 

λ = Vд/Vт(2.25)

Теоретическую объемную производительность винтового компрессора Vт можно высчитать по выражению (2.24), а действительную Vд - непосредственно измерить за единицу вре­мени.

Особенность работы холодильного маслозаполненного винтового компрессора состоит в том, что через его рабочие полости проходит значительное количество масла, которое соизмеримо с массовым расходом хладагента, а в некоторых случаях даже превосходит его в несколько раз. Масло влияет на все процессы винтового компрессора. Особенно сильно на характеристики винтового компрессора влияет взаимная растворимость масла и хладагента. Уменьшение степени взаимной растворимости положительно сказывается на характеристиках компрессора. Его работа также зависит от индекса вязкости масла VI, который должен быть как мож­но более высоким. Кроме того, при растворении в масле хладагента вязкость масла не должна значительно изменяться.

Коэффициент подачи холодильного винтового компрессора, как и для любого компрессора объемного принципа действия, учитывает влияние различных объемных потерь на действительную производитель­ность компрессора.

Одними из основных объемных потерь в винтовом ком­прессоре являются утечки рабочего вещества через зазоры в полости винтов. Обозначим эту долю объемных потерь через λУ, которая зависит от суммарной длины зазоров, их гидравли­ческого сопротивления, степени заполнения маслом и вязкости масла.

В связи с тем что растворимость масла в хладагенте зависит от давления, при понижении давления в про­цессе всасывания во впадинах винтов из масла испаряется хладагент, который занимает часть полезного объема всасывания. Этот хладагент носит название «балластного» хладагента. Долю потерь, которая определяется «балластным» хладагентом, обозначим через λБ, которая зависит прежде всего от рас­творимости хладагента в масле и режима работы. Для аммиачных компрессоров потери равны нулю, так как аммиак не растворяется в масле.

Всасываемый хладагент подогревается в результате смешения с мас­лом, поступающим в полость всасывания и от горячих деталей компрессора. Причем основной по­догрев происходит вследствие теплообмена с маслом. Этот коэффициент носит название «коэффициент подо­грева» (по аналогии с поршневыми компрессорами) и обознача­ется λ ω.

Масло, которое поступает в полости винтов, занимает часть объема и уменьшает коэффициент подачи. Обозначим этот вид объемных потерь через λМ.

При движении рабочего вещества по всасывающему тракту и через окно всасывания его давление уменьшается вследствие газодинамических потерь, что также ведет к объемным поте­рям. Обозначим этот вид потерь через λВС.

Тогда коэффициент подачи винтового компрессора можно выра­зить как разность

 

λ = 1 - ∆λУ - ∆λБ- ∆λω - ∆λМ - ∆λВС (2.26)

Основное влияние на коэффициент подачи оказывают потери, связанные с утечками хладагента и с наличием «балластного» холодильного агента. Остальная сумма потерь составляет лишь незначительную величину 0,01 – 0,06 в зависимости от условий работы.

Мощность, подводимая к винтовому компрессору N e, затрачивается на сжатие и перемещение рабочего вещества Ni , на трение винтов о маслохладоновую смесь NТ.M, . подачу масла на сторону на­гнетания NН.M и на трение в подшипниках, торцевом уплотнении, разгрузочных поршнях NTР

 

Ne = Ni+ NТ.М+ NН.М+ NТР (2.27)

Индикаторную мощность можно определить, как для любого компрессора объемного принципа действия, по индикаторной диаграмме.

При определении мощности винтовой холодильной машины необходимо дополнительно учитывать мощность масляного насоса, которая у нее значительно больше, чем у холодильной машины с поршневым компрессором.

 

2.5. Конструкции винтовых компрессоров

Винтовые компрессоры имеют преимущества перед порш­невыми. В отличие от поршневых, у винтовых компрессоров нет вса­сывающих и нагнетательных клапа­нов, возвратно-поступательно дви­жущихся частей, более равномерная подача, что повышает срок их службы до 40 тыс.ч. и выше. Коэффициент по­дачи у винтовых маслозаполненных компрессоров также выше, чем у поршневых компрессоров, что увеличивает эффективность их работы.

Корпус компрессора 1 имеет один вертикальный разъем (рис.2.21).

 

 

 

 

Рис. 2.21 . Маслозаполненный винтовой компрессор.

а – общий вид; б – продольный разрез.

В цилиндри­ческих расточках корпуса находятся винты, ведущий 2 и ведомый 13. В качестве опорных подшипников 3 применены подшипники скольжения. Осевое усилие ротора воспринимает упорный подшипник 5. Для умень­шения этого усилия на ведущем роторе имеется разгрузочный пор­шень 4, Шестерни 6 и 7, закрепленные на валах ведущего и ведо­мого винтов, синхронизируют их вращение. У маслозаполненных вин­товых компрессоров шестерни связи отсутствуют. Роторы у винтовых компрессоров изготавливают стальными цельно­коваными, зазор между ними мень­ше 1 мм, торцовый зазор со сто­роны нагнетания составляет 0,1 мм, со стороны всасывания —- 0,5 мм, за­зор между ротором и цилиндри­ческой частью корпуса 0,25 мм, установочный зазор в подшипниках скольжения — 0,07—0,095 мм.

Изменение действительной объем­ной холодопроизводительности вин­тового компрессора можно осу­ществлять перепусканием сжатого пара со стороны нагнетания во вса­сывающую сторону, дросселирова­нием пара во всасывающем патруб­ке, изменением частоты вращения и с помощью регулировочного ши­бера. Первые два способа приводят к большим затратам энергии, так как снижение действительной объемной холодопроизводительности компрессора проис­ходит почти без снижения расхода энергии. Управление изменением частоты вращения требует услож­нения конструкции привода. Наибо­лее часто изменяют действительную объемную холодопроизводительность с помощью регулировочного шибера (золотника) 12 (см. рис. 2.21). Валик 8 и винт 9 служат для пере­мещения золотника вместе с гай­кой 11. От проворачивания шибер удерживается шпонкой 10. Привод шибера гидравлический или электрический. Назначение ши­бера — задержать начало сжатия, что эквивалентно уменьшению ра­бочего объема компрессора. Такой способ изменения холодопроизводительности компрессора гораздо экономичнее, чем перепуском сжа­того пара или дросселированием. С помощью золотника можно изме­нять действительную объемную холо­допроизводительность от 10 до 100%.

На схеме (рис. 2.22) масло по­дается из смазочной системы ком­прессора. После пуска компрессора масло поступает в разгрузочный клапан 9 и плунжер поднимает­ся вверх, перекрывая трубопровод 8, 10. Масло поступает к невоз­вратным клапанам 7, 14 и к трех­ходовым соленоидным вентилям 5 и 12. Последние соединены трубо­проводами 11 и 6 с полостями 3 и 4 гидроцилиидра 2.

 

 

Рис. 2.22 . Схема изменения холодопроизводительности винтового компрессора.

При остановке компрессора дав­ление падает, пружина гидроцилиндра перемещает поршень вправо и соответ­ственно золотник 1 в положение минимальной производительности. При этом соединяются полости гидро­цилиндра, обеспечивая разгрузку ком­прессора при последующем пуске.

Для увеличения холодопроизводительности компрессора подается питание на соленоидный вентиль 12, который пропускает масло из полости 3 гидроцилиндра по трубопроводу 13 на всасывание. Поршень, перемещаясь влево, пере­двигает шибер и увеличивает хо­лодопроизводительность компрессо­ра. Для уменьшения холодопроизво­дительности компрессора подается питание на соленоидный вентиль 5.

 



Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 7465;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.02 сек.