Что готовит будущее для производителей компрессоров? Часть 2

В данной статье рассматриваются некоторые будущие перспективы развития систем холодоснабжения для проектировщиков и производителей компрессоров. Некоторые наиболее интересные концепции разъяснены подробнее и в частности описываются возможные пути их интеграции в существующие системы, рассказывается, как выбрать целевые подходящие применения и как убедить людей без технического образования в том, что это необходимо и дает результат. В некоторых случаях компрессор может решить проблему, появляющуюся в другой части системы; в других случаях решение проблемы конструирования компрессора может быть найдено путем изменений в другом месте системы.


Дополнительные проблемы


В соответствии с ключевыми моментами, обозначенными в сообщении Foresight, требуется больше, чем постепенное изменение существующей технологии. Полезно сделать шаг назад и рассмотреть, каким в идеале должен быть компрессор (или не должен)! Системы должны потреблять меньше энергоресурсов, но должны обладать более высокой надежностью без необходимости вмешательства специалиста. Чтобы достигнуть этого нам требуются компрессоры для решения более комплексных задач, но более простые относительно существующей технологии. Они должны быть более эффективными, но и более дешевыми. Они должны интегрироваться в работающую систему, а не быть автономными.


Безмасляная работа достигается в центробежных компрессорах среднего типоразмера, описанных ранее, но существующие модели предназначены для работы с ограниченным числом хладагентов и применяются для работы в режимах охладителя жидкости (температура кипения выше минус 10 оС). Поршневые, винтовые и спиральные компрессоры, работающие с маслом, применяются в течение многих лет в других областях, но не для систем холодоснабжения. Однако, проблемы, проявляемые на стороне низкого давления холодильной установки за счет накапливания масла, не в последнюю очередь влияния на окружающую среду из-за неэффективной работы и опасности, связанной с дренажем масла из работающей системы, означают, что безмасляные холодильные установки обеспечат главное преимущество.


«Влажный ход» также желанная цель, поскольку может предоставить преимущества не только для компрессора, но и для системы в целом. Обычно работа с наличием жидкого хладагента в области всасывания является проблематичной; жидкий хладагент может повредить клапаны или цилиндры, а также «вымыть» масло из подшипников. Также возможно понижение температуры нагнетания в точке, где в процессе сжатии образуется больше жидкости. Однако жидкость в потоке пара может предоставить, по крайней мере, две функции в настоящее время обеспечиваемые маслом; уплотнение и охлаждение, что может помочь в достижении цели безмасляной работы. Жидкий хладагент в некоторых случаях может обеспечивать смазку подшипников сам по себе. Задачей является обеспечить нужное количество жидкости в нужное время и в нужном месте. Это также может увеличить массовый расход паров на всасывании за счет обеспечения максимальной плотности на входе в компрессор. Преимущество системы с компрессором заключается в том, что терпимость к некоторому количеству жидкости будет проще для устройства, регулирующего подачу хладагента в испаритель, температура кипения может быть повышена (улучшится эффективность) и защитный ресивер на всасывании может быть выполнен несколько меньшим (и дешевым) в случае уменьшения стандартного отделителя жидкости.


Герметичная работа аммиачных компрессоров могла бы быть значительным фактором, облегчающим использование аммиака в широком ряде областей применения. В настоящее время продемонстрировано только несколько компрессоров, включая поршневой компрессор в Германии, винтовой компрессор в Германии и спиральный компрессор в Японии, но ни один из них не стал доступным для широкого рынка и обладал низкой эффективностью. Недавнее объявление Бооне (Boone) (7) о создании водоохлаждаемого поршневого компрессора принесло новую надежду на значительный успех в данной области, и широкое применение электродвигателей с постоянными магнитами также может предложить новые пути достижения данной цели. Широкое использование аммиака является относительно простым путем к повышению эффективности холодильных систем, особенно совместно с применением эффективных теплообменных аппаратов (например, алюминиевых микроканальных аппаратов).


Дополнительные возможности


Процесс дросселирования в цикле Перкинса был описан Лорентpен (Lorentzen) как «внутренняя потеря в процессе охлаждения» (14). Применение детандеров обсуждается на протяжении многих лет, но есть серьезное препятствие к их внедрению, поскольку они сопоставимы по сложности конструкции с компрессорами (наиболее сложным компонентом холодильного цикла), но заменяют компонент такой же элементарный как дроссельная шайба и не более сложный, чем шаровой вентиль. Требуются достаточно веские основания для установки сложного, дорогого, опасного и требующего обслуживания компонента, каким является детандер. Также следует принимать во внимание работу, снимаемую с вала детандера. Она может быть преобразована в электрическую энергию в генераторе переменного тока, но далее следует вопрос как ее использовать в основной цепи питания; предохранительные устройства обеспечения синхронизации и защиты детандера от внезапной потери подключения к цепи питания дороги, но необходимы. В качестве альтернативы, детандер может быть установлен непосредственно на валу компрессора, или как единичный «расширитель» или на противоположном конце вала (при этом электродвигатель располагается на валу между компрессором и детандером), таким образом, что работа, снимаемая с вала детандера, затрачивается на компенсацию потребляемой мощности компрессора. Последняя компоновка осуществляется легче и в короткий срок, но идет вразрез с описанной ранее целью по достижению герметичности при работе. Компаундная машина (или два устройства на одном валу в общем корпусе или с дополняющими друг друга компрессором и детандером) выполняется в виде одного устройства, описанного, например, как «экспрессор» Хансеном (Hansen) (15) и Брасзом (Brasz) (16).


В данной компаундной машине процессы сжатия и расширения происходят в одном и том же месте, что не соответствует традиционной компоновке большинства холодильных систем с высокой холодопроизводительностью, где компрессоры обычно расположены в машинном зале, а расширительное устройство на циркуляционным ресивере (отделителе жидкости), который может быть смонтирован на противоположном конце машинного зала, или снаружи рядом с конденсатором, или непосредственно рядом с испарителем, за пределами установки. Это ведет к следующей проблеме; большие установки обычно имеют в своем составе несколько компрессоров, и требуют работы с частичной производительностью в течение большего периода времени. Детандер с фиксированной производительностью, установленный на противоположном конце вала одного компрессора не сможет соответствовать частичной производительности всей установки, и может вообще не работать, если соответствующий компрессор выключен.


Одним из решений проблемы работы при частичной производительности могло бы стать направление жидкости высокого давления (возможно с высоким переохлаждением для предотвращения вскипания жидкости) к системе испарителей, оснащенных детандером, соответствующим требуемой нагрузке на один испаритель. Энергия, получаемая от снижения давления переохлажденной жидкости, не достаточна для повышения давления пара на выходе из испарителя до давления конденсации, все же повышает его частично, таким образом, уменьшая мощность, требуемую основными компрессорами, расположенными в машинном зале. Детандер будет работать только когда устройство регулирования испарителя подает сигнал на охлаждение, итак частичная нагрузка будет осуществляться путем индивидуального включения/отключения агрегата (испарителя). Должно быть возможным предоставить соответствующую энергию от переохлажденной жидкости высокого давления для увеличения давления на выходе испарителя камеры хранения для соответствия давлению всасывания компрессоров высокой ступени, обслуживающих охлаждаемые помещения, таким образом, исключая бустерные компрессоры из двухступенчатого цикла. Также становится возможным избежать практики использования воздухоохладителей камер хранения при низком давлении кипения, когда работают морозильные аппараты.


Желательно, чтобы расширительные устройства были или двухфазными приборами, в данном случае возможно применение нескольких платформ (включая все варианты компрессоров, упомянутых ранее), или наоборот они будут «засасывать» переохлажденную жидкость, при расширении которой или не образуется паров или образуется небольшое их количество. Эти приборы не могут быть механизмами с положительным описанным объемом, поскольку при управлении ими объем изменяется очень мало. Тип расширительного устройства требуемого для приведения в действие системы снабжения энергией основного цикла Ренкина также отличается, поскольку работает в области перегретого пара на диаграмме давление-энтальпия. Расширительные устройства могут быть классифицированы по тому есть ли на входе жидкость, пар или парожидкостная смесь, и по наличию на выходе жидкости, пара или паро-жидкостной смеси. Наиболее привлекательные возможности, как в области холодоснабжения, так и в области производства электроэнергии, лежат в областях, где требуются приборы, работающие с паро-жидкостной смесью. Если необходимо «влажное» расширение, возможно, следует рассмотреть в то же время и «влажное» сжатие, несмотря на то, что проблема наличия несжимаемой жидкости в компрессоре велика.


Следующая возможность для производителей компрессоров лежит в перемещении теплоты с низкотемпературного на высокотемпературный уровень. Конечно, все парокомпрессионные холодильные машины осуществляют данное действие, но выходной параметр на высокотемпературной стороне обычно называется «отработанная теплота» и буквально выбрасывается. В будущем, поскольку стоимость потребляемой электроэнергии, что подчеркивается в сообщении Foresihgt, начинает «кусаться», выброс теплоты может стать неприемлемым, равно как и выброс хладагента. В некоторых развитых обществах больше требуется отопление, чем холодоснабжение, поэтому врожденная расточительность и наши ошибки по объединению двух процессов является устойчивой. Основной барьер к этому соединяющему усилию связан с «логистикой»; требуемые процессы охлаждения и отопления не совпадают (по времени и по месту). Мы строим новые города в течение следующих 30 лет с целью удвоения населения городов, они будут менее бессистемные и более организованные, чем наши сегодняшние городские беспорядочно заселенные территории, которые разрослись за столетия до своих теперешних размеров. Промышленные парки могут содержать контуры энергоносителей для холодоснабжения и отопления, оснащенные измерительной аппаратурой, позволяющей каждой компании удовлетворять индивидуальные потребности в отоплении (нагреве) или холодоснабжении своих производственных процессов. Предлагая это смешение промышленностей на одном участке, нагрузки будут разумно сбалансированы, таким образом, что центр обработки данных может отказаться от использования контура отопления, который обслуживает блок офисов или больницу, или промышленная прачечная, используя тепловой насос для своих нужд по нагреву воды, может продавать «охлаждение» для линии розлива напитков. По различным причинам, наиболее подходящими хладагентами для применения в системах данного типа являются аммиак и диоксид углерода, но оба этих хладагента требуют компрессоров, которые могут работать при давлениях выше, чем мы использовали ранее в системах холодоснабжения. 75 бар является расчетным стандартом для аммиака и докритических условий диоксида углерода, и если система с диоксидом углерода работает при сверхкритических условиях, то требуется расчетное давление от 100 до 140 бар.


Новые технологии


Датчики


Разработка компьютерных мощностей по обработке данных, полученная при непрерывном выражении закона Мура, привела в последние годы к большому скачку в возможности регистрации данных. В будущем станет возможным устанавливать датчики давления, температуры и скорости на работающие механизмы с целью контроля рабочих параметров для обеспечения энергоэффективности в реальном времени. Это позволит внедрить систему управления более сложным компрессором, возможно включая впрыск масла в определенных точках цикла сжатия в измеряемых порциях, которые являются минимально необходимыми для достижения требуемого эффекта, вместо того, чтобы заполнять картер компрессора как мы делаем в настоящий момент. Также станет возможным использовать измеряемые порции жидкого хладагента только в нужных точках для охлаждения, уплотнения и смазывания, полностью избегая необходимости применения масла. Более широкое применение мощных магнитов, возможно даже внешних сверхпроводников, сделает возможным точный контроль большого числа параметров, влияющих на процесс сжатия, тем же способом, как контролируется процесс в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Станет возможным изменять производительность, степень сжатия и температуру нагнетания путем изменения размеров и формы камеры сжатия, независимо поршневой это компрессор, винтовой или спиральный – или один из компрессоров нового поколения, называемых «инновационными».


В настоящее время на рынке существуют емкостные датчики, позволяющие измерять относительную пропорцию пара и жидкости в трубопроводе хладагента. Если компрессор терпим к работе с жидким хладагентом, этот датчик исключает необходимость регулирования перегрева термостатических расширительных вентилей, таким образом повышая давление всасывания в типовом применении на величину около 5 К и увеличивая холодильный коэффициент (СОР) на приблизительно 15%. Расширительный вентиль следует настроить таким образом, чтобы обеспечить «перезаполнение» испарителя на 2…5% в отличие от поддержания перегрева 6 К, как осуществляется в современной практике. Это также снижает размер испарителя на 15%, теплопередающую поверхность, обычно требуемую для обеспечения перегрева.


Диагностика


Распространение датчиков позволит обеспечить совершенно новый подход к обслуживанию компрессоров, основываясь на измерении состояния всех движущихся частей установки в реальном времени. Для получения максимального преимущества требуется значительно улучшенное программное обеспечение, и как сказал Рон Конри (Ron Conry) из Turbocor compressor, «лучше думать об этом как о компьютере, который сжимает газ, чем как о компрессоре с большим количеством встроенных средств контроля». Компрессор сможет отслеживать свою эффективность и рекомендовать, когда требуется превентивный ремонт, не только, чтобы избежать дорогостоящих поломок, но, что более важно, поддерживать работу компрессора на пике эффективности. В действительности компрессор становится собственным калориметром, позволяющим точно вычислять эффективность системы в реальном времени, основываясь на небольшом числе измерений в ключевых точках холодильного цикла. Считывание информации в реальном времени может быть также использовано для значительного снижения уровня вибраций путем более точной доводки портов компрессора в соответствии с манометрическими давлениями на нагнетании и в цилиндре.


Материалы


Пластмассы уже широко используются для изготовления некоторых компонентов компрессоров, включая клапанный узел, поршневые кольца и уплотнения. Их применение будет увеличиваться в конструктивных элементах таких, как корпуса, гильзы цилиндров и портов, включая «материалы с памятью» которые изменяют форму при разнице температур и могут использоваться для уплотнения частей компрессора (и поэтому позволяют получить лучшую эффективность при работе без масла) в широком температурном диапазоне. Они могут сделать компрессоры значительно легче, пропагандируя этот путь, для своей интеграции в систему.


Технологии производства


Когда пластмассы будут более широко применяться для изготовления компонентов компрессора, контактирующих с веществами в жидкой фазе, они позволят производить компрессоры совершенно по новому. Например, сложные взаимосвязанные части уже могут быть изготовлены с применением 3D принтеров, которые также сложны, как и матричные принтеры 1980х. Они уже печатают изделия из различных пластмасс (полноцветные), бронзы и нержавеющей стали. Поскольку компрессоры улучшаются, качество их тоже улучшится с той точки зрения, что детали для сборки могут браться непосредственно из принтера.


Новые концепции


3-D печать также откроет возможность для изготовления новых типов компрессоров, которые дороги в настоящее время, такие как «трубчато-цилиндрический» одновинтовой компрессор (в противоположность более известной «плоско-цилиндрической» компоновке) описанный Хеидрицх (Heidrich) (17). Компрессоры, упомянутые ранее, получат также преимущества с применением этих передовых технологий, как и более традиционные спиральные компрессоры.


Обоснование для изменений


Основной императив для производства данных изменений является энергоэффективность, к которой приводит увеличение стоимости энергоресурсов и изменение стоимости оборудования. Финансовая оценка станет более реалистичной, если для оценки стоимости энергозатрат в течение всего жизненного цикла используют баланс между стоимостью обслуживания и стоимостью, на которую увеличиваются затраты при снижении эффективности. Стоимость жизненного цикла не будет предполагать такой же эффективности, как и у новой установки. Выиграет та технология, которая позволит осуществлять обслуживание «из коробки» и делать это без значительного ручного вмешательства, но наряду с этим подтверждать экономию энергоресурсов, заявленную при использовании данной технологии. Приборы, программное обеспечение для управления двигателем и диагностики располагаются под капотом автомобиля и достаточны для осуществления этих функций уже сегодня, таким образом можно предвидеть появление таких систем в холодоснабжении в течение 10 или 20 лет. Те устройства, которые не смогут предоставить доказательства уровня эффективности, не будут продаваться, при этом не имеет значение насколько они дешевы.


Заключение


Великолепные времена наступают для производителей компрессоров. Требования к работе с высокими давлениями и температурами для рынка тепловых насосов, объединенные с требованием к снижению частоты обслуживания систем и энергоэффективностью будут подстегивать разработку безмасляных, терпимых к наличию жидкого хладагента, герметичных компрессоров и детандеров (иногда объединенных в один агрегат). Непрерывное совершенствование, ожидаемое в развитии технологии изготовления датчиков сделает возможным реализацию платформы для управления энергоэффективностью и мониторинга, что является революционным путем которым мы взаимодействуем с данными машинами, позволяя им сообщать об эффективности системы и рекомендовать точные промежутки сервисного обслуживания.


Все это следует осуществить при ценах значительно более низких, чем сегодня и таким образом, чтобы позволить производителям компрессоров получить здоровую прибыль от их производственного опыта.


Ссылки


(1) UNEP, “Assessment Report of the Refrigeration, Air-Conditioning and Heat Pumps Technical Options Committee”, Nairobi, 2010


(2) Orosz, J., Kemp, G., Bradshaw, C. and Groll, E., Performance and Operating characteristics of a Novel Rotating Spool Compressors, International Compressor Engineering Conference, Purdue, 2012


(3) The, Y. L., Ooi, K. t., Analysis of internal leakage across radial clearance in the improved revolving vane (RV-1) compressor, International Compressor Engineering conference, Purdue, 2008


(4) Wissik, E., Dedicated Compressor Technology for a next generation domestic heat pump – free piston with oil fre torsion drive, GL2012 IIR Conference, Delft, 2012


(5) Bell, I., Groll, E., Braun, J., Horton, T., Experimental Testing of Oil-Flooded Hermetic Scroll Compressor, International Compressor Engineering Conference, Purdue, 2012


(6) Sekiguchi, T., Development of Lightweight and High Efficiency swing Type Compressor using New Interior Permanent Magnet synchronous Motor, International Compressor engineering conference, Purdue, 2012


(7) Boone, J., Ammonia Chillers in different industrial plants in Switzerland, International Institute of Refrigeration conference “ammonia Refrigeration Technology”, Ohrid, 2013


(8) Foresight, the Future of Food and Farming (2011) Final Project Report. The Government Office of Science, London, 2011


(9) Institution of Mechanical Engineers “Population: One planet, too many people?” London, 2011


(10) Pearson, A., the role of refrigeration in the future of food and farming, 42nd congress on HVSC&R, KGH, Belgrade, 2011


(11) Bon, G., New high efficiency piston compressors for ammonia, GL2012 IIR Conference, Delft, 2012


(12) Conry, R., A brief overview of the Turbocor compressor – the Road to Discovery, Proc Inst Ref, London, 2009


(13) Pearson, A., R-1234ze for variable speed centrifugal chillers, Proc Inst Ref, London 2013


(14) Lorentzen, G., Throttling, the internal haemhorrhage of the refrigeration process, Proc Inst Ref, London, 1983


(15) Hansen, T., Smih, I., Stosic, N., Combined Industrial Cooling and Heating with Transcritical CO2 Heat Pumps Utilizing the Work of Expansion, GL2004 IIR Conference, Glasgow, 2004


(16) Brasz, J. J., Single Rotor Expressor as Two-Phase Flow Throttle valve Replacement, US Patent, n.006185956, 2001


(17) Heidrich, F., Water Flooded Single Screw (SSP) Compressor Technology, International Compressor Engineering Conference, Purdue, 1996

Комментарии 0

Комментариев пока нет