Компрессоры Emerson Climate Technologies для холодильных установок на СО2

История применения углекислоты (СО2) в качестве хладагента берет свое начало с конца XIX века.


Во времена промышленной революции, длившейся приблизительно до 1920 года, в качестве хладагентов применялись только аммиак R717, диоксид серы (R764, SO2) и диоксид углерода (R744, СО2).


Однако с появлением в 1930-ых годах галогенезированных углеводородов, ситуация изменилась в пользу все более широкого использования последних. Из природных хладагентов лишь аммиак продолжал широко применяться в холодильной промышленности.


Казалось бы, развитие в данной области продолжится неограниченно долго, но в 1972 году появилась первая публикация, с которой начался следующий этап в развитии хладагентов. В данной публикации Марио Молина и Фрэнк Шервуд Роланд описывают влияние хлора, содержащегося в хладагентах на основе хлорфторуглеродов (CFC) и гидрохлорфторуглеродов (HCFC), на толщину озонового слоя Земли.


Исследования негативного влияния галогенезированных углеводородов на озоновый слой продолжались и привели к появлению Монреальского (1987 год) и Киотского (1997 год) протоколов, ограничивающих, а в будущем и полностью запрещающих, производство и использование данных веществ.


В связи с этим активно ведется поиск новых альтернативных хладагентов, отвечающим экологическим требованиям и требованиям по эффективности.


С точки зрения экологии, перспективным является возврат к использованию природных хладагентов, таких как СО2.


Данный хладагент обладает рядом особенностей, подробно описанных в литературе и многочисленных публикациях. Поэтому мы не будем останавливаться на этом, лишь напомним, что СО2 применяется в холодильных системах в качестве хладагента нижней ветви каскада (применение в докритической области) и в транскритических циклах.


Особенности хладагента накладывают отпечаток на конструкцию и тип применяемого компрессора.


Рассмотрим каскадную холодильную установку, где СО2 применяется в качестве хладагента нижней ветви каскада и особенности некоторых типов компрессоров, применяемых в ней.


Особенностью работы поршневого компрессора является наличие клапанов на всасывании и нагнетании. Наличие клапанов приводит к дополнительным потерям на них. Однако, данная конструктивная особенность позволяет компрессору эффективно работать при разных степенях сжатия.


Особенностью же работы спирального компрессора является наличие внутренней фиксированной (геометрической) степени сжатия, определяющейся конструктивными параметрами компрессора. Иными словами, чем больше требуемая по внешним условиям степень сжатия будет отличаться от геометрической, тем больше будут и потери за счет недосжатия или пережатия хладагента.


Казалось бы, в данном случае более выигрышно смотрится поршневой компрессор, но давайте рассмотрим параметры и особенности работы цикла.


Температура конденсации в каскадной холодильной установке поддерживается за счет верхней ступени каскада, значит, ее колебания будут минимальными, т. е. не будет таких резких колебаний как при использовании конденсаторов воздушного охлаждения, устанавливаемых на улице.


Температура кипения в таких установках находится в пределах от минус 35⁰С до минус 50⁰С, что составляет 12 бар (абс.) и 6,8 бар (абс.) соответственно. Температура конденсации составляет как правило минус 10⁰С, что соответствует 26,5 бар (абс.). Поэтому требуемая степень сжатия для компрессора нижней ступени каскада на СО2 будет составлять 2,2…3,9.


Данная степень сжатия вполне может быть реализована в спиральном компрессоре, при этом потери от недожатия (пережатия) хладагента будут минимальными, а учитывая тот факт, что в конструкции спиральных компрессоров отсутствуют клапаны на всасывании и нагнетании, т. е. отсутствуют потери на них, спиральный компрессор является более предпочтительным для этого применения (рис. 1).


В связи с этим Emerson Climate Technologiesразработал ряд компрессоров серии ZO для применения в докритических циклах на СО2 (Табл.1).


Разрез спирального компрессора серии ZO представлен на рис. 2.

Поскольку R744 обладает высокой смешиваемостью практически со всеми применяемыми типами масел, возникла необходимость внесения изменений в конструкцию компрессора.


Первое изменение касается изменения направления потока всасываемого газа. При попадании жидкого хладагента в компрессор, наиболее серьезные повреждения возникают вблизи входа всасываемого газа, поэтому направление потока было изменено с помощью 3 пластин таким образом, что он направляется в нижнюю часть компрессора (ниже муфты Олдхема), контактирует с электродвигателем, и тем самым жидкий хладагент испаряется.


Второе изменение заключается в увеличении количества масла, которое попадает в муфту Олдхема. Для этого в упорной колодке корпуса основного подшипника были просверлены четыре отверстия.


Для увеличения износостойкости муфты Олдхема было проведено ее анодирование, что является третьим изменением в конструкции компрессоров серии ZO по сравнению с другими сериями компрессоров.


Благодаря указанным выше изменениям, а также элементам конструкции традиционно присутствующими в спиральных компрессорах Emerson Climate Technologies, стало возможным успешное проведение следующих испытаний:


  • Испытания на надежность, компрессоры испытываются 63 700 часов

  • Испытания при степени сжатия, значительно превышающей рабочую

  • Испытания при высокой нагрузке

  • Испытание при высоком числе циклов включения/отключения компрессора – более 650 000 циклов

  • Пуск при заливе компрессора жидким хладагентом

  • Испытание при заливе компрессора

  • Испытание на включение/отключение компрессора при работе на границе рабочего диапазона.

  • Испытания при работе вне рабочего диапазона компрессора.

Компрессор запускается в производство, только если его конструкция успешно прошла указанные выше испытания.


Таким образом, применение спиральных компрессоров в нижней ветви каскадной холодильной установки позволяет получить следующие преимущества:


  • Высокая энергоэффективность

  • Высокая надежность за счет использования механизма согласования спиралей. При попадании жидкого хладагента или твердых частиц в спиральный блок, спирали могут смещаться друг относительно друга в осевом и радиальном направлениях, пропуская жидкость или твердые частицы без повреждения спиралей.

  • Применение двухполюсных электродвигателей по сравнению с четырехполюсными позволяет уменьшить рабочий объем, что наряду с высоким объемным КПД ведет к уменьшению габаритных размеров компрессора и, следовательно, к экономии материалов, а значит и стоимости компрессора.

  • Благодаря герметичной конструкции компрессора уменьшается вероятность утечек, что особенно актуально при использовании хладагентов высокого давления, таких как R744.

Список литературы.


1. Scroll Compressors for R744 (CO2) in Refrigeration and Heat Pump Applications, Conference at the Institue of Refrigiration, London, UK, April 2009.

Теги: Emerson, Copeland, CO2, спиральные компрессоры Автор: Талызин Максим Сергеевич   |   17 Мая 2013
Комментарии 0

Комментариев пока нет