Ротационные компрессоры

Ротационные компрессоры

 

В ротационных компрессорах используется электрический двигатель  для сжатия пара движущимся элементом  в стационарном элементе.

Ротационные холодильные  компрессоры бывают четырех типов: ротационный, ротационный пластинчатый, винтовой и спиральный. Все эти  компрессоры — объемные, которые  сжимают пар хладагента без преобразования вращения вала в возвратно-поступательное движение. Хотя ротационные компрессоры  являются объемными устройствами, но ротационное движение производит более  ровный, почти постоянный поток всасываемого и нагнетаемого паров. Это сокращает  уровень механического напряжения в компрессоре, а сокращение пульсации  пара снижает уровень вибрации и  шума. У ротационных компрессоров меньше движущихся частей, чем у поршневых, что упрощает их производство и снижает стоимость.

Как и поршневые, ротационные  компрессоры также испытывают потери объема и сжатия из-за мертвого объема, нагрева цилиндра, протечки клапанов, перетечки и характеристик потока через клапан. Но данная неэффективность все равно меньше, чем у поршневых компрессоров.

Мертвый объем и связанное  с ним расширение пара мертвого объема в ротационных компрессорах относительно небольшие. Следовательно, их коэффициент подачи относительно высокий (от 65 до 80 %) в зависимости от типа компрессора и режима эксплуатации.

 

Производительность ротационного компрессора непосредственно зависит  от скорости вращения ее ротора. Так  как в данных компрессорах обычно используется асинхронный двигатель  с постоянной скоростью, контролировать производительность можно, изменяя  объем пара хладагента в камере сжатия. Это достигается путем выпуска  пара хладагента при низком давлении и самой низкой степени сжатия через байпасный клапан между камерой сжатия и всасывающим трубопроводом. В результате происходит частичное сжатие полного потока пара.

 

У ротационного компрессора  есть цилиндрический стальной ротор, приводимый в движение эксцентриковым валом. эксцентриковый вал смещен относительно центральной оси. Следовательно, край ротора описывает окружность большего диаметра, чем диаметр ротора. Больший диаметр, который описывает ротор, почти равен диаметру цилиндра компрессора. Благодаря эксцентриковому валу ротор скользит по стенке цилиндра в том же направлении, в котором вращается вал. Ротор всегда контактирует со стенкой цилиндра. В щели стенки цилиндра находится подпружиненная лопасть. Пружины выдвигают лопасть из щели, поэтому она следует движениям ротора.

 

В результате между ротором  и стенкой цилиндра образуется одна или две камеры, когда лопасть  прижимается к ротору, а ротор  — к стенке цилиндра. Всасываемый и нагнетаемый пары отделяются в точках контакта лопасти с ротором и ротора со стенкой цилиндра. Ротор и лопасть делят всю длину цилиндра. Торцевые крышки цилиндра закрывают оба конца цилиндра и поддерживают вал.

 

Всасывающее и нагнетательное отверстия расположены в стенке цилиндра около щели лопасти. Всасывающие  отверстия расположены ниже лопасти  по направлению вращения ротора. Хотя всасывающих клапанов не нужно, в  нагнетательном отверстии установлен полосовой клапан, который устраняет  попадание пара обратно в цилиндр. Нагнетательное отверстие и клапан расположены выше щели лопасти. Так  как при работе компрессора ротор  вращается непрерывно, поток пара через всасывающее и нагнетательное отверстия почти непрерывный. Поток  кратко прерывается каждый раз, когда  ротор проходит по отверстиям, создавая маленькие пульсации плавного потока. Между лопастью, ротором и торцевыми  крышками предусмотрены рабочие  зазоры. Смазочные материалы в  компрессоре закрывают пространство между движущимися и статичными частями для ограничения просачивания. Все поверхности в компрессоре, включая торцевые крышки, полированные и расположены тесно друг к  другу для образования уплотнения. При работе компрессора масляная пленка образует уплотнение между областями  высокого и низкого давления. Но при остановке компрессора масляное уплотнение исчезает, и давление в  компрессоре выравнивается.

Малые ротационные компрессоры  обычно работают с R-12, R-134a и подобными  смесями в бытовых холодильных  устройствах, морозильниках и кондиционерах. Данные компрессоры работают со скоростью 1800 или 3600 об/мин (60 Гц) и используются в системах с мощностью ниже 2,2 кВт.

 

 

Ротационные компрессоры.

Особенностью ротационных  компрессоров по сравнению с поршневыми является отсутствие кривошипно-шатунного механизма и возвратно-поступательно движущегося поршня. Поэтому ротационные компрессоры имеют хорошую уравновешенность, сравнительно малую массу на единицу холодопроизводительности, меньшее количество движущихся частей, подвергающихся износу, отсутствие всасывающих, а в некоторых конструкциях и нагнетательных клапанов. Они проще в обслуживании и более надежны в работе. К недостаткам ротационных компрессоров можно отнести сложность их изготовления и ремонта, большой износ движущихся частей.

Все многообразие конструкций  ротационных компрессоров можно  свести к двум основным типам - компрессоры  с вращающимся ротором, ось которого фиксируется относительно оси цилиндра (пластинчатые ротационные компрессоры), и компрессоры с катящимся  ротором, ось которого вращается вокруг оси цилиндра, и ротор при этом обкатывает цилиндр.

Ниже описаны ротационные  компрессоры фирмы «Rotasco» (Япония). Удачное решение схемы смазки компрессора и подбор пары трения позволили получить ротационный компрессор одноступенчатого сжатия, который успешно эксплуатируют при сравнительно большом (до 25) отношении давлений конденсации и испарения.

Рис. 1. Последовательность процессов  всасывания, сжатия и нагнетания в  ротационном компрессоре.

«Rotasco» относится к группе компрессоров с катящимся ротором.

На рис. 1 показана принципиальная схема работы компрессора «Rotasco».

1. Строение ротационного компрессора и принцип действия

 В цилиндрическом корпусе  1 на валу 3 эксцентрично насажен  поршень 4. Диаметр и эксцентриситет  поршня подобраны так, что он  касается поверхности цилиндра  по линии, разделяющей рабочий  объем цилиндра от полости  всасывания и нагнетания.

Шибер (пластина) 2, прижимающийся  к поршню в верхней части цилиндра, делит рабочий объем его на две рабочие полости. Шибер может  совершать колебательное движение. В целях лучшего уплотнения шибера с ротирующим поршнем и уменьшения трения в рабочую поверхность шибера вложена специальная уплотняющая полоска, прижимающаяся к поверхности поршня с помощью пружины. Для лучшего соприкосновения катящегося поршня со стенками цилиндра поршень обтянут тонкостной эластичной втулкой из высококачественной специальной стали.

На наружной поверхности  поршня вдоль оси имеется канавка  овальной формы, напротив которой на поршневой втулке рассверлено несколько  отверстий, через них в полость  поршня попадают сжатые пары, образующие эластичную подушку. Эластичное соприкосновение  рабочих поверхностей цилиндра и  поршня при наличии хорошей циркуляции масла обеспечивает постоянный масляный слой между линией соприкосновения  трущихся поверхностей.

В образующуюся при каждом обороте поршня рабочую полость  цилиндра, лежащую по одну сторону  линии касания поршня с поверхностью цилиндра, засасывается сухой насыщенный или перегретый пар. По другую сторону этой линии касания происходит процесс сжатия и нагнетания паров через нагнетательные клапаны.

Положение А - полость всасывания соединена со всасывающей стороной машины. В этот момент начинается всасывание паров из испарителя, так как увеличивается объем серповидной полости, образованной цилиндром и поршнем. В другой полости с этого момента начинается сжатие паров (положение В). При дальнейшем вращении ротора давление сжатия возрастает и, когда в цилиндре давление превысит давление паров в нагнетательной полости, открывается клапан (положение С) и пары нагнетаются в конденсатор. Положение D характеризует конец процесса нагнетания. Всасывающая полость наполнена парами, и ротор начинает вновь совершать процесс сжатия (положение Е).

Рис. 2. Компрессор «Rotasco»:

1 - крышка клапана; 2 - направляющая  клапана; 3 - клапан масляный; 4 - толкатель; 5 - планки расходящиеся; 6- диск; 7 - крышка  центробежного клапана; 8 - шарикоподшипник; 9 - роликоподшипник; 10 - бугель эксцентрика; 11 - крышка торцевая; 12 - винт уплотнительный; 13 - направляющая золотниковой крылатки; 14 - корпус; 15 - золотниковая крылатка; 16 - ротор; 17 - крышка; 18- штуцер для  масла; 19 - крышка сальника; 20 - муфта; 21 - золотниковая крылатка; 22 - направляющая золотниковой крылатки; 23 - нагнетательный клапан; 24 - уплотняющий нож; 25 - втулка ротора; 26 - поплавок; 27 - смотровое стекло; 28 - всасывающий патрубок.

Величина вредного пространства ротационного компрессора мала, и  поэтому объемные потери значительно  меньше, чем в поршневом компрессоре.

Цилиндр компрессора закрыт с обеих сторон чугунными крышками, несущими подшипники ротора. Осевой шарикоподшипник 8 (рис. 2) фиксирует положение поршня и вала по отношению к цилиндру. За этим подшипником на торце вала находится центробежный клапан 3, включенный в систему маслопровода. При остановке  машины этот клапан закрывается, предохраняя  цилиндр от заполнения маслом. При  достижении необходимой частоты  вращения вала клапан открывается.

Рис. 3. Схема циркуляции масла  ротационного компрессора:

1 - маслоотделитель; 2 - обратный  клапан; 3 - компрессор; 4 - фильтр; 5 - холодильник; 6 - центробежный клапан; 7 - смотровое  стекло; 8 - нагнетательный трубопровод.

Циркуляция масла, поступающего из маслоотделителя 1 (рис. 3), осуществляется под действием разности давлений аммиака в нагнетательной и всасывающей  полостях. Поэтому специально циркуляционного масляного насоса не требуется. Масло из компрессора поступает вместе с парами аммиака в маслоотделитель, из него при открытом центробежном клапане проходит в масляный холодильник 5, затем в фильтр 4 и после центробежного клапана 6 через смотровое стекло 7 подается для смазки цилиндра и сальника.

Масло, пройдя через сальниковое  уплотнение по сверлению в валу поршня, поступает на смазку опорных подшипников  качения и подшипников эксцентриковых бугелей, создающих колебательное  движение шибера. Масло с подшипников  попадает в поплавковую камеру, из нее периодически подается в полость  всасывания. Далее все масло через  нагнетательные клапаны вместе со сжатыми  парами аммиака подается в маслоотделитель.

Заправка маслом осуществляется централизованно от расходной цистерны. При заправке оно подается в маслоотделитель 1 до заданного уровня. Циркулирующее  масло охлаждается в холодильнике забортной водой.

Уплотнение вала ротора достигается  при помощи сальника и притертых  поверхностей втулки и подвижного кольца, уплотнение по шейке вала - с помощью  двух резиновых колец. Нагнетательный клапан компрессора - пластинчатый прямоточный. Компрессор не имеет всасывающих клапанов. На всасывающем патрубке установлен лишь невозвратный клапан, на нагнетательной стороне, после маслоотделителя, тоже установлен невозвратный клапан.

Возможность эффективной  работы компрессора при больших  значениях отношения давления конденсации  к давлению испарения при работе по одноступенчатому циклу объясняется  тем, что по сравнению с обычными поршневыми компрессорами у машин  фирмы «Rotasco» температура паров в конце сжатия значительно ниже. Сравнительно небольшой перегрев можно объяснить хорошим водяным охлаждением цилиндра (корпуса) компрессора, а также главным образом отводом тепла в холодильнике циркулирующим маслом.

Рис. 4. Ротационный компрессор с вращающимся поршнем:

а - схема работы; б - индикаторная диаграмма.

Ротационные компрессоры  с вращающимся поршнем обычно выполняются многопластинчатыми. Ротор вращается вокруг неподвижной оси, а пластины выталкиваются из него центробежной силой и скользят по внутренней поверхности цилиндра. Между торцевыми поверхностями цилиндра, поверхностью ротора и цилиндра образуется замкнутая полость, имеющая переменный объем - наибольший после окончания всасывания и наименьший в конце сжатия. На рис. 4, а показана схема работы многопластинчатого ротационного компрессора с вращающимся поршнем.

Пары холодильного агента, поступающие из всасывающего трубопровода, захватываются и отсекаются пластинами в верхней части, сжимаются при  вращении поршня и, наконец, когда ячейка достигнет положения, при котором  она соединяется с нагнетательным трубопроводом, пары холодильного агента выталкиваются.

 

 

 

2.

Отношение давлений p2 / p1 изменяется в зависимости от эксплуатационных давлений во всасывающем и нагнетательном патрубках компрессора. В многопластинчатом  ротационном компрессоре с вращающимся поршнем степень сжатия для каждой ячейки постоянная, в связи с чем давление конца сжатия pi в ячейке может быть больше или меньше давления р2 в нагнетательном патрубке.

Степень сжатия ротационного компрессора определяется отношением максимального объема ячейки в начале сжатия V1 к ее объему в конце процесса сжатия V2 :

πГ = V1 / V2 .

Величина πГ для данного  компрессора является постоянной. Степень  сжатия определяется также отношением

πГ = (p2/p1)1/n

где п - показатель политропы сжатия.

Если давление в конце  сжатия pi будет больше давления p2 в нагнетательном патрубке, как показано на рис. 4, б пунктирной линией, то возникают энергетические потери. Величина этих потерь определяется площадью заштрихованной части индикаторной диаграммы.

В ротационных компрессорах в отличие от поршневых вредное пространство мало. Кроме того, в пластинчатых ротационных компрессорах осуществляется перепуск пара, поэтому влиянием вредного пространства на производительность компрессора пренебрегают. На рис. 4, а перепускная линия показана пунктиром.

Смазка компрессора производится от многоплунжерного масляного насоса (лубрикатора), который приводится в  действие от полумуфты электродвигателя через клиноременную передачу. На лубрикаторе установлен масляный бачок  с указателем уровня. Суммарная емкость  бачка и насоса рассчитана на 24 ч  работы машины. Ротор представляет собой чугунный барабан, напрессованный на стальной вал. По всей длине барабана профрезерованы пазы под пластины. Для удобства сборки и разборки в компрессоре применены радиальные роликоподшипники. Выходной конец вала уплотняется с помощью двойного торцевого сальника трения (пара трения графит - закаленная сталь). Камера сальника постоянно залита маслом. Для контроля уровня масла и наполнения камеры сальника служит бачок с указательным стеклом.