Производительность первых компрессоров не регулировалась или регулировалась неэффективно — перепуском газа (байпасом). Холодопроизводительность чаще всего меняли включением и выключением компрессора.
В начале 2000-х инверторные приводы начали внедрять сначала в бытовых сплит-системах, затем в полупромышленном и промышленном оборудовании. Они меняли холодопроизводительность по реальной тепловой нагрузке. Это повышало холодильный коэффициент и продлевало срок службы: число циклов запуска и остановки резко снижалось. Однако первые приводы были маломощными, что сдерживало их распространение. Со временем появились более мощные устройства, и сфера применения расширилась.
DC Inverter: меньше преобразований
Следующий шаг — инверторные компрессоры постоянного тока (DC Inverter — Direct Current Inverter). Их цель — повысить энергоэффективность за счет сокращения преобразований тока.
Инвертор регулирует производительность, меняя частоту тока. Но напрямую изменить частоту переменного тока нельзя. Сначала ток превращают в постоянный, затем формируют переменный нужной частоты. Так ток проходит двойное преобразование: в выпрямителе синусоида выпрямляется, а в инверторе создается новая синусоида.
Двойное преобразование дает двойные потери: КПД каждого этапа ниже 100%. Поэтому инженеры решили отказаться от «инвертора в инверторе» и подать на компрессор постоянный ток. Каламбур связан с тем, что под словом «инвертор» понимают и устройство для регулирования компрессора в целом, и одну из его составных частей.
Регулирование компрессоров постоянного тока происходит изменением действующего напряжения. Питание идет импульсами постоянной амплитуды, но разной частоты. Меняя длину и периодичность импульсов, снижают действующее напряжение и производительность. При этом потребляемая мощность падает пропорционально. Это экономит энергию при неполной нагрузке.
Сегодня такие компрессоры применяются в бытовых, полупромышленных и прецизионных кондиционерах, а также в наружных блоках мультизональных систем. Подробнее о DC Inverter «Мир климата» писал в статье «Вестник УКЦ АПИК: Компрессоры постоянного тока» в № 83 (2014).
Спиральные компрессоры
Конструкция и принцип работы
Спиральный компрессор состоит из электродвигателя, вала с эксцентриком и двух спиралей — подвижной и неподвижной. Подвижная спираль совершает поступательно-вращательное движение и обкатывается по неподвижной. В каждый момент спирали образуют несколько замкнутых объемов разной величины. Чем дальше от центра, тем больше объем. По мере движения полости смещаются к центру и уменьшаются. Так сжимается хладагент.
Производители уделяют внимание профилированию спиралей, снижению перетечек и повышению срока службы элементов. Есть и более специфические решения.
Технология Enhanced Vapor Injection (EVI)
Для расширения температурных границ работы спиральных компрессоров предложили технологию Enhanced Vapor Injection (EVI). Она подает дополнительный поток хладагента в виде перегретого пара в процессе сжатия. Часть жидкости после конденсатора направляют в небольшой теплообменник. Там она выкипает и возвращается в компрессор.
Спиральные компрессоры, помимо отверстий для подачи и нагнетания, оснащаются портом для впрыска дополнительного объема хладагента. Газ в них движется от наружных витков к внутренним. Впрыск происходит на середине этого пути (рис. 1).
EVI расширяет температурные границы работы в холодное время года до —25°C. По данным LG, промежуточный впрыск повышает производительность системы на 27%. Технология также снижает температуру хладагента на выходе из компрессора. Это позволяет компрессору работать с более высокой скоростью и увеличивает производительность агрегата. EVI применяется в компрессорах Copeland, Mitsubishi Electric и других.
Снижение перетечек в компрессорах Daikin
В новых спиральных компрессорах Daikin проработан вопрос снижения перетечек хладагента из зоны высокого давления в зону низкого. Чтобы избежать перетечек, подвижная и неподвижная спирали должны быть плотно прижаты друг к другу. Как этого добиться?
Обычно часть хладагента высокого давления на выходе направляют в полость снаружи подвижной спирали. Давление нагнетания выше среднего давления между спиралями. Поэтому возникает сила, прижимающая подвижную спираль к неподвижной. Однако при снижении производительности давление на выходе падает, и прижимающая сила уменьшается. Для перетечки достаточно узкой щели. Как только она появляется, эффективность компрессора резко падает.
Daikin разработала компрессоры с дополнительной опорной площадкой для подвижной спирали. Чем ниже давление нагнетания, тем больше хладагента проходит через площадку. Это улучшает прижимание спиралей и снижает вероятность перетечек. Подробнее — в статье «Новые решения в Daikin VRV IV+» в журнале «Мир климата» № 113 (2019).
Технология EMS от Midea
Эффективность компрессоров можно повышать косвенно — за счет изменения режима работы других элементов контура. Пример — технология EMS в кондиционерах Midea.
В Midea изучили, при какой производительности компрессор наиболее эффективен. Выяснилось: пик КПД соответствует 50—80%-ной загрузке. Значит, нужно, чтобы компрессор как можно дольше работал именно с такой загрузкой. Как этого достичь?
При 100%-ной тепловой нагрузке компрессор должен работать на полную. Но так ли часто нагрузка столь велика? Выясняется, что нет. Далее следует анализ работы при частичной нагрузке.
Одно из решений — повышение температуры хладагента в испарителе при неполной нагрузке. Это напрямую повышает энергоэффективность: чем выше температура испарения, тем выше холодильный коэффициент.
Одновременно компрессор выводится на энергоэффективный режим. Это также повышает холодильный коэффициент. По данным Midea, сезонный холодильный коэффициент SEER у такого кондиционера на 10% выше, чем у обычного.
Турбокомпрессоры
Почему понадобились турбокомпрессоры
Турбокомпрессоры — относительно новый вид. Он появился на климатическом рынке около 10 лет назад, а активное распространение получил лишь в последние 2–3 года.
Производительность компрессора ограничена частотой вращения вала электродвигателя. Она, в свою очередь, связана с частотой тока в электросети. В России стандартная частота тока — 50 герц, или 50 циклов синусоиды в секунду. В минуту это 3000 циклов. Отсюда стандартные частоты вращения вала — 3000 оборотов в минуту и кратные ей 1500 и 750.
Чтобы компрессор выдавал нужную производительность, ему нужен достаточный объем рабочей полости. Производительность равна произведению объема рабочей полости на частоту вращения вала. Для повышения мощности нужно увеличить любой из множителей.
Очевидно, что рост объема рабочей полости ведет к увеличению габаритов и снижению энергоэффективности: чем крупнее машина, тем сложнее следить за утечками и перетечками. Возник вопрос: как повысить частоту вращения вала? На помощь пришли наработки из холодильной отрасли и криогеники — турбодетандеры. Частота вращения их вала измеряется десятками тысяч оборотов в минуту. Вскоре технология перешла в системы кондиционирования.
Устройство и преимущества
Новые агрегаты назвали турбокомпрессорами (турбинными компрессорами). У них малый объем рабочей полости и компактные размеры, но высокая скорость вращения вала — до 40 000 оборотов в минуту.
Шариковые подшипники неспособны эффективно и надежно работать на таких скоростях. Поэтому в турбокомпрессорах применяют газовые подшипники, а в современных моделях — магнитную подвеску. Сжатие происходит в рабочих колесах (рис. 2) за счет центробежных сил.
Для работы турбокомпрессоров не требуется масло: вращение вала происходит в воздухе, трущихся частей нет. Вал поддерживают магнитные подшипники — два радиальных (передний и задний) и один осевой (рис. 3). Для надежности магнитной подвески предусмотрена система контроля положения вала. В зависимости от зазоров между валом и подшипниками формируется корректирующее магнитное поле, поддерживающее вал в оптимальном положении. Из-за высокой скорости вращения проверки положения вала должны происходить очень часто — около 100 тысяч раз в секунду.
Отсутствие трущихся частей повышает КПД. Кроме того, отсутствие масла позволяет обойтись без маслосистемы: подогревателей масла, масляных насосов, маслоотделителя, масляного фильтра и других элементов. Наконец, в холодильном контуре хладагент циркулирует чистым, без примесей. Поэтому в конденсаторе и испарителе не образуется масляная пленка, снижающая эффективность теплообмена.
Значительное повышение скорости вращения вала позволило существенно снизить габариты и массу компрессора. В среднем турбокомпрессоры в 5–9 раз компактнее и легче компрессоров другого вида с аналогичной производительностью. Помимо снижения затрат на изготовление корпуса сокращаются вес и габариты чиллеров и наружных блоков. Соответственно, упрощаются транспортировка и монтаж.
В таблице 1 приведен сравнительный анализ двух чиллеров холодильной мощности 700 киловатт — на базе винтового компрессора с инверторным управлением и турбокомпрессора. Применение турбокомпрессоров позволило повысить холодильный коэффициент чиллера на 10% при полной нагрузке и на 22% — при частичной. Кроме того, холодильные машины на турбокомпрессорах имеют более низкий уровень шума, в 5,5 раза меньшую массу и занимают в 3 раза меньше места.
Поршневые компрессоры
Принцип работы и конструкция
Сжатие хладагента в поршневых компрессорах происходит за счет движения поршня в цилиндре. Когда поршень находится в дальнем конце от дна цилиндра, газ всасывается. Далее поршень движется по цилиндру и сжимает пары хладагента. По окончании сжатия открывается клапан нагнетания, и хладагент направляется в конденсатор.
Современные поршневые компрессоры имеют несколько цилиндров. Обычно их количество четное — 2, 4, 6 или 8. Однако у Copeland есть компрессоры и с 3 цилиндрами. Несколько цилиндров позволяют при примерно тех же габаритах сжимать соответственно в 2, 4, 6 или 8 раз больше хладагента.
Клапаны и «мертвый» объем
Среди новшеств в поршневых компрессорах — клапаны в форме шайбы вместо традиционных лепестковых. Новая конструкция существенно снижает «мертвый» объем в конце сжатия. Такие клапаны предусмотрены, например, на новых поршневых компрессорах линейки Discus от Copeland (рис. 4).
«Мертвый» объем — это свободный объем, который остается в рабочей полости, когда поршень достигает крайнего положения. По сути, там остается газ, не ушедший в трубопровод нагнетания. При обратном движении поршня этот газ расширяется и занимает часть объема. Из-за этого в цилиндр поступает меньше хладагента низкого давления. Задача производителей — минимизировать «мертвый» объем.
Компрессоры Bitzer Ecoline
О модификации клапанных досок задумались и в Bitzer. Новая линейка получила название Ecoline. По данным производителя, холодильный коэффициент агрегатов увеличен на 12% по сравнению с прошлыми сериями. Причина — новые клапанные доски, высокоэффективные моторы и новая конструкция головки цилиндров. Она снижает потери и пульсацию газа на стороне нагнетания. Для компрессоров Bitzer Ecoline применяются адаптированные преобразователи частоты Varipack.
Винтовые компрессоры
Одинарный и двойной винт
Среди винтовых компрессоров наибольшее распространение получила технология «двойной винт». В компрессорах с одинарным винтом роль винта выполняет центральный ротор. С боков к нему подсоединяются шестерни-сателлиты. Они вращаются перпендикулярно относительно центрального ротора. Пары хладагента движутся вдоль центрального ротора. До контакта с сателлитом хладагент имеет низкое давление (давление всасывания), после сателлита — высокое (давление нагнетания).
Двухвинтовой компрессор оснащен двумя роторами — ведущим, подключенным к электродвигателю, и ведомым, вращающимся за счет ведущего (рис. 5). Роторы вращаются в одной связке параллельно друг другу, хладагент движется вдоль них. В направлении движения рабочая полость между роторами уменьшается в объеме. За счет этого хладагент сжимается.
Компрессоры с двойным винтом имеют более высокую производительность и эффективность. Это определило их наибольшее распространение. Для дальнейшего повышения энергоэффективности при частичной загрузке винтовые компрессоры оснащают частотными приводами. Кроме того, инженеры оптимизируют различные узлы.
Оптимизация и регулирование
В Bitzer особое внимание уделяют профилю роторов, работе подшипников и устройству золотниковых клапанов. От качества прилегания роторов зависит величина перетечек между зонами высокого и низкого давления. При появлении зазоров перетечки возрастают. При слишком плотном прилегании возможны заклинивание роторов и останов компрессора. Здесь важен разумный баланс. В идеале зазор между винтами должен быть равен толщине масляной пленки при полном отсутствии перекоса роторов. Именно к этому стремятся производители.
С точки зрения регулирования холодопроизводительности отметим технологии двухступенчатого регулирования за счет смещения точки всасывания. Это позволяет выйти на 75%-ный и 50%-ный режимы работы. Кроме того, в компрессорах Bitzer применяется регулирующий поршень. Он обеспечивает плавный пуск компрессора и работу со сниженной производительностью (рис. 6).
По сути, речь идет о регулировании производительности за счет изменения объемного отношения. Объемное отношение — это отношение объема всасывания к объему нагнетания. Обычно оно определяется конструкцией компрессора и является постоянной величиной для каждой модели.
В новых компрессорах возможно изменение объемного отношения за счет увеличения зоны нагнетания при том же объеме зоны всасывания. Уменьшение объемного отношения приводит к снижению коэффициента сжатия. Значит, снижаются холодопроизводительность системы и нагрузка на компрессор.
Работа с разными хладагентами
Винтовые компрессоры для холодильной техники отличаются от климатических аналогов способностью работать не только с фторуглеродными хладагентами, но и с углеводородами, углекислым газом, аммиаком и другими рабочими веществами. Часть из них плохо «уживается» с металлами, применяемыми в электротехнике.
Например, при контакте аммиака и меди, использующейся в обмотках электродвигателей, образуются соли и аммиачный комплекс меди. Во избежание этого приходится применять алюминиевые обмотки. Однако это снижает ресурс электродвигателя и усиливает его нагрев.
Заключение
Компрессор — самый энергоемкий и дорогостоящий элемент холодильного контура. Поэтому он и в будущем будет привлекать внимание инженеров холодильной отрасли. Современные агрегаты отличаются не только высоким качеством изготовления элементов, но и «умной» автоматикой, регулирующей работу. Пример — турбокомпрессоры с частотой вращения вала до 40 000 оборотов в минуту и необходимостью автоматического контроля положения вала 100 000 раз в секунду.
