Опалення та водопостачання Зміст:
Спіральні компресори
В останні роки помітно зріс інтерес до екологічної продукції. Відносно систем кондиціонування повітря та холодопостачання діють різні нормативні документи, покликані знизити навантаження на навколишнє середовище в глобальному масштабі, скоротити шкідливі викиди в атмосферу шляхом переходу на нові холодоагенти та зменшити енергоспоживання за рахунок заохочення підвищення ефективності обладнання. Особливе значення надається, зокрема, розвитку технологій, що використовуються в компресорах – ключових компонентах систем кондиціонування повітря та холодопостачання.
Щоб зменшити навантаження на мережу таких систем, скоротивши тим самим парникові викиди, слід, в першу чергу, звернути увагу на компресори, які споживають до 80% від всієї енергії, що йде на живлення системи. Прагнення підвищити ефективність компресорів привела до появи ротаційних моделей для побутових кондиціонерів в 1960-70-х роках, гвинтових компресорів для чілерів і холодильних систем в 1970-80-х роках, спіральних компресорів для напівпромислових кондиціонерів повітря в 1980-х.
В наші дні практично скрізь традиційні поршневі компресори замінені пристроями ротаційного типу. Виняток становлять лише поршневі компресори малої потужності, які використовуються, в основному, в побутових холодильниках. Основні принципи роботи ротаційного компресора були сформульовані вже до початку XX століття, однак для їх практичного втілення потрібні технології високоточної механічної обробки для отримання деталей складної форми, створення надійного приводу … Особливо важливі ретельне дотримання геометрії деталей і точність складання для компресорів гвинтового і спірального типів, тому своєю появою вони багато в чому зобов’язані прогресу технологій металообробки.
На додаток до зменшення енергоспоживання шляхом підвищення ефективності, зниження парникового впливу систем кондиціонування повітря та холодопостачання досягається за рахунок переходу на холодоагенти з більш низьким потенціалом глобального потепління (ПГП). Зокрема, в побутових холодильниках використовують ізобутан (R600a), в теплових насосах, що нагрівають воду для господарсько-побутових потреб, застосовують СО2, в потужному холодильному і морозильному обладнанні застосовують аміак (NH3), а в напівпромислових і побутових кондиціонерах повітря – R32.
Нижче розглядаються деякі технології, пов’язані з переходом спіральних компресорів на нові холодоагенти.
CO2 – використання в компресорах, детандерах (розширниках), детандер-компрессорах
У другій половині 1990-х років посилилася стурбованість проблемою глобального потепління, і увагу привернули системи кондиціонування повітря і холодопостачання, що використовують в якості холодоагенту діоксид вуглецю (CO2). Дослідження показали можливість застосування компресорів для CO2 в автомобільних кондиціонерах і теплових насосах для нагріву води.
У 2001 році компанія Denso розробила спіральний компресор для CO2 з герметичним корпусом низького тиску і нижнім розташуванням механізму, і випустила в продаж водонагрівачі Eco Cute на його основі. Після цього багато японські виробники створили свої компресори для CO2 і вийшли на ринок теплових насосів для нагріву води. Hitachi і Panasonic розробили компресори спірального типу в герметичному корпусі високого тиску, Mitsubishi Electric і Daikin представили ротаційний компресор також в герметичному корпусі високого тиску, а Sanyo створила двоступеневий ротаційний компресор в герметичному корпусі проміжного тиску.
У порівнянні з традиційними компресорами систем кондиціонування повітря і холодопостачання, компресор для CO2 відрізняється вкрай високим робочим тиском і малим робочим об’ємом. Щоб забезпечити герметичність і стійкість до високого тиску робилися спроби збільшити міцність рухомою і нерухомою спіралей і підвищити надійність підшипників.
З цією метою Mitsubishi Electric досліджувала параметри ковзання осьових підшипників рухомий спіралі, Panasonic вивчала деформацію механізму в результаті впливу тиску і температури.
Крім того, було проведено безліч досліджень можливості застосування спіральних детандерів і детандер-компресорів для рекуперації енергії в процесі розширення в сверхкритичному циклі охолодження. Компанія Hitachi розробила прототип CO2-розширювача (детандера) і детандер-компресорного агрегату з розширювачем з одного боку і осьовим компресором з іншого боку, побудувавши на їх основі чиллер для демонстрації ефективності такого рішення.
Аналогічний прототип був створений і в Mitsubishi Electric. За підсумками його випробувань з’ясувалася важливість зниження втрат тиску в кожному елементі конструкції, а також запобігання витоку тепла з осьового компресора в розширювач для ефективності рекуперації та використання енергії розширення.
Panasonic повідомляє про моделювання детандер-компресора, що об’єднує двоступеневий ротаційний детандер і спіральний компресор. Вивчення теплового насоса для нагріву води, обладнаного таким детандер-компресором і звичайним компресором, показало можливість підвищення коефіцієнта продуктивності (COP) на величину до 15% за рахунок рекуперації енергії в ході розширення і поліпшення алгоритмів управління.
Дослідження також показали можливість підвищити ефективність компресорів для CO2 за рахунок застосування двоступінчастого стиснення. У 2011 році компанія Mitsubishi Heavy Industries (MHI), створила двоступеневий компресор для CO2, використовуючи механізм ротаційного типу для щаблі низького тиску і спіральний механізм для ступені високого тиску. Даний компресор був встановлений в тепловий насос для нагріву води комерційного призначення. Надалі подібні двоступеневі компресори знайшли застосування в конденсаторних блоках для холодильного і морозильного обладнання.
У 2017 році компанія Sanden вперше випустила на ринок компресори на CO2, призначені для автомобільних кондиціонерів.
Холодоагенти зі зниженим ПГП
Як заходи протидії глобальному потеплінню індустрія клімату і штучного холоду знижує енергоспоживання обладнання, підвищуючи його ефективність, і переходить на холодоагенти з більш низьким ПГП.
На сьогоднішній день найбільшу увагу привертають помірно горючі холодоагенти R32, R447A, R454A і негорючий холодоагент R466A в якості заміни R410A в кондиціонерах повітря, а також R448A, R449A і R463А як альтернатива R404A для використання в холодильній і морозильних приладах.
В Японії в результаті поширення холодоагенту R32 в якості робочого тіла для побутових і напівпромислових кондиціонерів були розроблені компресори, найкраще підходять для роботи з ним. Компанія Daikin створила компресор, що відрізняється підвищеною ефективністю і надійністю завдяки періодичної мастилі дотичних частин спіралей і застосування спеціальних масел, добре розчиняються в R32 при низькій температурі. Для мульти-спліт-систем Mitsubishi Electric розробила компресор з системою впорскування, що перешкоджає підвищенню температури газу на лінії нагнітання за рахунок подачі рідкого холодоагенту безпосередньо в камеру всмоктування до початку процесу стиснення. За повідомленням компанії, це рішення запобігає витоку холодильного масла, яке залишається в герметично закритому корпусі компресора, а також скорочує втрати через неефективне стиснення.
У сегменті низькотемпературного обладнання також йде перехід на холодоагенти зі зниженим ПГП. Для компресорно-конденсаторних блоків компанія Hitachi розробила побутовий компресор підвищеної ефективності з асиметричною формою спіралі і поліпшеним портом нагнітання. Mitsubishi Electric пропонує компресор, який може використовувати як R410A, так і R463A, що дозволяє організувати плавний перехід на новий холодоагент.
Досліджується можливість використання і природних холодоагентів, таких як вуглеводні і аміак. Компанія Emerson розробила спіральний компресор з інверторним приводом, призначений для використання вуглеводневої холодоагенту R290. Конструкція, що використовує корпус з низьким тиском всередині, дозволяє знизити обсяг заправки холодоагенту за рахунок меншої розчинності R290 в холодильному олії і зменшення кількості газоподібного холодоагенту усередині корпусу компресора.
Mayekawa розробила компресор на R290 з інжекторним охолодженням для комерційних високотемпературних теплових насосів. Даний компресор має вибухозахищеного конструкцію, що відрізняється підвищеною ефективністю і надійністю. У той же час досліджується можливість застосування аміаку в якості холодоагенту, зокрема, шляхом моделювання визначається оптимальна конфігурація обмотки з алюмінієвого дроту.
Практика показує, що спіральна конструкція підходить для різних видів і областей застосування: наддуву, рідинних насосів, двигунів, детандерів на основі органічного циклу Ренкіна, компресорів паливних осередків. Очікується, що в майбутньому сфера її використання розшириться ще більше.
Компресори відцентрового типу
Відцентрові компресори
Ось уже майже сторіччя холодильні компресори відцентрового типу використовуються в потужних системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, а також в холодильних установках промислового призначення. На сьогоднішній день діапазон холодопродуктивності відцентрових компресорів простягається від 210 до 19 350 кВт (60 – 5 500 холодильних тонн). Для рішень, що вимагають великої холодильної потужності, компресори відцентрового типу є найкращому рішенням з точки зору вартості та ефективності. Принцип дії таких пристроїв полягає в безперервному перетворенні кінетичної енергії обертання крильчатки в тиск, стискає газ. Конструкція компресорів відцентрового типу дозволяє стискати значні обсяги газу.
Нещодавно верхню межу діапазону продуктивності інноваційних безмасляних компресорів вдалося підняти до 5075 кВт (1450 х. Т.), Що значно розширило область їх застосування. Безмасляні технології істотно підвищують енергоефективність компресорів відцентрового типу, в тому числі і в позаштатних режимах експлуатації. З цієї причини попит на безмасляні компресори стрімко зростає, сьогодні на їх частку припадає майже 30% всього ринку відцентрових компресорів для чілерів.
Розвиток технології відцентрових компресорів
За останні десятиліття з’явилося безліч технологічних інновацій. Це і перехід від систем з постійною швидкістю обертання до частотно-регульованим приводам (VFD), і поява інноваційних безмасляних компресорів, що використовують, зокрема, активну магнітну підвіску, і створення високоефективних крильчаток з 3D-лопатками, форма яких отримана за допомогою моделювання методами обчислювальної гідродинаміки, і впровадження нових ефективних холодоагентів, що поєднують негорючість з низьким ПГП, таких як R1233zd (E). В результаті енергоефективність компресорів відцентрового типу істотно підвищилася. Крім того, поєднання безмасляної технології з частотно-регульованим приводом не тільки підвищило ефективність і розширило сферу застосування компресорів, а й змінило їх традиційну конструкцію.
Від постійної швидкості обертання до регульованої
Традиційний відцентровий компресор – одноступінчатий з підвищувальної передачею, що припадає в рух двополюсним індукційним електродвигуном змінного струму. Провідні виробники чиллерів в США, такі як Carrier, YORK і McQuay (Daikin Applied), застосовували цю конструкцію протягом довгого часу, подібні моделі випускаються до цих пір. У той же час Trane традиційно використовувала дво- або триступеневу конструкцію з прямим приводом від двополюсного індукційного електродвигуна змінного струму з постійною швидкістю обертання. У компресорах такої конструкції застосовуються холодоагенти низького тиску.
У 1990-х роках через поступової відмови від хлорфторвуглецевих (ХФВ) і гідрохлорфторвуглецевих (ГХФВ) холодоагентів низького тиску, таких як R11 і R123, виробники чиллерів з Японії та інших країн Азії розробили двоступеневі компресори, які використовують холодоагент середнього тиску R134a. Привід таких компресорів оснащується підвищує передачею, а в чиллер вбудовується економайзер для підвищення ефективності. Сьогодні така конструкція стала стандартом для Азії. Для управління продуктивністю цих компресорів використовують (разом або окремо) зміна положення лопаток направляючого апарату (IGV) на вході і сопла (дифузори) із змінною геометрією на виході. Розробка різних способів управління геометрією сопла дозволила істотно розширити ефективний робочий діапазон компресорів. На додаток до перерахованого, продуктивність компресора може управлятися зміною швидкості обертання. З цією метою існуючі двополюсні індукційні електродвигуни комплектуються системою частотного регулювання (VFD).
Безмасляні компресори з регульованою швидкістю
На початку 2000-х років конструкція відцентрових компресорів істотно змінилася: поява інноваційних безмасляних рішень на основі високошвидкісних електродвигунів на постійних магнітах і з частотним регулюванням приводу дозволило відмовитися від підвищувальної передачі і системи змащення.
На сьогоднішній день існують одно- і двоступінчасті компресори з прямим приводом на основі індукційних електродвигунів змінного струму або моторів на постійних магнітах. Останнім часом широкого поширення набули двоступеневі компресори з розташуванням крильчаток «спина-до-спині» для зменшення навантаження на безмасляні підшипники (магнітну підвіску). Крім управління частотою обертання, для регулювання продуктивності таких компресорів можуть використовуватися (разом або окремо) напрямні апарати (IGV) і сопла (дифузори) із змінною геометрією.
Нові альтернативні холодоагенти для чілерів
Компресори відцентрового типу розраховані на стиск великого обсягу газу, і тому в них використовували, в основному, холодоагенти низького тиску, для яких характерний більший обсяг всмоктування на одиницю холодильної потужності. Однак в даний час в відцентрових компресорах застосовуються і холодоагенти середнього тиску. При рівній холодопродуктивності обсяг всмоктування для холодоагентів середнього тиску приблизно на 20% менше, ніж для холодоагентів низького тиску, що дозволяє зменшити габарити компресора і знизити його вартість. З іншого боку, ефективність циклу у холодоагентів низького тиску, як правило, вище. Вибір відповідного холодоагенту є пошук «золотої середини» між ПГП, горючість та продуктивністю циклу.
Існуючі альтернативні холодоагенти перераховані в таблиці. Альтернативні холодоагенти з низьким ПГП для компресорів великої потужності (за станом на 2021 рік)
Показники продуктивності визначені шляхом термодинамічних обчислень
Серед холодоагентів низького тиску найбільш багатообіцяючими варіантами представляються R1233zd (E) і R1224yd (Z), створені для застосування в чиллерах на базі компресорів відцентрового типу. Ці холодоагенти не горючі, мають низький ПГП і по продуктивності порівнянні з R123. У 2014 році компанія Trane Europe вперше представила лінійку чиллеров на базі відцентрових компресорів, що використовує R1233zd (E). Провідні виробники чиллерів, такі як YORK, Carrier і Daikin Applied також випустили безмасляні чиллери на R1233zd (E). Компанія Ebara пропонує чиллери з компресорами відцентрового типу на холодоагенті R1224yd (Z), який розглядається як альтернатива для R245fa. Показники продуктивності визначені шляхом термодинамічних обчислень
Широке поширення в Європі отримав помірно горючий (A2L) холодоагент R1234ze (E), що представляє собою перспективну альтернативу холодоагенту середнього тиску R134a для використання в чиллерах водяного і повітряного охолодження на базі як відцентрових, так і гвинтових компресорів. Компанія Mitsubishi Heavy Industrial Thermal Systems (MHI) використовує R1234ze (E) у великих чиллерах на базі відцентрових компресорів холодопродуктивністю від 1000 до 8800 кВт. R513A частіше застосовують там, де законодавство дуже жорстко обмежує використання горючих холодоагентів. Нещодавно був випущений холодоагент R515B, якому присвоєно клас A1 (негорючий). Новинка, ПГП якої менше, ніж у R513A, пропонується в якості заміни R134a і являє собою азеотропну суміш R1234ze (E) і R227ea. Навіть з урахуванням вищесказаного слід визнати, що ефективні альтернативи для R134a, які б поєднували ультранизьким ПГП з негорючістю, поки недоступні.
Майбутнє технологій для компресорів відцентрового типу
Компресори відцентрового завжди вважалися рішенням, більш відповідним для ситуацій, що вимагають великої холодильної потужності. При цьому протягом довгого часу ведуться дослідження і розробки в області малих відцентрових компресорів для побутових або малих напівпромислових теплових насосів.
Жан-Батист Карре (Jean-Baptiste Carré) в 2016 році повідомив про експериментальне дослідженні, в рамках якого було створено побутової тепловий насос «повітря-вода» потужністю 6 кВт на базі безмасляного двоступеневого компресора на підшипниках з газової мастилом. За габаритами даний компресор можна порівняти з існуючими спіральними компресорами на холодоагенті R410A.
У 2018 році К. Контомаріс (K. Kontomaris) зі співавторами опублікували звіт про дослідження, направленому на виявлення оптимального холодоагенту для відцентрових компресорів малої і середньої потужності (від 10 до 250 кВт), підшипники яких використовують газову мастило. Дослідження показало, що холодоагенти середнього тиску дозволяють досягти високої енергоефективності при застосуванні в малогабаритних компресорах з високою швидкістю обертання.
Вода (R718) є ідеальним холодоагентом для парокомпрессионних систем, так як вона нетоксична, не горюча, не сприяє глобальному потеплінню і її можна порівняти за ефективністю з традиційними гідрофторвуглецевими (ГФВ) холодоагентами. При цьому обсяг всмоктування для води повинен бути приблизно в 160 більше, ніж для R134a. Отже, необхідні великі відцентрові і осьові компресори з високим ступенем стиснення.
Розробка чиллерів, що використовують воду в якості холодоагенту, ведеться в контексті обмежень виробництва і споживання фторвуглеців. У 2010-х роках компанія Kobelco застосувала осьовий компресор на воді при створенні водоохолоджуваного чилера. У 2013 році Kawasaki Heavy Industries випустила на ринок 350-кіловатний чиллер на базі відцентрового компресора, що використовує воду в якості холодоагенту. Компанія Efficient Energy запропонувала невеликий водоохолоджуваний чиллер на воді під назвою eChiller. Спочатку потужність пристрою на базі відцентрового компресора становила 35/45 кВт, але в 2020 році була збільшена до 120 кВт.
У 2020 році, Е. верп (Е. Verpe) зі співавторами опублікували результати дослідження застосування води як холодоагенту для теплових насосів. В експериментальному дослідженні вивчалася робота високотемпературного теплового насоса на базі двоступеневого компресора відцентрового типу, здатного підняти температуру насичення водяної пари з 100 до 146 ° С.
Гвинтові компресори
Прогрес технологій
Гвинтовий компресор – це компресор об’ємного стиснення, в якому надійшов з боку всмоктування газоподібний холодоагент стискується за рахунок зменшення містить його обсягу при обертанні прилеглих роторів.
Існують три види гвинтових компресорів: здвоєного типу, з одним гвинтом і Трироторна. Компресори здвоєною конструкції, що включає ведучий і ведений ротори, з’явилися в 1930-х роках і на сьогоднішній день є основним видом гвинтових компресорів на ринку. Перший напівгерметичний гвинтовий компресор здвоєного типу з системою впорскування масла, що призначався для використання в складі чиллерів з водяним охолодженням конденсатора, був створений в 1960-х роках. Він з’явився як відповідь на потребу ринку в пристрої, холодопродуктивність якого була б вище доступною поршневим компресорів, але при цьому нижче, ніж у компресорів відцентрового типу. Компресор з одним гвинтовим ротором і двома відомими шестернями застосовується в системах охолодження з 1970-х років. Трироторна конструкція з регульованою швидкістю обертання, що складається з одного ведучого і двох відомих роторів, була розроблена для використання в чиллерах з водяним охолодженням на початку 2000-х років. Ці види компресорів відрізняються компонуванням, але побудовані на одному і тому ж принципі.
Габарити гвинтових компресорів обмежені можливою деформацією роторів, максимально допустимим навантаженням на підшипники і граничною швидкістю обертання. Однак немає істотних обмежень, що стосуються різниці тисків. Це помітно розширює робочий діапазон і, відповідно, область застосування гвинтових компресорів. В результаті вони використовуються в водо- і повітроохолоджуваних чиллерах, теплових насосах, холодильних установках і промисловому обладнанні для скраплення газу.
Основними факторами, що впливають на ефективність гвинтових компресорів, є витоку через нещільного прилягання роторів і втрати через тертя при русі роторів один щодо одного. За останні кілька років за допомогою сучасних інструментів комп’ютерного моделювання та удосконалення технологій виробництва форма роторів була оптимізована.
В результаті, загальну ефективність гвинтових компресорів вдалося підвищити до рівня, відповідного або навіть перевищує ефективність малих і середніх компресорів відцентрового типу. Одночасно з цим впровадження систем регулювання, керуючих швидкістю обертання моторів на постійних магнітах і використовують змінне об’ємне відношення (VVR), дозволило підвищити ефективність роботи гвинтових компресорів в нештатних умовах.
Гвинтові компресори для природних холодоагентів
З посиленням обмежень, що стосуються споживання ГФУ, в холодильних системах і промисловому обладнанні все ширше використовуються природні холодоагенти. Провідні постачальники компресорів розширюють лінійки пристроїв гвинтового типу, розрахованих на роботу з природними холодоагентами.
Аміак використовується в якості холодоагенту для промислового холодильного обладнання на протязі багатьох років. Цей холодоагент відрізняється високою ефективністю циклу і низькою вартістю, але при цьому токсичний і здатний вступати в реакцію з міддю. Компанії Kobelco і Mayekawa розробили і випустили на ринок напівгерметичні одно- і двоступінчасті гвинтові компресори для аміаку. Для запобігання корозії обмотки електродвигунів цих компресорів виконані з алюмінію. Svenska Rotor Maskiner (SRM), що входить в Snowman Group, також представила лінійку напівгерметичних одно- і двоступеневих гвинтових компресорів для аміаку з алюмінієвими обмотками електродвигунів. GEA розробила напівгерметичні гвинтові компресори на аміаку для використання в складі систем кондиціонування повітря.
На сьогоднішній день діоксид вуглецю (CO2) визнаний надійним і екологічно безпечним холодоагентом для систем охолодження супермаркетів і промислового холодильного обладнання. GEA поставляє компресори для CO2 з приводом відкритого типу, розраховані на тиск в 6,3 МПа. У їх конструкції використані ротори високої міцності з комбінацією канавок 6/8.
Пропан (R290) – високоефективний холодоагент з низьким ПГП, що має клас пожежонебезпеки А3 (горючий). Він застосовується не тільки в побутових кондиціонерах, а й в холодильних установках і чиллерах. Компанії Bitzer і Frascold випускають напівгерметичні гвинтові компресори потужністю від 40 до 390 л. с. (30 – 286 кВт), спеціально розроблені для використання з R290.
Майбутнє технологій для гвинтових компресорів
Зусилля багатьох інженерів сконцентровані на оптимізації профілю роторів гвинтових компресорів здвоєного типу. Крім того, ведуться роботи з пошуку оптимальної компоновки елементів конструкції з одним ротором. Результати дослідження нового типу однороторні гвинтових компресорів з трьома канавками на головному роторі і десятизубцовими відомими зірочками опублікували А. Данпут (A. Dhunput) зі співавторами в 2019 році. Як повідомляється, нова конфігурація підвищує інтегральний показник ефективності при неповному навантаженні (IPLV) на 7% в порівнянні з традиційною компоновкою.
Вважається, що холодоагенти низького тиску не підходять для компресорів об’ємного стиснення гвинтового типу. Однак в 2018 році була опублікована робота М. Акеі (M. Akei), що описує конструкцію, що включає гвинтовий міні-компресор для холодоагента низького тиску. За габаритами і цей компресор, який використовує два здвоєних ротора, що приводяться в рух швидкісним електродвигуном на постійних магнітах, порівняємо з існуючими спіральними компресорами на R410A.
Гвинтові детандери для органічного циклу Ренкіна
Системи, що використовують органічний цикл Ренкіна для перетворення непридатного тепла в електроенергію, знаходять все більш широке застосування в різних галузях промисловості. Як правило, ці установки, також звані бінарними генераторами, так як вони одночасно виробляють тепло і електрику, використовують як робоче тіло холодоагенти низького тиску, такі як R245fa, R1233zd (E) і R1224yd (Z).
У подібних системах застосовують детандери відцентрового і гвинтового типів. Kobelco розробила мікросистему бінарної генерації на базі напівгерметичного гвинтового детандера, здатну виробляти до 72 кВт електроенергії і подавати гарячу воду. Як джерело тепла використовується відводить дармове тепло вода, нагріта до 70-95 °С.
В даний час інтерес викликає Одногвинтові конструкція детандера. Дослідження, присвячене оцінці показників ефективності одногвинтового детандера для органічного циклу Ренкіна з R1233zd (E) в якості робочого тіла, опубліковано в 2017 році Д. Дзівіані (D. Ziviani) зі співавторами.
Огляд ринку компресорів 2020 тут.