【Технический журнал двигателей】Вопрос дня 20170729: Проблемы проектирования винтовых холодильных компрессоров?

При низком давлении используется одноступенчатое сжатие, при высоком давлении — многоступенчатое.

Нужно проверить, является ли это изотермическим сжатием; если да, то нет необходимости использовать двухступенчатое сжатие.

В процессе сжатия вся мощность, подаваемая на компрессор, преобразуется в тепло. Для сжатия горячего газа требуется больше энергии, поэтому компрессор должен иметь систему охлаждения. Чем ниже повышение температуры в процессе сжатия, тем энергоэффективнее компрессор. Идеальным процессом сжатия является изотермическое сжатие, при котором температура остается неизменной во время процесса сжатия. У поршневых компрессоров, турбинных компрессоров и безмасляных шнековых компрессоров отсутствуют эффективные средства охлаждения в процессе сжатия, поэтому процесс сжатия обычно разделяется на несколько стадий. На выходе из каждой стадии устанавливается межстадийный охладитель, который понижает температуру до уровня, близкого к температуре окружающей среды. Затем конденсат удаляется, а газ направляется на следующую стадию для продолжения процесса сжатия. Этот процесс сжатия в диапазонах позволяет удерживать максимальную температуру в безопасных пределах, одновременно делая среднюю температуру более близкой к изотермической. Поэтому для поршневых компрессоров, турбинных компрессоров и безмасляных шнековых компрессоров наличие промежуточного охладителя способствует экономии энергии за счёт многоступенчатого сжатия. Скребковый компрессор с впрыском масла использует смазочное масло для поглощения тепла, образующегося в процессе сжатия. По весу количество смазочного масла, поступающего в двигатель в единицу времени, в десять раз превышает количество воздуха. Поскольку способность смазочного масла поглощать тепло значительно выше, чем у воздуха, большая часть тепла, образующегося в процессе сжатия, поглощается маслом, что позволяет поддерживать температуру во время сжатия на низком уровне. Тепло, поглощаемое смазкой, составляет примерно 90% от входной мощности. Внутреннее охлаждение с использованием топлива – это ключевая технология, обеспечившая быстрое развитие насосных компрессоров. Можно сказать, что насосы с винтовым двигателем смогли заменить поршневые компрессоры и стать доминирующим типом оборудования на рынке исключительно благодаря уникальной системе охлаждения. Уникальная система охлаждения насосно-шнековых компрессоров позволяет им в диапазоне обычных значений давления отработанных газов, например при давлении ниже 1,3 МПа, не использовать и не нуждаться в многоступенчатом сжатии. Во-первых, благодаря полному использованию преимуществ технологии внутреннего охлаждения с помощью распыления топлива процесс сжатия становится почти изотермическим, поэтому у компрессоров с винтовыми элементами, работающими с распылением топлива, нет необходимости в многоступенчатом сжатии. Во-вторых, без межступенчатого охлаждающего устройства многоступенчатое сжатие не приносит никакой экономии энергии. Кроме того, при использовании межступенчатого охлаждения температура газа, поступающего на следующую ступень, неизбежно будет ниже температуры росы при соответствующем давлении, в результате чего образуется большое количество воды. Поэтому необходимо установить устройства для разделения и удаления масла и воды между ступенями. В противном случае масло, содержащее большое количество воды, при попадании на следующую ступень приведет к серьезному ухудшению условий смазки, что ускорит износ ротора и подшипников. Для разделения масла и воды необходимо оставить смесь в состоянии покоя на несколько часов, к тому же элементы для отвода воды должны обладать способностью определять границу между маслом и водой. Поэтому разделение и удаление масла и воды между ступенями является непреодолимой проблемой для многоступенчатых шнековых компрессоров с межступенчатыми охладителями. В настоящее время в реактивных шнековых компрессорах используется двухступенчатое сжатие лишь для уменьшения чрезмерной нагрузки на подшипники при высоком давлении выходящих газов; это не имеет никакого отношения к экономии энергии. Использование двухступенчатого сжатия при давлении выходящих газов ниже 1,3 МПа является чисто маркетинговым приемом. Те немногие иностранные компании, которые рекомендуют двухступенчатое сжатие как способ экономии энергии, делают это на основе псевдонаучных теорий, что представляет собой коммерческий обман. Исследование ряда примеров применения винтовых компрессоров с двухступенчатым сжатием также показало, что не только эффекта экономии энергии нет, но и уровень неисправностей значительно выше, чем у устройств с одноступенчатым сжатием. Самой эффективной мерой по экономии энергии в насосно-винтовых компрессорах является низкая скорость вращения. При низких скоростях вращения теплообмен между маслом и газом происходит более эффективно, что позволяет в полной мере использовать преимущества технологии внутреннего охлаждения с помощью топлива. При низких скоростах трение в подшипниках меньше. При низких скоростях вращения диаметр входных и выходных отверстий двигателя больше, что снижает сопротивление потока воздуха. Энергосберегающий винтовой компрессор должен быть винтовым компрессором с низкой скоростью вращения. Частота вращения является наиболее важным критерием для определения энергоэффективности шнекового компрессора.

Одноступенчатые и двухступенчатые компрессоры предназначены для поршневых компрессоров. Выбор зависит от температуры охлаждения: для хранилищ при комнатной температуре или при температурах ниже –30 градусов используются двухступенчатые компрессоры, так как они обеспечивают более высокую эффективность. При температурах выше 30 градусов применяются одноступенчатые компрессоры. Если использовать винтовой компрессор, то эти факторы не имеют значения — он может достигать температуры до –40 градусов. У центробежных компрессоров также бывают одноступенчатые и многоступенчатые модели; многоступенчатые компрессоры используются при ещё более низких температурах, но они реже встречаются.

Температура испарения, соотношение сжатия, вид хладагента

Изентропическое сжатие — братан, ты не в теме. В процессе холодильного цикла компрессоры практически всегда работают в режиме адиабатического сжатия

　　1) Экономически оптимальное соотношение сжатия для одноступенчатого винтового холодильного компрессора составляет 4,7 – 5,5; в этом диапазоне эффективность наибольшая. 　　2) Одноступенчатые винтовые холодильные компрессоры не подходят для использования в регионах юга нашей страны в условиях низких температур. 　　3) При температуре испарения ниже —20°C экономическая эффективность одноступенчатого винтового компрессора низка. Чем ниже температура испарения, тем ниже эффективность, тем выше энергопотребление. Длительная работа в таких условиях приводит к чрезмерному расходу энергии и к преждевременному износу компрессора. 　　4) Предпочтение следует отдавать винтовым компрессорам с экономайзером. Шнековые компрессоры с экономайзером имеют широкий диапазон рабочих условий, большое коэффициент сжатия на один ступень; их легче управлять по сравнению с двухступенчатыми шнековыми системами охлаждения. Кроме того, такие системы просты в конструкции и занимают меньше места ； По сравнению с одноступенчатыми винтовыми компрессорами преимущества ещё более заметны. 　　5) При температуре испарения ниже —30°C и при длительной эксплуатации, с точки зрения энергосбережения, следует использовать систему с двойным сжатием с помощью винтов.

Температура испарения, соотношение сжатия, вид хладагента

У насосов с винтовым двигателем без масла отсутствуют эффективные средства охлаждения в процессе сжатия, поэтому процесс сжатия обычно разделяется на несколько стадий. На выходе из каждой стадии устанавливается охладитель, который понижает температуру до уровня, близкого к температуре окружающей среды. Затем конденсат удаляется, а газ направляется на следующую стадию для продолжения процесса сжатия. Этот процесс сжатия в диапазонах позволяет удерживать максимальную температуру в безопасных пределах, одновременно делая среднюю температуру более близкой к изотермической. Поэтому для насосов с ротором без масла, при наличии промежуточного охладителя, многоступенчатое сжатие способствует экономии энергии. Уникальная система охлаждения насосно-шнековых компрессоров позволяет им в диапазоне обычных значений давления отработанных газов, например при давлении ниже 1,3 МПа, не использовать и не нуждаться в многоступенчатом сжатии. Во-первых, благодаря полному использованию преимуществ технологии внутреннего охлаждения с помощью распыления топлива процесс сжатия становится почти изотермическим, поэтому у компрессоров с винтовыми элементами, работающими с распылением топлива, нет необходимости в многоступенчатом сжатии.

У насосов с винтами должны быть одновинтовые и двухвинтовые варианты, верно? Что означают одноступенчатый и двухступенчатый?

Нужно учитывать температуру испарения: обычно при температуре выше -35°C используется одноступенчатый аппарат, а при температуре ниже -35°C — двухступенчатый

Смотрите на холодопроизводительность: при ней менее 1000 кВт — одноступенчатый, более 1000 кВт — двухступенчатый

Температура испарения, соотношение сжатия, вид хладагента

На основе параметров технологического процесса определяется соотношение сжатия, то есть коэффициент тепловой эффективности

Причина в том, что требуется разная температура. Одноступенчатое сжатие – 20, двухступенчатое сжатие – 20 и более.