Введение

Скруточный компрессор (также называемый спиральным компрессором, спиральным насосом и вакуумным насосом скруточного типа) — это устройство для сжатия воздуха или хладагента. Он используется в оборудовании для кондиционирования воздуха, в качестве автомобильного нагнетателя (где он известен как нагнетатель спирального типа) и в качестве вакуумного насоса. Многие жилые центральные тепловые насосы и системы кондиционирования воздуха, а также некоторые автомобильные системы кондиционирования воздуха используют скруточный компрессор вместо более традиционных роторных, поршневых и пластинчатых компрессоров. Скруточный компрессор, работающий в обратном направлении, является скруточным расширителем и способен генерировать механическую работу.

История

Леон Крё впервые запатентовал спиральный компрессор в 1905 году во Франции и США (патент № 801182). Крё изобрел компрессор как концепцию ротационного парового двигателя, но технология литья металла того времени была недостаточно развита для создания рабочего прототипа, поскольку спиральный компрессор требует очень жестких допусков для эффективной работы. В патенте 1905 года Крё описывает совместно вращающийся или спиральный обратимый паровой расширитель, приводимый в действие кривошипно-шатунным механизмом с фиксированным радиусом на одном валу. Однако двигатель с роторным расширителем не смог преодолеть технологические трудности, связанные с радиальной податливостью, необходимые для достижения эффективности спиральной компрессии, которые не были должным образом решены до работ Нильса Янга в 1975 году. Первые практичные спиральные компрессоры появились на рынке только после Второй мировой войны, когда более точные станки позволили их производство. В 1981 году компания Sanden начала производство первых коммерчески доступных спиральных компрессоров для автомобильных кондиционеров.

Дизайн

Скруточный компрессор использует два перекрывающихся спиральных элемента для перекачки, сжатия или повышения давления жидкостей и газов. Геометрия лопаток может быть инволютной, архимедовой спиралью или гибридной. Обычно один из спиральных элементов неподвижен, а другой совершает орбитальное движение без вращения вокруг своей оси, захватывая и сжимая объемы жидкости между спиральными элементами. Орбитальное движение может обеспечиваться эксцентричным валом, но необходимо предотвращать вращение спирального элемента, как правило, с помощью муфты типа Олдхема, дополнительных эксцентрических промежуточных валов или сильфонного соединения (особенно для применений, требующих высокой чистоты). Другой способ создания сжимающего движения – синхронное вращение спиральных элементов с разнесенными центрами вращения. Относительное движение при этом эквивалентно орбитальному. Утечки из осевых зазоров предотвращаются использованием спиральных концевых уплотнений, установленных в пазы на концах обеих спиралей. Эти уплотнения также снижают трение и могут быть заменены при износе. В некоторых компрессорах для прижима спиральных элементов друг к другу используется газ, нагнетаемый под давлением, что устраняет необходимость в концевых уплотнениях и улучшает герметичность в процессе эксплуатации; такие компрессоры, как говорят, разрабатываются в процессе работы, а не изнашиваются, хотя другие детали, такие как кольцо Олдхема, все же могут изнашиваться. Существует также вариант с гибкими (плоскими) трубками, где архимедова спираль функционирует как перистальтический насос, работающий по тому же принципу, что и зубная паста в тюбике. Они оснащены корпусами, заполненными смазочным материалом для предотвращения истирания внешней поверхности насосной трубки и отвода тепла, и используют армированные трубки, часто называемые "шлангами". Этот тип насосов часто называют "шланговым насосом".

Сравнение с другими насосами

Эти устройства отличаются более плавной, тихой и надежной работой по сравнению с традиционными компрессорами в определенных областях применения.

Ротации и импульсный поток

Процесс сжатия происходит примерно за 2–2½ оборота коленчатого вала, по сравнению с одним оборотом для роторных компрессоров и полуоборотом для поршневых компрессоров. Процессы нагнетания и всасывания спиральных компрессоров происходят в течение полного оборота, в то время как для поршневых компрессоров процессы всасывания и нагнетания занимают менее половины и менее четверти оборота соответственно. Поршневые компрессоры имеют несколько цилиндров (обычно от двух до шести), в то время как спиральные компрессоры – только один компрессионный элемент. Наличие нескольких цилиндров в поршневых компрессорах снижает пульсации всасывания и нагнетания. Поэтому сложно однозначно утверждать, что спиральные компрессоры имеют более низкий уровень пульсаций, чем поршневые, как часто заявляют некоторые поставщики спиральных компрессоров. Более равномерный поток обеспечивает снижение пульсаций газа, шума и вибрации подключенных трубопроводов, не влияя при этом на эффективность работы компрессора.

Клапан

Скруточные компрессоры никогда не имеют всасывающего клапана, но в зависимости от области применения могут иметь или не иметь нагнетательного клапана. Применение динамического нагнетательного клапана более распространено в системах с высоким перепадом давления, что характерно для холодильной техники. Как правило, в кондиционерах скруточный компрессор не оснащается динамическим нагнетательным клапаном. Использование динамического нагнетательного клапана повышает эффективность скруточного компрессора в широком диапазоне рабочих условий, когда рабочее отношение давления значительно превышает встроенное отношение давления компрессора. Если компрессор предназначен для работы вблизи одной конкретной точки, то скруточный компрессор может фактически повысить эффективность в этой точке при отсутствии динамического нагнетательного клапана (поскольку наличие нагнетательного клапана связано с дополнительными потерями расхода, а также нагнетательные каналы, как правило, имеют меньшее сечение при его наличии).

Эффективность

Изентропическая эффективность спиральных компрессоров немного выше, чем у обычного поршневого компрессора, когда компрессор спроектирован для работы вблизи одной выбранной расчетной точки. Спиральные компрессоры более эффективны в этом случае, поскольку они не имеют динамического нагнетательного клапана, который создает дополнительные потери на дросселирование. Однако эффективность спирального компрессора, не имеющего нагнетательного клапана, начинает снижаться по сравнению с поршневым компрессором при работе с более высоким отношением давлений. Это связано с потерями на недосжатие, возникающими при работе компрессоров с положительным вытеснением без динамического нагнетательного клапана при высоком отношении давлений. Процесс сжатия в спиральном компрессоре почти на 100% объемно эффективен при перекачивании захваченной жидкости. Процесс всасывания создает собственный объем, отделенный от процессов сжатия и нагнетания, происходящих внутри. В отличие от этого, поршневые компрессоры оставляют небольшое количество сжатого газа в цилиндре, поскольку для поршня непрактично касаться головки блока цилиндров или тарельчатого клапана. Этот остаточный газ из предыдущего цикла занимает пространство, предназначенное для всасываемого газа. Снижение производительности (т.е. объемного КПД) зависит от давления всасывания и нагнетания, причем более значительное снижение происходит при более высоких отношениях давления нагнетания к давлению всасывания.

Размер

Скруточные компрессоры обычно отличаются компактностью и плавной работой, поэтому не нуждаются в пружинной подвеске. Это позволяет использовать для них небольшие кожухи, что снижает общую стоимость, но также уменьшает полезный объем.

Надежность

У спиральных компрессоров меньше движущихся частей, чем у поршневых, что теоретически должно повысить надежность. По данным Emerson Climate Technologies, производителя спиральных компрессоров Copeland, в них на 70% меньше движущихся частей, чем в традиционных поршневых компрессорах. По крайней мере один производитель в ходе испытаний обнаружил, что конструкция спирального компрессора обеспечивает более высокую надежность и эффективность работы по сравнению с поршневыми компрессорами.

Расширитель прокрутки

Экспонатор скрутки – это устройство для выработки работы, преимущественно используемое в системах рекуперации тепла при низком давлении. По сути, это скручивающий компрессор, работающий в обратном режиме: рабочая жидкость или газ с высокой энтальпией поступает на сторону нагнетания компрессора и вращает эксцентрическую спираль, прежде чем покинуть компрессор через всасывающий патрубок. Основное изменение, необходимое для преобразования скручивающего компрессора в экспонатор скрутки, заключается в удалении обратного клапана со стороны нагнетания компрессора.