Физические основы получения низких температур

Физические основы получения низких температур

 

Основы искусственного охлаждения

Из физики известно, что понятие «холод» и теплота условны, т.к. их физическая природа одинакова. Теплота – это один из видов энергии, который может быть преобразован в ее другие виды и наоборот. Теплота может переходить от одного вещества (тела) к другому лишь при наличии разности температур между ними.

Вещества, находятся в одном из трех основных фазовых (агрегатных) состояний – твердом, жидком и газообразном в зависимости от окружающих условий (давления, температуры) и могут переходить из одного состояния в другое при подводе или отводе теплоты, вызывающей изменение строения вещества.

Твердая фаза – агрегатное состояние вещества, характеризуемое жесткой молекулярной структурой. Твердое тело сохраняет свою форму и размеры, практически не сжимается.

Жидкая фаза – агрегатное состояние вещества, молекулы которого обладают большей энергией, чем молекулы твердого тела, не так плотно соединены друг с другом. Это позволяет им более легко преодолевать силы взаимного притяжения.

Жидкость практически не сжимается, сохраняет свой объем. Наиболее характерная особенность жидкости – текучесть, благодаря которой она приобретает форму сосуда, в котором находится.

Газовая или паровая фаза – агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы жидкости, не связаны силами взаимного притяжения и движутся свободно. Газ легко сжимается и заполняет весь объем сосуда, в котором находится.

Пар отличается от газа тем, что его состояние близко к жидкому состоянию. Газ – это сильно перегретый пар. В парокомпрессионных машинах рабочее вещество обычно находится в жидком и парообразном состоянии, в отличие от так называемых газовых холодильных машин, в которых рабочее вещество – газ – не меняет своего агрегатного состояния.

Если температура вещества выше температуры окружающей среды, то его называют горячим (теплым или нагретым). Самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением. Понижение температуры вещества ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само вещество, температура которого ниже температуры окружающей среды, называют холодным.

Понятие «холод» и «охлаждение» весьма условны, они имеют смысл лишь применительно к окружающей среде или телу, когда от них отводится теплота тем или иным способом. Физический же смысл имеют понятия «теплота», «отвод (подвод) теплоты», «нагретость». Физическая природа процессов охлаждения и нагревания одинакова. Эти процессы обусловлены скоростью движения молекул в телах, от которых зависит степень их нагретости.

Таким образом, исходя из относительности понятий холода и теплоты, можно дать следующее определение:

Холод – это теплота, отводимая от вещества, температура которого ниже температуры окружающей среды.

 

Сублимация

 

Вещество может переходить из твердого состояния непосредственно в пар. Этот процесс называется сублимацией. Поглощаемая из окружающего воздуха теплота, расходуется на преодоление сил сцепления молекул и влияния внешнего давления, препятствующего этому процессу.

В обычных условиях сублимируют не многие вещества – твердый диоксид углерода (сухой лед), йод, камфара и др.

Для охлаждения и получения низких температур применяют сухой лед, обеспечивающий при атмосферном давлении температуру -78,3°С, а понижая давление можно достичь -100°С.

Принципиальные схемы и циклы холодильных машин

 

Парокомпрессионная холодильная машина

 

Парокомпрессионная холодильная машина должна иметь как минимум четыре обязательных элемента: КМ – компрессор; КД – конденсатор; И – испаритель; РВ – регулирующий вентиль или расширительный цилиндр – детандер.

В испарителе, за счет кипения хладагента при низкой температуре, теплота отводится от охлаждаемой среды – воздуха в системе непосредственного охлаждения (например, в домашнем холодильнике), воды или рассола в системе с хладоносителем (насос направляет рассол в батареи, расположенные в охлаждаемом помещении). Пары рабочего вещества (хладагента) из испарителя И откачиваются с помощью компрессора КМ, сжимаются им и нагнетаются в конденсатор КД. В нем теплота отводится от конденсирующегося хладагента с помощью охлаждающей среды – воздуха или воды, которая при этом нагревается. Жидкий хладагент из конденсатора проходит через регулирующий вентиль РВ, где происходит процесс дросселирования, при этом падает давление и температура хладагента.

Температура кипения хладагента в испарителе зависит от давления , а оно в свою очередь – от производительности компрессора. Температуру кипения поддерживают такой, чтобы обеспечить необходимую (заданную) температуру охлаждаемой среды. Для понижения температуры кипения необходимо понизить давление кипения, что можно сделать, увеличив производительность компрессора.

Температура конденсации хладагента и соответствующее ей давление конденсации , зависит, главным образом, от температуры среды, используемой для охлаждения хладагента в конденсаторе. Чем она ниже, тем ниже будут температура и давление конденсации. Величины и в значительной мере связаны с производительностью компрессора. Они же в основном определяют и количество энергии, которое необходимо для работы компрессора.

 

С влажным ходом

 

Теоретические циклы холодильных машин изображают в термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип действия холодильных машин. Кроме того, термодинамические диаграммы служат теоретической базой для расчета холодильных машин и их элементов. Наиболее распространенными являются диаграммы и .

Цикл идеальной одноступенчатой холодильной машины с регулирующим вентилем близок к циклу Карно, и протекает в области влажного пара хладагента. Цикл этой машины изображен в диаграмме, и отражает процесс кипения и испарения хладагента линией 4-1 в испарителе, линией 1-2 – процесс адиабатического сжатия хладагента в компрессоре, линия 2-3 – процесс конденсации хладагента в конденсаторе, линия 3-4 – процесс дросселирования хладагента в регулирующем вентиле.

Зная энтальпии соответствующих точек цикла, можно определить следующие величины:

1. тепло, подводимое к 1кг хладагента в испарителе – холодопроизводительность 1кг хладагента, равное на диаграмме площади 4-1-а-b (Дж/кг):

;

2. работу, затраченную на сжатие пара хладагента в компрессоре (Дж/кг), равную разности энтальпий:

;

3. тепло, отводимое от 1кг хладагента в конденсаторе (Дж/кг), равное площади на диаграмме 2-3-с-а:

.

Эффективность работы холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом , равным отношению количества тепла , отнимаемого от охлаждаемого тела, к затраченной работе:

.

Аналогичные процессы цикла холодильной машины представлены в диаграмме .

 

Охлаждение жидкого хладагента перед регулирующим вентилем, условно называемым переохладителем, без дополнительной затраты работы, позволяет увеличить холодопроизводительность 1кг хладагента и холодильный коэффициент . Процесс переохлаждения изображается изобарой , которая в диаграмме совпадает с пограничной кривой . В результате переохлаждения хладагента, его энтальпия перед регулирующим вентилем уменьшается, а следовательно уменьшается бесполезное парообразование в процессе дросселирования. При этом без дополнительной затраты работы, удельная холодопроизводительность хладагента увеличивается на величину площади , т.е. . Соответственно увеличивается холодильный коэффициент.

 

Сухой ход компрессора

 

Особенностью рассмотренных выше циклов с регулирующим вентилем и переохлаждением жидкого хладагента, является всасывание компрессором влажного пара и сжатие его до состояния сухого насыщенного пара, т.е. «влажный ход компрессора». Такой режим работы компрессора теоретически является выгодным, т.к. он приближает процесс холодильной машины к идеальному циклу Карно (машины).

В практических условиях компрессор работает «сухим ходом», т.е. всасывает сухой насыщенный или перегретый пар (хладагент), точка 1 на диаграмме, и сжимает его в области перегретого пара. В состоянии точки 2 перегретый пар с давлением конденсации и температурой перегрева поступает в конденсатор, в котором сначала охлаждается до температуры конденсации (сбив перегрева ), а затем конденсируется при постоянной температуре и постоянном давлении (процесс ). Из конденсатора жидкий хладагент поступает в переохладитель, где переохлаждается (процесс ) до температуре и направляется к регулирующему вентилю для дросселирования от давления до давления в процессе . При этом температура хладагента снижается до , соответствующей давлению кипения .

Для обеспечения сухого хода компрессора в схеме холодильной машины должен быть добавлен еще один элемент, вспомогательный аппарат – отделитель жидкости, в который поступает хладагент со степенью сухости состояния точки 1 на диаграмме, где в результате уменьшения скорости и изменения направления движения, капельки жидкости отделяются от образующегося пара. Жидкость в этом аппарате стекает вниз, откуда поступает обратно в испаритель. Здесь, она дополнительно кипит при постоянной температуре , соответствующей давлению , отнимающей тепло от охлаждаемой среды в процессе 4-1.

При сухом ходе компрессора холодопроизводительность увеличивается на , равной площади на диаграмме , соответственно увеличивается работа цикла на , равная площади на диаграмме , причем приращение работы больше увеличения холодопроизводительности .

Сухой ход в условиях действительного процесса оказывается практически выгодным. Во-первых, чем выше температура пара, засасываемого компрессором, тем мене интенсивен теплообмен пара со стенками цилиндров, который уменьшает холодопроизводительность компрессора и увеличивает расход электроэнергии на сжатие пара.

Поэтому на диаграмме практического цикла холодильной машины, сжатие начинается с точки .

Во-вторых, при сухом ходе компрессора исключается возможность гидравлического удара в цилиндрах при попадании в них хладагента.

В практических условиях, компрессор засасывает пар хладагента перегретым на 5…15°С выше - для аммиака, и на 20…30°С - для хладона-12.

 

Сравнение циклов

В предыдущем пункте пунктиром показаны процессы: 3-6 – дросселирование в регулирующем вентиле при отсутствии РТО, 1_и-7 – сжатие в компрессоре при отсутствии РТО в компрессоре без встроенного электродвигателя.

Из сравнения двух циклов, вытекает, что введение РТО позволяет повысить удельную массовую холодопроизводительность машины:

,

но при этом возрастет перегрев всасываемого пара:

.

Общий перегрев всасываемого пара в РТО и встроенном электродвигателе компрессора:

.

При этом следует учитывать, что необходимая удельная массовая холодопроизводительность компрессора:

.

Величина в кДж/кг показывает, какое количество теплоты отводит 1 кг хладагента, поступающего в компрессор, при рабочих параметрах цикла Р₀, Р_к, θ₁.

В тепловом расчете используют также удельную объемную холодопроизводительность компрессора в кДж/м³:

,

где - удельный объем пара, всасываемого в цилиндр компрессора, м³.

При расчете холодильной машины обычно задаются тепловой нагрузкой на испаритель Q_н в кВт. Тогда количество циркулирующего хладагента находят по соотношению , а необходимую холодопроизводительность компрессора:

.

При этом объем пара, всасываемого компрессором, м³/с:

.

Анализ полученных данных показывает, что при работе холодильной машины на R12 с РТО и компрессором, имеющим встроенный электродвигатель, удельная массовая холодопроизводительность машины увеличивается примерно на 10%, но одновременно работа сжатия также возрастает примерно на 12%. Это приводит к незначительному, примерно на 2%, уменьшению холодильного коэффициента ε, увеличению объема всасываемого компрессором пара на 4% и необходимой холодопроизводительности компрессора на 15%.

Таким образом, введение РТО в схему холодильной машины не улучшает ее энергетической эффективности, соответствующей холодильному коэффициенту ε. Применение РТО объясняется практическими условиями работы фреоновых холодильных машин, в первую очередь уносом капель жидкого хладагента из испарителей змеевикого типа и необходимостью обеспечить возврат масла в картер компрессора.

Дополнительный перегрев пара в электродвигателе также отрицательно влияет на холодильный коэффициент ε и приводит к увеличению объема всасываемого компрессором пара, а следовательно, габаритных размеров и металлоемкости компрессора. Однако использование компрессора со встроенным электродвигателем позволяет существенно повысить герметичность всей машины и уменьшить габаритные размеры и металлоемкость компрессорного агрегата.

Расчетные данные цикла на аммиаке (R717) подтверждают лучшие, по сравнению с R12, термодинамические свойства аммиака.

При работе на аммиаке удельная массовая холодопроизводительность машины возрастает в 9 раз, но, так как при этом увеличивается и работа сжатия, холодильный коэффициент повышается лишь на 8%, а объем всасываемого пара уменьшается примерно на 60%. Это позволяет создавать аммиачные машины с меньшими габаритными размерами и металлоемкостью, чем у фреоновых машин.

 

Общие сведения.

 

Под рабочим телом или хладагентом понимают физическое тело, с помощью которого совершается отдельный термодинамический процесс или цикл. От характеристик хладагента зависят конструкция машины и расход эл. энергии. Поэтому при выборе учитывают его термодинамические, теплофизические и физико – химические свойства. Хладагенты имеют обычно низкую температуру кипения при атмосферном давлении.

В настоящее время наиболее распространенными хладагентами являются вода, аммиак, хладоны и воздух, а практически в холодильной технике применяются более 20 наименований хладагентов.

Вода – применяется главным образом в установках кондиционирования воздуха, где обычно температура теплоносителя больше нуля t_н>0 °С. Как хладогент ее в основном используют в установках абсорбционного и эжекторного типов. Температура тройной точки .

Аммиак – применяют в поршневых компрессионных, а так же в абсорбционных установках.

(+) Преимущества: малый удельный объем при температуре испарения, большая теплота парообразования, незначительная растворимость в масле.

(-) Недостатки: ядовитость, горючесть, взрывоопасность при концентрациях 16 – 26,8 %. В присутствии воды разъедает цинк, медь, бронзу и др. медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы.

Хладоны – галоидопроизводные предельных углеводородов. В нашей стране хладонами называют фреоны – это торговая марка хладагента пренадлежит американской фирме "Дюпон", которая в 1929 г. впервые синтезировала фреон – 12. В технической литературе и паспортных данных распространено название фреон и продолжают его применять. Все они химически инертны, мало- и невзрывоопасны.

Галоидные соединения насыщенных углеводородов получены путем замены атомов водорода, атомами фтора, хлора, брома очень многочисленны, что позволяет получить широкий спектр их свойств. Числа молекул отдельных составляющих, входящих в эти химические соединения, связаны зависимостью х + у + z + u=2n + 2.

Сокращенное обозначение хладагента строится по формуле R – № где R – символ, обозначающий хладагент, № - номер хладона. Для хладонов номер расшифровывается в следующем порядке. Первая цифра в двухзначном номере или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород , на базе которого получен хладон.

Азеотропные смеси – нераздельно кипящая однородная смесь (гомогенная), перегоняющаяся без разделения на фракции (компоненты) и без изменения температуры кипения.

Неазеотропные смеси характеризуются различием равновесных концентраций компонентов в жидкой и газовой фазах. Перегоняются с разделением на компоненты. Кипение и конденсация их происходит при переменных температурах. Их используют для увеличения холодопроизводительности.

Номерация групп углеводородов

Установлены следующие цифры:

1 – СН₄ (метан);

11 – С₂Н₆ (этан);

21 – С₃Н₈ (пропан);

31 – С₄Н₁₀ (бутан).

Справа (после номера) пишут число атомов фтора: .

При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: .

В обозначениях смесей хладагентов указывают название составляющих и их массовых долей, например, смесь состоящую из 90 % R22 и 10 % R12 обозначают R22/R12 (90/10).

 

Хладоносители

 

Их подразделяют на жидкие и твердые. К жидким относятся – водные растворы солей, рассолы и однокомпонентные вещества замерзающие при низких температурах (этиленгликоль, кремний органическая жидкость, хладон R30).

Твердые – эвтектический лед, образующийся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющей постоянную температуру плавления.

В холодильной технике применяют водные растворы солей NaCl, MgCl₂, CaCl₂, которые замерзают при отрицательных температурах, температура их зависит от концентрации рассола. Область рационального применения хладаносителя определяется криогидратной точкой, при которой раствор замерзает в виде однородной смеси.

Для NaCl – 21,2 °С, MgCl₂ – 33,6 °С, CaCl₂ – 55 °С криогидратная температура.

Рассолы с воздухом являются сильными окислителями для металла. Для снижения агрессивности добавляют пассиваторы: селикат натрия, хромовую соль, фосфорные кислоты. Системы охлаждения выполняют замкнутыми без воздуха. Для увеличения производительности насосов и снижения потерь на трение, повышения пропускной способности трубопроводов в растворы добавляют высокомолекулярные соединения – полимеры (количестве 0,03¸0,07 %). Их называют поверхностно – активными веществами (ПАВ).

 

 

Компрессоры холодильных машин

 

Классификация компрессоров

 

В паровых компрессионных машинах используют поршневые, ротационные, винтовые и турбокомпрессоры.

Поршневые компрессоры по холодопроизводительности разделяют на малые Q₀ до 15 кВт, средние Q = 15 ¸120 кВт, крупные Q₀ более 120 кВт.

По роду холодильного агента компрессора подразделяются на аммиачные, хладоновые, универсальные.

В зависимости от области применения различают компрессоры стационарные и транспортные.

По конструкции разделяются: по устройству кривошипно-шатунного механизма – безкрейцкофные (простого действия), крейцкопфные (двойного действия), наибольшее распространение получили первые;

- по конструкции корпуса – блок – картерные (общая отливка блока цилиндров с картером) и разъемные (с отдельными блоками или с индивидуальными цилиндрами);

- по числу цилиндров – одноцилиндровые, двухцилиндровые, многоцилиндровые.

В зависимости от кинематической схемы и расположения цилиндров - горизонтальные, вертикальные, с угловым расположением цилиндров – V, W, V V - обзорные, крестообразные, звездообразные; прямоточные и непрямоточные; по числу ступеней сжатия – одно – и многоступенчатые.

По степени герметичности и числу разъемов компрессоры подразделяются на:

- герметичные со встроенным эл. двигателем в запаянном корпусе без разъемов;

- бессальниковые со встроенным эл. двигателем с разъемами и съемными крышками;

- открытые или сальниковые, в которых ведущий вал уплотняется сальником.

Открытые компрессоры – в основном безкрейцкопфные, отличаются простотой и компактностью. Недостатком является большой унос масла из картера в цилиндры и как следствие загрязнение теплообменных аппаратов. Число цилиндров у этих компрессоров колеблется до16 шт.

Одно – и двух цилиндровые обычно вертикальные, при большем количестве цилиндров – различное пространственное их расположение. Наибольшее распространение получили блок – картерные со сменными гильзами цилиндров. Отличаются компактностью, герметичностью, жесткостью и прочностью стенок цилиндров, проще изготовление и ремонт. Цилиндры выполняются с воздушным или водяным охлаждением в зависимости от хладагента и теплового режима. В прямоточном компрессоре всасывающие клапаны расположены в днище поршня, а нагнетательные – в ложной крышке цилиндра. Клапаны выполнены с большими проходными сечениями для снижения энергетических потерь.

В непрямоточных всасывающие и нагнетательные клапаны размещены в клапанной плите. Компрессоры имеют двухопорный коленчатый вал с двумя коленами и углом развала кален 180°. Коленчатый вал уплотняется сальником. Для смазки цилиндров и механизмов движения применяют одно и тоже масло для амиачных компрессоров – масло ХА. Фригус или ХА 30, ХС – 40, для хладоновых – масло ХФ – 12 – 16 и ХФ – 22 – 24, ХФ – 22с – синтетическое масло с неограниченной смешиваемость R22.

В настоящее время создана новая градация унифицированных поршневых компрессоров для аммиака и хладонов с четырьмя базами I, II, III, IV соответственно диаметры цилиндров 42, 67,5, 76, 115 мм. число цилиндров 1, 2, 4, 6, 8. Типы компрессоров: герметичный I базы, бессальниковые и сальниковые II, III, IV баз. Герметичные компрессоры выпускают марок ПГ5, ПГ7, ПГ10, расположение цилиндров горизонтальное. В сальниковых компрессорах П14, П20, П40, П60, П80, П110, П165, П220, расположение цилиндров V – образное, VV – веерное, количество цилиндров 4, 6, 8. В бессальниковых ПБ5, ПБ7, ПБ10, ПБ14, ПБ28, ПБ20, ПБ40, ПБ60, ПБ80, ПБ110, ПБ165, ПБ220 расположение цилиндров V – образные, W – крестообразные, VV – веерообразное, (П – поршневые, Б – бессальниковые).

Герметичные компрессоры – заключаются в месте с электродвигателем в герметично закрытый сварной стальной штампованный корпус. Преимущества – надежность в эксплуатации, вал ротора электродвигателя является одновременно валом компрессора. Частота вращения до 50 Гц (с^-1), что позволяет уменьшать габариты и массу при той же холодопроизводительности. Обмотка эл. двигателя охлаждается парами хладона, поэтому можно увеличить нагрузку на него. Бесшумны в работе. Основными типами герметичных компрессоров являются одно – и многоцилиндровые, например ФГ0,45, ФГ0,7, ФГ1,1, ФГ2,8, ФГ5,6, ПГ5, ПГ7, ПГ10 с горизонтальным цилиндром. Эти компрессоры применяются в основном в торговом оборудовании и на транспорте. Бывают низкотемпературные герметичные компрессоры ФГН. Количество циркулирующего хладагента меньше чем в обычном, удельная работа сжатия больше. охлаждающие пары направляются в зазор между статором и ротором эл. двигателя.

Бессальниковые компрессоры – отличаются тем, что между эл. двигателем и картером нет сальника. Эл. Двигатель расположен в картере компрессора. Имеют разъемы для доступа к внутренним частям. Обмотку эл. двигателя охлаждают парами хладона, исключается утечка хладона, уменьшены габариты и масса. Смазка разбрызгиванием, принудительная и комбинированная.

Ротационные компрессоры – изготавливаются с катящимися, качающимися и вращающимися роторами, с двумя, четырьмя и более пластинами. Пластинчатые компактные. Сжатие начинается при достижении соответствующей части вращения. У них вал расположен эксцентрично к центру. На вал насажен ротор (поршень) с фрезерованным по всей длине пазами с пластинами. Пластины образуют со стенками цилиндра полости. Пар захватывается пластинами и при дальнейшем вращении сжимается и выталкивается в нагнетательную сеть. Преимущества – небольшая масса, отсутствие кривошипно – шатунного механизма, большая уравновешенность, отсутствие клапанов, равномерность подачи пара, более низкое давление всасывания из – за отсутствия всасывающих клапанов и как следствие возможность работы при более низких температурах кипения хладагентов. Недостатки неплотности пластин в цилиндре, отсутствие высоких степеней сжатия, а следовательно, высоких давлений нагнетания соответствующих реальным температурам конденсации. Ротационные компрессоры используют в основном в установках больших холодопроизводительностей в качестве ступеней низкого давления в агрегатах двухступенчатого сжатия. Ротационный компрессорный агрегат рассчитывают и подбирают аналогично поршневым машинам, иначе рассчитывают лишь величины l и Ne.

, коэффициент подачи,

где а – коэффициент, а= 0,5; Р_нагн – давление нагнетания или промежуточное давление, Р_вс – давление всасывания, т. к. отсутствует Р₀.

Эффективная мощность:

где R – газовая постоянная, Т₀ – температура всасывания, h_iиз – изотермичный КПД, V_q – действительная объемная производительность компрессора по паспорту, r - плотность хладона при всасывании.

Винтовые компрессоры – состоят из корпуса в котором расположены два ротора ведущий и ведомый с зубчато-винтовыми лопастями. Винтовые впадины проходят мимо всасывающего окна, заполняются газообразным хладагентом, при дальнейшем вращение роторов объем пространства между винтами уменьшается, газ сжимается и нагнетается в систему. Применяют маслозаполненные винтовые компрессоры с падачей масла в рабочее пространство. Хладагент подается с маслом через фильтры отделители. Масло шестеренчатым насосом снова подается в компрессор. Преимущества – малые габариты и масса надежность в эксплуатации, отсутствие трения при сжатии, низкий предел давления всасывания 5-2 кПа, что позволяет их использовать в низкотемпературных устройствах. При низкой холодопроизводительности эти компрессоры соизмеримы с поршневыми и теряют преимущества из – за маслосистемы.

На базе винтовых компрессоров 5ВХ – 350, 6ВХ – 700, 7ВХ – 1400 (5, 6, 7 номер базы, 350, 700, 1400 холодопроизводительность) комплектуют компрессорные агрегаты одноступенчатого сжатия охватывающие высокие -, среднее -, низкотемпературные режимы работы. Частота вращения 50 с^-1.

Эффективная мощность винтового компрессора ,

где G_а – количество агента, D i – разность энтальпии конца и начала сжатия,

η_е – эффективный КПД.

Турбокомпрессоры – используются для большой холодопроизводительности, компактны и экономичны, высокооборотные.

Преимущества перед поршневыми: отсутствие клапанов, динамическая уравновешенность, малые габариты. Турбокомпрессоры делают с несколькими рабочими колесами, поэтому они являются многоступенчатыми машинами. Можно проводить промежуточный отбор сжатых паров.

По принципу работы – центровые и осевые. Осевые для очень больших холодопроизводительностей. Центробежные имеют холодопроизводительность от 500 до несколько тысяч кВт.

На валу центробежного компрессора вращается рабочее колесо с лопатками, передающие кинетическую энергию хладагенту, который выбрасывается из колеса в диффузор где его кинетическая энергия преобразуется в энергию давления. Пройдя несколько колес достигают необходимое давление.

Движение пара хладоагента складывается из скорости вращения его вместе с колесом (абсолютное движение) и перемещения вдоль лопаток (относительное движение) сумма этих движений есть абсолютная скорость движения пара. Кинетическая энергия движения пара превращается в давление в диффузоре. Конструктивно диффузоры выполняют безлопаточными, лопаточными и прямолинейными. Работа сжатия пара уменьшается при приближение процесса сжатия к изотермическому, поэтому после группы колес пар охлаждают в промежуточных холодильниках. При использовании легких хладагентов (аммиак) скорости колес, достигают больших величин, поэтому турбо компрессоры используют для сжатия более тяжелых хладонов. В пищевой промышленности мало применяются из-за большой мощности.

 

Основные узлы и детали компрессоров

 

К основным узлам и деталям относятся: рама, картер, блок – картер, цилиндры, коленчатый вал, шатун, поршни, кольца, клапаны, сальники.

Основные требования к раме, картеру, блок – картеру –это прочность и жесткость. Последняя определяет точность и сохранение взаимного расположения осей механизма. Картеры и блок – картеры бескрейцкопфных компрессоров находятся под давлением паров хладагента. Изготавливаются литыми из чугуна, иногда сварными из стального листа, в малых компрессорах из силумина.

Цилиндры – выполняются со вставными сменными гильзами, запрессовывают в блокцилиндры по скользящей или легкопрессовой посадке. В прямоточных, особенно двухступенчатых гильзы уплотняют по верхнему и нижнему поясам резиновыми кольцами. Вернее препятствует перепуску пара из нагнетательной полости во всасывающую, нижнее препятствует проникновению масла из картера в полость всасывания.

Коленчатые валы - по конструкции разнообразны (кривошипные и эксцентриковые), выполняются цельнокованными, штампованными и литыми. Изготавливаются из высококачественной или легированной стали. Имеют масляные каналы для смазки.

Шатуны – должны обладать жесткостью при продольном изгибе, прочностью и минимальной массой. Верхняя часть неразъемная с запрессованной бронзовой втулкой, нижняя – разъемная скрепленная болтами или неразъемная. Распространены шатуны со сменными биметалическими вкладышами с тонким антифрикционным слоем – бабиты, аллюминиевые сплавы, свинцовая бронза.

Поршни – дисковые и тронковые. Дисковые применяются в крейцкопфных компрессорах двойного действия. Тронковые бывают проходные и непроходные. Проходные применяются в прямоточных компрессорах. В головке поршня устанавливают всасывающий клапан. На боковой поверхности поршня делают канавки для уплотнительных колец. В нижней части поршня имеется бобышка для соединения пальцем с шатуном. Палец фиксируется кольцами. Достоинством является возможность увеличения сечения проходных всасывающего и нагнетающего клапанов. Недостаток сложность конструкции и большая масса. Непроходные просты, имеют меньшую массу применяются в малых и средних непрямоточных компрессорах. Тронковые поршни малых компрессоров диаметром до 50 мм устанавливают без колец.

Поршневые кольца – делятся на уплотнительные и маслосъемные. Уплотнительные уплотняют, а маслосъемные для предотвращения уноса масла в систему.

Клапаны – должны иметь максимальное проходное сечение, минимальный мертвый объем, наибольшую прямолинейность потока хладагента, небольшое перемещение и малую массу замыкающих органов (для уменьшение силы удара при посадке), герметичность, простоту конструкции и наименьшую трудоемкость изготовления. Наиболее распространены пластинчатые которые могут быть кольцевыми, полосовыми, язычковыми. В крупных и средних компрессорах применяют кольцевые, толщина 0,8–1,5 мм. Высота их подъема зависит от частоты вращения коленвала. При вращении 24 с^-1 подъем пластин 1,1 – 1,5 мм. В конструкциях клапанов на поршнях применяют беспружинные кольцевые или полосовые клапаны. Открытие и закрытие их осуществляется за счет сил инерции. Полосовые имеют меньшую массу чем кольцевые. Клапаны полосовые самопружинящие выполняют из ленточной стали У10 толщиной 0,21 мм шириной 6 мм. Клапанный узел состоит из стального седла с пятью рядами круглых отверстий для прохода хладагента, пяти пластин, стальной розетки с шестью рядами отверстий и фрезерованными пазами между ними для подъема клапанных пластин. Розетка и седло крепятся друг к другу двумя шпильками, точность относительного расположения достигается штифтами. Весь узел клапана крепится на головке поршня четырьмя шпильками с головками в потай. Узел ставится на прокладку. Отсутствие пружин всасывающих клапанов упрощает конструкцию и уменьшает вредное пространство.

Предохранительные клапаны – защищают механиз