stringtranslate.com

Спиральный компрессор

Механизм спирального насоса; здесь две архимедовы спирали
Работа спирального компрессора

Спиральный компрессор ( также называемый спиральным компрессором , спиральным насосом и спиральным вакуумным насосом ) — это устройство для сжатия воздуха или хладагента. [1] Он используется в оборудовании для кондиционирования воздуха , в качестве автомобильного нагнетателя (где он известен как спиральный нагнетатель ) и в качестве вакуумного насоса . Во многих бытовых центральных тепловых насосах и системах кондиционирования воздуха, а также в некоторых автомобильных системах кондиционирования воздуха используется спиральный компрессор вместо более традиционных роторных , поршневых и качающихся пластинчатых компрессоров.

Спиральный компрессор, работающий в обратном направлении, является спиральным экспандером и может производить механическую работу .

История

Анимация вращающегося спирального компрессора

Леон Крё впервые запатентовал спиральный компрессор в 1905 году во Франции и США. [2] Крё изобрел компрессор как концепцию роторного парового двигателя , но технология литья металла того периода была недостаточно развита для создания рабочего прототипа, поскольку спиральный компрессор требует очень жестких допусков для эффективной работы. В патенте 1905 года Крё определяет со-орбитальный или вращающийся реверсивный паровой расширитель, приводимый в движение кривошипом фиксированного радиуса на одном валу. [3] Однако двигатель спирального расширителя не мог преодолеть препятствия обработки радиального соответствия, присущие достижению эффективности в работе спирали, которые не были адекватно решены до работ Нильса Янга в 1975 году. [4] Первые практические спиральные компрессоры появились на рынке только после Второй мировой войны , когда более точные станки позволили их построить. В 1981 году компания Sanden начала производство первых коммерчески доступных спиральных компрессоров для автомобильных кондиционеров. [1] [5] Они не производились серийно для кондиционирования воздуха в помещениях до 1983 года, когда Hitachi выпустила первый в мире кондиционер с герметичным спиральным компрессором. [6] [7]

Дизайн

Спиральный компрессор использует две чередующиеся спирали для перекачивания, сжатия или создания давления жидкостей и газов . Геометрия лопаток может быть эвольвентной , архимедовой спиралью или гибридными кривыми . [8] [9] [10] [11] [12]

Часто одна из спиралей фиксирована, в то время как другая вращается эксцентрично без вращения, тем самым захватывая и накачивая или сжимая карманы жидкости между спиралями. Эксцентриковый вал может обеспечить орбитальное движение, но вращение спирали должно быть предотвращено, как правило, с помощью муфты типа Олдхэма , дополнительных эксцентриковых холостых валов или сильфонного соединения (особенно для приложений с высокой чистотой). Другой метод создания компрессионного движения — совместное вращение спиралей в синхронном движении, но со смещенными центрами вращения. Относительное движение такое же, как если бы одна из них вращалась по орбите.

Утечки из осевых зазоров предотвращаются использованием спиральных концевых уплотнений, помещенных в канавки на концах обеих спиралей. [13] Эти концевые уплотнения также помогают снизить трение и могут быть заменены при износе. Некоторые компрессоры используют сжатый нагнетаемый газ для прижимания обеих спиралей друг к другу, устраняя необходимость в концевых уплотнениях и улучшая уплотнение по мере использования; говорят, что эти компрессоры изнашиваются, а не изнашиваются. [14] [15] [16] [17]

Сравнение инженерных решений с другими насосами

Спиральные компрессоры с воздушными ресиверами

Известно, что эти устройства работают более плавно, тихо и надежно, чем обычные компрессоры в некоторых областях применения. [18]

Вращения и импульсный поток

Спиральный компрессор открытого типа

Процесс сжатия происходит примерно за 2–2½ оборота коленчатого вала, по сравнению с одним оборотом для ротационных компрессоров и половиной оборота для поршневых компрессоров. Процессы нагнетания и всасывания спирали происходят за полный оборот, по сравнению с менее чем половиной оборота для процесса всасывания поршня и менее чем четвертью оборота для процесса нагнетания поршня. Поршневые компрессоры имеют несколько цилиндров (обычно от двух до шести), в то время как спиральные компрессоры имеют только один элемент сжатия. Наличие нескольких цилиндров в поршневых компрессорах снижает пульсации всасывания и нагнетания. Поэтому трудно сказать, имеют ли спиральные компрессоры более низкие уровни пульсации, чем поршневые компрессоры, как часто заявляли некоторые поставщики спиральных компрессоров. Более устойчивый поток обеспечивает меньшие пульсации газа, меньший шум и меньшую вибрацию присоединенных трубопроводов, не оказывая при этом никакого влияния на эффективность работы компрессора.

Клапаны

Спиральные компрессоры никогда не имеют всасывающего клапана, но в зависимости от применения могут иметь или не иметь выпускной клапан. Использование динамического выпускного клапана более заметно в приложениях с высоким отношением давления, типичных для охлаждения. Обычно спиральный компрессор для кондиционирования воздуха не имеет динамического выпускного клапана. Использование динамического выпускного клапана повышает эффективность спирального компрессора в широком диапазоне рабочих условий, когда рабочее отношение давления значительно превышает встроенное отношение давления компрессоров. Если компрессор предназначен для работы вблизи одной рабочей точки, то спиральный компрессор может фактически повысить эффективность около этой точки, если нет динамического выпускного клапана (поскольку существуют дополнительные потери потока нагнетания, связанные с наличием выпускного клапана, а также выпускные отверстия, как правило, меньше, когда присутствует разряд). [19] [20]

Эффективность

Изоэнтропическая эффективность спиральных компрессоров немного выше , чем у типичного поршневого компрессора, когда компрессор предназначен для работы вблизи одной выбранной точки номинальной мощности. [21] Спиральные компрессоры в этом случае более эффективны, поскольку у них нет динамического выпускного клапана, который вносит дополнительные потери на дросселирование. Однако эффективность спирального компрессора, не имеющего выпускного клапана, начинает снижаться по сравнению с поршневым компрессором при работе с более высокой степенью давления. Это является результатом потерь при недостаточном сжатии, которые возникают при работе с высокой степенью давления объемных компрессоров, не имеющих динамического выпускного клапана.

Процесс сжатия спирали имеет почти 100% объемную эффективность при перекачке захваченной жидкости. Процесс всасывания создает свой собственный объем, отдельный от процессов сжатия и нагнетания, находящихся дальше внутри. Для сравнения, поршневые компрессоры оставляют небольшое количество сжатого газа в цилиндре, поскольку для поршня нецелесообразно касаться головки или пластины клапана. Этот остаточный газ из последнего цикла затем занимает пространство, предназначенное для всасываемого газа. Уменьшение производительности (т. е. объемной эффективности) зависит от давлений всасывания и нагнетания, причем большее уменьшение происходит при более высоких соотношениях давлений нагнетания и всасывания.

Размер

Спиральные компрессоры, как правило, очень компактны и плавно работают, поэтому не требуют пружинной подвески. Это позволяет им иметь очень маленькие корпуса, что снижает общую стоимость, но также приводит к меньшему свободному объему. [22]

Надежность

Спиральные компрессоры имеют меньше движущихся частей, чем поршневые компрессоры, что, теоретически, должно повысить надежность. По данным Emerson Climate Technologies, производителя спиральных компрессоров Copeland, спиральные компрессоры имеют на 70 процентов меньше движущихся частей, чем обычные поршневые компрессоры. [23]

По крайней мере один производитель в ходе испытаний обнаружил, что конструкция спирального компрессора обеспечивает лучшую надежность и эффективность в работе, чем поршневые компрессоры. [24]

Прокрутка расширителя

Спиральный расширитель — это устройство, производящее работу, которое в основном используется в системах рекуперации тепла низкого давления. По сути, это спиральный компрессор, работающий в обратном направлении; рабочая жидкость или газ с высокой энтальпией поступает на сторону нагнетания компрессора и вращает эксцентриковую спираль перед выпуском из впускного отверстия компрессора. Основная модификация, необходимая для преобразования спирального компрессора в спиральный расширитель, заключается в удалении обратного клапана из выпускного отверстия компрессора. [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab McCullough, John E. (1990). «Японская и американская конкуренция в разработке спиральных компрессоров и ее влияние на американскую индустрию кондиционирования воздуха». Министерство энергетики США, Управление научной и технической информации (OSTI) . Министерство энергетики США. doi : 10.2172/6952508. S2CID  107387933. Архивировано из оригинала 9 февраля 2022 г. . Получено 26 апреля 2019 г. .
  2. ^ США 801182, Кре, Леон, «Роторный двигатель», опубликовано 3 октября 1905 г. 
  3. ^ Буш, Джеймс У.; Бигл, Уэйн П. (1994). «Конструкция и эксплуатационные характеристики соосной прокрутки». Purdue e-Pubs . Архивировано из оригинала 11 апреля 2021 г. Получено 3 июня 2019 г.
  4. ^ US 3874827, Янг, Нильс О., «Принудительный вытеснительный спиральный аппарат с аксиально-радиально податливым спиральным элементом», опубликовано 1975-04-01 
  5. ^ "История". Sanden Corporation . Sanden International (Европа). Архивировано из оригинала 9 мая 2019 года . Получено 9 мая 2019 года .
  6. ^ "История (1981-2000)". Hitachi. Архивировано из оригинала 18 июня 2018 года . Получено 17 июня 2018 года .
  7. ^ Gerken, David T.; Calhoun, John L. (март 2000 г.). «Обзор конструкции компонентов литых алюминиевых спиральных компрессоров». SAE 2000 World Congress . SAE Technical Paper Series. 1. SAE International. doi :10.4271/2000-01-0761. Архивировано из оригинала 30 сентября 2007 г. Получено 21 февраля 2007 г.
  8. ^ US 4216661, Нобукацу, Араи; Хирокату, Коусокабэ и Эйджи, Сато и др., «Спиральный компрессор со средствами смещения концевой пластины и возврата охлажденного газа в герметичные пространства компрессора», опубликовано 12 августа 1980 г. 
  9. ^ US 4522575, Тишер, Дж. и Аттер, Р., «Спиральная машина с использованием давления нагнетания для осевого уплотнения», опубликовано 11 июня 1985 г. 
  10. ^ US 4767293, Caillat, J.; Weatherston, R. & Bush, J, «Машина спирального типа с осевым совместимым креплением», опубликовано 30 августа 1988 г. 
  11. ^ US 4875838, Ричардсон, младший, Хьюберт, «Спиральный компрессор с вращающимся спиральным элементом, смещенным давлением масла», опубликовано 24 октября 1989 г. 
  12. ^ US 4834633, Этемад, С.; Яннасколи, Д. и Хатзиказакис, М., «Спиральная машина с обмотками различной толщины», опубликовано 30 мая 1989 г. 
  13. ^ Мицухиро Фукута; Дайсуке Оги; Масааки Мотодзава; Тадаши Янагисава; Шигеки Иванами; Тадаши Хотта (14–17 июля 2014 г.). Механизм уплотнения концевого уплотнения спирального компрессора. 22-я Международная конференция по машиностроению компрессоров в Пердью. стр. 1255. Архивировано из оригинала 22 марта 2020 г. . Получено 13 сентября 2019 г. .
  14. ^ "Новый спиральный компрессор | Кондиционирование воздуха и охлаждение". Daikin . Архивировано из оригинала 22 мая 2020 г. Получено 30 марта 2020 г.
  15. ^ "Как работает спиральный компрессор". TestEquity . Архивировано из оригинала 27 сентября 2020 г. Получено 30 марта 2020 г.
  16. ^ "Copeland Scroll Digital" (PDF) . Emerson Electric . 10 апреля 2019 г. Архивировано (PDF) из оригинала 11 апреля 2021 г. Получено 2 сентября 2024 г.
  17. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 11 апреля 2021 г. . Получено 30 марта 2020 г. .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
  18. ^ "HVAC Compressor". При поддержке People Resources Company. Июль 2010 г. Архивировано из оригинала 20 октября 2014 г. Получено 21 июля 2010 г.
  19. ^ Джим Уилер (ноябрь 1988 г.). «Спиральные компрессоры: внутренняя история». Контрактный бизнес . Penton Media: 36.
  20. ^ Буш, Джеймс У.; Элсон, Джон П. (июль 1988 г.). «Критерии проектирования спиральных компрессоров для бытовых систем кондиционирования воздуха и тепловых насосов». Труды Международной конференции по компрессоростроению 1988 г. 1 : 83–92.
  21. ^ Элсон, Джон П.; Кеммер, Норберт; Ванг, Саймон; Перевозчиков, Майкл (14–17 июля 2008 г.). Технология спиралей: обзор прошлых, настоящих и будущих разработок. Международная конференция по компрессорному машиностроению. Архивировано из оригинала 9 мая 2019 г. . Получено 9 мая 2019 г. .
  22. ^ "Scanning for Ideas: Air Squared Developed World's Smallest Continuous-Duty Scroll Compressor". Machine Design . Penton Media . 19 мая 2011 г. Архивировано из оригинала 9 мая 2019 г. Получено 16 ноября 2021 г.
  23. ^ "Scroll Compressors: Design Benefits". Emerson Climate Technologies. Архивировано из оригинала 2 января 2013 г. Получено 11 января 2013 г.
  24. ^ Рассел, Джилл (февраль 2006 г.). «Коммерческое оборудование для общественного питания, непрерывное охлаждение». Appliance Magazine . Архивировано из оригинала 18 мая 2007 г. Получено 10 января 2007 г.
  25. ^ Эмхардт, Саймон; Тянь, Гохонг; Чу, Джон (август 2018 г.). «Обзор геометрий спиральных экспандеров и их производительность». Applied Thermal Engineering . 141 : 1020–1034. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2018.06.045. S2CID  117597304. Архивировано из оригинала 16 ноября 2021 г. Получено 16 ноября 2021 г.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Спиральные компрессоры» .