Особенности работы холодильного винтового компрессора при регулировании

4 курса
Т.Л. Уксусов, студент 4 курса
И.В. Швецов, научный руководитель, д.т.н.

профессор, заведующий кафедрой энергетики и транспорта, E-mail: Igor.Shvetsov@novsu.ru
 
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
 
Features of the operation of a refrigeration screw compressor for capacity control
 
S. V. Smirnov, 4th year student
T. L. Uksusova, 4th year student
I.V. Shvetsov, research supervisor, doctor of technical Sciences, Professor, head of the Department of energy and transport
 
Yaroslav-the-Wise Novgorod State University

баланса между теплопритоками и холодопроизводительностью холодильной машины служит система регулирования

производительности компрессора. В статье приведены зависимости изменения эффективного КПД при полной и частичной производительности при совместном регулировании производительности и геометрической степени сжатия. Приводятся законы оптимального изменения геометрической степени сжатия при изменении производительности. Были использованы экспериментальные характеристики винтового компрессора, работающего на хладоне R22.
Ключевые слова: винтовой компрессор, регулирование, степень сжатия, производительность


 
Abstract. To ensure the required temperature of the cooled object by maintaining the heat balance between the heat gain and the refrigerating capacity of the chiller, a compressor performance control system is used. The article presents the dependences of the change in effective efficiency at full and partial performance with joint regulation of productivity and geometric compression ratio. The laws of the optimal change in the geometric degree of compression with a change in performance are given. The experimental characteristics of a screw compressor running on R22 freon were used.
Keyword: screw compressor, regulation, compression ratio, performance

использующих искусственный холод. Для поддержания в заданном диапазоне температуры охлаждаемого

объекта путем обеспечения теплового баланса между теплопритоками и холодопроизводительностью холодильной машины при изменении температурного режима её работы, служит система регулирования производительности маслозаполненного винтового компрессора.
Существуют следующие способы регулирования производительности холодильных винтовых компрессоров:
- с помощью внешних устройств;
- изменением скорости вращения роторов;
- с помощью встроенных устройств, изменяющих объем полостей винтов при их отсечении от окна всасывания.
Регулирование с помощью внешних устройств осуществляется путем байпасирования сжатого хладагента или дросселирования на всасывании.
Способ регулирования производительности ВКМ изменением частоты вращения роторов в диапазоне оптимальной окружной скорости является достаточно экономичным, так как при этом не изменяется геометрическая степень сжатия. В настоящее время широкое распространение получило регулирование частоты вращения роторов с помощью частотных преобразователей. В работе [1] рассмотрено регулирование производительности изменением частоты вращения винтов, но при уменьшении частоты вращения, при небольшой объемной производительности винтового компрессора, значительно уменьшается эффективность работы из-за больших внутренних протечек хладагента.
Одно из преимуществ винтовых компрессоров перед другими типами компрессоров состоит в возможности регулирования холодопроизводительности встроенными устройствами.
Проблема выбора регулятора производительности и геометрической степени сжатия винтового компрессора, обеспечивающего эффективную работу холодильной машины при уменьшении производительности и изменении температуры кипения и конденсации, является актуальной.
 

к значительным потерям работы из-за уменьшения геометрической степени сжатия εГ

при уменьшении производительности. Регулирование производительности золотником и подпятником имеет ограниченную область изменения геометрической степени сжатия, что не позволяет получить оптимальный закон ее изменения при уменьшении производительности.
Для решения проблемы регулирования производительности и геометрической степени сжатия винтового компрессора, обеспечивающего эффективную работу холодильной машины, необходимо выбрать конструкцию регулятора производительности и геометрической степени сжатия минимизирующую потери от несовпадения давлений внутреннего сжатия пара хладагента и давления конденсации. Необходимо также оценить энергетическую эффективность предложенного регулятора при регулировании производительности компрессора.
Предлагается применять регулятор производительности и геометрической степени сжатия винтового компрессора, состоящий из золотника и двух поворотных заслонок. Такой регулятор позволяет не только регулировать геометрическую степень сжатия, но и получить необходимый закон изменения εГ при уменьшении производительности. На рисунке 1 показана конструкция такого регулятора. Для оценки эффективности работы холодильной машины с маслозаполненным винтовым компрессором и регулятором, состоящим из золотника и поворотных заслонок, необходимо провести анализ характеристик винтового компрессора при полной и частичной производительности на различных режимах его работы. Проведено экспериментальное исследование холодильного ВКМ на хладоне R22 с возможностью изменения производительности и геометрической степени сжатия и получены его характеристики.

диафрагма. Частота вращения вала электродвигателя экспериментального ВКМ определялась частотомером с

помощью оптоэлектронной пары.
Мощность, потребляемая экспериментальным ВКМ, определялась по электрической мощности электродвигателя, посредством измерительного комплекса для измерений силы тока, напряжения и мощности с максимально допустимой погрешностью измерений 0,5%. При определении мощности на валу компрессора использовались данные каталога по КПД электродвигателя. Средние квадратичные относительные погрешности при определении эффективной мощности Ne (мощности на валу компрессора) не превышают 3%. В качестве хладагента использовался хладон R22.

ведомого винтов 4/6; наружные диаметры винтов 160 мм; длина винтов

144 мм; частота вращения ведущего винта 49,2 с-1; теоретическая объемная производительность 0,0841 м3/c; профили зубьев винтов асимметричные НИИ Турбокомпрессор (Казань, Россия). Регулирование производительности осуществлялось золотником и сменными вставками, имитирующими поворотные заслонки. Положение золотника и сменных вставок обеспечивало различную геометрическую степень сжатия. Эффективность компрессора оценивалась эффективным КПД ηе = Ns/Ne, где Ns – изоэнтропная мощность.

В результате экспериментального исследования винтового маслозаполненного компрессора были получены значения эффективных КПД от степени повышения давления при полной производительности и относительной производительности равной 75% и 50% от максимальной.

На первом этапе эксперимента окно нагнетания оставалось неизменным, при этом начальное значение геометрической степени сжатия εГ=2,6. Полученные зависимости ηе, при температуры кипения t0 = -20 0C, от наружной степени сжатия πн = pк/pв, где pн и pв – давление нагнетания и всасывания, приведены на рис. 2. Изменение текущего значения геометрической степени сжатия происходит по линии a ˗ b (рис. 3).

При полной производительности максимум ηе достигается при πн = 3, что соответствует совпадению давления нагнетания и давления внутреннего сжатия. Максимумы ηе при уменьшении производительности смещаются в сторону меньших значений πн. из-за уменьшения εГi.

отношение объемов парной полости в начале и в конце процесса

сжатия ˗ текущее значение геометрической степени сжатия εГi, при относительной объемной производительности равной 75% и 50% оставалась равной 2,6 (линия a ˗ с на рис. 3).
В результате эксперимента получено недостаточное увеличение ηе, что объясняется значительными потерями при выталкивании пара в камеру всасывания в процессе сокращения парной полости до момента ее отсечения от окна всасывания [2, 3]. Возрастание давления в полости в начале процесса сжатия и уменьшению внутренней степени сжатия πа =pа/pв, где pа – давление в полости в момент ее соединения с окном нагнетания.
На третьем этапе эксперимента для определения оптимального закона изменения текущего значения геометрической степени сжатия εГi от относительной производительности Vтi/Vт было произведено исследование с различными окнами нагнетания. График зависимости εГi от Vтi/Vт при котором эффективность работы компрессора при температуре кипения t0 = -20 0C максимальна представлен на рис. 3 (линия a ˗ d).

от наружной степени сжатия πН при температуре кипения хладагента t0=

- 20 0C при работе с относительной производительностью Vтi/Vт= 1,0; 0,75 и 0,5, где Vт - полная теоретическая объемная производительность, Vтi - частичная теоретическая объемная производительность. Текущее значение геометрической степени сжатия изменялась по линии a ˗ d. При этом обеспечивалось равенство наружной и внутренней степени сжатия.

Vтi/Vт при различной температуре кипения и регулировании производительности одним золотником.

На рис. 6 приведены те же зависимости при регулировании производительности золотником и поворотными заслонками при изменении εГi по линии a-d.

Из этих зависимостей видно, что наиболее эффективным способом регулирования производительности при уменьшении температуры конденсации является золотниковый регулятор с поворотными заслонками. Причем изменение текущей геометрической степени сжатия происходит по линии a ˗ d.
По сравнению с регулированием производительности одним золотником при относительной производительности 75% величина эффективного КПД ηе увеличивается на 5,4% (с 0,538 до 0,567) при температуре кипения t0 = -10 0С и на 7,2% (с 0,513 до 0,55) при температуре t0 = -20 0С. При 50% производительности величина эффективного КПД ηе увеличивается на 14% (с 0,46 до 0,525) при температуре кипения t0 = -10 0С и на 19% (с 0,42 до 0,5) при температуре t0 = -20 0С.
Полученные зависимости можно использовать при решении задачи оценки работы холодильной машины в условиях разброса значений внешних и внутренних параметров. В этом случае перспективным методом является метод теории энтропийных потенциалов [4].

эффективным регулятором является регулятор, состоящий из золотника и поворотных заслонок.

При уменьшении производительности на 75% величина эффективного КПД увеличивается до 7,2%, а при уменьшении производительности на 50% - до 19% по сравнению с регулятором, состоящим из одного золотника с постоянной геометрической степенью сжатия.
 
Литературные источники
1. Диша К.С. Сравнительное исследование золотникового клапана и частотно-регулируемого привода для системы управления винтовым компрессором / Диша К. С., Патель Х. К., Даршна М.Дж. / / Индийский журнал прикладных исследований. - Январь 2015 года. – том. 5. – № 1. - С. 4-6.
2. Носков А.Н., Стешина Ю.Г. Особенности процесса всасывания холодильного винтового компрессора // Сборник докладов на VI международной научно-технической конференции «Казахстан-Холод 2016»: – Алматы: 2016. – С. 108-111.
3. Носков А.Н., Зимков А.А., Тарасенков Д.С. Расчет потерь работы холодильного винтового компрессора в процессе нагнетания при регулировании производительности компрессора // Труды VII в МНТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХІ веке»: Санкт-Петербург, 2015. – С. 169 – 172.
4. Лазарев В.Л. Репрезентативные информационные модели мониторинга и управления в условиях неопределенности / Лазарев В.Л. // материалы 18-й Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. - Санкт-Петербург, Россия, 2015. - Издатель: IEEE. - С. 54-57.
 
Рецензент: Швецов Игорь Васильевич, научный руководитель, д.т.н. профессор, заведующий кафедрой энергетики и транспорта, E-mail: Igor.Shvetsov@novsu.ru