Полугерметичные поршневые компрессоры, одноступенчатые

Позиций в категории: 37.
Страница 1 из 2.

Поршневые компрессоры Bitzer

До недавнего времени все полугерметичные и открытые холодильные компрессоры малой и средней холодопроизводительности с мощностью электродвигателя от 5 кВт и выше с горизонтальным валом, как правило, оснащались масляным насосом для обеспечения внутренней циркуляции масла.

В конце 90-х годов прошлого века инженерами компании "Битцер ГмбХ" была разработана первая серия поршневых компрессоров новой конструкции, получившая название "Октагон" (Octagon®), отличавшаяся принципиально новой системой внутренней циркуляции масла. Вместо традиционного масляного насоса на вал компрессора новой конструкции устанавливали динамический элемент, который, вращаясь, подхватывал масло со дна картера и забрасывал его в специальный масляный карман.

Второй существенной конструктивной особенностью компрессоров "Октагон" (Octagon®) был коленчатый вал новой конструкции. Вместо характерных "колен" новый прямолинейный вал имел два эксцентриковых прилива, на которые устанавливались головки шатунов. Вдоль вала было просверлено глубокое центральное отверстие от торца до подшипника в моторном отсеке.

В результате многолетней эксплуатации компрессоров серий "Октагон" (Octagon®) оказалось, что новая усовершенствованная система внутренней циркуляции масла, получившая название "Сплэш", более надежна и эффективна, чем насосная.В настоящей статье проведен сравнительный анализ обеих систем внутренней циркуляции масла.

 

Основные функции масла в холодильном компрессоре

Как и в прочих поршневых машинах, масло в холодильных компрессорах выполняет множество функций.

 Смазка. Служит для уменьшения трения путем перераспределения точечного воздействия силы трения в механических узлах и надежного разделения механически взаимодействующих поверхностей (вал - подшипник скольжения, цилиндр - поршень и т.д.).

  1. Охлаждение. Более значимо при применении хладагентов типа NH3 и CO2, менее - при использовании HFC.
  2. Очистка. Необходима для поддержания чистоты трущихся поверхностей и предотвращения абразивного износа.
  3. Герметизация. Обеспечивает снижение утечек хладагента из цилиндров в картер при сжатии.
  4. Сглаживание пульсаций при работе. Снижает уровень шума.

 

Считается, что в различных механизмах, где осуществляются контактные процессы сжатия, а также имеются подшипники скольжения, применение масла увеличивает их долговечность, как минимум, десятикратно в сравнении с сухим трением.

В холодильных компрессорах отсутствие кислорода внутри холодильного контура значительно уменьшает износ их деталей и старение масла. При надлежащей эксплуатации срок службы современных холодильных компрессоров, изготовленных на современных высокотехнологичных производствах, может достигать 100 000 ч.

Запатентованная маслонасосная система внутренней циркуляции масла поршневых компрессоров "Битцер" серий "поколение .2" B4…B6 (4Z…6F), S (S4T…S6G), а также "Октагон" С8 (8GC…8FC)

Поршневые компрессоры Bitzer

Рис.1. Полугерметичный компрессор Битцер 6F-50.2 с насосной системой внутренней циркуляции масла.

 

На рис.1 изображен полугерметичный компрессор "Битцер" модели 6F-50.2, "поколение .2" с насосной системой внутренней циркуляции масла, принцип работы которой наглядно представлен на рис. 2 и 3. Рассмотрим его подробнее.

Рис. 2. Маслонасосная система Битцер

Из картера компрессора масло с помощью специального шестеренчатого насоса подается в систему проточных каналов, выполненных в коленчатом вале. Ко всем узлам трения компрессора масло поступает под напором через радиальные отверстия, выполненные в шейках коленвала в местах установки шатунов и подшипников скольжения.

Рис. 3. Маслонасосная система Битцер

Характерная конструктивная особенность компрессоров данного типа - наличие сплошной переборки, отделяющей картер от моторного отсека. Данные две полости сообщаются через специальный обратный клапан. При нормальной работе компрессора на установившемся режиме этот клапан полностью открыт. При запуске компрессора, когда давление всасывания резко падает, обратный клапан закрывается, не допуская падения давления в картере и вскипания масла за счет высвобождения растворенного в нем хлад­агента. По мере выхода компрессора на режим газ перетекает из картера в моторный отсек через калиброванное отверстие в обратном клапане. При этом давления в картере и в моторном отсеке выравниваются и клапан полностью открывается под действием возвратной пружины.

В аналогичных компрессорах, разработанных другими фирмами, масло, пройдя каналы коленчатого вала, сливается в моторный отсек, откуда перетекает в картер через простой перепускной клапан.

Однако присутствие масла в моторном отсеке крайне нежелательно при пуске компрессора, так как там происходит падение давления, масло вскипает и уносится в систему. Кроме того, при работе компрессора на "влажном ходе" масло в моторном отсеке обильно разбавляется жидким хладагентом. Это значительно ухудшает смазочную способность масла и увеличивает риск его уноса в систему.

Помимо смазки узлов трения масло в поршневых компрессорах "Битцер" серий "поколение .2" В4…В6, S, а также "Октагон" С8 выполняет еще одну дополнительную функцию.

Конструкция этих типов компрессоров "Битцер" полностью исключает попадание подаваемого насосом масла в моторный отсек благодаря торцевым уплотнениям ближайшего к электродвигателю подшипника коленчатого вала. Масло, пройдя все каналы коленчатого вала и сохранив небольшое избыточное остаточное давление, поступает в качестве эжектирующей жидкости в находящийся в картере компрессора струйный насос - эжектор.

Рис. 4. Струйный насос - эжектор масла из моторного отсека

За счёт избыточного давления это масло является рабочим телом для насоса-эжектора, который откачивает  масло, скопившееся в моторном отсеке,  поступающее в эжектор через специальный трубопровод с подпружиненным шариковым обратным клапаном, изображенным на рис. 4. Затем общий масляный поток сливается в картер компрессора.

Во избежание избыточного напора масла масляный насос оснащен предохранительным клапаном. Для контроля циркуляции масла может быть также установлен датчик давления масла. Обычно напор масла находится в пределах 1,4…3,5 бар. Если в системе масла недостаточно (падение дифференциального напора до 0,7 бар), то датчик останавливает компрессор и активирует сигнал тревоги.

Чтобы исключить частые отключения датчики давления масла, имеют временную задержку (обычно 90…120 с). Это особенно важно при пуске компрессора, когда велика вероятность возникновения непродолжительных сбоев в работе масляного насоса из-за образования паровых пробок в точке всасывания при высвобождении растворенного в масле хладагента.

 

Усовершенствованная центробежная система внутренней циркуляции масла "Сплэш" в компрессорах серий Octagon® C1…C4 (2KC…4NCS)

Очень надежная насосная система смазки отличается в то же время сложностью конструкции и большим количеством входящих в нее элементов. Поэтому инженеры компании "Битцер ГмбХ" при проектировании новой конструкции компрессоров концепции "Октагон" (Octagon®) разработали более простые альтернативные решения для системы внутренней циркуляции масла поршневых компрессоров малой и средней производительности.

Эта система должна была обеспечить:

  • достаточный подвод масла к узлам трения компрессора;
  • мгновенную подачу масла при пуске компрессора;
  • надежное выделение из масла растворенного в нем хлад­агента;
  • стабильную работу в типовых для холодильных компрессоров условиях;
  • возможность контроля функционирования системы.

  Рис. 5. Разрез 4DC-5.2

Все этим требованиям отвечает усовершенствованная центробежная система внутренней циркуляции масла "Сплэш", имеющая существенные конструктивные особенности и отличия от предшествующей насосной системы.

На рис. 5 показан разрез поршневого компрессора серии "Октагон С3" 4DC-5.2, прекрасно зарекомендовавший себя как надежный и долговечный во всем мире, в том числе и в России.Система "Сплэш" конструктивно более проста и не имеет в своем составе никаких клапанов. Принцип ее работы рассмотрим на примере компрессора "Октагон" 4NCS-20.2, разрез которого представлен на рис. 6.

Рис. 6. Компрессор "Октагон" 4NCS-20.2(Y) с системой внутренней циркуляции масла "Сплэш": 1 - центрифугирующий диск; 2 - масляный карман; 3 - отверстие центрального канала эксцентрикового вала; 4 - датчик наличия масла

Под действием вращающегося центрифугирующего элемента 1, представляющего собой диск особого профиля, масло поднимается из картера и подается в масляный карман 2 в передней торцевой крышке корпуса компрессора, где расположен передний коренной подшипник эксцентрикового (не коленчатого!) вала.

Вдоль центральной оси эксцентрикового вала компрессора выполнен канал 3, куда попадает масло при вращении диска системы "Сплэш". Под действием центробежной силы масло из осевого канала вала поступает к узлам трения по радиальным отверстиям, расположенным в местах установки шатунов и подшипников скольжения. Благодаря небольшому, но постоянному подпирающему давлению масла эта оригинальная система идеально обеспечивает надежную гидродинамическую смазку подшипников скольжения. Как известно, при гидродинамической смазке достаточно наличия масла на входе в подшипники. Давление масла внутри подшипника создается в результате образования масляной пленки при высокой относительной частоте вращения эксцентрикового вала. Значение этого давления пропорционально нагрузке на подшипник и частоте вращения вала.

Рис. 7. Унос масла в систему с циркулирующим хладагентом в установках с идентичными по производительности компрессорами с различными системами циркуляции масла: синий столбик - компрессор 4V-10.2Y с маслонасосной системой циркуляции масла; красный столбик - компрессор 4VCS-10.2Y с центробежной счистемой циркуляции масла "Сплэш".Хладагент - R404A; to = 5°C; tc = 50°C

Основное преимущество центробежной системы перед насосной - незначительная торцевая протечка подшипников, что снижает до минимума унос масла с циркулирующим хладагентом (рис. 7).

В сравнении с традиционными системами смазки разбрызгиванием новая система особо отличается высокой скоростью реакции - при пуске компрессора напор масла создается мгновенно и поддерживается внутри всего функционального пространства системы. Система "Сплэш" не требует поддержания высокого давления в картере при пуске компрессора.

В отличие от компрессоров с маслонасосом, неспособным перекачивать сжимаемую газо-масляную эмульсию, вспенивание масла в картере при пуске компрессора с системой "Сплэш" не прерывает циркуляцию масла. Она обеспечивает смазку узлов трения даже эмульсией. Система "Сплэш" начинает подавать смазку в узлы трения сразу после старта компрессора без характерных для маслонасоса полутораминутных задержек подачи масла.

С учетом применения в компрессорах "Битцер" "DU"-подшипников скольжения с PTFE-покрытием (композит на основе тефлона) рабочей поверхности, а также поршневых колец с покрытием рабочих поверхностей твердым хромом можно утверждать, что износ узлов трения в компрессорах с системой "Сплэш" меньше, чем у компрессоров с маслонасосной системой.

Довольно серьезной проблемой было создание подходящего и недорогого устройства контроля циркуляции масла для системы "Сплэш". В результате был разработан оптоэлектронный датчик наличия масла 4 (см. рис. 6), встраиваемый непосредственно в масляный карман передней торцевой крышки компрессора. Если проток масла по центральному каналу эксцентрикового вала значительно снижается, то включается сигнал аварии, и компрессор будет остановлен.

Обеспечение надежного функционирования датчика в заданных температурных рамках (-20…+100 °С) также было довольно сложной задачей. Но сегодня, когда разработанный датчик наличия масла показал достаточную надежность функционирования, можно утверждать, что поршневые компрессоры серии "Октагон" с системой "Сплэш" могут быть оборудованы оптимальной системой контроля, надежно отслеживающей возможные нарушения циркуляции масла во всем холодильном контуре при эксплуатации холодильной установки. Это особенно актуально для многокомпрессорных холодильных установок с разветвленной системой трубопроводов.

Следует также сказать и о том, что энергичное динамическое воздействие центрифугирующего элемента (лопатки или диска) на масло, находящееся в картере компрессора при его работе, приводит к эффективному высвобождению растворенного в масле хладагента, что невозможно обеспечить в маслонасосной системе.

Опыт эксплуатации

В 1996 г. система "Сплэш" была впервые применена в наименьшей серии компрессоров "Октагон" С1 (без контрольного датчика наличия масла в масляном кармане). Затем она целенаправленно совершенствовалась и нашла применение еще в трех новых сериях: С2, С3 и С4 полугерметичных компрессоров "Октагон" с мощностью электродвигателя 0,5…20 кВт и с объемной производительностью 4,06…56,2 м³/ч.

Разрез компрессора "Октагон" 4NCS-20.2Y с системой "Сплэш" представлен на рис. 8.

Рис. 8. Разрез компрессора "Октагон" 4NCS-20.2(Y) с системой внутренней циркуляции масла "Сплэш"

Опыт эксплуатации компрессоров с системой "Сплэш" оказался положительным. В прошлом, 2004 г., на рынки всего мира поступило более 80 000 таких компрессоров, изготовленных на всех заводах Bitzer GmbH. При этом специалисты центрального отдела контроля качества не получили ни одной рекламации по отказам компрессоров серий "Октагон" из-за системы "Сплэш". Эта система прекрасно работает в широком диапазоне частоты вращения эксцентрикового вала с меньшим количеством масла, чем насосная, особенно на высоких частотах вращения. Расход энергии в такой системе значительно ниже, чем в маслонасосной, что определяет более высокие значения холодильного коэффициента у компрессоров с системой "Сплэш" благодаря несколько меньшей потребляемой мощности.

И, наконец, из-за уменьшения числа механических частей по сравнению с компрессорами предшествующих поколений следует сказать и о потенциально более высокой надежности системы "Сплэш".

Таким образом, новая центробежная система внутренней циркуляции масла "Сплэш" для оснащения высокопроизводительных компрессоров с расширенным диапазоном скоростей вращения эксцентриковых валов, разработанная на основе опыта эксплуатации компрессоров серий "Октагон", имеет следующие преимущества по сравнению с маслонасосной системой:

  • меньшее число механических частей, отсутствие каких бы то ни было обратных и перепуск­ных клапанов;
  • более низкий процент уноса масла с циркулирующим хладагентом;меньший расход энергии при работе;
  • надежная работа при широком диапазоне частот вращения эксцентриковых валов;
  • более быстрая реакция системы "Сплэш", подающей масло к узлам трения, при пуске компрессора с большой долей растворенного в масле хладагента.

 

Единственным недостатком системы "Сплэш" до последнего времени было отсутствие возможности прямого контроля циркуляции масла в компрессоре, что существенно при эксплуатации крупных многокомпрессорных установок. Но с внедрением нового оптоэлектронного датчика эта проблема также была удачно решена.

Данная информация взята с источника www.bitzer.ru