Тема 5. Винтовые компрессоры.

Лекция 1. Устройство и принцип действия. Особенности рабочих процессов, производительность винтовых компрессоров.

Винновые компрессоры относятся к машинам объемного принципа действия. Роль цилиндра – рабочего объема – выполняют впадины между зубьями винтов закрытыми стенками корпуса, в цилиндрической расточке которого расположены винты.

Винтовые компрессоры являются быстроходными машинами, они не имеют всасывающих и нагнетательных клапанов и подразделяются на следующие типы:

• винтовые маслозаполненые компрессоры (ВМК);

• винтовые компрессоры сухого сжатия (ВКС);

• винновые компрессоры мокрого сжатия (ВКМС).

В ВКМ впрыскивается масло в рабочее пространство в незначительном по объему количестве. Оно предназначено для уплотнения зазоров, смазывания деталей, отвода теплоты, снижения шума.

В ВКМС впрыскивается капельная жидкость, в частности жидкий хладагент, в малых количествах с целью снизит температуру сжимаемого газа.

По числу основных деталей – роторов – винтовые компрессоры могут быть одно-, двух- и многомоторными.

Наибольшее распространение получили двухроторные. Его основные элементы – корпус, крышки, роторы, золотник, разгрузочные поршни.

В ВКС золотники не применяются, так как масло в зону золотника подвести нельзя.

Особенность конструкции ВКС и ВКМС состоит в наличии шестерен связи, синхронизирующих движение винтов и не допускающих их взаимного касания.

Ни одна полость винтового компрессора не должна соединятся одновременно с окном всасывания и окном нагнетания, не будучи перекрытой зубом парного винта.

Рис.14. Винтовой маслозаполненный компрессор (ВМК) с регу­лируемой производительностью: 1 — патрубок и камера всасывания; 2 — цилиндр или средняя часть корпуса; 3 — камера и патрубок нагнетания; 4 — пружи­на золотника; 5 — ведомый винт;

6 — ведущий винт; 7 — золот­ник; 8 — шпонка.

Принцип действия винтового компрессора.

При вращении винтов у торца всасывания образуется разряжение, благодаря которому газ из камеры всасывания через окно всасывания поступает во впадины винтов. Зуб ведомого винта первым вступает во впадину ведущего. Затем зуб ведущего винта входит во впадину ведомого, и их впадины объединяются, образуя одну общую парную полость. По достижении заданного давления в парной полости – давления внутреннего сжатия – парная полость подойдет к окну нагнетания и через него газ будет, вытолкнут в камеру нагнетания. Если давление в парной полости в конце процесса сжатия больше, чем в камере нагнетания, то компрессор работает с пережатием, если меньше – то с недожатием. Оба эти процесса ведут к необратимым энергетическим потерям.

Рабочий цикл винтового компрессора совершается за короткое время. При частоте вращения 50 с ^-1 ведущего винта, имеющего четыре зуба, то за один оборот произойдет четыре цикла, и каждый из них длится 1/50 с, при частоте 200 с^-1, время цикла 1/200 с.

Увеличение частоты вращения ведет к уменьшению доли протечек и повышению коэффициента подачи. Но одновременно, с увеличением скорости вращения винтов, растут, пропорционально квадрату скорости, гидравлические потери в компрессоре, что уменьшает коэффициент подачи и КПД.

Лекция 2. Технико-экономическая характеристика и производительность холодильного винтового компрессора.

Винтовые компрессоры широко применяются в холодильной технике благодаря высоким энергетическим и объемным показателям, надежности и долговечности, полной автоматизации. Диапазон производительности от 15 кВт до 4000 кВт и объемной теоретической производительности от 1,5 м³/мин до 55 м³/мин.

Достоинства винтовых компрессоров:

1. Высокая эксплуатационная и энергетическая эффективность

2. Высокая надежность, большой моторесурс;

3. Надежная работа в различных вариантах, маслозаполненые, сухого сжатия, на влажном паре;

4. Работа на любых газах;

5. Полная уравновешенность;

6. Отсутствие клапанов;

7. Малое число деталей самого компрессора;

8. Исключение необходимости постоянного присутствия персонала.

Недостатки винтовых компрессоров:

1. Низкое значение геометрической степени сжатия;

2. Окно всасывания ведущего винта не удается сделать оптимального размера;

3. Велика ширина впадины ведущего винта, что затрудняет изготовление винтов большого диаметра;

4. Большие перепады давлений между соседними впадинами;

5. Сложность изготовления винтов;

6. Большое маслохозяйство.

Геометрическая степень сжатия ε_Г – это отношение объемов, являющееся геометрической константой винтовых компрессоров:

(49)

где W_П – полезный, фактически используемый объем парной полости;

W₀ – полный объем парной полости;

W_З – заполненный объем парной полости, от начала заполнения зубьями полости до начала соединения полости с окном нагнетания.

Степень повышения давления внутренняя π_а и внешняя π_н:

(50)

где Р_а – давление внутреннего сжатия.

Действительная объемная производительность:

(51)

где υ₁ – удельный объем всасывания.

Массовый расход хладагента:

(52)

где Q₀ – заданная холодопроизводительность;

q₀ – удельная массовая холодопроизводительность.

Чтобы обеспечить V_д компрессор должен иметь теоретическую производительность:

(53)

где λ – коэффициент подачи компрессора.

Теоретическая объемная производительность определяется конструктивными и кинематическими параметрами и после некоторых преобразований имеет вид:

(54)

где k_f = (f_1n + f_2n)/D₁² – безразмерный коэффициент площади парных впадин;

f_1n и f_2n – площади впадин между зубьями в торцевой плоскости ведущего и ведомого винтов;

k_i = l/D₁ – относительная длина винта;

k_u = W_п/W₀ – коэффициент использования парной полости;

z_i – число зубьев;

n_i – частота вращения.

При проектном расчете компрессора определяют D₁ и задаются n₁ и окружной скоростью u₁:

(55)

Подставив V_T = V_д/λ и n₁ = u₁/(π D₁) получим:

(56)

Затем выбирают ближайший больший из типового ряда и корректируют частоту вращения винта или другие величины (u₁, D₁).