Sprężarki śrubowe, niezależnie od tego, czy mówimy o jedno-, czy też dwuśrubowych, stosuje się przy większych instalacjach.
Sprężarka półhermetyczna klimatyzacyjna dwuśrubowa REFCOMP
W poprzednim artykule („Chłodnictwo i Klinatyzacja” nr 11/2011 str. 42) omówiliśmy regulację wydajności stosowaną w przypadku sprężarek tłokowych hermetycznych i półhermetycznych.
Czas na omówienie regulacji wydajności stosowanej przy sprężarkach śrubowych. Ponieważ tematy częściowo się pokrywają, omówimy tylko elementy specyficzne dla sprężarek
śrubowych.
Dolny zakres wydajności sprężarek śrubowych zaczyna się, gdy kończy się zakres sprężarek
1 / 5
Regulacja wydajności układów sprężarkowych Cz. 1. Sprężarki śrubowe
tłokowych półhermetycznych. Sprężarki śrubowe charakteryzują się też mniejszym zużyciem prądu w stosunku do sprężarek tłokowych tej samej wydajności. Sprężarki śrubowe są stosowane dla aplikacji chłodniczych i mroźniczych oraz w układach klimatyzacyjnych. Są używane dla czynników typu R134a, R407C, R404A czy R507, ale można je też stosować w instalacjach amoniakalnych. Oczywiście, w instalacjach amoniakalnych są stosowane, z nielicznymi wyjątkami,sprężarki otwarte, z zewnętrznym silnikiem napędowym.
Jeżeli chodzi o budowę sprężarek śrubowych, należy zacząć od sprężarek z zabudowanym odolejaczem (rys. 1.), stosowanych głównie do układów wysokotemperaturowych jedno-,
ewentualnie dwusprężarkowych. Mają one silnik elektryczny, zabudowany wewnątrz przestrzeni ssawnej oraz, od strony wysokiego ciśnienia, odolejacz wraz z zasobnikiem oleju.
Kolejne, uznawane za bazowe, to sprężarki średnio- i niskotemperaturowe, półhermetyczne (rys. 2.). Nie mają one własnego odolejacza, lecz bazują na odolejaczu centralnym, wspólnym dla wszystkich sprężarek danego układu chłodniczego. Silnik elektryczny jest zabudowany wewnątrz sprężarki.
Trzecią grupą sprężarek są sprężarki otwarte, stosowane głównie do instalacji amoniakalnych (rys. 3.). Nie mają one silnika wbudowanego wewnątrz sprężarki, lecz korzystają z
zewnętrznego źródła napędu. Jest to najczęściej silnik elektryczny, a napęd jest przekazywany przez sprzęgło. Mogą być również inne źródła napędu, jak również inne sposoby przekazania tego napędu na wał sprężarki. Sprężarki te są najczęściej wykorzystywane do instalacji amoniakalnych, ale można je też spotkać przy układach z czynnikami zwanymi popularnie freonami, lecz z innym napędem niż silniki elektryczne. Sprężarki otwarte można stosować w układach jedno- i wielosprężarkowych. Wymagają, podobnie jak sprężarki półhermetyczne, centralnego odolejacza. Należy pamiętać, że przy sprężarkach śrubowych odolejacz nie jest alternatywą, ale wyposażeniem koniecznym do prawidłowej pracy sprężarek śrubowych.
Bardzo rzadko spotykaną odmianą sprężarek otwartych są sprężarki otwarte z własnym odolejaczem (rys. 4.). Pracują one w układach jednosprężarkowych i, podobnie jak sprężarki półhermetyczne klimatyzacyjne, w bardzo krótkich układach. Nie wymagają dodatkowego odolejacza na instalacji chłodniczej. Są przewidziane do układów wysokotemperaturowych, pracujących na amoniaku lub układów klimatyzacyjnych z innym, niż silnik elektryczny, źródłem napędu sprężarki.
Najczęściej stosowane i spotykane są sprężarki dwuśrubowe (rys. 1. i 2.), dlatego od nich rozpoczniemy omawianie tematu. O sprężarkach jednośrubowych (rys. 3. i 4.) powiemy w drugiej części artykułu.
Sprężarka półhermetyczna dwuśrubowa REFCOMP Sprężarki dwuśrubowe – zasada działania
Najważniejszym elementem sprężarki dwuśrubowej są oczywiście śruby. Obecnie stosowane są śruby asymetryczne, a więc każda ze śrub ma inny kształt, wzajemnie do siebie pasujący (rys. 5.). Kiedyś był stosowane sprężarki ze śrubami symetrycznymi, których przekrój był identyczny, a różniły się jedynie kierunkiem śruby. Obecnie jedna ze śrub, zwana męską, ma śrubę wypukłą, a druga, zwana żeńską, wklęsłą (rys. 6.). Najczęściej śruba męska jest śrubą napędzaną, a śruba żeńska jest napędzana bezpośrednio od śruby męskiej, na zasadzie wzajemnego zazębienia. Ich wzajemny kształt powoduje, że w trakcie „wkręcania się” zamyka się przestrzeń sprężania, a następnie jest ona zmniejszana w kierunku czoła śrub. Na rysunku 7. pokazano zasadę działania sprężarki dwuśrubowej. Czynnik jest zasysany od strony pustych strzałek w przestrzeń oznaczoną kolorem niebieskim(1). Przestrzeń ta na tym etapie pracy jest otwarta od strony ssania sprężarki. Patrząc z góry, męska, lewa śruba obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a prawa śruba żeńska, zgodnie z kierunkiem wskazówek.
Przestrzeń, utworzona przez zwoje śrub, zamyka się zaraz w górnej części, zaznaczonej na żółto (2) i w trakcie kolejnej sekwencji obrotu zmniejsza się. Punkt styku śrub „przesuwa się” w dół, zmniejszając cały czas przestrzeń utworzoną przez zwoje i zamkniętą płytą czołową sprężarki (nie pokazaną na rysunku). Na tym etapie czynnik jest sprężany w coraz mniejszej przestrzeni zwojów, zaznaczonej na czerwono (3). Płyta czołowa uszczelnia śruby i ich zwoje od czoła, czynnik jest sprężony już w bardzo małej przestrzeni zwojów, zaznaczonej na czerwono (4). W płycie czołowej znajduje się mały otwór, zwany portem tłoczenia. To właśnie przez ten otwór sprężony czynnik jest przetłaczany przez śruby, zgodnie z ciemnymi strzałkami, na tłoczenie sprężarki (4). Tak w bardzo dużym skrócie można opisać zasadę działania
sprężarki z dwiema śrubami. Jak zatem zredukować wydajność sprężarki dwuśrubowej?
Podobnie, jak w sprężarce tłokowej, zmniejszyć jej wydajność objętościową.
3 / 5
Regulacja wydajności układów sprężarkowych Cz. 1. Sprężarki śrubowe
Zasada działania sprężarki dwuśrubowej Regulacja wydajności
W sprężarce tłokowej zmniejszamy jej wydajność objętościową przez odcięcie ssania na poszczególny cylinder. Można tak robić, ponieważ sprężarki tłokowe z regulacją wydajności mają kilka tłoków. W sprężarce śrubowej jest tylko jeden zespół śrub, a jego ewentualne odcięcie spowodowałoby zmniejszenie wydajności sprężarki do zera, a o to nam przecież nie chodzi. W jaki sposób więc zmniejszyć wydajność objętościową? Przesuwając punkt
zamknięcia przestrzeni między zwojami. Inaczej mówiąc, skracając same śruby. Wydajność objętościowa sprężarki dwuśrubowej jest uzależniona od długości śruby, podobnie jak w sprężarce tłokowej od skoku tłoka. Jeżeli skrócimy śrubę, uzyskamy mniejszą wydajność objętościową. Ale przecież nie ma możliwości, by w trakcie pracy długość śruby zmniejszyć.
Możemy jednak spowodować, że przestrzeń między zwojami zostanie hermetycznie zamknięta, ale nie na początku śrub, ale w ich dalszej części. Wystarczy, że przestrzeń zostanie
rozhermetyzowana na pewnej długości śrub. Rozhermetyzowanie wykonuje się na dwa sposoby: przez wprowadzenie dodatkowych otworów upustowych lub przez zastosowanie suwaka, który rozszczelnia przestrzeń śrub na odpowiedniej, w danym momencie wymaganej, długości. Suwak może regulować wydajność sprężarki płynnie lub skokowo, w zależności od zastosowanego rozwiązania.
Przekrój śrub sprężarki dwuśrubowej Otwory upustowe
Najtańszym rozwiązaniem jest zastosowanie otworów upustowych. Rozwiązanie to jest
stosowane w sprężarkach komercyjnych, mniejszych wydajności. Zastosowanie suwaka w tych sprężarkach podnosiłoby w znaczący sposób koszt produkcji sprężarki, a więc i jej cenę.
Jak to działa? Na rysunku 8. przedstawiono zasadę działania sprężarki z dwoma otworami upustowymi. Dzięki temu możliwa jest praca sprężarki z pełną wydajnością oraz z wydajnością ograniczoną dwoma progami. W przypadku dwóch progów jest to najczęściej wydajność 50 oraz 75 proc. wydajności znamionowej.
Na pierwszej części rysunku otwory upustowe regulacji wydajności 4 i 5 są zamknięte przez tłoki 6 i 7. Tłoki 6 i 7 są utrzymywane w pozycji zamykającej otwory upustowe przez ciśnienie oleju 8 i 9, podane przez zawory dwupozycyjne V1 i V2. Czynnik zasysany 1 dostaje się między śruby i jest sprężany na całej długości tych śrub.
Na drugiej części rysunku wydajność została zredukowana do pośredniej wydajności sprężarki.
Zawór regulacji wydajności V2 został przestawiony, co spowodowało, że ciśnienie oleju 9 za tłokiem 7 zmniejszyło się do ciśnienia ssania. Na tłok upustu czynnika 7 działa równocześnie w przeciwnym kierunku sprężyna 3, co powoduje, że otwór upustu czynnika 4 zostaje otwarty i czynnik wstępnie sprężony zostaje upuszczony na ssanie sprężarki 2. Na tłok 6 działa cały czas ciśnienie 8, równe ciśnieniu oleju 11, co przezwycięża siłę sprężyny 3 i tłok pozostaje w
położeniu zamykającym otwór upustowy minimalnej wydajności sprężarki. Dzięki temu pozostała część czynnika jest dalej sprężana i, już bez strat, przetłoczona na tłoczenie sprężarki 10.
W trzeciej części rysunku obydwa zawory V1 i V2 są w pozycji zmniejszającej ciśnienie 8 i 9 do ciśnienia ssania, a ciśnienie oleju 11 nie działa już na żaden z tłoków 6 i 7. Dzięki temu
sprężyny 3 przesuwają tłoki 6 i 7. Zarówno otwór pośredniej wydajności 5, jak i minimalnej wydajności 4, są otwarte, a czynnik wstępnie sprężony przed tymi otworami zostaje upuszczony na ssanie sprężarki 2. Za otworem 4 przestrzeń między śrubami jest już hermetyczna. Od tego momentu czynnik jest już sprężany i przetłoczony na tłoczenie sprężarki 10.
Tego typu rozwiązanie pozwala na regulację wydajności sprężarki śrubowej w sposób prosty i tani. Niewielka ilość elementów ruchomych oraz brak elementów ruchomych, przylegających bezpośrednio do śrub, a także prostota wykonania i sterowania powodują, że jest to często spotykane rozwiązanie przy mniejszych sprężarkach dwuśrubowych. Cewki regulacji
wydajności są sterowane w sposób analogiczny, jak cewki regulacji wydajności w sprężarkach tłokowych. Zasilenie lub zdjęcie zasilania z danej cewki w sposób bezpośredni powoduje zmianę wydajności sprężarki. Do sterowania regulacją wydajności możemy wykorzystać praktycznie każdy sterownik elektroniczny do regulacji wydajności zespołów sprężarkowych (rys. 16.), a w ostateczności możemy wykonać układ sterowania również na presostatach niskiego ciśnienia. Minusem tego rozwiązania jest skokowa regulacja wydajności i uzależnienie ilości stopni regulacji od ilości otworów upustowych. Każdy otwór upustowy to jeden stopień regulacji wydajności. Umiejscowienie otworu w stosunku do długości śrub wpływa na wartość danego stopnia regulacji – im otwór bliżej tłoczenia, tym mniejsza wydajność sprężarki. (...) Suwak (...)
Otwory upustowe i suwak (...) Ekonomizer (...)
Sterownik pracy sprężarek LAE Electronic typ COPS 80 Zużycie energii
Sprężarki dwuśrubowe, jak już wspomnieliśmy, są sprężarkami zużywającymi mniejszą ilość energii elektrycznej od sprężarek tłokowych. Jest to jednak zauważalne przy pracy sprężarki na 100 proc. wydajności znamionowej, szczególnie przy włączonym dodatkowo ekonomizerze. W przypadku redukcji wydajności sprężarki dwuśrubowej za pomocą zmniejszenia przestrzeni roboczej, zużycie energii elektrycznej nie jest już tak korzystne. Sprężarka dwuśrubowa zużywa niewielką część energii na sprężenie czynnika, a większość energii zużywana jest na pokonanie oporów własnych. Dlatego sprężarki dwuśrubowe są energetycznie bardzo korzystne przy pełnym obciążeniu, ale gdy zaczynamy redukować ich wydajność, pobór prądu nie spada proporcjonalnie do spadku wydajności. Przy 50 proc. wydajności znamionowej pobór prądu będzie na poziomie ponad 70 proc. poboru znamionowego, gdy dla sprężarki tłokowej w tych samych warunkach pobór prądu będzie na poziomie nieco ponad 50 proc.
Dlatego przy rozbudowanych układach chłodniczych, opartych na sprężarkach dwuśrubowych ze zmiennym obciążeniem, stosuje się układy oparte na kilku mniejszych sprężarkach, zamiast na jednej większej mocy. Dzięki temu uzyskuje się znaczące redukcje w poborze energii, przy niepełnym obciążeniu cieplnym instalacji. Sterowanie takimi układami jest analogiczne, jak w przypadku sprężarek tłokowych. W zależności od obciążenia włączamy lub wyłączamy kolejne sprężarki, najczęściej na podstawie pomiaru ciśnienia ssania. W układach pośrednich regulacja wydajności jest też realizowana na podstawie pomiaru temperatury medium schładzanego.
Samo sterowanie jest wykonywane za pomocą sterowników elektronicznych (rys. 16.), choć spotyka się też jeszcze układy sterowane za pomocą np. presostatów mechanicznych.
Jeżeli jest taka potrzeba, oprócz regulacji za pomocą włączania kolejnych sprężarek, stosowana jest też regulacja wydajności poszczególnych sprężarek metodami opisanymi wcześniej. Jednak ze względów energetycznych, należy najpierw ograniczyć ilość włączonych sprężarek do minimum, a dopiero wtedy ograniczać moc chłodniczą regulacją pojedynczej sprężarki. Przy sprężarkach tłokowych nie ma to aż takiego znaczenia, można zarówno zostawić większą ilość włączonych sprężarek i zredukować wydajność każdej z nich, jak i najpierw ograniczyć ilość pracujących sprężarek do minimum, a dopiero potem zredukować wydajność jednej z nich.
Ze względów energetycznych, jeżeli zmiany wydajności są częste, w przypadku sprężarek tłokowych zalecane jest nawet zostawienie większej ilości pracujących sprężarek i regulowanie wydajnością, redukując ją na poszczególnych sprężarkach, bez ich wyłączania. Ogranicza to ilość startów i zatrzymań sprężarek, które nie tylko zmniejszają żywotność sprężarek, ale też zwiększają pobór prądu w całym układzie (w czasie zwiększonej ilości załączeń sprężarek). W przypadku sprężarek dwuśrubowych należy podejść indywidualnie do tego problemu i tak dobrać ilość sprężarek, by nie było potrzeby regulacji wydajności za pomocą regulacji
poszczególnej sprężarki, tylko za pomocą wyłączenia odpowiedniej ilości sprężarek. Jednak w trakcie budowy zespołów wielosprężarkowych, opartych na sprężarkach dwuśrubowych, należy zwrócić uwagę na kilka elementów, omówionych w kolejnej części artykułu. Proszę tylko
pamiętać, że omówione zasady nie wyczerpują tematu budowy zespołów wielosprężarkowych.
Opisano tu tylko elementy istotne ze względu na regulację wydajności.
Koniec części I
AUTOR:
Bartosz NOWACKI – ReBaNo
5 / 5
