New piston compressors "Octagon". Part 2: Winning Features*

Abstract

Taking into account all the main advantages and disadvantages of the considered types of compressors, Bitzer has created a new series of Octagon reciprocating compressors, in which, in order to improve them, a number of essential parameters have been modified, including: smooth running and noise characteristics, efficiency, performance controllability, overall dimensions and weight, cost.

Full Text

Учитывая все основные достоинства и недостатки рассмотренных типов компрессоров, компания «Битцер» создала новую серию поршневых компрессоров Octagon, в которой с целью их усовершенствования подвергся модификации ряд существенных параметров, среди которых: плавность хода и шумовые характеристики, КПД, регулируемость производительности, габаритные размеры и масса, стоимость.

Шумовые характеристики компрессоров серии Octagon с демпфером пульсаций в головке блока цилиндров (см. сайт www.bitzer.ru)

Несмотря на исключительную плавность хода, обусловленную конструкционными особенностями компрессоров этой серии, в отдельных случаях возникали значительные резонансные пульсации в нагнетательных трубопроводах. Как правило, такие пульсации сокращаются до приемлемой величины путем установки глушителей (демпферов) на трубопроводе. Недостаток такого технического решения состоит в том, что на участке нагнетательного трубопровода между демпфером и компрессором всегда присутствуют значительные пульсации. Полностью избежать негативного воздействия пульсаций давления в системе удалось благодаря новой головке блока цилиндров (рис. 1), где с помощью резонансного канала пульсации гасятся в месте их возникновения.

Рис. 1. Головки блока цилиндров: слева без демпферов пульсаций, справа с демпфером пульсаций (компрессор серии Octagon)

Сравнение характера пульсаций при стандартной и модифицированной головках блока цилиндров показано на рис. 2.

Рис. 2. Колебания давления при стандартной головке в трубопроводе (верхнее окно) и в головке блока цилиндров (нижнее окно): а — без демпфера пульсаций в головке блока цилиндров; б — со встроенным в головку демпфером пульсаций

Стендовое измерение базовых шумовых характеристик компрессора не показало значительного их улучшения. Однако при работе компрессора в составе холодильной установки вы

явлено отчетливое уменьшение шумовых показателей. В связи с этим несколько серийных компрессорно-конденсаторных агрегатов с воздушным охлаждением были дополнительно подвергнуты многократным циклическим испытаниям на шумовые характеристики на расстоянии 1 м по DIN 45635. Затем были сопоставлены результаты испытаний, полученные на компрессоре серии Octagon без демпфера пульсаций (ДП), компрессоре серии Octagon с ДП и спиральном компрессоре.

Замеренные звуковые давления могут рассматриваться как типичные для агрегатов с конденсатором воздушного охлаждения. Очевидно снижение шума, которое достигается применением новых головок блока цилиндров (рис. 3).

Рис. 3. Уровень звукового давления на расстоянии 1 м от компрессорно-конденсаторного агрегата с компрессором Octagon с демпфером пульсаций и без него

О том, насколько низкими являются эти шумовые характеристики, можно судить по рис. 4. Компрессор серии Octagon с ДП оказывается не просто работающим тише спирального компрессора, но даже находится на уровне шумовых характеристик вентилятора компрессорно-конденсаторного агрегата.

Рис. 4. Сравнение уровней звукового давления в машинном отделении на расстоянии 1 м для компрессора Octagon 4CC-6.2Y, спирального компрессора ESM629Y и вентилятора агрегата

Значительное снижение шумовых характеристик поршневых компрессоров «Битцер» позволило также достичь универсальности их применения во всех возможных типах установок. Было доказано, что поршневые компрессоры не только не являются более шумными и подверженными вибрациям, чем ротационные, но даже могут превосходить их по этим показателям.

Существенное преимущество поршневых компрессоров, реализованное в конкретном проекте

Если требуется регулировать компрессор морозильной установки изменением частоты вращения, необходимо учитывать, что, начиная с некоторой предельной частоты, ее повышение не вызывает увеличения холодопроизводительности. В этом случае можно применить вариант с двухступенчатым поршневым компрессором. В качестве примера рассмотрим экспериментальный компрессор для холодильной установки типового рефрижераторного контейнера.

Регулирование холодопроизводительности изменением частоты вращения

Объемная производительность короткоходовых поршневых компрессоров оптимально регулируется путем изменения частоты вращения коленчатого вала. Хорошим примером является серия компрессоров Octagon, допустимый диапазон частот питающего тока для которой 30...60 Гц (стандартное исполнение) и 20...70 Гц (расширенный вариант исполнения) (рис. 5).

Рис. 5. Регулирование производительности компрессора изменением частоты вращения вала

Однако и это не предел. В одной из опытных установок, где изучались предельные возможности поршневых компрессоров, электродвигатель двухцилиндрового компрессора теплового насоса, представленного на рис. 6, успешно работал в диапазоне частот 20...80 Гц.

Рис. 6. Перспективный компрессор Octagon серии С2 со встроенным частотным преобразователем

Требования, которые предъявлялись к этому компрессору:

Габаритная ширина, мм	< 250
Масса, кг	< 100
Хладагент	R134a
Регулирование бесступенчатое, в диапазоне холодопроизводительностей,	кВт 10,5... 0,5
Холодопроизводительность Qo, кВт, при температуре в охлаждаемом объеме, °C -28	3,5
-18	4,0
-4	10,5
Экономия потребляемой энергии, %	30
Температура окружающей среды, °C:
расчетный режим	+38
экстремальный режим	От арктических условий до +55 ’С

Ни винтовой, ни спиральный компрессоры не подошли для выполнения этих требований (в частности, очень низким оказался КПД при частичной нагрузке). Но даже одноступенчатый поршневой компрессор с регулированием частоты вращения смог частично выполнить поставленную задачу. Однако затем оказалось, что при частоте питающего тока выше 80 Гц и t_Q = -33 °C (R134a) повышение холодопроизводительности оказалось невозможным (рис. 7).

Рис. 7. Изменение холодопроизводительности при увеличении частоты вращения вала компрессора

Самое оптимальное решение было достигнуто при использовании двухступенчатого компрессора (рис. 8), который по холодопроизводительности превосходил одноступенчатый на 25 %. Среднее потребление энергии за типичный цикл нагрузки было на 30 % меньше того же показателя для серийной машины.

Рис. 8. Перспективный компрессор Octagon S4CC-5Y с переключением на работу в 1—2 ступени и преобразователем частоты

Благодаря использованию переохладителя хладагент R134а, типичный для кондиционирования воздуха, смог прекрасно работать в морозильных установках и по результатам сравнительных измерений обеспечил такие же показатели, что и R404A. Принципиальная схема установки показана на рис. 9.

Рис. 9. Принципиальная схема установки с применением перспективного компрессора Octagon S4CC-5Y и жидкостного переохлаждения

Все требования по конструктивным размерам и холодопроизводительности были выполнены.

Можно с уверенностью сказать, что в этом конкретном случае никакой другой тип компрессора не будет лучше, чем поршневой.

Таким образом, полугерметичные поршневые компрессоры все еще обладают значительным потенциалом развития, который позволит оптимально использовать их в холодильной технике и в будущем. Адаптация поршневых компрессоров к новым областям применения и хладагентам возможна при относительно низких издержках. По массе, плавности хода и компактности современные поршневые компрессоры вполне конкурентоспособны с ротационными. Регулирование изменением частоты вращения, пока еще не общепринятое для поршневых компрессоров, при широком использовании даст значительную экономию энергии.

В последующих публикациях мы подробно рассмотрим этот вопрос и рекомендации фирмы «Битцер» в этой области.