Спиральный компрессор - Scroll compressor

Механизм спирального насоса; здесь два архимедовы спирали
Работа спирального компрессора


А спиральный компрессор (также называемый спиральный компрессор, спиральный насос и спиральный вакуумный насос) - устройство для сжатие воздух или хладагент.[1] Он используется в кондиционер оборудование, как автомобиль нагнетатель (где он известен как спиральный нагнетатель ) и как вакуумный насос. Во многих домашних центральных тепловых насосах и системах кондиционирования воздуха, а также в некоторых автомобильных системах кондиционирования воздуха используется спиральный компрессор вместо более традиционного. вращающийся, возвратно-поступательный, и компрессоры с качающейся шайбой.

Спиральный компрессор, работающий в обратном направлении, является расширитель прокрутки, и может генерировать механическая работа.

История

Анимация вращающегося спирального компрессора

Леон Кре впервые запатентовал спиральный компрессор в 1905 году во Франции и США (номер патента 801182).[2] Creux изобрел компрессор как вращающийся паровой двигатель концепция, но технология литья металла того периода не была достаточно развитой, чтобы построить рабочий прототип, поскольку спиральный компрессор требует очень жестких допусков для эффективной работы. В патенте 1905 года Creux определяет вращающийся или вращающийся реверсивный паровой расширитель, приводимый в движение кривошипом фиксированного радиуса на одном валу.[3] Однако двигатель спирального расширителя не мог преодолеть препятствия обработки радиальной податливости, присущие достижению эффективности в работе спирали, которые не могли быть должным образом решены до работ Нильса Янга в 1975 году.[4] Первые практичные спиральные компрессоры появились на рынке только после Вторая Мировая Война, когда более точные станки позволили их построить. В 1981 г. Санден начала производство первых коммерчески доступных спиральных компрессоров для автомобильных кондиционеров.[5][1] Они не производились серийно для кондиционирования воздуха до 1983 года, когда Hitachi выпустила первый в мире кондиционер с герметичным спиральным компрессором.[6][7]

Дизайн

Компрессор прокрутки использует два чередующихся прокрутки для насос, компресс или надавить жидкости Такие как жидкости и газы. Геометрия лопасти может быть эвольвента, Архимедова спираль, или гибридные кривые.[8][9][10][11][12]

Часто один из свитков неподвижен, а другой вращается вокруг эксцентрично без вращения, тем самым захватывая и накачивая или сжимая карманы жидкости между спиралями. Эксцентриковый вал может обеспечивать орбитальное движение, но нельзя допускать вращения спирали, обычно с помощью Муфта типа Oldham, дополнительные эксцентриковые промежуточные валы или сильфон (особенно для приложений высокой чистоты). Другой метод создания движения сжатия - это совместное вращение прокрутки в синхронном движении, но со смещенными центрами вращения. Относительное движение такое же, как если бы вы двигались по орбите.

Утечки из осевых зазоров предотвращаются за счет использования спиральных торцевых уплотнений, размещенных в канавках на концах обеих спиралей.[13] Эти уплотнения наконечников также помогают снизить трение и могут быть заменены при износе. Некоторые компрессоры используют нагнетательный газ под давлением, чтобы сдвинуть обе спирали вместе, устраняя необходимость в уплотнениях наконечников и улучшая герметичность при эксплуатации; считается, что эти компрессоры изнашиваются, а не изнашиваются,[14][15][16][17] но другие детали, такие как кольцо Олдхэма, могут изнашиваться.

Другой вариант - гибкие (плоские) трубки, где архимедова спираль действует как Перистальтический насос, который работает по тому же принципу, что и тюбик зубной пасты. У них есть оболочки, заполненные смазка для предотвращения истирания наружной поверхности трубки насоса и для облегчения рассеивания тепла, а также использовать усиленные трубки, часто называемые «шлангами». Насосы этого класса часто называют «шланговыми насосами». Поскольку нет движущихся частей, контактирующих с жидкостью, перистальтические насосы недороги в производстве. Отсутствие в них клапанов, уплотнений и сальников делает их сравнительно недорогими в обслуживании, а шланг или трубка - недорогой элемент обслуживания по сравнению с другими типами насосов.[нужна цитата ]

Приложения

Техническое сравнение с другими насосами

Спиральный компрессор с воздушным баком

Эти устройства известны тем, что работают более плавно, тихо и надежно, чем обычные компрессоры в некоторых приложениях.[18] В отличие от поршней, масса вращающейся спирали может быть идеально уравновешена простыми массами для минимизации вибрации. (Орбитальный свиток не может быть полностью сбалансирован, если Муфта Олдхема (также известное как кольцо Олдхема). Газовые процессы спирали более непрерывны. Кроме того, отсутствие мертвого пространства увеличивает объемный эффективность.

Вращения и импульсный поток

спиральный компрессор открытого типа

Процесс сжатия происходит примерно за 2–2½ оборота коленчатого вала по сравнению с одним оборотом для роторных компрессоров и половиной оборота для поршневые компрессоры. Процессы нагнетания и всасывания спирали происходят при полном вращении по сравнению с менее чем половиной оборота при возвратно-поступательном всасывании и менее чем на четверть оборота при возвратно-поступательном нагнетании. Поршневые компрессоры имеют несколько цилиндров (обычно от двух до шести), в то время как спиральные компрессоры имеют только один компрессионный элемент. Наличие нескольких цилиндров в поршневых компрессорах снижает пульсации всасывания и нагнетания. Следовательно, трудно сказать, имеют ли спиральные компрессоры более низкие уровни пульсации, чем поршневые компрессоры, как часто утверждают некоторые поставщики спиральных компрессоров. Более стабильный поток обеспечивает более низкие пульсации газа, более низкий уровень шума и более низкую вибрацию присоединенного трубопровода, не влияя при этом на эффективность работы компрессора.

Клапаны

Спиральные компрессоры никогда не имеют всасывающего клапана, но в зависимости от области применения могут иметь или не иметь нагнетательный клапан. Использование динамического нагнетательного клапана более заметно в приложениях с высоким коэффициентом давления, типичных для холодильного оборудования. Как правило, спиральный компрессор кондиционера не имеет динамического выпускного клапана. Использование динамического нагнетательного клапана повышает эффективность спирального компрессора в широком диапазоне рабочих условий, когда степень рабочего давления значительно превышает встроенную степень сжатия компрессоров. Если компрессор спроектирован для работы около одной рабочей точки, то спиральный компрессор может фактически повысить эффективность около этой точки, если нет динамического нагнетательного клапана (поскольку есть дополнительные потери нагнетательного потока, связанные также с наличием нагнетательного клапана. поскольку выпускные отверстия имеют тенденцию быть меньше при наличии разряда).[19][20]

Эффективность

В изэнтропический КПД спиральных компрессоров немного выше, чем у типичного поршневого компрессора, когда компрессор рассчитан на работу вблизи одной выбранной номинальной точки.[21] Спиральные компрессоры в этом случае более эффективны, потому что они не имеют динамического нагнетательного клапана, который вносит дополнительные дроссельные потери. Однако эффективность спирального компрессора, не имеющего нагнетательного клапана, начинает снижаться по сравнению с поршневым компрессором при работе с более высокой степенью сжатия. Это результат потерь при сжатии, которые возникают при работе компрессоров прямого вытеснения с высоким коэффициентом сжатия, не имеющих динамического нагнетательного клапана.

Процесс спирального сжатия почти на 100% эффективен с точки зрения объема при перекачивании захваченной жидкости. Процесс всасывания создает свой собственный объем, отдельный от процессов сжатия и нагнетания внутри. Для сравнения, поршневые компрессоры оставляют небольшое количество сжатого газа в цилиндре, потому что поршень не может касаться головки или пластины клапана. Этот остаточный газ из последнего цикла затем занимает пространство, предназначенное для всасывания газа. Снижение производительности (т. Е. Объемный КПД) зависит от давления всасывания и нагнетания, причем большее снижение происходит при более высоком соотношении давления нагнетания к давлению всасывания.

Надежность

Спиральные компрессоры имеют меньше движущихся частей, чем поршневые компрессоры, что теоретически должно повысить надежность. По данным Emerson Climate Technologies, производителя спиральных компрессоров Copeland, спиральные компрессоры имеют на 70 процентов меньше движущихся частей, чем обычные поршневые компрессоры.[22]

В 2006 году крупный производитель оборудования для общественного питания, Stoelting, решили изменить дизайн одной из своих мягких подач мороженое машины из возвратно-поступательный для прокрутки компрессора. В ходе испытаний они обнаружили, что конструкция спирального компрессора обеспечивает лучшую надежность и энергоэффективность в эксплуатации.[23]

Размер

Спиральные компрессоры имеют тенденцию быть очень компактными и плавными и поэтому не требуют пружинной подвески. Это позволяет им иметь очень маленькие корпуса, что снижает общую стоимость, но также приводит к меньшему свободному объему.[24] Это слабое место с точки зрения работы с жидкостью. Их соответствующая сила заключается в отсутствии всасывающих клапанов, которые перемещают наиболее вероятную точку отказа в систему привода, которую можно сделать несколько более прочной. Таким образом, спиральный механизм сам по себе более устойчив к попаданию жидкости, но в то же время более склонен к тому, чтобы испытать его в работе. Небольшой размер и бесшумная работа спирального компрессора позволяют встраивать его в компьютеры с высокой удельной мощностью, такие как мэйнфреймы IBM. Спиральные компрессоры также упрощают конструкцию трубопроводов, поскольку не требуют внешнего подключения для теплоносителя первого контура.


Расширитель прокрутки

Спиральный расширитель - это устройство для производства работ, которое в основном используется в системах рекуперации тепла низкого давления. По сути, это спиральный компрессор, работающий в обратном направлении; рабочая жидкость или газ с высокой энтальпией поступает на сторону нагнетания компрессора и вращает эксцентриковую спираль перед выпуском из впускного отверстия компрессора. Основная модификация, необходимая для преобразования спирального компрессора в спиральный детандер, заключается в удалении обратного клапана из выпускного патрубка компрессора.[25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Маккалоу, Джон Э. «Японская и американская конкуренция в разработке спиральных компрессоров и ее влияние на американскую индустрию кондиционирования воздуха». Управление научно-технической информации Министерства энергетики США (OSTI). Министерство энергетики США. Получено 26 апреля 2019.
  2. ^ США 801182, Кре, Леон, «Роторный двигатель» 
  3. ^ Буш, Джеймс У .; Бигл, Уэйн П. (1994). «Конструкция и эксплуатационные характеристики коорбитальных спиралей». Электронные пабы Purdue. Получено 3 июн 2019.
  4. ^ США 3874827, Янг, Нильс О., "Спиральный аппарат положительного смещения с осевым радиально податливым спиральным элементом" 
  5. ^ "История". Sanden Corporation. Sanden International (Europe) Ltd. Получено 9 мая 2019.
  6. ^ "История (1981-2000): Hitachi Global". www.hitachi.com.
  7. ^ Gerken, Дэвид Т .; Калхун, Джон Л. (март 2000 г.). «Обзор конструкции компонентов спирального компрессора из литого алюминия». Всемирный конгресс SAE 2000. SAE International. Получено 2007-02-21.
  8. ^ США 4216661, Нобукацу, Араи; Кусокабэ Хирокату, Сато Эйдзи и др. «Спиральный компрессор со средствами для смещения торцевой пластины и возврата охлажденного газа в герметичные компрессорные пространства» 
  9. ^ США 4522575, Тишер, Дж. И Р. Аттер, "Спиральная машина, использующая давление нагнетания для осевого уплотнения" 
  10. ^ США 4767293, Caillat, J .; R. Weatherston & J Bush, "Машина спирального типа с осевой установкой" 
  11. ^ США 4875838, Ричардсон-младший, Хьюберт, "Спиральный компрессор с вращающимся спиральным элементом, смещенным давлением масла" 
  12. ^ США 4834633, Etemad, S .; Д. Яннасколи и М. Хацикадзакис, «Прокручивающая машина с обертками разной толщины» 
  13. ^ Мицухиро Фукута; Дайсуке Оги; Масааки Мотодзава; Тадаси Янагисава; Сигеки Иванами; Тадаши Хотта (14–17 июля 2014 г.). Механизм уплотнения уплотнения наконечника спирального компрессора. 22-я Международная конференция по проектированию компрессоров в Пердью. п. 1255.
  14. ^ "Новый спиральный компрессор | Кондиционирование и охлаждение | Daikin Global". www.daikin.com.
  15. ^ https://www.testequity.com/how-a-scroll-compressor-works
  16. ^ https://climate.emerson.com/documents/copeland-scroll-digital-simple-refrigeration-solution-for-capacity-modulation-en-gb-4204140.pdf
  17. ^ https://climate.emerson.com/documents/zfkq-product-catalogue-ja-jp-4231574.pdf
  18. ^ «Компрессор ОВК». При поддержке The People Resources Company. Июль 2010 г.. Получено 2010-07-21.
  19. ^ Джим Уиллер (ноябрь 1988 г.). «Компрессоры прокрутки: внутренняя история». Контрактный бизнес. Пентон Медиа: 36.
  20. ^ Буш, Джеймс У .; Элсон, Джон П. (июль 1988 г.). «Критерии проектирования спиральных компрессоров для бытовых систем кондиционирования воздуха и тепловых насосов». Материалы Международной конференции по проектированию компрессоров 1988 г.. 1: 83–92.
  21. ^ Элсон, Джон П .; Кеммер, Норберт; Ван, Саймон; Перевозчиков, Михаил (14–17 июля 2008 г.). Технология прокрутки: обзор прошлых, настоящих и будущих разработок. Международная конференция по компрессоростроению. Получено 9 мая 2019.
  22. ^ «Спиральные компрессоры: преимущества конструкции». Emerson Climate Technologies. Получено 2013-01-11.
  23. ^ Рассел, Джилл (февраль 2006 г.). «Торговое оборудование для общественного питания, постоянное охлаждение». Журнал Appliance. Получено 2007-01-10.
  24. ^ Мраз, Стивен. «В поисках идей: компания Air Squared разработала самый маленький в мире спиральный компрессор непрерывного действия». Дизайн машины. Penton Media, Inc. Получено 25 мая 2019.
  25. ^ Эмхардт, Саймон; Тиан, Гохун; Чу, Джон (август 2018). «Обзор геометрии спирального расширителя и их характеристик» (PDF). Прикладная теплотехника. 141: 1020–1034. Дои:10.1016 / j.applthermaleng.2018.06.045. ISSN  1359-4311.

внешняя ссылка