Турбокомпрессоры

Новым словом в компрессионном оборудовании для холодильной техники является появление энергоэффективных турбокомпрессоров, обеспечивающих высокую производительность при низких массо-габаритных показателях благодаря высокой скорости вращения вала: от 15 до 40 тыс. об/мин.

История турбокомпрессоров

История появления турбокомпрессоров неразрывно связана с автомобильной отраслью. В конце XIX века многие усилия многих ученых были сосредоточены на повышении эффективности двигателей внутреннего сгорания. Так, в 1885-96гг. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. Именно это и послужило поводом для создания турбокомпрессора.

На практике же успехов добился швейцарец Альфред Бюхи, который в 1905 году впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности на 40%. Тогда же, в1905г., на изобретение был выдан патент. А в 1920-х стали появляться дизельные локомотивы и суда с турбокомпрессорами.

По сути своей, турбокомпрессор представлял собой высоконапорный вентилятор. Подача газа осуществлялась вдоль оси, рабочее колесо представляло собой основание со специальной формы лопатками, вращение которых разгоняло воздух и выбрасывало его под действием центробежных сил на периферию, в коллектор (улитку), где гасилась кинетическая энергия газа, превращаясь в потенциальную, т.е. давление газа повышалось.

На обоих концах вала турбокомпрессора было по одному рабочему колесу. На одно из них поступали выхлопные газы, раскручивая его и передавая через вал вращение на второе колесо, на котором сжимался воздух.

Принцип работы турбокомпрессора

Со временем принцип работы турбокомпрессоров не изменился. Однако само устройство компрессора претерпело массу усовершенствований. Причиной тому стало расширение сферы их применения.

Так, в 1930-х годах турбокомпрессоры проникли в холодильную технику, где использовались в качестве расширителей (детандеров) для охлаждения газов до низких температур: сжатый газ при нормальной температуре подавался на периферию рабочего колеса, раскручивал его, расширялся и охлаждался. При этом потенциальная энергия газа превращалась в кинетическую энергию вала, на который устанавливался генератор, вырабатывающий электричество.

Подобные агрегаты повсеместно применяются в установках для разделения воздуха и др.

Очевидно, что чем большим давлением обладал исходный газ, тем более низких температур можно было достигнуть. Однако, тем быстрее вращался и вал детандера, что потребовало изучения новых типов подшипников – газовых лепестковых. Частота вращения вала достигала десятков тысяч оборотов в минуту, что недопустимо для традиционных шариковых подшипников. В свою очередь газовые подшипники успешно справились с поставленной задачей. Они представляли собой цилиндр, внутренняя поверхность которого была собрана из наложенных друг на друга лепестков, каждый из которых образовывал с валом воздушный клин. При вращении вала этот клин противодействовал сближению вала с лепестками. Так достигалась воздушная подвеска вала: он вращался с огромной скоростью внутри подшипника, не касаясь ни одной из его поверхностей.

Ещё более современными являются магнитные подшипники, в которых удержание вала строго посредине подшипника осуществляется за счет магнитного поля. Более подробно о них будет рассказано далее.

Турбокомпрессор в холодильной технике

Долгое время использование турбоагрегатов в холодильной технике ограничивалось низкотемпературными установками. Лишь в начале XXI века произошла их адаптация под требования и рабочие режим систем кондиционирования. Главным образом это заслуга компании Danfoss, запустившей в Канаде завод по изготовлению турбокомпрессоров под маркой Turbocor.

Итак, компрессора Turbocor (см. рис. 1) представляют собой высокоэффективные центробежные компрессора, вал которых раскручивается электродвигателем, оснащенным возможностью плавного регулирования скорости (инвертор).

Сжатие газа осуществляется в две ступени. Входящий фреон характеризуется низкой температурой и давлением, поступает на вход в первое рабочее колесо, где сжимается до промежуточного давления. Далее он проходит через специальный аппарат ко входу во второе рабочее колесо, где сжимается и выбрасывается в спиральную улитку. В улитке некоторая часть кинетической энергии превращается в дополнительную потенциальную энергию. На выходе фреон имеет конечное давление и поступает в конденсатор.

Рис. 1. Состав турбокомпрессора (изображение взято из технической документации Turbocor)

IGV-клапан

На входе в турбокомпрессор установлен IGV-клапан (Inlet Guide Vane, входной направляющий лепестковый клапан). Он представляет собой угловые раздвижные лепестки, управление которыми осуществляется микроконтроллером компрессора. IGV-клапан направляет хладагент на первую ступень сжатия, придавая ему предварительное вращение в том же направлении, в котором крутится рабочее колесо.

Регулирование проходного сечения обеспечивается изменением угла лепестков (от 0 до 110°). При максимальном сечении угол составляет 110° и поток хладагента направлен по касательной к лопаткам рабочего колеса.

Регулирование холодопроизводительности компрессора основано на изменении скорости вращения вала и установкой IGV-клапана в соответствующую позицию. Изменение положения IGV-клапана сопровождается изменением вектора скорости потока хладагента, а, следовательно, и угла, под которым хладагент попадает на рабочее колесо. Чем больше этот угол (чем потом «перпендикулярнее» к рабочему колесу), тем ниже холодопроизводительность.

Для визуального контроля положения клапана IGV на компрессоре со стороны входа хладагента предусмотрено смотровое стекло в форме дуги, разделенное метками. За стеклом находится шарик, поднимающийся в крайнее верхнее положение при закрытом клапане и постепенно опускающийся в процессе его открытия. Полностью открытому клапану IGV соответствует крайнее нижнее положение шарика (см. рис. 2)

Рис. 2. Индикация положения клапана IGV через смотровое стекло (фото автора)

Магнитные подшипники

Особого внимания заслуживает магнитная подвеска вала компрессора (см. рис. 3, 4).

Во время вращения вал двигателя с насаженными на него рабочими колесами приподнимается в магнитном тороидальном поле, которое создается магнитными подшипниками. В компрессоре используется два радиальных и один осевой подшипники. Датчики контролируют положение вала относительно подвески и передают данные системе управления. В случае каких-либо отклонений от центрального положения генерируется регулирующее воздействие, соответствующим образом корректирующее магнитное поле.

Рис. 3. Магнитная подвеска вала турбокомпрессора (изображение взято из технической документации Turbocor)

Рис. 4. Модель вала (изображение взято из технической документации Turbocor)

Одним из ноу-хау компрессоров Turbocor является вал с переменной намагниченностью. Так, если концы вала не намагничены, то ближе к середине (в местах установки подшипников) вал сильно намагничен. Далее снова идут не намагниченные участки, а середина вала также сильно намагничена. Сила магнита способна удержать многие предметы (см. рис. 5) и едва позволяет вручную оторвать их от вала.

Рис. 5. За счет намагниченности на валу легко удерживается разводной ключ и это далеко не предел магнитных сил.

Скорость вращения вала варьируется от 15000 до 40000 об/мин. Интересно отметить, что скорость на периферии рабочего колеса при этом превышает 300м/с, т.е. более 1000км/ч.

Подобная конструкция вала является уникальной и производится только на заводе Turbocor.

Запуск компрессора

Детального описания требует момент запуска компрессора. Дело в том, что раскручивать лежащий под действием силы тяжести на магнитных подшипниках вал нельзя. Поэтому, в компрессоре предусмотрен специальный отсек конденсаторов. В начальный момент времени они разряжены.

При появлении электроэнергии конденсаторы заряжаются и накапливают энергию, за счет которой образуется первоначальное магнитное поле, приподнимающее вал. И только подвешенный в магнитном поле вал начинает медленно раскручиваться инверторным двигателем.

Второй особенностью стартового режима является мягкий пуск. Благодаря тем же конденсаторам, выпрямитель включается позже и стартовый ток составляет всего 2А. Это позволяет защитить электрические и электромагнитные компоненты компрессора, а также избежать негативного влияния на внешнюю сеть, оказываемого высокими пусковыми токами. Схематично разница режимов с мягким пуском и без него показана на рис. 6.

Рис. 6. Пусковой ток при без мягкого пуска заметно выше, чем с мягким пуском

Энергоэффективность

Применение турбокомпрессоров в холодильной технике характеризуется заметным повышением энергоэффективности холодильного цикла. Во-первых, сам по себе процесс сжатия в турбокомпрессоре проходит с более высоким КПД. Кроме того, в магнитных подшипниках нет трущихся частей, как в шариковых (где их целых две – между шариками и внутренним и внешним кольцами подшипника). Габариты и масса компрессора, а следовательно, габариты и масса вращающихся элементов также ниже, что также приводит к снижению потребляемой мощности.

В конечном итоге, согласно реальным данным, полученным в процессе эксплуатации строительного комплекса в Голливуде (штат Калифорния, США), энергосбережение системы кондиционирования с турбокомпрессорами систавило 24-28%. В результате здание получило наивысшую оценку LEED

Энергоэффективность турбокомпрессоров ещё боле очевидна при неполной нагрузке на систему кондиционирования (а она, как правило, практически всегда работает на неполной нагрузке). На рисунке 7 представлен сравнительный анализ холоидльных коэффициентов обычного спирального компрессора и турбокомпрессора, оснащенного инверторным приводом. Так, при 50%-й загрузке холодильный коэффициент турбокомпрессора выше на 75% (см. рис.7).

Рис. 7. Сравнение холодильного коэффициента для спирального и турбокомпрессоров в зависимости от тепловой нагрузки (изображение взято из технической документации Turbocor).

Охлаждение двигателя

Охлаждение двигателя осуществляется за счет хладагента. На рисунке 8 представлена соответствующая схема. Фреон поступает в компрессор и охлаждает как электронные, так и механические компоненты с целью обеспечить более высокую эффективность работы компрессора и его безопасную работу.

На выходе из конденсатора забирается часть хладагента, которая через два параллельных соленоидных вентиля, после каждого из которых последовательно установлено сопло, поступает в охлаждающие каналы компрессора. Проходящий через сопло хладагент расширяется и охлаждается (подобно тому, как это происходит в термо-регулирующем вентиле). Далее, следуя через электродвигатель, преобразователь напряжения (выпрямитель), инвертор и т.д., фреон нагревается и испаряется. Полученный газ направляется в секцию всасывания компрессора (см. рис. 8)

Рис. 8. Схема охлаждения компрессора частью потока хладагента (изображение взято из технической документации Turbocor).

Соленоидные вентили на входе охлаждающего контура регулируют расход хладагента, отбираемого для охлаждения компрессора.

Контроль за параметрами

Наконец, компрессоры Turbocor поддерживают возможность контролирования их работы посредством интерфейса RS-485. Выпускаемое производителями программное обеспечение в режиме он-лайн отображает частоту вращения вала, температуры и давления хладагента на входе и выходе из компрессора, степень открытия IGV-клапана, потребляемую мощность, уровень загрузки и другие показатели, а также в режиме реального времени рисует динамические графики изменения этих переменных (правая часть окна). В левой части окна все измеренные показатели визуально привязаны к соответствующим местам турбокомпрессора, что облегчает восприятие и понимание информации.

Рис. 9. Все параметры работы турбокомпрессора отображаются на ноутбуке в специально разработанном программном обеспечении.

Уровень шума

Для турбокомпрессоров характерно несколько другое распределение уровней звукового давления и мощности по октавным полосам частот. Даже на слух ощущается, что шум от турбокомпрессоров более высокочастотный. Это же подтверждается и измерениями (см. табл.1)

Таблица 1. Сравнение шумовых характеристик типовых холодильных машин на базе винтового и турбокомпрессора.

Как видно из таблицы, у традиционных чиллеров уровень звукового давления нарастает быстрее с ростом октавы и достигает максимума при 500Гц, а далее постепенно снижается.

В то же время для чиллеров с турбокомпрессорами характерно более медленное нарастание звукового давления, а пик приходится на частоту 2000Гц, причем при 8000Гц звуковое давление остается на заметно более высоком уровне (60 против 46 дБ(А)). Таким образом, шум турбокомпрессоров более ощутим на высоких частотах. Здесь же следует отметить, что высокочастотный шум проще погасить звукоизоляцией, чем низкочастотный гул. Поэтому, для турбокомпрессоров характерна возможность дальнейшего снижения шума посредством проведения соответствующих работ.

Масса и габариты

Благодаря высокой скорости вращения вала (15000-40000об/мин) турбокомпрессорам удается сочетать высокую производительность при минимальных массо-габаритных показателях. Как следует из таблицы 2, габариты турбокомпрессора холодопроизводительностью 200кВт сравнимы со спиральным компрессором, холодильная мощность которого всего 70кВт.

Таблица2 . Сравнительные массо-габаритные характеристики компрессоров различного типа.

Более того, условный коэффициент, показывающий величину холодильной мощности, приходящейся на единицу объёма, занимаемого компрессором, у турбокомпрессоров в 1.5-2.6 раза выше, чем у любого другого типа компрессоров. А при той же массе холодильная мощность турбокомпрессора в 4-5 раз превышает холодопроизводительность других компрессоров.

Преимущества Turbocor

Турбокомпрессорами в настоящее время оснащаются холодильные машины с холодопроизводительностью не менее 300кВт. К преимуществам Turbocor по сравнению с используемыми в этом диапазоне мощностей винтовыми компрессорами относится:

• Компактность: габариты турбокомпрессора в 2-3 раза меньше винтовых компрессоров аналогичной мощности. В свою очередь габариты чиллера (площадь основания) также снижается на 20-40% (для чиллеров с водяным охлаждением конденсатора).
• Масса турбокомпрессора также ниже массы компрерссора той же мощности любого другого типа.

• Энергоэффективность: энергопотребление снижено в среднем на 7%, а холодильный коэффициент, учитывающий только потребляемую мощность компрессора, превышает 5.1.
• Пониженный уровень шума. В то время, как общий уровень звукового давления чиллеров составляет около 77-79дБ(А), а уровень звуковой мощности – 95-97дБ(А), у чиллеров с турбокомпрессорами данные показатели составляют соответственно 67-73дБ(А) и 85-92дБ(А).
• К достоинствам Turbocor следует отнести и отсутствие опасности от попадания жидкого хладагента в полость сжатия.
• Отсутствие масла. Компрессоры Turbocor не требуют использования масла, что означает упрощение заправочных работ, повышение эффективности работы теплообменников (во-первых, масло ухудшало процессы кипения и конденсации, во-вторых, оно создавало тонкую пленку, являясь дополнительной преградой на пути теплообмена). Более того, так как турбокомпрессорами можно заменить компрессора действующих холодильных машин, то в руководствах приводится порядок освобождения холодильного контура от имеющегося у нем масла.
• Компрессоры Turbocor оснащены собственной системой управления и регулирования, позволяющей получать задающие сигналы внешней автоматикой и передавать ей рабочие параметры