Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Механизм спирального насоса; здесь две архимедовы спирали
Работа спирального компрессора


Спиральный компрессор (называемый также спиральные компрессора , Scroll насос и прокрутки вакуумный насос ) представляет собой устройство для сжатия воздуха или хладагента. [1] Он используется в оборудовании для кондиционирования воздуха, в автомобильном нагнетателе (где он известен как нагнетатель спирального типа ) и в качестве вакуумного насоса . Во многих домашних центральных тепловых насосах и системах кондиционирования воздуха, а также в некоторых автомобильных системах кондиционирования воздуха используется спиральный компрессор вместо более традиционных роторных , поршневых и пластинчатых компрессоров.

Спиральный компрессор, работающий в обратном направлении, представляет собой спиральный расширитель и может производить механическую работу .

История [ править ]

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 концепцию роторного парового двигателя , 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 смог преодолеть препятствия обработки радиальной податливости, присущие достижению эффективности в работе спирали, которые не были должным образом решены до работ Нильса Янга в 1975 году. [4]Первые практичные спиральные компрессоры появились на рынке только после Второй мировой войны , когда их построили высокоточные станки. В 1981 году Sanden 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 [ править ]

Спиральный компрессор использует две чередующиеся спирали для перекачивания , сжатия или повышения давления таких жидкостей , как жидкости и газы . Геометрия лопатки может быть эвольвентной , спиральной Архимедовой или гибридной. [8] [9] [10] [11] [12]

Часто одна из спиралей зафиксирована, в то время как другая вращается эксцентрично, не вращаясь, тем самым захватывая и накачивая или сжимая карманы жидкости между спиралями. Эксцентриковый вал может обеспечивать орбитальное движение, но необходимо предотвратить вращение спирали, как правило, с помощью муфты типа Oldham , дополнительных эксцентриковых промежуточных валов или сильфона (особенно для применений с высокой степенью чистоты). Другой способ создания движения сжатия - 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; говорят, что эти компрессоры изнашиваются, а не изнашиваются [14] [15] [16] [17], но другие детали, такие как кольцо Олдхема, могут изнашиваться.

Другой вариант - гибкая (плоская) трубка, в которой спираль архимеда действует как перистальтический насос , который работает по тому же принципу, что и тюбик зубной пасты. У них есть кожухи, заполненные смазкой для предотвращения истирания внешней части трубки насоса и для облегчения рассеивания тепла, а также в них используются усиленные трубки, часто называемые «шлангами». Насосы этого класса часто называют «шланговыми насосами». Поскольку движущиеся части, контактирующие с жидкостью, отсутствуют, перистальтические насосы недороги в производстве. Отсутствие в них клапанов, уплотнений и сальников делает их относительно недорогими в обслуживании, а шланг или трубка являются недорогим элементом обслуживания по сравнению с другими типами насосов. [ необходима цитата ]

Приложения [ править ]

  • Компрессор кондиционера
  • Вакуумный насос
  • Нагнетатели для автомобильных приложений, например , Volkswagen «S G-Lader

Техническое сравнение с другими насосами [ править ]

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, чтобы минимизировать вибрацию. (Орбитальная спираль не может быть полностью сбалансирована, если используется муфта Олдхема , также известная как кольцо Олдхема.) Газовые процессы спирали более непрерывны. Кроме того, отсутствие мертвого пространства увеличивает объемную эффективность.

Вращения и импульсный поток [ править ]

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 поршневых компрессоров.. 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 [ править ]

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 рассчитан на работу около одной рабочей точки,тогда спиральный компрессор может фактически повысить эффективность около этой точки, если отсутствует динамический нагнетательный клапан (поскольку есть дополнительные потери потока нагнетания, связанные с наличием нагнетательного клапана, а также выпускные отверстия, как правило, меньше, когда присутствует нагнетание) .[19] [20]

Эффективность [ править ]

Изэнтропическая эффективность спиральных компрессоров немного выше , чем у обычного компрессора возвратно - поступательного движения , когда компрессор предназначен для работы вблизи одной выбранной точки рейтинга. [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 и всасывания.

Надежность [ править ]

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 предприятий общественного питания, Stoelting , решил изменить конструкцию одного из своих автоматов для мороженого с поршневого на спиральный компрессор. В ходе испытаний они обнаружили, что конструкция спирального компрессора обеспечивает лучшую надежность и энергоэффективность в эксплуатации. [23]

Размер [ править ]

Спиральные компрессоры имеют тенденцию быть очень компактными и плавными и поэтому не требуют пружинной подвески. Это позволяет им иметь очень маленькие кожухи, что снижает общую стоимость, но также приводит к уменьшению свободного объема. [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.


Scroll Expander [ править ]

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 нагнетательного патрубка компрессора. [25]

См. Также [ править ]

  • Аккумулятор сжатого воздуха
  • Газовый компрессор
  • Насос
  • Вакуумный насос

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b 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 . Проверено 26 апреля 2019 .
  2. ^ США 801182 , Creux, Léon , "Rotary Engine" 
  3. ^ Буш, Джеймс У .; Бигл, Уэйн П. (1994). «Конструкция и эксплуатационные характеристики коорбитальных спиралей» . Электронные пабы Purdue . Дата обращения 3 июня 2019 .
  4. ^ US 3874827 , Янг, Нильс О., «Спиральный аппарат положительного смещения с осевым радиально податливым спиральным элементом» 
  5. ^ «История» . Sanden Corporation . Sanden International (Europe) Ltd . Дата обращения 9 мая 2019 .
  6. ^ "История (1981-2000): Hitachi Global" . www.hitachi.com .
  7. ^ Геркен, Дэвид Т .; Калхун, Джон Л. (март 2000 г.). «Обзор конструкции компонентов спирального компрессора из литого алюминия» . Всемирный конгресс SAE 2000 . SAE International . Проверено 21 февраля 2007 .
  8. ^ США 4216661 , Нобукац, Arai; Кусокабэ Хирокату, Сато Эйдзи и др. «Спиральный компрессор со средствами для смещения торцевой пластины и возврата охлажденного газа в герметичные компрессорные пространства» 
  9. ^ US 4522575 , Тишер, Дж. И Р. Аттер, «Спиральная машина, использующая давление нагнетания для осевого уплотнения» 
  10. ^ US 4767293 , Caillat, J .; R. Weatherston & J Bush, "Машина спирального типа с осевой установкой" 
  11. ^ US 4875838 , Ричардсон младший, Хуберт, «Спиральный компрессор с вращающимся спиральным элементом , смещенным давлением масла» 
  12. ^ US 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 наконечника в спиральном компрессоре . 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 HVAC" . При поддержке The People Resources Company. Июль 2010 . Проверено 21 июля 2010 .
  19. ↑ Джим Уиллер (ноябрь 1988 г.). «Компрессоры прокрутки: внутренняя история». Подрядный 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». Труды Международной 1988 Compressor технической конференции . 1 : 83–92.
  21. ^ Элсон, Джон П .; Кеммер, Норберт; Ван, Саймон; Перевозчиков, Михаил (14–17 июля 2008 г.). Технология прокрутки: обзор прошлого, настоящего и будущего . Международная конференция по компрессоростроению . Дата обращения 9 мая 2019 .
  22. ^ «Спиральные компрессоры: преимущества конструкции» . Emerson Climate Technologies . Проверено 11 января 2013 .
  23. ^ Рассел, Джилл (февраль 2006 г.). «Торговое общественное оборудование, постоянное охлаждение» . Журнал Appliance . Проверено 10 января 2007 .
  24. ^ Мраз, Стивен. «В поисках идей: Air Squared разработала самый маленький в мире спиральный компрессор непрерывного действия» . Машинный дизайн . Пентон Медиа, Инк . Проверено 25 мая 2019 .
  25. ^ Эмхардт, Саймон; Тиан, Гохун; Чу, Джон (август 2018). «Обзор геометрии расширителей спиралей и их характеристик» (PDF) . Прикладная теплотехника . 141 : 1020–1034. DOI : 10.1016 / j.applthermaleng.2018.06.045 . ISSN 1359-4311 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Copeland Compressors 111 , видео, показывающее, как работает спиральный компрессор