CC BY
13
УДК 621.514
Результаты испытаний маслозаполненного винтового компрессора малой производительности в высокотемпературных режимах
В.Н. ДОКУКИН, А.Л ЕМЕЛЬЯНОВ, А.Н. НОСКОВ
Сачкт - Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологии
The plots of main characteristics of oil-filled screw compressor VSK 31 61-15Y, intended for operation in a heat pump or air conditioning system in the range of evaporating temperatures -10...-4°C and condensing temperatures 49...63 °C are presented. The dependencies of real volumetric efficiency, performance, refrigerating and heat capacity from outside compression ratio of the compressor are obtained, confirming a possibility of effective use of compressor in the mentioned area.
Транспортные системы кондиционирования (СКВ), как правило, проектируются на базе автономных кондиционеров со встроенной парокомпрессионной холодильной машиной. Транспортные СКВ работают в режимах вентиляции, охлаждения, осушки и нагрева приточного воздуха. Холодильная машина транспортной СКВ работает в высокотемпературном режиме с температурой кипения в диапазоне — 20...+ 10°С и температурой конденсации до 65 "С. Эксплуатационные характеристики кондиционеров в значительной степени зависят от типа компрессора. В кондиционерах пассажирских вагонов наиболее распространены маслозаполненные двухроторные винтовые компрессоры серии VSK производства компании Bitzen Эти компрессоры не имеют аналогов в мире по своим мас-согабаритным показателям. Компрессоры герметичные, с горизонтальным цилиндрическим корпусом, низким уровнем вибрации и возможностью плавного инвертор-ного регулирования холодопроизводительности в диапазоне частот питающего напряжения 20...70 Гц.
Особенностями работы маслозаполненного винтового компрессора (ВКМ) в высокотемпературном режиме являются большая разность давлений нагнетания и всасывания и большая потребляемая мощность, что не всегда позволяет применить в качестве опор подшипники качения из-за больших величин реакций опор. Чем больше реакции опор ВКМ, тем больше эквивалентная динамическая нагрузка и меньше ресурс работы опорных подшипников качения. Кроме того, применение подшипников качения ограничено ресурсом его работы Lh (не более 60000 ч). Применение подшипников скольжения также имеет недостатки: повышаются балластные утечки, что снижает коэффициенты подачи X и эффективный коэффициент полезного действия г|е. Это осо-
бенно характерно для компрессоров малой производительности |4|.
В работе |2] были проведены расчеты реакций опор в маслозаполненном винтовом компрессоре с теоретической объемной производительностью VT = 0.06 м3/с в одноступенчатых циклах на R717, R407C, R22 и R134а. Режимы работы компрессора: температуры кипения t0 - 5, 10, 15 °С; температуры конденсации /к = 60, 70 °С.
Величины реакций опор винтового компрессора определялись по методу, приведенному в [3]. Расчеты показали, что у ВКМ, использующих в качестве хладагента R717, R407C и R22, реакции опор винтов имеют большие значения, что затрудняет применение подшипников качения. Самые низкие величины реакций опор у ВКМ, работающих на R134а, что позволяет применить подшипники качения на всех режимах.
В Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий проведены калориметрические испытания винтового компрессора VSK3I61 — I5Y в высокотемпературных режимах на хладагенте R134a.
Для проведения испытаний винтового компрессора был создан стенд, принципиальная схема и цикл работы которого приведены на рис. I.
Для изменения частоты вращения встроенного асинхронного электродвигателя компрессора применялся частотный преобразователь с законом регулирования u/f = = const (где и — напряжение и /— частота тока питания).
Пар хладагента всасывается через электродвигатель (процесс / — У), сжимается в ВКМ (процесс 1 — 2), конденсируется в воздушном конденсаторе (процесс 2— 3), дросселируется в регулирующем вентиле (процесс 3-4) и подается в испаритель (воздухоохладитель), где кипит
Рис. I. Цикл (а) и схема (б) экспериментального стенда с винтовым компрессором: КМ - маслозаполненный холодильный винтовой компрессор VSK3I6I — I5Y; КД — воздушный конденсатор; РВ — регулирующий вентиль; И -испаритель (воздухоохладитель); КФ — электрокалорифер
(процесс 4 — а), после чего цикл повторяется. Для измерения и регистрации внешних и внутренних параметров, а также для контроля за режимами работы компрессора стенд укомплектован необходимой контрольно-измери-тсльной аппаратурой.
Воздушный контур холодильной машины по испарителю был замкнут. Компенсацию явной нагрузки на испаритель холодильной машины обеспечивали нагреванием воздуха электрокалорифером, компенсацию скрытой нагрузки — водяным паром.
Холодопроизводительность холодильной машины с винтовым компрессором определяли калориметрическим методом по формуле G) = Рр
где X/V, — суммарная электрическая мощность, потребляемая элсктрокалорифером и кипятильником, компенсирующая охлаждающее и осушающее действие воздухоохладителя. Теплопроизводительность холодильной машины (теплового насоса) с винтовым компрессором определялась психрометрическим методом по формуле
Qh = G* (К2 ~ К\).
где <7Н - массовый расход воздуха через воздушный конденсатор;
и - энтальпии воздуха.
Основными задачами экспериментального исследования являлись:
V определение объемных и энергетических характеристик винтового компрессора при различных частотах вращения электродвигателя;
V оценка эффективности работы винтового компрессора У5К3161 — 15У в высокотемпературных режимах.
При исследовании ВКМ температура кипения хладагента изменялась в пределах /0 = —10...-4 °С (давление кипения р0= 0,2...0,25 МПа), а конденсации /к = 49...63 "С (давление конденсации рк = 1,28...1,79 МПа). Наружная степень повышения давления изменялась в пределах лн = 5,08...8,94, а частота вращения ведущего ротора п{ имела два значения: 50 с-1 и 60 с-1.
Расчет параметров состояния хладагента К134а производили по зависимостям, приведенным в [7|. Массовый расход хладагента <7а определяли по тепловому балансу испарителя и конденсатора.
Действительная объемная производительность компрессора по условиям всасывания
где V, — удельный объем пара на всасывании.
Коэффициент подачи компрессора
* = к/к,
где Ул — теоретическая объемная производительность компрессора.
Потребляемую электрическую мощность /V, вычисляли по формуле
где МА, Nв, измеренная мощность в каждой фазе.
Результаты испытаний обрабатывались по зависимостям, приведенным в работе |4|.
КПД электродвигателя Г|эд определяли по следующей зависимости:
Пхл = 1 - Оэл/^э.
где (?э д- теплота, подведенная в электродвигателе к всасываемому пару хладагента, (?эд= Са(/;г— /г,); И/г, — энтальпия пара хладагента на входе в полости винтов и во всасывающем патрубке компрессора.
Температура пара на входе в полости винтов замерялась термопарой.
Величины холодопроизводительности (?0, теплопроиз-водительности мощности изоэнтропного сжатия эффективной мощности А/е и коэффициента подачи X определяли по зависимостям, приведенным в |3,4|. Величины безразмерных параметров определяли как:
эффективный КПД компрессора г|(, =
электрический КПД = N¡1
холодильный коэффициент £е= 0()/№е\\ отопительный коэффициент =
Техническая характеристика компрессора VSK3161 - I5Y
Число заходов ведущего ротора 5
Наружный диаметр ведущего ротора, мм 78,9
Число заходов ведомого ротора 6
Наружный диаметр ведомого ротора, мм 59,2
Длина роторов, мм 112
Зазор на торце нагнетания, мм 0,02 Среднеквадратичная величина профильных зазоров, мм 0,02...0.03
Геометрическая степень сжатия 3 Теоретическая объемная производительность компрессора, м3/с:
при частоте переменного тока 50 Гц 0,0128
при частоте переменного тока 60 Гц 0,0156 Профиль роторов — компании «Вкгег».
На рис. 2 представлены зависимости коэффициента подачи X, электрического КПД т|э, эффективного КПД г^ компрессора, а также Qt), Qh, и е(,от наружной степени сжатия лн = pj ра.
Из рис. 2 видно, что характеристики винтового масло-заполненного компрессора VSK3I6I - 15Yb высокотемпературных режимах на хладагенте R134a имеют высокие значения, соизмеримые с аналогичными характеристиками винтовых маслозаполненных компрессоров более высокой производительности |7| и поршневых компрессоров близкой производительности 111. Таким образом, мас-лозаполненный винтовой компрессор малой производительности VSK3I6I — 15Y может эффективно применяться в составе кондиционера и теплового насоса.
Список литературы
1. Малахова М.Л., Кашина H.A. Разработка и исследование новых холодильных бессальниковых компрессоров холодопро-изводительностью 5,8 — 35 кВт // Исследование, расчет и конструирование холодильных и компрессорных машин: Сб. науч. тр. 131 ЖИхолодмаша под ред. A.B. Быкова.-М., 1980.
2. Носков А. Я.. Докукин ВН. Особенности применения различных рабочих веществ в тепловых насосах с винтовым компрессором // Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: Сб. науч. тр. Ill МНТК-СПб., 2007.
3. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин/ Под. ред. И.А. Сакуна. — J1.: Машиностроение,1987.
4. Холодильные машины /Под. ред. J1.С. Тимофеевского. — СПб.: Политехника, 2006.
5. Холодильные компрессоры / A.B. Быков, Э.М. Бежанишви-ли, И М. Калнинь и др. / Под ред. A.B. Быкова. - М.: Колос, 1992.
6. Языков В Н. Теоретические основы проектирования судовых систем кондиционирования воздуха. — Л.: Судостроение, 1967.
7. Tillner-Roth К. Baehr, H.D. An international standard formulation for the thermodynamic properties of 1,1.1,2-tetrafluoroethane (H FC-134a) for temperatures from 170 К to 455 К and pressures up to 70 MPa. J. Phys. Chem. Ref. Data, 1994; 23.
