Турбокомпрессоры для систем кондиционирования

Рис. 1. Устройство турбокомпрессора

Энергоэффективные турбокомпрессоры, за счет высокой скорости вращения вала (от 15000 до 40000 оборотов в минуту) способные обеспечивать высокую производительность при небольших габаритах и малой массе, стали новым словом в компрессионном оборудовании для холодильной техники.

История турбокомпрессоров

Появление турбокомпрессоров связано с развитием автомобильной отрасли. В конце XIX века многие инженеры работали над повышением эффективности двигателей внутреннего сгорания. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель пытались увеличить вырабатываемую двигателем мощность и снизить потребление топлива, сжимая нагнетаемый в камеру сгорания воздух. Дальнейшие исследования в этом направлении привели к созданию турбокомпрессора.

В 1905 году швейцарец Альфред Бюхи впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, что позволило увеличить мощность на 40%. В том же году на изобретение был выдан патент, и через полтора десятка лет стали появляться дизельные локомотивы и суда с турбокомпрессорами.

Рис. 2. Индикация положения IGV – клапана через смотровое стекло

По сути своей турбокомпрессор — это высоконапорный вентилятор. В случае с двигателями внутреннего сгорания подача газа осуществлялась вдоль вала, на обоих концах которого было по рабочему колесу. Одно из них раскручивалось поступавшими выхлопными газами, его вращение передавалось второму, разгонявшему воздух и выбрасывавшему его в коллектор-улитку, где кинетическая энергия газа превращалась в потенциальную (повышалось давление газа).

Принцип работы турбокомпрессора

Со временем принцип работы турбокомпрессоров не изменился. Однако их конструкция претерпела массу усовершенствований. Причиной тому стало расширение сферы применения этих устройств.

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.

Очевидно, что чем выше давление подаваемого газа, тем более низких температур можно достичь. Но тем быстрее вращается и вал детандера. Частота его вращения достигает десятков тысяч оборотов в минуту, а это слишком высокая скорость для традиционных шариковых подшипников.

Рис. 3. Магнитная подвеска вала турбокомпрессора

Для решения проблемы был разработан новый тип подшипников — газовые лепестковые. Они представляют собой цилиндр, внутренняя поверхность которого собрана из наложенных друг на друга лепестков, каждый из которых образует с валом воздушный клин. При вращении этот клин противодействует сближению вала с лепестками, и вал с огромной скоростью вращается, не касаясь внутренней поверхности подшипника.

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

Особенности современных турбокомпрессоров для холодильной техники

Долгое время использование турбоагрегатов в холодильной технике ограничивалось низкотемпературными установками. Лишь в начале XXI века они были адаптированы к требованиям и рабочему режиму систем кондиционирования.

Рис. 4. Модель вала

Такие изделия представляют собой высокоэффективные центробежные компрессоры, вал которых раскручивается электродвигателем, оснащенным возможностью плавного регулирования скорости (инвертором) (рис. 1).

Сжатие газа осуществляется в две ступени. Входящий фреон, имеющий низкие температуру и давление, поступает на первое рабочее колесо, где сжимается до промежуточного давления. Далее он проходит через специальный аппарат ко второму рабочему колесу, 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.

IGV-клапан

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

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

Регулирование проходного сечения обеспечивается изменением угла лепестков. Его максимальное значение равно 110°, поток хладагента в этом случае направлен по касательной к лопаткам рабочего колеса.

Холодопроизводительность компрессора регулируется изменением скорости вращения вала и установкой IGV-клапана в соответствующую позицию. Чем больше угол, под которым хладагент попадает на рабочее колесо, тем ниже холодопроизводительность.

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

Магнитные подшипники

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

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

Одним из ноу-хау, примененных в компрессорах Turbocor компании Danfoss — ведущего производителя турбокомпрессоров для систем кондиционирования, — является вал, у которого сильно намагничены только места установки подшипников и середина (рис. 5), а разделяют эти зоны ненамагниченные участки.

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

Запуск компрессора

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

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

При подаче тока конденсаторы заряжаются и накапливают энергию, создающую первоначальное магнитное поле, которое приподнимает вал. И только после этого 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 2 А. Это позволяет защитить электрические и электромагнитные компоненты компрессора, а также избежать негативного влияния на внешнюю сеть. Схематично разница режимов с мягким пуском и без него показана на рис. 6.

Энергоэффективность

Рис. 7. Сравнение холодильного коэффициента для спирального компрессора и турбокомпрессора в зависимости от тепловой нагрузки

Применение турбокомпрессоров позволяет заметно повысить энергоэффективность холодильного цикла. Во-первых, сам по себе процесс сжатия в турбокомпрессоре проходит с более высоким КПД. Во-вторых, в магнитных подшипниках нет трения, а значит, на его преодоление не нужно тратить энергию. В-третьих, габариты и масса компрессора, а следовательно, и его вращающихся элементов невелики, что также приводит к снижению потребляемой мощности.

В конечном итоге, согласно данным, полученным в процессе эксплуатации строительного комплекса в Голливуде (штат Калифорния, США), использование системы кондиционирования с турбокомпрессорами дало возможность снизить энергозатраты на 24–28%. В результате здание получило наивысшую оценку LEED — авторитетнейшей системы сертификации «зеленых» зданий.

Энергоэффективность турбокомпрессоров еще более очевидна, когда система кондиционирования работает в режиме неполной нагрузки (а она практически всегда работает в этом режиме). На рис. 7 представлен сравнительный анализ холодильных коэффициентов обычного спирального компрессора и турбокомпрессора, оснащенного инверторным приводом. Так, при загрузке на 50% холодильный коэффициент турбокомпрессора выше на 75%.

Охлаждение двигателя

Рис. 8. Схема охлаждения компрессора частью потока хладагента

Охлаждение двигателя осуществляется за счет хладагента. На рис. 8 представлена соответствующая схема. Фреон поступает в компрессор и охлаждает как электронные, так и механические компоненты, обеспечивая более высокую эффективность и безопасность работы.

Хладагент забирается на выходе из конденсатора через два параллельных соленоидных вентиля и поступает в охлаждающие каналы компрессора. Хладагент, проходящий через установленное после вентиля сопло, расширяется и охлаждается подобно тому, как это происходит в ТРВ. Далее, следуя через электродвигатель, преобразователь напряжения, инвертор и другие компоненты, фреон нагревается, испаряется и направляется в секцию всасывания компрессора (рис. 8).

Контроль параметров

Современные турбокомпрессоры поддерживают возможность контроля их работы посредством интерфейса RS 485. Специальная программа в режиме онлайн отображает частоту вращения вала, температуру и давление хладагента на входе и выходе из компрессора, степень открытия IGV-клапана, потребляемую мощность, уровень загрузки и другие показатели. Данные могут быть представлены как в виде динамических графиков, так и в виде цифровой информации, визуально привязанной к соответствующим точкам на схеме турбокомпрессора.

Уровень шума

Для турбокомпрессоров характерно специфическое 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 (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 с ростом октавы нарастает быстрее, достигает максимума при 500 Гц и далее постепенно снижается.

У чиллеров с турбокомпрессорами звуковое давление растет медленнее, пик приходится на частоту 2000 Гц причем при 8000 Гц звуковое давление остается заметно более высоким (60 дБ (А) против 46).

Следует отметить, что высокочастотный шум проще погасить звукоизоляцией, чем низкочастотный, что обычно и делают при использовании турбокомпрессоров.

Масса и габариты

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

Благодаря высокой скорости вращения вала — 15000–40000 оборотов в минуту — турбокомпрессорам удается сочетать высокую производительность при минимальных массогабаритных показателях. Как следует из табл. 2, размеры и масса турбокомпрессора холодопроизводительностью 200 кВт сравнимы с параметрами спирального компрессора, холодильная мощность которого всего 70 кВт.

Более того, условный коэффициент, показывающий величину холодильной мощности, приходящейся на единицу объема, 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 турбокомпрессоров

Подведем итоги. Турбокомпрессорами в настоящее время оснащаются холодильные машины холодопроизводительностью не менее 300 кВт. По сравнению с используемыми в этом же диапазоне мощностей винтовыми компрессорами они обладают рядом преимуществ.

Это, во-первых, компактность. Габариты турбокомпрессора в 2–3 раза меньше, чем у винтовых компрессоров аналогичной мощности. Габариты использующего его чиллера (площадь основания) также снижаются на 20–40%. Масса турбокомпрессора ниже массы компрессора той же мощности любого другого типа.

Во-вторых, энергоэффективность. Энергопотребление турбокомпрессора ниже, чем у аналогов, в среднем на 7%, а холодильный коэффициент, учитывающий только потребляемую мощность компрессора, превышает 5,1.

Таблица 2. Сравнительные массогабаритные характеристики компрессоров различного типа

В-третьих, пониженный уровень шума. В то время как общий уровень звукового давления обычных чиллеров составляет около 77–79 дБ (А), а уровень звуковой мощности — 95–97 дБ (А), у чиллеров с турбокомпрессорами данные показатели равны соответственно 67–73 дБ (А) и 85–92 дБ (А).

В-четвертых, в современных турбокомпрессорах отсутствует опасность попадания жидкого хладагента в полость сжатия. В них также не используется масло, что упрощает заправку и повышает эффективность работы теплообменников.

Все перечисленное в сочетании с широчайшими возможностями для применения систем автоматики и удаленного контроля делает турбокомпрессор весьма перспективным решением для систем охлаждения и кондиционирования воздуха.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА». В качестве иллюстрации использованы рисунки из технической документации к компрессорам Turbocor и фотографии автора