Menu

Sprężarki w pompach ciepła

    Podział i zastosowanie sprężarek w pompach ciepła.

Sprężarki mają za zadanie podniesienie ciśnienia krążącego czynnika do poziomu, przy którym następuje jego skroplenie z wydzieleniem dużych ilości ciepła (proces egzotermiczny). W  pompach ciepła stosowane są głównie sprężarki wyporowe które można dalej dzielić na:

- sprężarki tłokowe - proces sprężania zachodzi w cylindrze, w którym porusza się tłok ruchem posuwisto-zwrotnym,
- sprężarki rotacyjne - proces sprężania jest realizowany za pomocą elementów wirujących, przez które gaz przepływa w sposób ciągły.  

Sprężarki w których ciśnienie końcowe czynnika tłoczonego jest osiągane w jednym procesie sprężania noszą nazwę sprężarek jednostopniowych. Natomiast sprężarki, w których ciśnienie końcowe jest osiągane w kilku kolejnych procesach sprężania pomiędzy którymi następuje ochładzanie czynnika – to sprężarki wielostopniowe.

Poniżej zostaną omówione niemal wszystkie typowe konstrukcje sprężarek. Nie wszystkie znajdują zastosowanie w pompach ciepła, ale  znajomość ich budowy i zasady działania pozwala na pełniejsze zrozumienie idei sprężania.

 

Sprężarki tłokowe posiadają zwykle silnik spalinowy benzynowy lub na olej opałowy, mają  więc napęd niezależny od sieci energetycznej. Ich wadą jest wyższy hałas. Sprężarki tłokowe są dzielone na:
- jednostopniowe i wielostopniowe - w zależności od liczby stopni sprężania,
- jednostronnego lub dwustronnego działania - w zależności od tego, czy tłok spręża gaz po jednej czy po dwóch stronach,
- chłodzone powietrzem lub wodą.

Podstawą klasyfikacji mogą być też:

- liczba i układ tłoków np. jednotłokowe, wielotłokowe, z tłokami pionowymi, widlastymi, itp.

- konstrukcja kadłuba sprężarki - np. dławnicowa, bezdławnicowa, 

Cylindry sprężarek chłodzonych powietrzem są użebrowane, a na wale korbowym umieszcza
się wentylator powodujący wymuszony przepływ powietrza tak, aby omywało użebrowanie, chłodząc tym samym cylindry. Cylindry sprężarek chłodzonych wodą są otoczone płaszczem wodnym i muszą pracować w temperaturach dodatnich.
 

Rys. Sprężarka tłokowa: 1-koło pasowe, 2- użebrowany cylinder, 3-głowica, 4-filtr powietrza, 5-tłok, 6-wał korbowy, 7-korbowód, 8-zawór ssawny, 9-zawór tłoczny (wylotowy)
 

  Sprężarki rotacyjne posiadają elementy robocze wirujące i w zależności od ich budowy dzielą się dalej na:

- łopatkowe

- sprężarki śrubowe

- z wirującymi tłokami krzywkowymi (sprężarki Rootsa)

- spiralne typu scrool

- rotacyjne z wirującym tłokiem

Sprężarki łopatkowe posiadają wirnik wyposażony w szereg łopatek które mogą swobodnie przesuwać się w rowkach wirnika dzieląc przestrzeń gazową cylindra na komory w których sprężany jest gaz

Rys. Sprężarka łopatkowa. Ozn: 1-cylinder, 2- wirnik mimośrodowy, 3-ruchome łopatki, 4-obudowa

 

Wydajność rzeczywista takiej sprężarki można obliczyć według wzoru:

 

 

 

 

 

gdzie:

e- mimośrodowość [m]

l - długość cylindra [m]

n- prędkość obrotowa wirnika [obr./min]

D - średnica cylindra [m]

g - grubość łopatki [m]

z - liczba łopatek

λ - współczynnik wydajności (0,7-0,97)

 

Sprężarki śrubowe

Sprężarki rotacyjne śrubowe są to sprężarki wyporowe o obrotowym ruchu tłoka, w których elementem roboczym, spełniającym rolę tłoka, są zwoje dwóch wirników śrubowych, a rolę przestrzeni roboczych spełniają międzyzwojowe komory tych wirników. Proces sprężania polega na zmniejszeniu objętości komór przez śrubowe zwoje wirników, obracających się w przeciwnych kierunkach. Rotacja wirnika wspomagającego jest powodowana bezpośrednio przez śrubę napędzaną silnikiem głównym, a chłodzeniei smarowanie jest wykonywane poprzez wtrysk oleju po stronie ssącej. Rotacja śrub może być również synchronizowana poprzez zespół przekładni zębatych, w tym przypadku wtrysku oleju nie
stosuje się. Sprężanie ma miejsce w przestrzeni zmiennej w trakcie rotacji, zawartej pomiędzy zarysem spiralnym nawiniętym śrubowo dookoła dwóch wirników o równoległych osiach: grubym wewnętrznym
(męskim), posiadającym cztery zwoje gwintowe w kształcie płatków lub liści. Zazębia się on, stykając się lub nie, z wirnikiem zewnętrznym (żeńskim) mającym sześć sprzężonych zwojów. Wirnik żeński obraca się z prędkością równą 2/3 prędkości wirnika męskiego. Istnieją również, występujące o wiele rzadziej sprężarki śrubowe, których wirniki posiadają odpowiednio 3 i 4 zęby.

 

Rys. Schemat sprężarki śrubowej (przekrój wzdłuż wału napędzającego)
1 – korpus, 2 – wlot, 3 – śruba, 4 – wylot, 5 – wał napędowy

 

 

Obydwa wirniki mogą być napędzane bez styku pomiędzy nimi,
przez synchronizującą przekładnię zębatą, lub jeden z wirników
może napędzać drugi, poprzez styk. W tym drugim przypadku, to
właśnie męski wirnik napędza wirnik żeński, ale istnieją także sprężarki
śrubowe, gdzie wałek silnika jest wałkiem wirnika żeńskiego.

Sprężarki śrubowe znajdują zastosowanie w przemysłowych pompach ciepła o dużej mocy.

Rys. Sprężarka typu Roots'a. 1- kadłub, 2- wirniki krzywkowe, 3- wylot, 4-wlot

 

 

Sprężarki typu Roots'a - posiadają dwa wirniki z dwoma lub trzema "zębami" obracające się w przeciwnych kierunkach. Kształty są tak dobrane, że wirniki pozostają w stałym kontakcie z cylindrem sprężarki. W czasie obrotu następuje sprężenie gazu znajdującego się w przestrzeni między wirnikiem a kadłubem. Sprężarki Roots'a to tak naprawdę dmuchawy, bowiem spręż w tych urządzeniach z reguły nie przekracza 1 bara. 

 

 

 

 

Rys. Zasada działania sprężarki Roots'a z wirnikiem trójzębnym

 

Sprężarki typu scrool - posiadają dwie spirale Archimedesa

 

 . Wskutek mimośrodowości jednej ze spiral powstają dwie przeciwległe sierpowate zamknięte przestrzenie, przemieszczające się od zewnętrz do wewnątrz i zmniejszające przy tym swoją objętość. Masy ruchome zostały w ten sposób zredukowane do minimum i wykonują jedynie ruch obrotowy. Taki układ i brak ruchów oscylacyjnych minimalizuje wibracje.
Dzięki wysokoprecyzyjnej obróbce można było zrezygnować z elementów uszczelniających na końcach spiral, a gazoszczelność przestrzeni roboczych zapewnia film olejowy. W porównaniu z konwencjonalnymi sprężarkami tłokowymi uzyskano redukcję poziomu ciśnienia akustycznego o ok. 6 dB(A), co odpowiada redukcji hałasu odczuwanego do jednej czwartej. Hałaśliwość odpowiada mniej więcej hałaśliwości chłodziarki domowej tej samej mocy. Sprężarki typu scroll to obecnie najpopularniejsze rozwiązanie w małych pompach ciepła. 

Rys. Para spiral scrool i zasada działania sprężarki spiralnej.

 

Zasada działania - z dwóch spiral sprężarki typu scrool jedna jest nieruchoma, a druga obraca się ruchem mimośrodowym przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Obrót spirali powoduje zassanie czynnika chłodniczego w postaci gazu i stopniowe jego sprężanie pomiędzy zamkniętymi przestrzeniami. Całość procesu sprężania trwa około 2,5 obrotu, po czym czynnik zostaje wytłoczony a na jego miejsce zostaje zassana następna porcja gazu. 

 

Sprężarki rotacyjne z wirującym tłokiem

Sprężarki rotacyjne mimośrodowe z tłokiem wirującym. Tłok (wirnik) obracający się odśrodkowo w stosunku do skrzyni korbowej cylindra, zapewnia kolejno: zasysanie, sprężanie i tłoczenie gazu.
Łopatka jest zainstalowana w szczelinie skrzyni korbowej. Przemienne przemieszczanie sterowane przez mimośrodowy wirnik i przez sprężynę cofającą zapewnia oddzielenie obszaru zasysania
od obszaru tłoczenia.

Rys. Zasada działania sprężarki rotacyjnej z wirującym tłokiem.

 

Sprężarki powyższe doczekały się modyfikacji w postaci podwójnego tłoka "sprężarka Twin Rotary" gdzie dzięki umieszczeniu drugiego mimośrodowego tłoka na jednym wale uzyskano spadek hałasu i drgań a także wzrost współczynnika COP.

 

 

 

Rys. Porównanie budowy sprężarki z pojedynczym i podwójnym tłokiem.

 

 

Sprężarki inwerterowe - pracują na prądzie stałym i stanowią obecnie najbardziej wydajne urządzenia na rynku pomp ciepła i klimatyzatorów. W sprężarkach tego typu występuje inwerter zamieniający prąd zmienny z sieci 230 V, AC na prąd stały 300V, DC. Rozwiązanie takie pozwala na regulację wydajności sprężarki (regulację prędkości obrotowej) poprzez zmianę częstotliwości prądu przemiennego w zakresie 20-120 herców.  W przeciwieństwie do sprężarek standardowych, rozpoczynających pracę od razu na pełnych obrotach, sprężarki inwerterowe mają tzw. "miękki start"  stopniowo zwiększając obroty silnika. Pobierają tym samym mniejszy prąd rozruchowy, są bardziej energooszczędne i cichsze. Ich wadą jest wysoka cena. Poniższy wykres ilustruje zasadnicze różnice w pracy sprężarki standardowej i typu inwerterowego.

   

 

7.1.4 Symbole projektowe sprężarek

 

Oznaczenia projektowe sprężarek podaję na podstawie norm niemieckich i strony www.drucklufttechnik.de 

Zakres stosowalności sprężarek

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});