Особенности работы винтового компрессора в высокотемпературных режимах на различных рабочих веществах

Выбор рабочих веществ (РВ) паровых холодильных машин в значительной степени зависит от тех их свойств, которые влияют на конструкционные и эксплуатационные характеристики компрессоров. В высокотемпературном режиме холодильная машина работает в составе теплового насоса (ТН). Тепловые насосы, осуществляя обратный термодинамический цикл, используют низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды и повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения.

В винтовых компрессорах применяются как подшипники качения, так и подшипники скольжения. Применение подшипников качения упрощает конструкцию компрессора, вследствие большей стабильности положения шеек валов роторов позволяет использовать винты с меньшими профильными зазорами и, следовательно повышает эффективность работы компрессора (коэффициент подачи λ повышается в среднем на 4%, а эффективный КПД ηе – на 3%). Использование подшипников качения ограничивается частотой вращения роторов и ресурсом работы. Подшипники качения нашли широкое применение в маслозаполненных винтовых компрессорах, в которых область оптимальных скоростей роторов лежит ниже предельно допустимых скоростей вращения подшипников. Применение подшипников качения в винтовых маслозаполненных компрессорах (ВКМ) ограничено ресурсом их работы (Lh=50000 ч). Чем больше реакции на опорах ВКМ, тем больше эквивалентная динамическая нагрузка и меньше ресурс работы опорных подшипников качения

Наиболее тяжелый режим работы компрессора – в составе теплового насоса.

Были проведены расчеты различных параметров работы паровой холодильной машины с маслозаполненным винтовым компрессором в одноступенчатых циклах на хладонах R717, R407C, R22 и R134a, имеющих молекулярные массы 17,03; 80,6; 86,47 и 102,03 кг/кмоль, соответственно.

Для расчетов был выбран винтовой маслозаполненный компрессор с винтами типоразмерного ряда СКБК с внешними диаметрами винтов D 1 = D 2 = 125 мм и относительной длиной винтов k l = 1,35. Теоретическая объемная производительность компрессора V т = 0,0592 м³/с. Режимы работы компрессора в составе теплового насоса: температуры кипения t o = 5, 10, 15 ^оС; температуры конденсации t к = 60, 70 ^оС.

Геометрическая степень сжатия компрессора ε г выбиралась таким образом, чтобы давление внутреннего сжатия p a было равно давлению нагнетания p н . Величины коэффициентов подачи λ и механических КПД η _мех определялись по зависимостям, приведенным в [1,2]. При расчете индикаторных КПД η _i учитывалась депрессия при выталкивании смеси рабочего вещества и масла через окно нагнетания, а величины показателей политроп процессов сжатия равнялись соответствующим показателям величин изоэнтроп.

Величины эффективной мощности N _e , теплопроизводительности Q _h и отопительного коэффициента µ рассчитывались по зависимостям, приведенным в [1,2,3]. Величины реакций на опорах винтового компрессора определялись по методу, приведенному в [1,2].

На рис. 1–7 приведены результаты расчетов.

На основании проведенных расчетов можно сделать следующие выводы по выбору рабочего вещества для теплового насоса с ВМК.

R717 имеет маленькую молекулярную массу и самое высокое давление конденсации. Компрессор на этом РВ обладает самой высокой металлоемкостью, большими утечками РВ, большей из всех рассмотренных рабочих веществ эффективной мощностью и теплопроизводительностью. В то же время он является наименее энергетически эффективным (низкий отопительный коэффициент). Одним из недостатков такого ВКМ являются высокие реакции на опоре ВЩ винта со стороны торца нагнетания Н1, что делает невозможным применение подшипников качения и снижает экономичность его использования.

R407C имеет средние, по сравнению с другими исследованными РВ, величины давлений конденсации и давлений кипения. ВКМ с таким РВ имеет средние мощностные и массогабаритные показатели. Но ТН с ВКМ на R407C обладает наибольшей энергетической эффективностью, т.к. его отопительный коэффициент максимален. Реакции Н1 на опоре ВЩ винта компрессора на R407C гораздо больше, чем у ВКМ на R717, поэтому на более легких режимах (при t o = 5^оС, t к = 60^оС) возможно применение подшипников качения.

R22 характеризуется самым низким внешним отношением давлений π н из-за высокого давления кипения и, следовательно, ВКМ на этом РВ обладает лучшими объемными и энергетическими показателями. Также он имеет относительно высокую эффективную мощность и теплопроизводительность. По энергетической эффективности ВКМ на R22 находится между ВКМ на R717 и ВКМ на R407C. Большие реакции Н1 не позволяют использовать подшипники качения.

У R134a самое низкое p к и p о . Поэтому у такого ВКМ низкая металлоемкость. Такой ВКМ имеет самую низкую мощность и теплопроизводительность (следовательно, наименьшие массогабаритные показатели). По энергетической эффективности он стоит рядом с КМ на R22. Однако, при всех его недостатках, работа ВКМ на данном агенте характеризуется самыми низкими реакциями Н1, что делает возможным применение подшипников качения на всех режимах с целью повышения экономичности работы компрессора.

Проведенные расчеты помогут сделать выбор рабочего вещества в зависимости от особенности применения винтового маслозаполненного компрессора в составе холодильной машины, работающей в режиме теплового насоса.

Pо, бар                                                                          Pк, бар

♦tк = 60 оС

■tк = 70 оС

μ рв , кг/кмоль

Зависимость давления конденсации P к от молекулярной массы рабочего вещества µ рв .

17,03

17,03

17 03

■ 86,47

■ 80,6

• 86,47

О 80,6

A 86,47

A 80,6

■ 102,03

• 102,03

A 102,03

0       20       40       60       80       100      120

μ рв , кг/кмоль

A tо = 5 оС

•tо = 10 оС

■tо = 15 оС

Зависимость давления кипения P о от молекулярной массы рабочего вещества µ рв .

• ♦ tк = 60 оС; tо = 5 оС

• ■ tк = 70 оС; tо = 5 оС

μ рв , кг/кмоль

Рисунок 3 - Зависимость внешнего отношения давлений π нот молекулярной массы µ рв .

tо, оС

R22

R134a

R717

R407C

Рисунок 4 - Зависимость эффективной мощности N еот температуры кипения t o и вида рабочего вещества при температуре конденсации t к = 60^оС.

tо, оС

R22

R134a

R717

R407C

Рисунок 5 – Зависимость теплопроизводительности Qh от температуры кипения to и вида рабочего вещества при температуре конденсации tк = 60оС.

Рисунок 6

- Зависимость отопительного коэффициента µ от температуры кипения t o

вещества при температуре конденсации t к = 60 ^оС.

R22

R134a

R717

R407C

и вида рабочего

R22

R134a

R717

R407C

Рисунок 7 - Зависимость реакции Н 1 на опоре ВЩ винта со стороны торца нагнетания от температуры кипения t o и вида рабочего вещества при температуре конденсации t к = 60^оС.