Sprężarka spiralna
Sprężarka spiralna (zwana także sprężarką spiralną , pompą spiralną i spiralną pompą próżniową ) to urządzenie do sprężania powietrza lub czynnika chłodniczego. Jest stosowany w klimatyzacyjnych , jako doładowanie samochodowe (gdzie jest znane jako doładowanie typu spiralnego ) oraz jako pompa próżniowa . Wiele centralnych pomp ciepła i systemów klimatyzacji w budynkach mieszkalnych oraz kilka samochodowych systemów klimatyzacji wykorzystuje sprężarkę spiralną zamiast bardziej tradycyjnej rotacyjne , tłokowe i wibracyjne.
Sprężarka spiralna pracująca w odwrotnym kierunku jest ekspanderem spiralnym i może generować pracę mechaniczną .
Historia
Léon Creux po raz pierwszy opatentował sprężarkę spiralną w 1905 roku we Francji i USA (numer patentu 801182). Creux wynalazł sprężarkę jako obrotowego silnika parowego , ale technologia odlewania metali w tamtym okresie nie była wystarczająco zaawansowana, aby zbudować działający prototyp, ponieważ sprężarka spiralna wymaga bardzo wąskich tolerancji, aby skutecznie działać. W patencie z 1905 roku Creux definiuje współorbitujący lub wirujący odwracalny rozprężacz pary napędzany korbą o stałym promieniu na jednym wale. Jednak silnik ekspandera spiralnego nie był w stanie przezwyciężyć przeszkód związanych z obróbką skrawaniem, związanych z podatnością promieniową nieodłącznie związaną z osiąganiem wydajności w działaniu sprężarki spiralnej, które nie zostały odpowiednio rozwiązane aż do prac Nielsa Younga w 1975 r. Pierwsze praktyczne sprężarki spiralne pojawiły się na rynku dopiero po II wojna światowa , kiedy bardziej precyzyjne obrabiarki umożliwiły ich budowę. W 1981 roku firma Sanden rozpoczęła produkcję pierwszych dostępnych na rynku sprężarek spiralnych do klimatyzatorów samochodowych. Nie były one produkowane komercyjnie do klimatyzacji pomieszczeń aż do 1983 roku, kiedy firma Hitachi wprowadziła na rynek pierwszy na świecie klimatyzator z hermetyczną sprężarką spiralną.
Projekt
Sprężarka spiralna wykorzystuje dwie przeplatające się spirale do pompowania , sprężania lub zwiększania ciśnienia płynów , takich jak ciecze i gazy . Geometria łopatek może być ewolwentowa , spiralna Archimedesa lub krzywe hybrydowe.
Często jeden ze zwojów jest nieruchomy, podczas gdy drugi krąży mimośrodowo bez obracania się, w ten sposób zatrzymując i pompując lub ściskając kieszenie płynu między zwojami. Wał mimośrodowy może zapewnić ruch orbitalny, ale spirala musi być zabezpieczona przed obracaniem się, zwykle za pomocą sprzęgła typu Oldham , dodatkowych mimośrodowych wałków napinających lub połączenia mieszkowego (szczególnie w zastosowaniach o wysokiej czystości). Innym sposobem wytwarzania ruchu ściskającego jest współobracanie zwojów w ruchu synchronicznym, ale z przesuniętymi środkami obrotu. Ruch względny jest taki sam, jak w przypadku orbitowania.
Wyciekom ze szczelin osiowych zapobiega zastosowanie uszczelnień końcówek w kształcie spirali, umieszczonych w rowkach na końcach obu spiral. Te uszczelki końcówek pomagają również obniżyć tarcie i można je wymienić, gdy się zużyją. Niektóre sprężarki wykorzystują sprężony gaz wylotowy do dociskania obu spiral do siebie, eliminując potrzebę stosowania uszczelnień końcówek i poprawiając szczelność podczas użytkowania; mówi się, że te sprężarki zużywają się zamiast zużywać, ale inne części, takie jak pierścień Oldham, nadal mogą się zużywać.
Inną odmianą jest elastyczna (płaska) rurka, w której spirala Archimedesa działa jak pompa perystaltyczna , która działa na tej samej zasadzie, co tubka pasty do zębów. Mają obudowy wypełnione smarem , aby zapobiec ścieraniu zewnętrznej strony rurki pompy i pomóc w odprowadzaniu ciepła, i używają wzmocnionych rurek, często nazywanych „wężami”. Ta klasa pomp jest często nazywana „pomparką wężową”. [ potrzebne źródło ]
Inżynieryjne porównanie z innymi pompami
Urządzenia te są znane z tego, że w niektórych zastosowaniach działają płynniej, ciszej i niezawodniej niż konwencjonalne sprężarki.
Obroty i przepływ pulsacyjny
Proces sprężania zachodzi przez około 2 do 2½ obrotów wału korbowego, w porównaniu do jednego obrotu w przypadku sprężarek rotacyjnych i połowy obrotu w przypadku sprężarek tłokowych . Procesy wyładowania i zasysania spirali zachodzą przy pełnym obrocie, w porównaniu z mniej niż połową obrotu w przypadku procesu zasysania posuwisto-zwrotnego i mniej niż ćwierć obrotu w procesie wyładowania posuwisto-zwrotnego. Sprężarki tłokowe mają wiele cylindrów (zwykle od dwóch do sześciu), podczas gdy sprężarki spiralne mają tylko jeden element sprężający. Obecność wielu cylindrów w sprężarkach tłokowych zmniejsza pulsacje ssania i tłoczenia. Dlatego trudno jest stwierdzić, czy sprężarki spiralne mają niższe poziomy pulsacji niż sprężarki tłokowe, jak często twierdzili niektórzy dostawcy sprężarek spiralnych. Bardziej równomierny przepływ skutkuje mniejszymi pulsacjami gazu, niższym hałasem i niższymi wibracjami podłączonego orurowania, nie wpływając jednocześnie na efektywność pracy sprężarki.
Zawory
Sprężarki spiralne nigdy nie mają zaworu ssącego, ale w zależności od zastosowania mogą mieć lub nie mieć zaworu tłocznego. Zastosowanie dynamicznego zaworu upustowego jest bardziej widoczne w zastosowaniach o wysokim stosunku ciśnień, typowych dla chłodnictwa. Zazwyczaj spirala klimatyzacji nie ma dynamicznego zaworu upustowego. Zastosowanie dynamicznego zaworu upustowego poprawia wydajność sprężarki spiralnej w szerokim zakresie warunków pracy, gdy stosunek ciśnień roboczych jest znacznie wyższy od wbudowanego stosunku ciśnień sprężarek. Jeśli sprężarka jest zaprojektowana do pracy w pobliżu jednego punktu pracy, wówczas sprężarka spiralna może faktycznie zwiększyć wydajność wokół tego punktu, jeśli nie ma dynamicznego zaworu upustowego (ponieważ występują dodatkowe straty przepływu na wylocie związane z obecnością zaworu upustowego, jak również ponieważ otwory wyładowcze są zwykle mniejsze, gdy występuje wyładowanie).
Efektywność
izentropowy _ sprawność sprężarek spiralnych jest nieco wyższa niż typowej sprężarki tłokowej, gdy sprężarka jest zaprojektowana do pracy w pobliżu jednego wybranego punktu znamionowego. Sprężarki spiralne są w tym przypadku bardziej wydajne, ponieważ nie mają dynamicznego zaworu upustowego, który wprowadza dodatkowe straty dławienia. Jednak wydajność sprężarki spiralnej, która nie ma zaworu upustowego, zaczyna spadać w porównaniu ze sprężarką tłokową przy pracy z wyższym stosunkiem ciśnień. Jest to wynikiem strat podciśnienia, które występują przy pracy z wysokim współczynnikiem ciśnień sprężarek wyporowych, które nie mają dynamicznego zaworu upustowego.
Proces kompresji spiralnej jest prawie w 100% wydajny objętościowo w pompowaniu uwięzionego płynu. Proces zasysania tworzy własną objętość, oddzieloną od procesów sprężania i rozładowania w głębi. Dla porównania, sprężarki tłokowe pozostawiają niewielką ilość sprężonego gazu w cylindrze, ponieważ kontakt tłoka z głowicą lub płytką zaworu jest niepraktyczny. Ten pozostały gaz z ostatniego cyklu zajmuje wtedy miejsce przeznaczone na gaz zasysany. Zmniejszenie wydajności (tj. sprawności objętościowej) zależy od ciśnień ssania i tłoczenia, przy czym większe redukcje występują przy wyższych stosunkach ciśnień tłoczenia do ciśnień ssania.
Rozmiar
Sprężarki spiralne są zwykle bardzo kompaktowe i płynnie pracują, dlatego nie wymagają zawieszenia sprężynowego. Dzięki temu mogą mieć bardzo małe obudowy, co zmniejsza całkowity koszt, ale także skutkuje mniejszą wolną przestrzenią.
Niezawodność
Sprężarki spiralne mają mniej ruchomych części niż sprężarki tłokowe, co teoretycznie powinno poprawić niezawodność. Według Emerson Climate Technologies, producenta sprężarek spiralnych Copeland, sprężarki spiralne mają o 70 procent mniej ruchomych części niż konwencjonalne sprężarki tłokowe.
Przynajmniej jeden producent stwierdził podczas testów, że konstrukcja sprężarki spiralnej zapewnia lepszą niezawodność i wydajność działania niż sprężarki tłokowe .
Ekspander przewijania
Ekspander spiralny jest urządzeniem generującym pracę, stosowanym głównie w niskociśnieniowych instalacjach odzysku ciepła. Zasadniczo jest to sprężarka spiralna pracująca w odwrotnej kolejności; płyn roboczy lub gaz o wysokiej entalpii wpływa do strony tłocznej sprężarki i obraca mimośrodową spiralę przed wypływem z wlotu sprężarki. Podstawową modyfikacją wymaganą do przekształcenia sprężarki spiralnej w rozprężarkę spiralną jest usunięcie zaworu zwrotnego z wylotu sprężarki.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Copeland Compressors 111 , film pokazujący działanie sprężarki spiralnej