Новые компактные винтовые компрессоры "Битцер" серий CSH

 

 

 

 Новое головное предприятие компании Bitzer Kuhlmaschinenbau GmbH в Роттенбурге (Германия) по производству винтовых компрессоров было введено в эксплуатацию в конце 2003 г. Рассчитанный на выпуск более 25000 компрессоров в год, этот завод стал одним из наиболее крупных предприятий в мире, производящих винтовые компрессоры для использования в системах кондиционирования воздуха и холодильных установках. Предпосылками для строительства нового завода и переноса туда всех производственных мощностей со старого завода в Зиндельфингене явились значительный рост компании Bitzer на протяжении многих лет и, в особенности, успех винтовых компрессоров - ежегодное увеличение их выпуска составляло более 35%! Старое производство трещало по швам! Одновременно происходил значительный рост выпуска поршневых компрессоров, Их производство в Европе было полностью переведено на заводы в города Шкойдитц (Германия) и Кастело Бранко (Португалия).

Такое решение сделало возможным материально-техническое разделение двух производственных технологий, положительно сказавшееся на совокупной деятельности и затратах.

Помимо названных европейских предприятий, компрессоры Bitzer производятся по всему миру. Заводы в Бразилии и Китае выпускают такую номенклатуру компрессоров, которая соответствует потребностям местных рынков холодильного оборудования и оборудования для систем кондиционирования воздуха.

  Существенным толчком для общего бурного роста компании "Битцер" стало создание компактных винтовых компрессоров (со встроенным маслоотделителем), которые были разработаны для систем центрального кондиционирования, специальных технологических систем, а также тепловых насосов. Базой для первого поколения компактных винтовых компрессоров HSKC стали полугерметичные компрессоры серии HSK, применяемые главным образом в холодильных установках.

Затем компания Bitzer решила отказаться от компрессоров HSKC в пользу новой концепции компактных винтовых компрессоров, которая была более востребована на рынке. Основными требованиями заказчиков были возможность плавного регулирования холодопроизводительности компрессоров и меньшие габаритные размеры.

 Первоначально разработанная серия компактов CSH75 для работы на R22 во многих отношениях определила тенденцию их дальнейшего развития. Эта серия была представлена тремя компрессорами с двигателями мощностью 70, 80 и 90 л.с.. Она появилась на рынке осенью 1999 года и имела большой успех. В начале 2000 года была выпущена серия компрессоров CSH85 с двигателями мощностью 110, 125 и 140 л.с. Следующим шагом стало создание CSH65 (50 и 60 л.с.). В последствии на рынке появились базовые модели винтовых компактных компрессоров с двигателями еще меньшей мощности, предназначенных для работы на перспективном хладагенте R134a.

Номенклатуру конмпактных винтовых компрессоров предполагается завершить серией CSH95 с двигателями мощностью 240, 280 и 300л.с. Сегодня большая часть моделей этой серии компрессоров уже поступила в широкую продажу. В конце 2004 года на рынок выпускаются две последние и самые большие модели CSH9581-280Y и CSH9591-300Y объёмной производительностью 805 и 910 м³/час для работы на R22 и R404A. Последний компрессор демонстрировался компанией "Битцер" на Нюрнбергской выставке "IKK-2004" (рис. 1).

Рис. 1

Все четыре серии CSH являются независимыми разработками компании "Битцер". Компрессоры этих серий изготавливались только на заводах компании в Зиндельфингене а впоследствии - в Роттенбурге.

Базовая конструкция компактных полугерметичных винтовых компрессоров

Несмотря на то, что многие российские специалисты уже знакомы с базовой конструкцией компактного винтового компрессора CSH, нам бы все же хотелось представить здесь краткое описание его важнейших особенностей.

 

• Эти полугерметичные компрессоры имеют дополнительную гидравлическую систему регулирования холодопроизводительности.
• Без особых сложностей их можно использовать в однокомпрессорных установках (параллельная работа требует дополнительного строгого контроля уровня масла в маслоотделителе).
• При небольших отношениях давлений (например, в системах кондиционирования воздуха с водяными чилллерами), когда не требуется охлаждение масла, применение этих компрессоров особенно выгодно.

 

Полугерметичный винтовой компрессор представляет собой компактный модуль, встраивание которого в общую систему заключается в подсоединении труб и кабелей электропитания.

В отличии от компактных винтовымх компрессоров, обычные полугерметичные компрессоры применяются главным образом в многокомпрессорных централях, которые включают до шести компрессоров, имеющих один общий маслоотделитель, и, при необходимости - маслоохладители.

Компактные винтовые компрессоры предыдущей серии HSKC64/HSKC74 в основном состояли из тех же узлов, что и их прототипы – полугерметичные компрессоры HS64/HS74: это двигатель, корпус компрессора и роторы. Отличие серий HSKC заключалось в пристыкованном к нагнетательному фланцу горизонтальном маслоотделителе.

При разработке новых компрессоров серии CSH с целью их лучшего приспособления к требованиям рынка принцип заимствования серийных узлов был полностью отброшен. В результате удалось значительно уменьшить размеры выпускаемых сейчас компрессоров CSH по сравнению с предыдущими HSKC (рис. 2).

Рис. 2

При создании компактных винтовых компрессоров серии CSH были учтены следующие основные требования:

 

• Возможность выбора плавного или четырехступенчатого регулирования производительности;
• Расширение модельного ряда компрессоров в сторону большей холодопроизводительности;Меньшие габаритные размеры, чем у предыдущих моделей;
• Более низкие уровни шума и вибраций;
• Более высокий холодильный коэффициент (СОР) и общий кпд;
• Возможность работы на R407C, R134a, и R22 (в системах кондиционирования воздуха), а также на R404A и R507A (в холодильных системах) в следующем диапазоне температур:
  
  

  Хладагент	Температура кипения, oC	Температура конденсации, oC
  R407C и R22	-15 ... +12	20 ... 65
  R134a	-15 ... +20	20 ... 70
  R404A и R507A	-25 ... 0	20 ... 60

  
  
   
• Простота монтажа и эксплуатации;
• Соблюдение требований экологической безопасности при производстве, эксплуатации и утилизации;
• Возможность увеличения производительности компрессора путем использования экономайзера;
• Ограничение утечки хладагента до 5 г/год;
• Возможность присоединения наружного маслоохладителя для непрерывной работы при экстремальных давлениях и температурах;
• Возможность впрыска жидкого хладагента при высоких температурах нагнетания;
• Конкурентоспособные цены.

 

Все эти требования нашли отражение в базовой конструкции компактного винтового компрессора серии CSH, представленной на рис. 3.

Рис. 3

 

Особенности конструкции отдельных узлов компрессоров серии CSH

Плавное регулирование производительности при работе с экономайзером. Требование плавного регулирования холодопроизводительности компрессора в широком ее диапазоне определило необходимость интегрирования в компрессор золотника-регулятора (Рис. 4). Холодопроизводительность компрессора регулируется перемещением золотника вдоль профилей роторов компрессора посредством маслянного гидропривода.

Рис. 4

Важно отметить, что при таком способе регулирования производительности сжатый до расчётного давления нагнетания газ не подаётся на сторону всасывания, так как это привело бы к существенному снижению КПД при работе компрессора с частичной нагрузкой. При золотниковом регулировании сжатие начинается, когда объем всасываемого газа уже уменьшен. Это достигается путем перемещения регулирующего золотника, ограничевающего объем камеры сжатия (Рис. 5). Положение золотника определяется равновесием сил, действующих как на сам золотник, так и на поршень гидропривода. На регулирующий золотник слева действует давление всасывания, а справа - давление нагнетания; на поршень гидропривода слева воздействует масло из маслоотделителя, справа - возвратная пружина. Давление под поршнем в цилиндре гидропривода (рис. 5) определяет направление движения поршня с золотником: - влево холодопроизводительность компрессора возрастает, вправо – убывает; поршень остаётся неподвижным - холодопроизводительность компрессора не меняется.

Рис. 5

Холодопроизводительность регулируется следующим образом.

Когда масло под давлением нагнетания подается в цилиндр гидропривода через клапан CR4, регулирующий золотник занимает крайне левое положение, что соответствует 100% холодопроизводительности. При необходимости уменьшить производительность компрессора до 75% клапан CR4 закрывается и открывается клапан CR1, давление в цилиндре снижается до уровня давления всасывания и поршень с золотником под действием возвратной пружины перемещается до места присоединения маслопроводной трубки, ведущей к клапану CR1. Если необходимо ещё уменьшить холодопроизводительность компрессора (до 50% или 25% от расчётной величины), то открывается клапаны CR2 или CR3, при этом поршень с золотником перемещается вправо, занимая в последнем случае крайне правое положение.

Благодаря тому, что все четыре электромагнитных клапана CR1-CR4 интегрированы в корпус компрессора, регулирование холодопроизводительности может осуществляться как в плавном (бесступенчатом) режиме, так и в 4-х ступенчатом (100-75-50-25%) без каких-либо изменений конструкции. Различие состоит только в управлении клапанами.

За одну минуту до пуска компрессора включается клапан CR1. В течение этой минуты поршень с золотником под действием возвратной пружины перемещается в право до крайнего положения, соответствующего минимальной производительности, что позволяет произвести разгруженный пуск компрессора.

Интегрирование поверхности правой верхней части золотника в геометрическую форму выпускного канала сделало возможным регулирование внутренней степени сжатия (Vi-регулирование) в случае частичной нагрузки. При понижении нагрузки до приблизительно 70% Vi-регулирование поддерживается на постоянном уровне. При дальнейшем понижении нагрузки оно падает в соответствии с ожидаемым понижением давлений в системе (Рис. 6).

Рис. 6

Другой отличительной особенностью является встроенный в золотник канал экономайзера (см. рис. 5), что создает возможность эффективной работы контура переохлаждения независимо от нагрузки компрессора. В обычных винтовых компрессорах ЭКО-порт расположен в зоне всасывания и его положение неизменно. При частичной нагрузке это сводит на нет увеличение холодопроизводительности и КПД компрессора от переохлаждения. Поскольку компрессоры в течение года нередко работают при частичной нагрузке, очень важно поддерживать максимальный эффект от применения экономайзера.

Рис. 7

Давление в процессе сжатия повышается благодаря подпитке парами из переохладителя. Это оказывает положительное воздействие на процесс сжатия, которое обычно бывает несколько неполным. Особенно часто неполное сжатие наблюдается при частичной нагрузке компрессора, что можно в некоторой степени компенсировать, применив экономайзер (Рис. 7). Увеличение потребляемой мощности, вызванное ростом давления, составляет всего лишь около 30% в сравнении с увеличением холодопроизводительности. Этим объясняется рост холодильного коэффициента при использовании экономайзера. На рис. 8 показана зависимость изменения потребляемой мощности от холодохолодопроизводительности компрессора серии CSH c подвижным золотником-регулятором при частичных нагрузках.

Рис. 8

 

Особенности конструкции отдельных узлов компрессоров CSH

 

Роторы с новыми профилями. Технология изготовления.

Современные улучшенные методы расчетов позволили разработать роторы с новыми профилями, в еще большей степени удовлетворяющие требованиям систем кондиционирования воздуха. Главной задачей было достижение максимально возможной объёмной подачи компрессора при минимальной упругой деформации роторов. Новые роторы с соотношением роторов 5:6 были сопоставимы по жесткости с использовавшемся ранее (с соотношением 5:7). По сравнению с профилем 5:7, профиль 5:6 дает меньше внутренних утечек. Геометрия вершины зуба была рассчитана так, чтобы обеспечить минимальный зазор как относительно стенки корпуса, так и между ведущим и ведомым роторами. По сравнению с прежним профилем вершина зуба на ведомом роторе была расширена. Геометрия тыловой стороны зуба ведомого ротора была выбрана так, чтобы единичный сжимаемый объём был минимальным. Новые профили роторов показаны на рис. 9.

Рис. 9

Бесполезно проектировать оптимальный профиль, если его нельзя выполнить технологически. Основываясь на длительном опыте изготовления роторов и имея перед собой цель - создать надежный, экономичный и качественный технологический процесс, Bitzer разработал и запатентовал технологию HSG высокоскоростного шлифования профилей роторов из отливок без предварительной механической обработки. Сам по себе шлифовальный процесс достаточно хорошо известен: шлифовальными кругами с покрытием из кубического нитрида бора (КБН), обладающего высокой абразивной способностью, необработанный профиль подвергается черновому, а затем чистовому шлифованию. Преимущества нового метода по сравнению с применявшимся ранее обычным шлифованием с регулируемыми дисками таковы:

 

• тепло, выделяющееся при механической обработке, остается в стружке, так что обрабатываемая деталь выходит из обрабатывающего центра практически при температуре окружающей среды
• форма шлифовального круга не может быть изменена, т.е. в процессе механической обработки невозможна никакая коррекция профиля;
• ротор может быть полностью отшлифован в течение 15-20 минут благодаря высокой абразивности шлифовального круга;
• постоянно высокое постоянное качество изготовления (практически отсутствуют отклонения формы);
• для гарантии качества партии достаточно выборочной проверки (благодаря точности воспроизведения профиля);
• не требуется подбора роторов.

 

Высокоскоростное шлифование особенно выгодно для изготовления больших партий маленьких роторов. Одним шлифовальным кругом можно отшлифовать до 1000 роторов. После чего увеличение мощности, потребляемой приводом обрабатывающего центра, показывает, что требуется новое покрытие. Стальной сердечник шлифовального круга при этом остается нетронутым.

Роторы из чугуна с шаровидным графитом изготовляют литьем в оболочковые формы по той же технологии, что и коленчатые валы для автомобильных двигателей. Такой процесс гарантирует стабильно высокое качество. На рис. 10 представлены стадии изготовления ведущего ротора. Отклонения от заданного размера не превышают нескольких микрон.

Рис. 10

Для изготовления ведущих роторов серий CSH85 и CSH95 с большим диаметром и длиной был разработан метод горячей посадки, так как целиковое литье в формы в этом случае неприменимо.. Профиль, полученный способом непрерывного литья, насаживается в горячем состоянии на предварительно механически обработанную ось ротора, затем фрезеруется и начисто шлифуется методом HSG. При обработке этих роторов, как и в предыдущем варианте, в стружку уходит очень малое количество металла. Роторы подвергаются такой же качественной чистовой механической обработке. Предварительное черновое фрезерирование, в процессе которого удаляется припуск, позволяет даже уменьшить время шлифования.

Подшипники роторов.

Компактные винтовые полугерметичные компрессоры имеют непосредственный привод, т.е. ротор двигателя монтируется на оси ведущего ротора компрессора. Такой способ передачи вращения обеспечивает ряд преимуществ:

 

• отсутствие потерь в передаче;
• сравнительно небольшая скорость вращения;
• низкий уровень шума и основная звуковая частота;
• высокий уровень надежности - отсутствие механических повреждений даже в случае перегрузок ("влажный" ход и т.д.);
• долговечность подшипников;
• минимальные потери производительности благодаря большому поперечному сечению компрессора. С учётом высоких плотностей паров хладагентов это особенно важно при использовании компрессоров в системах кондиционирования воздуха.

 

Для новой серии компрессоров размеры упорных подшипников могут быть еще более увеличены (за счет больших диаметров роторов). Поэтому, при нормальных условиях работы компрессора нет никаких ограничений по сроку службы подшипников.

Испытанная, традиционная для винтовых компрессоров Битцер, односторонняя аксиальная система опор ротора с двумя радиально-упорными контактными шарикоподшипниками была сохранена и в новой конструкции компрессоров серии CSH (в сочетании с электронным устройством контроля направления вращения INT69 VSY-II или SE-E1 в качестве стандартного оборудования). Работа винтового компрессора при обратном направлении вращения привела бы к увеличению давления на стороне всасывания и его падению на стороне высокого давления. Такое «неправильное» соотношение давлений может вызвать перемену направления осевых усилий в роторах и, как результат, серьёзное повреждение рабочей поверхности фланца нагнетания торцевыми поверхностями роторов. Вращение же в обратном направлении после выключения компрессора под действием расширяющегося газа не является опасным, поскольку осевое усилие все еще действует в "правильном" направлении.

Разработчики винтовых компрессоров "Битцер" решили установить предварительно напряженные подшипники односторонние упорные подшипники больших размеров вместо двусторонних, установленных с предварительным натягом, так как последние не только сложнее и дороже, но и испытывают повышенную осевую нагрузку. Они также не могут препятствовать возникновению повреждений при обратном направлении врещения.

Корпус компрессора.

Корпус компрессора с двойными стенками был спроектирован в соответствии с Техническими требованиями UL, еще более жесткими, чем соответствующие европейские стандарты. Высокую прочность удалось обеспечить благодаря использованию при проектировании метода конечных элементов. Конструкция с двойными стенками уменьшает вибрации и тепловое расширение корпуса и позволяет сократить до минимума число уплотняющих фланцев. (Рис. 11).

Рис. 11

Расчетное давление составляет более 65 бар на стороне всасывания и около 150 бар на стороне высокого давления. Конечно, эти цифры действительны только для гидравлических испытаний и гораздо выше допустимых рабочих давлений (максимум 28 бар). Прочностные испытания под давлением проводят с установленным корпусом маслоотделителя.

Электродвигатель

Статоры встроенных крупногабаритных электродвигателей устанавливаются в корпус компрессора с очень малым зазором (скользкая посадка). Ротор электродвигателя насаживают непосредственно на удлиненный вал ведущего ротора. Электродвигатели охлаждаются всасываемым газом и, следовательно, имеют не только высокую удельную мощность, но и высокий КПД. Запуск двигателей по схеме с разделёнными обмотками ("PW") делает его возможным без прерывания питания при уменьшении пускового тока до ~ 60%. Из-за весьма высоких требований к пусковому моменту (даже при пуске с разгрузкой) и очень малого момента инерции роторов пуск со стандартным переключением со звезды на треугольник всегда связан с падением скорости при переключении, что вызывает второй бросок тока. Кроме того, обычная документация, касающаяся пусковых токов в соответствии со стандартом МЭК, в случае пуска двигателя с переключением со звезды на треугольник вводит в заблуждение: упомянутые в ней 33% от тока прямого пуска достигаются только при испытаниях с заблокированным ротором. В реальных условиях пусковой ток фазы при переключении со звезды на треугольник составляет, по меньшей мере, 50% от тока при прямом пуске.

Циркуляция масла

Компактные винтовые компрессоры снабжены встроенным маслоотделителем.

В процессе работы винтового компрессора масло через фильтр впрыскивается из масляного резервуара в зону сжатия, где смешивается с предварительно сжатым газом, обеспечивая достаточное уплотнение функциональных зазоров. Затем газово-масляная смесь, пройдя через окно нагнетания, выходит из выпускной трубы. Здесь масло выделяется из смеси при ударе об эллиптическое днище маслоотделителя (первый этап маслоотделения), после чего газовый поток разворачивается и проходит через сетчатый демистер, где за счет коагуляции оседает около 95% оставшегося в газе масла (второй этап маслоотделения). Далее, проходя через корпус маслоотделителя большого диаметра, газ тормозится, и масло выделяется под действием силы тяжести (третий этап маслоотделения). Затем очищенный газ выходит из компрессора через встроенный обратный клапан и запорный выпускной вентиль в линию нагнетания. К этому моменту остаточное содержание масла составляет примерно 1% от массового расхода хладагента, что чрезвычайно важно, поскольку слишком большое количество масла в контуре снижает КПД установки и увеличивает риск отказа компрессора в критических эксплуатационных условиях.

Фильтр тонкой очистки большого объема, встроенный в контур циркуляции масла, рассчитан на весь срок службы и обычно не требует никакого технического обслуживания.

Кроме того, компрессор комплектуется подогревателем масла (в гильзе), входящим в стандартную поставку, а также (по заказу) датчиком уровня масла.

Эксплуатационные характеристики и экологическая безопасность

Уже при разработке концепции компрессора придавалось большое значение достижению высокого КПД в сочетании с безвредностью для окружающей среды. Обеспечение высокого результирующего КПД начинается с использования высокоэффективного электродвигателя (его КПД достигает 0,95). При расчете изоэнтропического КПД компрессора учитывается как КПД двигателя, так и объемный КПД, существенно зависящий от внутренних утечек в компрессоре. Величина последних зависит от качества профиля и зазоров между роторами и стенками корпуса. Жесткость корпуса и роторов определяет их деформацию под действием давления газа и температур и, следовательно, размер зазоров между ними.

Силы трения в винтовом компрессоре со впрыском масла обычно очень малы. Механический контакт между ведущим и ведомым ротором отсутствует, потери на трение в роликовых контактных подшипниках тоже минимальны. Поскольку, как хорошо известно, в винтовых компрессорах перемещение газа осуществляется только двумя роторами, других источников потерь здесь нет, поэтому величину механического КПД до 0.95 следует считать нормальной (и она фактически здесь достигается).

В отношении самого процесса сжатия можно утверждать, что потерями на входе и выходе компрессора можно пренебречь из-за отсутствия клапанов всасывания и выпуска. Однако в отличие от поршневых компрессоров становятся заметными потери от чрезмерного и недостаточного сжатия, поскольку внутрення степень сжатия может отличаться от внешней. Но эти потери также невелики, если принять во внимание диапазон давлений в установках кондиционирования воздуха.

Рис. 12

На рис. 12 приведены зависимости реального изоэнтропического КПД от отношения давлений. Сравнение кривых для хладагентов R407C и R134a ясно показывает, что в обоих случаях полученные при испытаниях реальные значения изоэнтропического КПД в районе 0.73 очень близки к теоретическому значению. Хладагент R134a достигает этого оптимального значения при температуре конденсации 50°C (вследствие его более низких давлений), а R407C - при температуре конденсации 40°C. Уже отсюда становится очевидно, что R134a лучше подходит для работы установок в условиях более высокой температурой окружающей среды.

Рис. 13

На рис. 13 показаны кривые изоэнтропического КПД при различных температурах конденсации для R407C, соответствующие холодильные коэффициенты (прямо пропорциональные КПД) приведены на рис. 14. Из рис. 14 ясно видно также, как повышается холодильный коэффициент при работе с экономайзером. А поскольку при этом увеличивается и холодопроизводительность, то этот режим работы может быть рекомендован, например, для R134a.

Рис. 14

Уровень звуковой мощности новых винтовых компрессоров, составляющий около 80 дБ(А) при номинальной мощностьи двигателя 90 кВт можно оценить как очень низкий.

Экологические трбования были приняты во внимание также при выборе материалов. Большинство деталей изготовлено из серого литейного чугуна, который легко утилизируется (исключение составляет электродвигатель с медными обмотками). Принятый в компании Битцер процесс утилизации изношенных компрессоров гарантирует удаление отходов в соответствии с требованиями экологии. Компрессоры полностью разбираются на фирме Битцер и утилизируются или уничтожаются без ущерба для окружающей среды.

Чтобы стимулировать постоянных покупателей из разных стран сдавать старые компрессоры или их корпусные детали для утилизации, компания Битцер применяет практику зачёта установленной стоимости утилизируемого оборудования в стоимость нового, отгружаемого сдавшим лом заказчикам. К сожалению, из-за различных логистических проблем российские компании не смогли влиться в этот процесс.

Вероятность утечек хладагента в окружающую среду свелась к минимуму благодаря новой концепции конструирования корпусных элементов, когда число уплотняемых мест предельно мало.

Допускаемые утечки при стандартной проверки всех компрессоров на заводе составляют 1 мг/год. Проверка осуществляется с помощью очень точной и экологически безопасной гелиевой системы контроля утечек. Компрессоры заполняются гелием под давлением около 20 бар и проверяют на утечку в вакуумной камере. В случае, если по результатам этого испытания утечка превышает допустимую величину, компрессор погружают в водяную ванну для обнаружения места утечки.

Компания Bitzer предлагает новую группу компактных винтовых компрессоров состоящую из четырех серий CSH и охватывающую диапазон холодопроизводительности от 80 до 500 кВт, для применения в холодильных системах, системах кондиционирования воздуха и тепловых насосах. Эти компрессоры характеризуются высокой экономичностью, плавным регулированием производительности в соответствии с потребностями в холоде, низкими уровнями шума и вибрации. Поэтому от них следует ожидать высокой эксплуатационной надежности и большого срока службы.

Завод фирмы "Битцер" в Роттенбурге (Германия), выпуская более 25000 винтовых компрессоров в год, делает всё, чтобы удовлетворить растущие потребности современного мирового рынка. На последней выставке IKK-2004, проходившей в октябре в Нюрнберге, многие известные фирмы, производящие системы кондиционирования воздуха, выставляли на своих стендах чиллеры с компактными винтовыми компрессорами "Битцер".