Винтовые компрессоры Битцер новой серии HS/OS85 для промышленных холодильных установок

Замечательные результаты работы холодильных компаний с компактными компрессорами серии CSH, а также наметившиеся перемены на рынке крупного и среднего промышленного холодильного оборудования, дали толчок к разработке новых моделей более мощных открытых и полугерметичных винтовых компрессоров для различных промышленных систем охлаждения и тепловых насосов.

Разработчикам винтовых компрессоров компании Битцер были определены следующие требуемые качества, которыми должны обладать ком-прессоры новых моделей:

• Объёмная производительность должна быть не менее 400 м³/ч
• Компрессоры должны быть приспособлены для работы на всех используемых в настоящее время хладагентах: R404A, R507A, R134a, R407C, R22, включая NH3 для компрессоров открытого типа.
• Области применения новых компрессоров должны быть сопоставимы с областями применения прежних самых мощных полугерметичных и открытых винтовых компрессоров HS/OS74...53.
• Аспекты потребления энергии и влияния на окружающую среду:
  - коэффициент полезного действия должен быть более высокий, чем у более малых моделей винтовых компрессоров;
  - экономайзер должен включаться даже при минимальной частичной нагрузке;
  - в конструкции должно быть сокращено количество потенциальных мест утечки масла и хладагента;
  - снижены уровни шума и вибрации.
• В новых компрессорах должны быть оптимизированы системы циркуляции масла и регулирования производительностью.

Регулирование производительности новых компрессоров

Перед проектированием конструкции новых компрессоров были рассмотрены самые различные способы регулирования объёмной производительности, в том числе и нетрадиционные.

Один из таких способов приведения в соответствие производительности компрессора и требуемой текущей холодопроизводительности установки - использование в компрессорах многоскоростных электродвигателей. Для того, чтобы уменьшить холодопроизводительность примерно на 50% необходимо переключить электродвигатель с 2900 об/мин на 1450 об/мин. Однако, существенный недостаток этого способа заключается в том, что электродвигатели могут быть максимально эффективны только при определенном количестве оборотов ротора.

Невозможно избежать больших потерь эффективности, т.е. кпд и СОР компрессора при его работе на неоптимальных оборотах ротора мотора. К тому же количество переключений в течение срока службы двигателя ограничено.

Применение в винтовых компрессорах серий HS/OS74...53 простого и эффективного механического регулирования производительности явилось в своё время существенным шагом вперед. Место начала сжатия всасываемого пара смещается по длине профиля винта с помощью регулирующих поршней с гидроприводом. Это приводит к снижению расхода всасываемого и нагнетаемого компрессором пара. С помощью этой технологии можно регулировать объёмную производительность винтового компрессора в три дискретных ступени - 100%, 75% и 50%. При этом потери относительно малы, поскольку сжатие и нагнетание газа происходит только в активной области роторов. Ещё одно преимущество этого способа - это возможность включать регулирование производительности на короткие периоды.

С развитием технологий точной механической обработки в компрессоростроении стало возможно применение в малых винтовых компрессорах золотников для регулирования производительности, аналогичных тем, которые на протяжении долгих лет использовались исключительно в больших промышленных винтовых компрессорах. Высокие технологии современного производства дают возможность интегрировать золотник в корпуса компрессоров с относительно малыми диаметрами роторов.

Такой способ регулирования производительности уже был реализован в конструкции компактных винтовых компрессоров Битцер серий CSH95...65. Объёмную производительность этих компактных компрессоров можно при необходимости плавно изменять перемещением золотника вдоль роторов в диапазоне от 25% до 100% или в 4 дискретных ступени 100%, 75%, 50% и 25%.

Широкий диапазон регулирования позволяет оптимально согласовывать производительность компрессора с потребляемой им мощностью в течение всего периода эксплуатации установки. За счет этого увеличивается срок службы компрессоров благодаря предотвращению его пусков в тяжёлых условиях на максимальной нагрузке, при работе с низким перегревом всасываемых паров, а также при случайном попадании жидкости в компрессор при пуске.

Золотниковый способ регулирования производительности был признан наиболее подходящим и для новой серии винтовых компрессоров серии HS/OS85.

Геометрия профилей роторов также была заимствована у компрессоров CSH-серии. Новые специально разработанные для этой серии компактов профили с соотношением 5:6 имеют большие диаметры, по сравнению с аналогичными профилями компрессоров серии HS/OS74...64. Большие диаметры роторов за счёт повышения окружных скоростей вершин профилей обеспечивают снижение потерь из-за внутренних перетечек нагнетаемого газа при больших перепадах давления. В результате в компактных компрессорах CSH-серии были достигнуты более высокие значения энергетического кпд по сравнению с компрессорами предшествующих типов.

Заимствование готовых профилей позволило в одной серии HS/OS85 сразу создать три модели среднетемпературных компрессоров и одну низкотемпературную модель.

Начиная с весны 2004 года в опытную эксплуатацию поступили первые большие винтовые компрессоры новой серии HS/OS85 следующих моделей:

Современный модельный ряд полугерметичных винтовых компрессоров Битцер

Полугерметичный винтовой компрессор серии HS85

Современный модельный ряд винтовых компрессоров Битцер открытого типа

Винтовой компрессор открытого типа серии OS85

    Новая серия компрессоров была оптимизирована для работы с наиболее распространёнными хладагентами, используемыми в средне- и низко-температурных промышленных установках: R22, R134a и R404A / R507A - для полугерметичных моделей, а  также R717 (NH3) - для открытых винтовых компрессоров.

По запросу разработчикам нестандартных холодильных установок могут быть предоставлены данные и области применения винтовых компрессоров серий HS/OS85 для других хладагентов, имеющих предельно высокие, а также низкие температуры кипения.

Область применения новой серии HS/OS85 осталась традиционная для винтовых компрессоров Битцер. По ширине она ограничена температурами кипения: от макс. 20 ^oC для компрессоров систем тропического кондиционирования до -50 ^oC для компрессоров шокфростеров. Максимальные температуры конденсации: 70 ^oC при применении R134а, 55 ^oC с R404A / R507A и 60 ^oC при применении R22 достигаются за счет применения в установке эффективного охлаждения масла.

Аналогично компактным в компрессорах новой серии также оптимизирован впрыск пара из переохладителя в профили при работе с экономайзером. У винтовых компрессоров предшествующих конструкций место впрыска пара из переохладителя располагается фиксировано на корпусе камеры сжатия, что определяет невозможность работы экономайзера при уменьшении производительности компрессора ниже 75%. В отличие от них у компрессоров новой серии HS/OS85 ЭКО-порт располагается на золотнике-регуляторе производительности.

Это преимущество заключается в том, что при работе экономайзера, которая здесь возможна даже при частичной нагрузке компрессора, впрыск пара из переохладителя происходит всегда в закрытый со стороны всасывания сегмент профилей роторов. С помощью этого конструктивного решения во всем диапазоне регулирования объёмной производительности компрессора достигается максимальная возможная холодопроизводительность установки благодаря непрерывной работе эко-номайзера.

В техническом задании проектировщикам компрессоров новой серии было выдвинуто требование по снижению потенциальной возможности утечек масла и хладагента. В результате внешний вид компрессора приятно удивляет своей простотой и законченностью. На корпусе компрессора нет расположенных снаружи маслоперепускных трубок. Вся гидравличе-ская система управления компрессором полностью размещена внутри его корпуса. Распределение масляных потоков происходит через отверстия, выполненные внутри корпусных элементов без внешних резьбовых соединений и трубопроводов, поэтому исключены такие повреждения линий управления за счет внешних воздействий как разрывы трубок или течи на резьбовых соединениях.

Снижение уровня шума холодильной установки приобретает все большее значение. Хотя винтовые компрессоры уже имеют более низкий уровень вибрации по сравнению с поршневыми, существует потенциал его дальнейшего снижения. На основании положительных результатов использования внешних шумогасящих устройств типа "Helmholtz" для снижения флуктуаций нагнетаемого газа в трубопроводах нагнетания винтовых компрессоров у разработчиков возникла идея подавлять флуктуации по возможности ближе к месту их возникновения. Поэтому было принято решение при разработке конструкции новой серии HS/OS85 интегрировать устройство для снижения флуктуации нагнетаемого газа непосредственно в компрессор.

Встроенный глушитель снижает амплитуду импульсов колебаний давления, например, с 0,5 бара до 0,1 бара. Это приводит к снижению шума компрессора на 2 дБ. За счет глушения флуктуаций значительно снижает также уровень исходящей от компрессора и передаваемой на трубопроводы и фундамент вибрации.

Шумоглушитель

 Исчезает необходимость предпринимать дополнительные меры по гашению колебаний, передаваемых от установки к перекрытиям здания. Срок службы компенсаторов вибрации в трубопроводах увеличивается. Во многих случаях можно полностью отказаться от установки гибких патрубков, что дает холодильным компаниям возможность существенного снижения стоимости монтажа установки.

Конструктивные особенности новых компрессоров

В новых винтовых компрессорах серии HS/OS85 была применена традиционная надежная установка роторов в корпусе на опорных роликовых подшипниках. Для поглощения радиальных сил, возникающих при работе компрессора и направленных в сторону всасывания, на стороне нагнетания установлены сдвоенные радиально-упорные шариковые подшипники. Кроме того, для осевого фиксирования роторов упорные подшипниковые узлы были дополнены контропорами, которые представляют собой такие же радиально-упорные шариковые подшипники, но установленные на валы роторов навстречу парам основных упорных подшипников.

В обычном режиме работы компрессора контропоры не нагружаются, поскольку результирующая сила давления нагнетания, действующая на роторы и сдвигающая их в сторону порта всасывания, компенсируется парами основных упорных подшипников. Контропоры начинают действовать только в случаях, если происходит изменение направления осевых усилий на роторы, например, в результате их вращения в неправильном направлении.

Упорные подшипники контропор обеспечивают сохранение осевого зазора между торцевыми поверхностями роторов и фланцем нагнетания даже в таких аварийных режимах работы компрессора. Благодаря контропорам полностью устраняется возможность касания и механического повреждения торцов роторов и фланца нагнетания.

Подшипники, установленные в винтовых компрессорах Битцер на стороне нагнетания располагаются в отдельных уплотнённых подшипниковых камерах низкого давления. Масло из маслоотделителя поступает в эти подшипниковые камеры через специальный дроссель, затем после смазки подшипников поступает на сторону всасывания. За счёт такого сообщения со стороной всасывания и дросселирования поступающего масла высокого давления в подшипниковых камерах поддерживается давление значительно меньшее, чем давление нагнетания. Благодаря такому запатентованному конструкторскому решению в подшипниковых камерах выкипает часть хладагента, растворенного в масле, за счет чего повышается вязкость масла смазывающего подшипники. В результате, при работе компрессора на нормальном перегреве всасываемых паров, с допустимыми температурами нагнетания срок службы подшипников становится практически неограниченным.

Помимо упомянутых преимуществ регулирования производительности, регулирующий золотник обеспечивает также разгруженный пуск компрессора. Во время простоя компрессора открывается дренажный масляный клапан CR3, и возвратная пружина двигает поршень гидроцилиндра привода золотника в положение минимальной производительности компрессора 25%. Это приводит к снижению пусковой нагрузки на электродвигатель, что гарантирует надежность его работы при пуске и в период выхода компрессора на требуемую производительность.

Интеграция компрессоров в холодильные установки

Агрегаты винтовых компрессоров обычно состоят из одного или нескольких компрессоров, маслоотделителя, маслоохладителя (при необходимости) и соответствующих трубопроводов с необходимыми клапанами и приспособлениями. Система циркуляции масла в установке с винтовыми компрессорами типа HS/OS74...53 показана на Рис. 9. На масловозвратном трубопроводе от маслоотделителя к компрессору установлены масляный фильтр, реле протока масла, запорный электромагнитный клапан и глазок. Такая схема стала традиционной в последние десятилетия.

При использовании новых компрессоров серии HS/OS85 в установках используется полностью новая и значительно упрощенная схема. Масляный фильтр полностью интегрирован в корпус компрессора. Его степень загрязнения контролируется специальным дифференциальным реле за счет измерения перепада давления на фильтре. Дальнейшее измерение перепада давления внутри компрессора заменяет функцию внешнего реле протока масла. Новый, также интегрированный в корпус компрессора клапан подачи масла контролирует поступление масла в компрессор и одновременно контролирует направлением вращения при пуске (Рис. 10). Клапан подачи масла имеет свой подпружиненный поршень, на который подаётся нагнетаемый газ. Таким образом, при выключении компрессора клапан подачи масла надёжно закрывается, а открывается только при пуске компрессора, причём вращение роторов должно происходить только в правильном направлении.

Помимо смотрового глазка масла, все прежде устанавливаемые на масловозвратном трубопроводе элементы интегрированы в корпус нового компрессора.

Таким образом, стоимость монтажа установки уменьшается до минимума. Кроме того, значительно снижается возможность утечек масла и хладагента за счет отсутствия резьбовых и паяных соединений на внешних дополнительных элементах.

Параллельное соединение винтовых компрессоров в одной холодильной централи сегодня дает интересную возможность для увеличения холодопроизводительности установки до промышленных значений. Эта эффективная и экономичная технология за много лет полностью оправдала себя. Несколько компрессоров работают на общий маслоотделитель, при этом какие-либо специальные устройства для равномерного распределения масла не нужны.

Все электроподключения и присоединения патрубков всасывания и нагнетания, а также масловозвратного трубопровода расположены на одной стороне корпуса компрессоров. Штуцеры и вентили легко доступны и удобны в обслуживании - требуются лишь небольшие расстояния между компрессорами.

Сторона подключений компрессора серии HS85

Распределение всей требуемой холодопроизводительности на несколько компрессоров обеспечивает высокую надежность работы всей холодильной установки - резервных компрессоров в принципе не требуется. Холодопроизводительность всей централи может регулироваться с очень маленькими шагами. Более того, суммарный СОР многокомпрессорной централи даже при частичной нагрузке остаётся максимальным, при работе нескольких или даже одного компрессора с максимальной производительностью. Таким образом, очевидно, что при частичной нагрузке СОР многокомпрессорной централи будет явно выше, чем у установки с одним большим компрессором, работающим в режиме регулирования производительности.

Кроме того, негативные воздействия на питающие электросети за счет пиков пускового тока при последовательном включении нескольких компрессоров централи минимальны по сравнению с пуском одного большого промышленного компрессора.

Рабочие характеристики винтовых компрессоров серии OS/HS85 внесены в программу по подбору оборудования Bitzer Software, последняя версия которой - 5.0 позволяет рассчитывать многокомпрессорные установки в комплексе, а также подобрать маслоотдеделитель как для отдельных компрессоров, так и для всей централи.

Специально для централей с более производительными винтовыми компрессорами новой серии OS/HS85.. был разработан более большой маслоотделитель OA25012. Он предназначен для работы максимум с пятью компрессорами OS/HS85.. в диапазоне кондиционирования (A/C) или с шестью - в диапазоне средне- (MT) и низкотемпературного (LT) охлаждения 

Также одной из первых в России была смонтирована низкотемпературная установка для линии закалки мороженного на комбинате Санкт-Петербургской компании "Талосто" (www.talosto.ru) в г. Волхов. В установку с общей холодопроизводительностью 150 кВт входит 2 полугерметичных низкотемпературных компрессора HSN8571-125Y.

Новую линейку аммиачных низкотемпературных установок на базе открытых винтовых компрессоров Битцер, в том числе и новой серии OSNА8571-K, разработали и преступили к внедрению специалисты компании "Остров" (www.ostrov.ru). Материал об этом проекте уже был опубликован в периодических холодильных журналах.

Следует также отметить успешные проекты компаний "ГРАН" (www.gran.mari-el.ru) и "Фригодизайн" (www.frigodesign.ru) с новыми винтовыми компрессорами Битцер. Самарская компания "Лидер" (www.leader-cool.ru) готовит к запуску очень мощную низкотемпературную установку закалки мороженного в Белгороде на базе 10 компрессоров HSN8571-125Y. Ввод в эксплуатацию этой установки запланирован на январь 2008 года.

Сегодня в России в различных установках работает около 80 винтовых компрессоров Битцер новой серии OS/HS85.

Дальнейшие разработки

Учитывая успешный выход на рынок новых мощных полугерметичных компрессоров, разработчики компании Битцер создали конструкцию и провели стендовые испытания двух моделей ещё более мощных компрессоров серии OS/HS85. В начале 2008 года по заказу немецкой компании Fischer на опытную эксплуатацию в составе реальных холодильных установок будет передано 7 низкотемпературных винтовых компрессоров HSN8591-160 с объёмной производительностью 535 м³/ч. Кроме того, на том же этапе находится разработка двух моделей среднетемпературных компрессоров HSK8581-180 (470 м³/ч) и HSK8591-210 (535 м³/ч).

Серийное производство компрессоров этих моделей для широкой продажи планируется начать на заводе в Роттенбурге во втором квартале 2008 года.

Продолжаются работы по созданию трёх моделей более мощных винтовых компрессоров открытого типа OSN(A)8591-K с объёмной производительностью 535 м³/ч, а также OSK(A)8581-K (470 м³/ч) и OSK(A)8591-К (535 м³/ч).

Согласно плану реализации этого проекта первый прототип для стендовых испытаний появится в 1 квартале 2008 года. Во втором квартале будут проведены полевые испытания рабочих компрессоров, а серийное производство компрессоров этих моделей планируется начать в первом квартале 2009 года.

В том же 2009 году планируется приступить к разработке конструкции новой серии ещё более мощных открытых винтовых компрессоров OS(А)95.

В перспективных планах компании Битцер стоит задача в 2010 году выйти на рынок с винтовыми компрессорами открытого типа с объёмной производительностью до 1100 м³/ч.