Турбокомпресори для систем кондиціювання СВІТ КЛІМАТУ №67 (2011) Архів журналу Головна
Історія турбокомпресорів
Поява турбокомпресорів пов'язане із розвитком автомобільної галузі. Наприкінці XIX століття багато інженерів працювали над підвищенням ефективності двигунів внутрішнього згоряння. Готліб Даймлер і Рудольф Дизель намагалися збільшити вироблювану двигуном потужність і знизити споживання палива, стискаючи повітря, що нагнітається в камеру згоряння. Подальші дослідження у цьому напрямі призвели до створення турбокомпресора.
1905 року швейцарець Альфред Бюхі вперше успішно здійснив нагнітання за допомогою вихлопних газів, що дозволило збільшити потужність на 40%. У тому ж році на винахід було видано патент, і через півтора десятки років стали з'являтися дизельні локомотиви та судна з турбокомпресорами.
Принцип роботи турбокомпресора
Згодом принцип роботи турбокомпресорів не змінився. Проте їхня конструкція зазнала маси удосконалень. Причиною стало розширення сфери застосування цих пристроїв.
У 1930-х роках турбокомпресори проникли в холодильну техніку, де використовувалися як розширювачі (детандери) для охолодження газів до низьких температур: стислий газ при нормальній температурі подавався на периферію робочого колеса, розкручував його, розширювався і охолоджувався. При цьому потенційна енергія газу перетворювалася на кінетичну енергію валу, який встановлювався генератор, що виробляє електрику.
Очевидно, що чим вищий тиск газу, що подається, тим нижчих температур можна досягти. Але тим швидше обертається вал детандера. Частота його обертання досягає десятків тисяч обертів на хвилину, а це дуже висока швидкість для традиційних кулькових підшипників.
Ще сучаснішими ємагнітні підшипники, у яких утримання валу здійснюється з допомогою магнітного поля. Докладніше про них буде розказано далі.
Особливості сучасних турбокомпресорів для холодильної техніки
Довгий час використання турбоагрегатів у холодильній техніці обмежувалося низькотемпературними установками. Лише на початку XXI століття вони були адаптовані до вимог та робочого режиму систем кондиціювання.
Стиснення газу здійснюється у два щаблі. Вхідний фреон, що має низьку температуру та тиск, надходить на перше робоче колесо, де стискається до проміжного тиску. Далі він проходить через спеціальний апарат до другого робочого колеса, де стискається і викидається в спіральний равлик. У равлику деяка частина кінетичної енергії перетворюється на додаткову потенційну енергію. На виході фреон має кінцевий тиск і надходить у конденсатор.
На вході в турбокомпресор встановлено IGV-клапан (Inlet Guide Vane, вхідний напрямний пелюстковий клапан). Його кутові розсувні пелюстки керуються мікроконтролером компресора. IGV-клапан направляє холодоагент на перший ступінь стиснення, надаючи попереднього обертання в тому ж напрямку, в якому обертається робоче колесо.
Холодопродуктивність компресора регулюється зміною швидкості обертання валу та встановленням IGV-клапану у відповідну позицію. Чим більший кут, під яким холодоагент потрапляє на робоче колесо, тим нижча холодопродуктивність.
Для візуального контролю положення IGV-клапану на компресорі з боку входу холодоагенту передбачено оглядове скло з нанесеними мітками. За склом знаходиться кулька, що піднімається в крайнє верхнє положення при закритому клапані і поступово опускається в процесі йоговідкриття. Повністю відкритого IGV-клапану відповідає крайнє нижнє положення кульки (рис. 2).
Магнітні підшипники
На особливу увагу заслуговує магнітна підвіска валу компресора (рис. 3, 4).
Під час обертання вал двигуна з робочими колесами піднімається у магнітному тороїдальному полі, яке створюється магнітними підшипниками. У компресорі використовуються два радіальні та один осьовий підшипники. Датчики контролюють положення валу щодо підвіски та передають дані системі управління. У разі будь-яких відхилень генерується регулюючий вплив, що відповідним чином коригує магнітне поле.
Одним із ноу-хау, застосованих у компресорах Turbocor компанії Danfoss — провідного виробника турбокомпресорів для систем кондиціонування, є вал, у якого сильно намагнічені тільки місця встановлення підшипників і середина (рис. 5), а поділяють ці зони ненамагнічені ділянки.
Швидкість обертання валу варіюється від 15000 до 40000 об/хв. Цікаво відзначити, що швидкість периферії робочого колеса у своїй перевищує 300 м/с, тобто понад 1000 км/год.
Запуск компресора
При подачі струму конденсатори заряджаються і накопичують енергію, що створює початкове магнітне поле, яке піднімає вал. І тільки після цього вал починає повільно розкручуватись інверторним двигуном.
Другою особливістю стартового режиму є м'який запуск. Завдяки тим же конденсаторам випрямляч включається пізніше, і стартовий струм становить лише 2 А. Це дозволяє захистити електричні та електромагнітні компоненти компресора, а також уникнути негативного впливу на зовнішню мережу. Схематично різниця режимів з м'яким пуском без нього показано на рис. 6.
Енергоефективність
Енергоефективність турбокомпресорів ще очевидніша, коли система кондиціювання працює в режимі неповного навантаження (а вона практично завжди працює в цьому режимі). На рис. 7 представлений порівняльний аналіз холодильних коефіцієнтів звичайного спірального компресора та турбокомпресора, оснащеного інверторним приводом. Так, при завантаженні на 50% холодильний коефіцієнт турбокомпресора вищий на 75%.
Охолодження двигуна
Хладагент забирається на виході з конденсатора через два паралельні соленоїдні вентилі і надходить в охолодні канали компресора. Хладагент, що проходить через встановлене після вентиля сопло, розширюється і охолоджується подібно до того, як це відбувається в ТРВ. Далі, прямуючи через електродвигун, перетворювач напруги, інвертор та інші компоненти, фреон нагрівається, випаровується і прямує до секції всмоктування компресора (рис. 8).
Контроль параметрів
Сучасні турбокомпресори підтримують можливість контролю їх роботи за допомогою інтерфейсу RS 485. Спеціальна програма в режимі онлайн відображає частоту обертання валу, температуру та тиск холодоагенту на вході та виході з компресора, ступінь відкриття IGV-клапану, споживану потужність, рівень завантаження та інші показники. Дані можуть бути представлені як динамічних графіків, так і у вигляді цифрової інформації, візуально прив'язаної до відповідних точок на схемі турбокомпресора.
Рівень шуму
Для турбокомпресорів характерний специфічний розподіл рівнів звукового тиску та потужності по октавних смугах частот. Навіть на слух відчувається, що шум від турбокомпресорів більш високочастотний. Це підтверджується і вимірами (табл. 1).
Таблиця 1. Порівняння шумових характеристик типовиххолодильних машин на базі гвинтового та турбокомпресора.