BITZER semi-hermetic piston and screw compressors for CO2 cascade refrigeration systems

Cover Page

Cite item

Abstract

After many years of oblivion of carbon dioxide, the interest to it from the side of developers of refrigeration equipment has recently increased noticeably, which is caused primarily by aggravated environmental problems. In recent years, many cascade installations for commercial and industrial low-temperature cooling (t0 = - 50 °С) have been successfully put into operation. It should be kept in mind that in comparison with other refrigerants C02 has better thermophysical properties in this mode. This is chemically inert, fire and explosion-proof substance.

Full Text

После многолетнего забвения диоксида углерода интерес к нему с недавнего времени со стороны разработчиков холодильной техники заметно возрос, что вызвано прежде всего обострившимися экологическими проблемами. В последние годы были успешно введены в эксплуатацию многие каскадные установки для коммерческого и промышленного низкотемпературного охлаждения (t0 = – 50 °С). Следует иметь в виду, что по сравнению с другими хладагентами С02 обладает в данном режиме лучшими теплофизическими свойствами. Это химически инертное, пожаро- и взрывобезопасное вещество. Оно вредно для здоровья человека только в больших концентрациях. Все эти свойства определяют во многих случаях явное преимущество СО2 над аммиаком.

До сих пор в холодильных системах с СО2 использовались поршневые и винтовые компрессоры открытого типа. Однако высокий уровень рабочих давлений налагает особые требования, что удорожает конструкцию такого компрессора. В связи с этим в последнее время возрос интерес к полугерметичным компрессорам, применение которых позволило бы значительно удешевить перспективные установки. На сегодняшний день уже реализовано много проектов с опытными полугерметичными компрессорами.

В следующих разделах статьи рассматривается опыт создания надежных компрессоров для СО2, а также систем их защиты.

КАСКАДНЫЕ СИСТЕМЫ С СO2

На рис. 1 приведена упрощенная схема холодильной установки, в которой диоксид углерода сжижается в испарителе первичного холодильного контура, работающего на NH3, углеводородах (пропан, пропилен), или HCFC/HFC, и подается циркуляционным насосом непосредственно в испарители ветви среднетемпературного охлаждения.

 

Pис. 1. Упрощенная схема каскадной холодильной установки: 1 — среднетемпературные испарители; 2 — низкотемпературные испарители; 3 — компрессор СО2; 4 — межкаскадный теплообменник: испаритель для NH3 и конденсатор для СО2; 5 — среднетемпературный ресивер; 6 — низкотемпературный ресивер

 

В современных каскадных установках в ветви на СО2 предусмотрен дополнительный ресивер 6 низкого давления, которое поддерживается на уровне давления кипения СО2. Компрессор 3 нагнетает пары СО2 в каскадный конденсатор 4 вместе с газом из среднетемпературного испарителя 1. Здесь суммарный газовый поток конденсируется и затем поступает в соответствующий ресивер среднего давления 5. Из него жидкость перепускают в ресивер низкого давления 6 с помощью поплавкового клапана.

Для подачи СО2 к месту его охлаждения в аммиачной (фреоновой) ветви используются циркуляционные насосы или системы гравитационной циркуляции. Холодильная установка с одним или несколькими испарителями может быть скомпонована как система, описанная в статье Ф. Персона [1]. Для получения только низкотемпературного холода компоненты среднетемпературного контура исключают из установки.

На рис.2 показана упрощенная схема каскадной системы, в которой СО2 используется в качестве хладагента нижней ветви каскада. Установки с такой схемой очень распространены в странах Скандинавии и считаются весьма перспективными для коммерческого применения. В холодильных системах для типовых супермаркетов СО2 в низкотемпературной ветви нагнетается в конденсатор-теплообменник поршневыми компрессорами «Битцер» серии «Октагон», модифицированными для СО2 (С-1 К, С-2К).

 

Рис. 2. Упрощенная схема каскадной системы с нижней ветвью на СО2: К1—К6 — среднетемпературные испарители; F1—F3 — низкотемпературные испарители СО2

 

ТРЕБОВАНИЯ К КОМПРЕССОРУ ПРИ РАБОТЕ В НИЖНЕЙ ВЕТВИ КАСКАДА НА СО2

СО2 в каскадной холодильной установке переходит в жидкое состояние при сравнительно высоком уровне давлений и довольно низких температурах кипения и конденсации. Эти давления в некоторых случаях значительно превышают допустимые рабочие для типовых стандартных компрессоров (рис. 3). Несмотря на более низкую плотность паров СО2 по сравнению с галогенсодержащими хладагентами (рис. 4), теплофизические свойства СО2 приводят к более высокой механической нагрузке на привод компрессора, а следовательно, к росту требуемого приводного момента. Кроме того, при проектировании оборудования следует рассматривать даже еще более экстремальные условия нагружения.

 

Рис. 3. Сравнение значений давлений кипения и конденсации в пределах стандартной области функционирования для СО2 и R22

 

Рис. 4. Сравнение значений плотности паров в пределах стандартных диапазонов давлений всасывания для СО2 и R22

 

Другой негативный фактор связан со смазкой компрессора. При довольно высоком давлении всасывания некоторые холодильные масла растворяют в себе значительное количество СО2, в результате чего кинематическая вязкость образовавшейся смеси значительно понижается.

При применении полугерметичных компрессоров следует также учитывать совместимость материала изоляции обмоток и смеси масла с СО2.

Охлаждение электродвигателя — это на сегодня особенно спорный и вызывающий много сомнений вопрос, так как от двигателя с небольшими размерами требуется высокий приводной момент.

Из вышесказанного становится ясно, что стандартные полугерметичные компрессоры могут использоваться с СО2 только в очень ограниченной области.

 

Рис. 5. Разрез полугерметичного поршневого компрессора

 

Рис. 6. Разрез полугерметичного винтового компрессора (без маслоотделителя)

 

Последние достижения фирмы «Битцер» в этом направлении показывают, что при комбинировании различных компонентов одного семейства компрессоров, а также при соответствующей модификации конструкции и применении подходящего масла все требования могут быть выполнены.

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТОК И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Нагрузки и давления

Современные полугерметичные компрессоры проектируются с пятикратным запасом прочности по внутреннему давлению, и это должно подтверждаться при проведении регулярных проверок. При наличии внутреннего предохранительного клапана давления и внешних предохранительных клапанов, а также с учетом индивидуальных испытаний согласно соответствующим предписаниям ЕС обычные границы применения компрессоров (высокое давление - 28 бар, низкое давление - 19 бар) могут быть сдвинуты еще выше. При необходимости рекомендуется применять прокладки с металлическим усилением или поддерживающие элементы в уплотнениях.

Применение чугуна со сферической графитной структурой вместо серого чугуна для литых корпусных деталей позволяет повысить их механическую прочность при той же толщине стенок.

Механическая нагрузка и необходимый приводной момент

Максимальные давления кипения и конденсации СО2 превышают примерно на 60 и 20 % соответственно максимальные значения рабочих давлений R22 (см. рис. 3).

Самый простой путь модификации компрессора для работы на СО2 - комбинирование в одном типовом корпусе определенной серии компрессоров наименьшей объемной производительности с электродвигателями наибольшей мощности.

При использовании поршневых компрессоров выбирают типоразмер с минимальным диаметром поршня, чтобы снизить нагрузки на подшипники и уменьшить изгибающие усилия на коленвал. Это относится и к подшипникам поршневых пальцев, которые также воспринимают значительные нагрузки. В малых поршневых компрессорах пальцы, как правило, скользят непосредственно в соединяемых деталях (поршне и шатуне), но с учетом специфических нагрузок при работе на СО2 необходимо на пальцы устанавливать дополнительные подшипники скольжения.

В связи с более высоким массовым расходом газа конструкция клапанов компрессора также должна быть модифицирована.

В случае применения винтовых компрессоров можно использовать короткие роторы, а также в зависимости от объемной производительности - большие подшипники. При обычных условиях эксплуатации в каскадных системах с низкими соотношениями рабочих давлений такое изменение конструкции не приводит к снижению КПД.

Для защиты компрессора от чрезмерных механических нагрузок, а электродвигателя от перегрузок на самых тяжелых режимах на линии всасывания непосредственно на входе в компрессор устанавливают регулятор давления в картере. Его настраивают таким образом, чтобы после пуска компрессора давление всасывания установилось ниже допустимого максимума.

Охлаждение электродвигателя

При высокой удельной нагрузке на электродвигатель и его малых габаритах воздушное охлаждение во многих случаях оказывается неудовлетворительным из-за недостаточной площади наружной поверхности той части корпуса компрессора, где находится электродвигатель. Такой способ охлаждения потребовал бы разработки специальной конструкции компрессора для СО3 и тем самым существенно снизил бы преимущество от использования стандартных узлов, производимых серийно.

Широко используемое в полугерметичных компрессорах охлаждение всасываемым газом эффективнее. Но при низкотемпературных режимах, а также при применении хладагентов, имеющих низкую удельную энтальпию паров, такой способ охлаждения невыгоден из-за дополнительного перегрева газа при протекании через электродвигатель. В результате изменяется удельный объем (плотность) всасываемого газа и снижается его массовый расход.

Однако, если рабочим веществом является диоксид углерода, потери от охлаждения всасываемым газом довольно малы в допустимой области применения компрессора. Причинами тому являются высокий массовый расход СОи небольшой перегрев газа на всасывании при использовании затопленных испарителей. Это обеспечивает особенно интенсивное охлаждение электродвигателя и гарантирует низкую температуру обмоток, а следовательно, минимальные тепловые потери и высокую эффективность электродвигателя (рис. 7).

 

Рис. 7. Диаграмма изменения массового расхода СО2 в зависимости от перегрева всасываемого газа в электродвигателе при различных температурах кипения (температура конденсации — 10°С, перегрев 10°С)

 

Каждая из обмоток электродвигателя оснащается соединенными с электронным защитным устройством датчиками температуры, обеспечивающими надежную защиту от перегрузок. При наличии достаточного охлаждения электродвигатель может работать при очень высоких нагрузках длительное время.

Смазка

Довольно большие механические нагрузки и высокая растворимость диоксида углерода в применяемых холодильных маслах определяют особые требования к их вязкостным и трибологическим свойствам, а также к конструкции компрессора.

Для надежного возврата масла из системы оно должно иметь хорошую смешиваемость с СО2даже при температуре - 50С и ниже.

Полиалкиленгликолевые (PAG) масла плохо растворяют СО2, обеспечивая при этом необходимую толщину слоя смазки с благоприятными вязкостными характеристиками. Однако вследствие неудовлетворительной смешиваемости с СО2 наблюдаются трудности с циркуляцией масла в системе. Кроме того, очень высокая гигроскопичность PAG-масел может привести к резкому снижению их диэлектрических свойств, а также к повышению потенциала химической активности. Поэтому применение этих масел в полугерметичных компрессорах на СО2 не рекомендуется.

Разносторонние научные и практические исследования показали, что модифицированные полиэфирные масла (Polar РОЕ) вполне пригодны для использования в компрессорах с СО2, функционирующих в вышеуказанных условиях. Эти масла обладают высоким индексом вязкости (рис. 8), хорошими смазочными характеристиками, в приемлемой степени растворяют СО2, а также в отличие от PAG-масел и неполярных минеральных масел хорошо смешиваются с СО2 [2] (рис. 9). Однако с учетом их гигроскопичности необходимо применять очень большой и мелкоячеистый фильтр-осушитель («молекулярное сито»).

 

Рис. 8. Кинематическая вязкость смеси при растворении СО2 в РОЕ-маслах

 

Рис. 9. Границы смешиваемости СО2 с РОЕ-маслами и PAG-маслом при докритических температурах

 

Несмотря на то что полученные результаты исследований в целом пока вполне удовлетворительны, анализ состояния роликовых подшипников качения и подшипников скольжения показывает, что довольно часто происходит забивание поверхностей трения (при удовлетворительной вязкости смеси масла и СО2). Одна из основных причин этого - образование значительной доли газовой фазы в смеси при испарении диоксида углерода в случае резкого падения давления и тепловыделения.

Из всего сказанного следует, что необходимы дальнейшие шаги как в поисках подходящих масел, так и в разработках конструкций компрессоров.

Существенным фактором с точки зрения особых требований к конструкции компрессора является высокое давление всасывания. Поэтому в поршневых компрессорах «Битцер», работающих на СО2 (рис. 5), используют подшипники с улучшенным материалом поверхности трения, рассчитанные на высокую нагрузку. Более того, система смазки проектируется таким образом, чтобы гарантировать быструю подачу масла после пуска компрессора и не допускать высокой концентрации газа в масле, подаваемом в подшипники.

Винтовые компрессоры «Битцер», работающие на СО2 (рис. 6), оснащают уже упомянутыми подшипниками большого диаметра и запатентованной системой внутренней циркуляции масла. Благодаря манжетным уплотнениям газ, вытекающий из рабочей полости, не поступает в масло для смазки подшипника. В результате давление в корпусе подшипника со стороны нагнетания снижается практически до величины давления всасывания, что обусловливает минимальное содержание СО2 в масле и, следовательно, максимально возможную его вязкость. Такая система обеспечивает также значительное снижение реальной нагрузки на подшипники.

ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПРЕССОРА

Высокая удельная холодопроизводительность СО2, зависимость которой от температуры кипения представляет собой очень пологую кривую, позволяет использовать в каскадных установках небольшие компрессоры даже при большой холодопроизводительности.

На диаграмме (рис. 10) дано сравнение холодопроизводительности винтовых компрессоров (объемная производительность 220 м 3/ч) при работе на СО2, R22 и NH3.

 

Рис. 10. Холодопроизводительность винтового компрессора «Битцер» при объемной производительности 220 м3

 

Для построения диаграммы относительной холодопроизводительности за основу был взят режим с температурой кипения -35 °С, на котором компрессоры с разными хладагентами имели равные холодопроизводительности. Данные по СО2и R22 были получены на полугерметичном компрессоре, данные по NH3 - на компрессоре открытого типа (рис. 11).

 

Рис. 11. Относительная холодопроизводительность при различных температурах кипения

 

Из диаграммы видно, что с понижением температуры кипения меньше всего изменяется холодопроизводительность компрессоров на СО2, больше всего - аммиачных.

Массовый расход СО2 (рис. 12) при равной объемной производительности намного выше, чем у R22, несмотря на то что концентрация паров СО2 составляет около 60 % от концентрации R22 при идентичном уровне давлений (см. рис.4). Причиной этого является уровень давлений СО2, который в принятом диапазоне температур кипения примерно в 7-10 раз выше, чем у других хладагентов. Как было уже сказано выше, это свойство очень хорошо вписывается в конструктивный принцип охлаждения компрессора всасываемым газом.

 

Рис. 12. Сравнение массовых расходов различных хладагентов в винтовом компрессоре «Битцер» при объемной производительности 220 м3/ч (температура конденсации -10 °С, перегрев 10 °С)

 

Результаты наших исследований показали, что перспективы дальнейшего применения полугерметичных поршневых и винтовых компрессоров в каскадных установках с СО2 очень благоприятны.

Современная базовая конструкция компрессоров с дополнительными средствами защиты вполне допускает функционирование при более высоких значениях допустимого рабочего давления. Более того, особые требования по механической нагрузке, мощности и охлаждению электродвигателя могут быть выполнены с оптимальной адаптацией компонентов внутри одного модельного ряда компрессоров.

Специально модифицированные полиэфирные (РОЕ) масла уже достаточно испытаны и вполне пригодны для смазки компрессоров. Однако требуются дополнительные исследования, чтобы обеспечить более надежную работу этих масел сСО2.

Высокая объемная холодопроизводительность, а также довольно ровная характеристика холодопроизводительность - температура кипения СО2 позволяют реализовать очень компактные и малозатратные схемные и конструктивные решения холодильных установок, которые определяют перспективы будущего широкого и экономичного применения СО2 в низкотемпературных каскадных системах (рис. 13).

 

Рис. 13. Каскадная холодильно-морозильная установка с поршневыми компрессорами “Битцер " [верхняя ветвь на R290 (пропан), нижняя - на R744 (СО2)]

 

Экспериментальные исследования таких систем проводятся при уровне давлений, который находится в допустимом диапазоне, в связи с чем риск аварий остается сравнительно низким. Однако необходимо провести долговременные испытания образцов каскадных установок на СО2, чтобы накопить достаточный опыт по эксплуатации компрессоров и других системных компонентов еще до того, как они начнут широко использоваться потребителями.

×

About the authors

G. Renz

Bitzer Kuelmashinenbau GmbH

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

Research Department Head

Germany

References

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig. 1. Simplified scheme of cascade refrigeration unit: 1 - medium-temperature evaporators; 2 - low-temperature evaporators; 3 - CO2 compressor; 4 - intercascade heat exchanger: evaporator for NH3 and condenser for CO2; 5 - medium-temperature receiver; 6 - low-temperature receiver

Download (1MB)
2. Fig. 2. Simplified scheme of cascade system with lower branch on CO2: K1-K6 - medium-temperature evaporators; F1-F3 - low-temperature CO2 evaporators

Download (1MB)
3. Fig. 3. Comparison of boiling and condensing pressures within the standard operating range for CO2 and R22

Download (700KB)
4. Fig. 4. Comparison of vapor density values within standard suction pressure ranges for CO2 and R22

Download (696KB)
5. Fig. 5. Sectional view of a semi-hermetic piston compressor

Download (1MB)
6. Fig. 6. Sectional view of a semi-hermetic screw compressor (without oil separator)

Download (1MB)
7. Fig. 7. Diagram of CO2 mass flow rate variation depending on suction gas superheat at different boiling temperatures (condensing temperature - 10°С, superheat 10°С)

Download (809KB)
8. Fig. 8. Kinematic viscosity of the mixture when dissolving CO2 in ROE oils

Download (970KB)
9. Fig. 9. Boundaries of miscibility of CO2 with ROE oils and PAG oil at subcritical temperatures

Download (725KB)
10. Fig. 10. Cooling capacity of a Bitzer screw compressor at a volumetric capacity of 220 m3/h

Download (1MB)
11. Fig. 11. Relative cooling capacity at different boiling temperatures

Download (2MB)
12. Fig. 12. Comparison of mass flow rates of different refrigerants in Bitzer screw compressor at volumetric capacity of 220 m3/h (condensing temperature -10 °С, superheating 10 °С)

Download (1MB)
13. Fig. 13. Cascade refrigeration and freezing unit with piston compressors "Bitzer" [upper branch on R290 (propane), lower - on R744 (CO2)]

Download (1MB)

Copyright (c) 2003 Renz G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies