В последние годы заметно вырос интерес к экологичной продукции. В отношении систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения действуют различные нормативные документы, призванные снизить нагрузку на окружающую среду в глобальном масштабе, сократить вредные выбросы в атмосферу путем перехода на новые хладагенты и уменьшить энергопотребление за счет поощрения повышения эффективности оборудования. Особое значение придается, в частности, развитию технологий, использующихся в компрессорах – ключевых компонентах систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения.
Общие сведения
Чтобы уменьшить энергопотребление таких систем, сократив тем самым парниковые выбросы, следует, в первую очередь, обратить внимание на компрессоры, потребляющие до 80% от всей энергии, идущей на питание системы. Стремление повысить эффективность компрессоров привело к появлению ротационных моделей для бытовых кондиционеров в 1960-70-х годах, винтовых компрессоров для чиллеров и холодильных систем в 1970-80-х годах, спиральных компрессоров для полупромышленных кондиционеров воздуха в 1980-х.
В наши дни практически везде традиционные поршневые компрессоры заменены устройствами ротационного типа. Исключение составляют лишь поршневые компрессоры малой мощности, использующиеся, в основном, в бытовых холодильниках. Основные принципы работы ротационного компрессора были сформулированы уже к началу XX века, однако для их практического воплощения требовались технологии высокоточной механической обработки для получения деталей сложной формы, создание надежного привода… Особенно важны тщательное соблюдение геометрии деталей и точность сборки для компрессоров винтового и спирального типов, поэтому своим появлением они во многом обязаны прогрессу технологий металлообработки.
В дополнение к уменьшению энергопотребления путем повышения эффективности, снижение парникового воздействия систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения достигается за счет перехода на хладагенты с более низким потенциалом глобального потепления (ПГП). В частности, в бытовых холодильниках используют изобутан (R600a), в тепловых насосах, нагревающих воду для хозяйственно-бытовых нужд, применяют СО2, в мощном холодильном и морозильном оборудовании применяют аммиак (NH3), а в полупромышленных и бытовых кондиционерах воздуха — R32.
Ниже рассматриваются некоторые технологии, связанные с переводом спиральных компрессоров на новые хладагенты:
Спиральные компрессоры
CO2 – использование в компрессорах, детандерах (расширителях), детандер-компрессорах
Во второй половине 1990-х годов усилилась озабоченность проблемой глобального потепления, и внимание привлекли системы кондиционирования воздуха и холодоснабжения, использующие в качестве хладагента диоксид углерода (CO2). Исследования показали возможность применения компрессоров для CO2 в автомобильных кондиционерах и тепловых насосах для нагрева воды.
В 2001 году компания Denso разработала спиральный компрессор для CO2 с герметичным корпусом низкого давления и нижним расположением механизма, и выпустила в продажу водонагреватели Eco Cute на его основе. После этого многие японские производители создали свои компрессоры для CO2 и вышли на рынок тепловых насосов для нагрева воды. Hitachi и Panasonic разработали компрессоры спирального типа в герметичном корпусе высокого давления, Mitsubishi Electric и Daikin представили ротационный компрессор также в герметичном корпусе высокого давления, а Sanyo создала двухступенчатый ротационный компрессор в герметичном корпусе промежуточного давления.
По сравнению с традиционными компрессорами систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения, компрессор для CO2 отличается крайне высоким рабочим давлением и малым рабочим объемом. Чтобы обеспечить герметичность и устойчивость к высокому давлению предпринимались попытки увеличить прочность подвижной и неподвижной спиралей и повысить надежность подшипников.
С этой целью Mitsubishi Electric исследовала параметры скольжения осевых подшипников подвижной спирали, Panasonic изучала деформацию механизма в результате воздействия давления и температуры.
Кроме того, было проведено множество исследований возможности применения спиральных детандеров и детандер-компрессоров для рекуперации энергии в процессе расширения в сверхкритическом цикле охлаждения. Компания Hitachi разработала прототип CO2-расширителя (детандера) и детандер-компрессорного агрегата с расширителем с одной стороны и осевым компрессором с другой стороны, построив на их основе чиллер для демонстрации эффективности такого решения.
Аналогичный прототип был создан и в Mitsubishi Electric. По итогам его испытаний выяснилась важность снижения потерь давления в каждом элементе конструкции, а также предотвращения утечки тепла из осевого компрессора в расширитель для эффективности рекуперации и использования энергии расширения.
Panasonic сообщает о моделировании детандер-компрессора, объединяющего двухступенчатый ротационный детандер и спиральный компрессор. Изучение теплового насоса для нагрева воды, оборудованного таким детандер-компрессором и обычным компрессором, показало возможность повышения коэффициента производительности (COP) на величину до 15% за чет рекуперации энергии в ходе расширения и улучшения алгоритмов управления.
Исследования также показали возможность повысить эффективность компрессоров для CO2 за счет применения двухступенчатого сжатия. В 2011 году компания Mitsubishi Heavy Industries (MHI), создала двухступенчатый компрессор для CO2, используя механизм ротационного типа для ступени низкого давления и спиральный механизм для ступени высокого давления. Данный компрессор был установлен в тепловой насос для нагрева воды коммерческого назначения. В последствии подобные двухступенчатые компрессоры нашли применение в конденсаторных блоках для холодильного и морозильного оборудования.
Хладагенты с пониженным ПГП
В качестве меры противодействия глобальному потеплению индустрия климата и искусственного холода снижает энергопотребление оборудования, повышая его эффективность, и переходит на хладагенты с более низким ПГП.
На сегодняшний день наибольшее внимание привлекают умеренно горючие хладагенты R32, R447A, R454A и негорючий хладагент R466A в качестве замены R410A в кондиционерах воздуха, а также R448A, R449A и R463А как альтернатива R404A для использования в холодильной и морозильной технике.
- В Японии в результате распространения хладагента R32 в качестве рабочего тела для бытовых и полупромышленных кондиционеров были разработаны компрессоры, наилучшим образом подходящие для работы с ним.
- Компания Daikin создала компрессор, отличающийся повышенной эффективностью и надежностью благодаря периодической смазке соприкасающихся частей спиралей и применению специальных масел, хорошо растворяющихся в R32 при низкой температуре.
- Для мульти-сплит-систем Mitsubishi Electric разработала компрессор с системой впрыска, препятствующей повышению температуры газа на линии нагнетания за счет подачи жидкого хладагента непосредственно в камеру всасывания до начала процесса сжатия. По сообщению компании, это решение предотвращает утечку холодильного масла, которое остается в герметично закрытом корпусе компрессора, а также сокращает потери из-за неэффективного сжатия.
В сегменте низкотемпературного оборудования также идет переход на хладагенты с пониженным ПГП. Для компрессорно-конденсаторных блоков компания Hitachi разработала инверторный компрессор повышенной эффективности с ассиметричной формой спирали и улучшенным портом нагнетания. Mitsubishi Electric предлагает компрессор, который может использовать как R410A, так и R463A, что позволяет организовать плавный переход на новый хладагент.
Исследуется возможность использования и природных хладагентов, таких как углеводороды и аммиак:
- Компания Emerson разработала спиральный компрессор с инверторным приводом, предназначенный для использования углеводородного хладагента R290. Конструкция, использующая корпус с низким давлением внутри, позволяет снизить объем заправки хладагента за счет меньшей растворимости R290 в холодильном масле и уменьшения количества газообразного хладагента внутри корпуса компрессора.
- Mayekawa разработала компрессор на R290 с инжекторным охлаждением для коммерческих высокотемпературных тепловых насосов. Данный компрессор имеет взрывозащищенную конструкцию, отличающуюся повышенной эффективностью и надежностью. В то же время исследуется возможность применения аммиака в качестве хладагента, в частности, путем моделирования определяется оптимальная конфигурация обмотки из алюминиевой проволоки.
Практика показывает, что спиральная конструкция подходит для различных видов и областей применения: наддува, жидкостных насосов, двигателей, детандеров на основе органического цикла Ренкина, компрессоров топливных ячеек. Ожидается, что в будущем сфера ее использования расширится еще больше.
Компрессоры центробежного и винтового типов
Центробежные компрессоры
Вот уже почти столетие холодильные компрессоры центробежного типа используются в мощных системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также в холодильных установках промышленного назначения. На сегодняшний день диапазон холодопроизводительности центробежных компрессоров простирается от 210 до 19 350 кВт (60 – 5 500 холодильных тонн). Для решений, требующих большой холодильной мощности, компрессоры центробежного типа являются наилучшем решением с точки зрения стоимости и эффективности. Принцип действия таких устройств заключается в непрерывном преобразовании кинетической энергии вращения крыльчатки в давление, сжимающее газ. Конструкция компрессоров центробежного типа позволяет сжимать значительные объемы газа.
Недавно верхнюю границу диапазона производительности инновационных безмасляных компрессоров удалось поднять до 5075 кВт (1450 х. т.), что значительно расширило область их применения. Безмасляные технологии существенно повышают энергоэффективность компрессоров центробежного типа, в том числе и в нештатных режимах эксплуатации. По этой причине спрос на безмасляные компрессоры стремительно растет, сегодня на их долю приходится почти 30% всего рынка центробежных компрессоров для чиллеров.
Развитие технологии центробежных компрессоров
За последние десятилетия появилось множество технологических инноваций. Это и переход от систем с постоянной скоростью вращения к частотно-регулируемым приводам (VFD), и появление инновационных безмасляных компрессоров, использующих, в частности, активную магнитную подвеску, и создание высокоэффективных крыльчаток с 3D-лопатками, форма которых получена при помощи моделирования методами вычислительной гидродинамики, и внедрение новых эффективных хладагентов, сочетающих негорючесть с низким ПГП, таких как R1233zd(E). В результате энергоэффективность компрессоров центробежного типа существенно повысилась. Кроме того, сочетание безмасляной технологии с частотно-регулируемым приводом не только повысило эффективность и расширило область применения компрессоров, но и изменило их традиционную конструкцию.
От постоянной скорости вращения к регулируемой
Традиционный центробежный компрессор — одноступенчатый с повышающей передачей, приводящейся в движение двухполюсным индукционным электродвигателем переменного тока. Ведущие производители чиллеров в США, такие как Carrier, YORK и McQuay (Daikin Applied), применяли эту конструкцию на протяжении долгого времени, подобные модели выпускаются до сих пор. В то же время Trane традиционно использовала двух- или трехступенчатую конструкцию с прямым приводом от двухполюсного индукционного электродвигателя переменного тока с постоянной скоростью вращения. В компрессорах такой конструкции применяются хладагенты низкого давления.
В 1990-х годах из-за постепенного отказа от хлорфторуглеродных (ХФУ) и гидрохлорфторуглеродных (ГХФУ) хладагентов низкого давления, таких как R11 и R123, производители чиллеров из Японии и других стран Азии разработали двухступенчатые компрессоры, использующие хладагент среднего давления R134a. Привод таких компрессоров оснащается повышающей передачей, а в чиллер встраивается экономайзер для повышения эффективности. Сегодня такая конструкция стала стандартом для Азии. Для управления производительностью этих компрессоров используют (вместе или по отдельности) изменение положения лопаток направляющего аппарата (IGV) на входе и сопла (диффузоры) с изменяемой геометрией на выходе. Разработка различных способов управления геометрией сопла позволила существенно расширить эффективный рабочий диапазон компрессоров. В дополнение к перечисленному, производительность компрессора может управляться изменением скорости вращения. С этой целью существующие двухполюсные индукционные электродвигатели комплектуются системой частотного регулирования (VFD).
Безмасляные компрессоры с регулируемой скоростью
В начале 2000-х годов конструкция центробежных компрессоров существенно изменилась: появление инновационных безмасляных решений на основе высокоскоростных электродвигателей на постоянных магнитах и с частотным регулированием привода позволило отказаться от повышающей передачи и системы смазки.
На сегодняшний день существуют одно- и двухступенчатые компрессоры с прямым приводом на основе индукционных электродвигателей переменного тока или моторов на постоянных магнитах. В последнее время широкое распространение получили двухступенчатые компрессоры с расположением крыльчаток «спина-к-спине» для уменьшения нагрузки на безмасляные подшипники (магнитную подвеску). Помимо управления частотой вращения, для регулирования производительности таких компрессоров могут использоваться (вместе или по отдельности) направляющие аппараты (IGV) и сопла (диффузоры) с изменяемой геометрией.
Новые альтернативные хладагенты для чиллеров
Компрессоры центробежного типа рассчитаны на сжатие большого объема газа, и поэтому в них использовали, в основном, хладагенты низкого давления, для которых характерен больший объем всасывания на единицу холодильной мощности. Однако в настоящее время в центробежных компрессорах применяются и хладагенты среднего давления. При равной холодопроизводительности объем всасывания для хладагентов среднего давления примерно на 20% меньше, чем для хладагентов низкого давления, что позволяет уменьшить габариты компрессора и снизить его стоимость. С другой стороны, эффективность цикла у хладагентов низкого давления, как правило, выше. Выбор подходящего хладагента представляет собой поиск «золотой середины» между ПГП, горючестью и производительностью цикла.
Существующие альтернативные хладагенты перечислены в таблице:
Альтернативные хладагенты с низким ПГП для компрессоров большой мощности (по состоянию на 2021 год)
Среди хладагентов низкого давления наиболее многообещающими вариантами представляются R1233zd(E) и R1224yd(Z), созданные для применения в чиллерах на базе компрессоров центробежного типа. Эти хладагенты не горючи, имеют низкий ПГП и по производительности сравнимы с R123. В 2014 году компания Trane Europe впервые представила линейку чиллеров на базе центробежных компрессоров, использующую R1233zd(E). Ведущие производители чиллеров, такие как YORK, Carrier и Daikin Applied также выпустили безмасляные чиллеры на R1233zd(E). Компания Ebara предлагает чиллеры с компрессорами центробежного типа на хладагенте R1224yd(Z), который рассматривается как альтернатива для R245fa.
Широкое распространение в Европе получил умеренно горючий (A2L) хладагент R1234ze(E), представляющий собой перспективную альтернативу хладагенту среднего давления R134a для использования в чиллерах водяного и воздушного охлаждения на базе как центробежных, так и винтовых компрессоров. Компания Mitsubishi Heavy Industrial Thermal Systems (MHI) использует R1234ze(E) в больших чиллерах на базе центробежных компрессоров холодопроизводительностью от 1000 до 8800 кВт. R513A чаще применяют там, где законодательство очень жестко ограничивает использование горючих хладагентов. Недавно был выпущен хладагент R515B, которому присвоен класс A1 (негорючий). Новинка, ПГП которой меньше, чем у R513A, предлагается в качестве замены R134a и представляет собой азеотропную смесь R1234ze(E) и R227ea. Даже с учетом вышесказанного следует признать, что эффективные альтернативы для R134a, которые бы сочетали ультранизкий ПГП с негорючестью, пока недоступны.
Будущее технологий для компрессоров центробежного типа
Компрессоры центробежного всегда считались решением, более подходящим для ситуаций, требующих большой холодильной мощности. При этом на протяжении долгого времени ведутся исследования и разработки в области малых центробежных компрессоров для бытовых или малых полупромышленных тепловых насосов.
Жан-Батист Карре (Jean-Baptiste Carré) в 2016 году сообщил об экспериментальном исследовании, в рамках которого был создан бытовой тепловой насос «воздух-вода» мощностью 6 кВт на базе безмасляного двухступенчатого компрессора на подшипниках с газовой смазкой. По габаритам данный компрессор сопоставим с существующими спиральными компрессорами на хладагенте R410A.
В 2018 году К. Контомарис (K. Kontomaris) с соавторами опубликовали отчет об исследовании, направленном на выявление оптимального хладагента для центробежных компрессоров малой и средней мощности (от 10 до 250 кВт), подшипники которых используют газовую смазку. Исследование показало, что хладагенты среднего давления позволяют достичь высокой энергоэффективности при применении в малогабаритных компрессорах с высокой скоростью вращения.
Вода (R718) является идеальным хладагентом для парокомпрессионных систем, так как она нетоксична, не горюча, не способствует глобальному потеплению и сравнима по эффективности с традиционными гидрофторуглеродными (ГФУ) хладагентами. При этом объем всасывания для воды должен быть примерно в 160 больше, чем для R134a. Следовательно, необходимы большие центробежные и осевые компрессоры с высокой степенью сжатия.
Разработка чиллеров, использующих воду в качестве хладагента, ведется в контексте ограничений производства и потребления фторуглеродов. В 2010-х годах компания Kobelco применила осевой компрессор на воде при создании водоохлаждаемого чиллера. В 2013 году Kawasaki Heavy Industries выпустила на рынок 350-киловаттный чиллер на базе центробежного компрессора, использующего воду в качестве хладагента. Компания Efficient Energy предложила небольшой водоохлаждаемый чиллер на воде под названием eChiller. Первоначально мощность устройства на базе центробежного компрессора составляла 35/45 кВт, но в 2020 году была увеличена до 120 кВт.
В 2020 году, Е. Верп (Е. Verpe) с соавторами опубликовали результаты исследования применения воды как хладагента для тепловых насосов. В экспериментальном исследовании изучалась работа высокотемпературного теплового насоса на базе двухступенчатого компрессора центробежного типа, способного поднять температуру насыщения водяного пара с 100 до 146°С.
Винтовые компрессоры
Прогресс технологий
Винтовой компрессор — это компрессор объемного сжатия, в котором поступивший со стороны всасывания газообразный хладагент сжимается за счет уменьшения содержащего его объема при вращении прилегающих роторов.
Существуют три вида винтовых компрессоров: сдвоенного типа, с одним винтом и трехроторные. Компрессоры сдвоенной конструкции, включающей ведущий и ведомый роторы, появились в 1930-х годах и на сегодняшней день являются основным видом винтовых компрессоров на рынке. Первый полугерметичный винтовой компрессор сдвоенного типа с системой впрыска масла, предназначавшийся для использования в составе чиллеров с водяным охлаждением конденсатора, был создан в 1960-х годах. Он появился в качестве ответа на потребность рынка в устройстве, холодопроизводительность которого была бы выше доступной поршневым компрессорам, но при этом ниже, чем у компрессоров центробежного типа. Компрессор с одним винтовым ротором и двумя ведомыми шестернями применяется в системах охлаждения с 1970-х годов. Трехроторная конструкция с регулируемой скоростью вращения, состоящая из одного ведущего и двух ведомых роторов, была разработана для использования в чиллерах с водяным охлаждением в начале 2000-х годов. Эти виды компрессоров отличаются компоновкой, но построены на одном и том же принципе.
Габариты винтовых компрессоров ограничены возможной деформацией роторов, максимально допустимой нагрузкой на подшипники и предельной скоростью вращения. Однако нет существенных ограничений, касающихся разности давлений. Это заметно расширяет рабочий диапазон и, соответственно, область применения винтовых компрессоров. В результате они используются в водо- и воздушноохлаждаемых чиллерах, тепловых насосах, холодильных установках и промышленном оборудовании для сжижения газа.
Основными факторами, влияющими на эффективность винтовых компрессоров, являются утечки из-за неплотного прилегания роторов и потери из-за трения при движении роторов друг относительно друга. За последние несколько лет при помощи современных инструментов компьютерного моделирования и усовершенствования технологий производства форма роторов была оптимизирована.
В результате, общую эффективность винтовых компрессоров удалось повысить до уровня, соответствующего или даже превышающего эффективность малых и средних компрессоров центробежного типа. Одновременно с этим внедрение систем регулирования, управляющих скоростью вращения моторов на постоянных магнитах и использующих переменное объемное отношение (VVR), позволило повысить эффективность работы винтовых компрессоров в нештатных условиях.
Винтовые компрессоры для природных хладагентов
С ужесточением ограничений, касающихся потребления ГФУ, в холодильных системах и промышленном оборудовании все шире используются природные хладагенты. Ведущие поставщики компрессоров расширяют линейки устройств винтового типа, рассчитанных на работу с природными хладагентами.
Аммиак используется в качестве хладагента для промышленного холодильного оборудования на протяжении многих лет. Этот хладагент отличается высокой эффективностью цикла и низкой стоимостью, но при этом токсичен и способен вступать в реакцию с медью:
- Компании Kobelco и Mayekawa разработали и выпустили на рынок полугерметичные одно- и двухступенчатые винтовые компрессоры для аммиака. Для предотвращения коррозии обмотки электродвигателей этих компрессоров выполнены из алюминия.
- Svenska Rotor Maskiner (SRM), входящая в Snowman Group, также представила линейку полугерметичных одно- и двухступенчатых винтовых компрессоров для аммиака с алюминиевыми обмотками электродвигателей.
- GEA разработала полугерметичные винтовые компрессоры на аммиаке для использования в составе систем кондиционирования воздуха.
На сегодняшний день диоксид углерода (CO2) признан надежным и экологически безопасным хладагентом для систем охлаждения супермаркетов и промышленного холодильного оборудования:
- Компания GEA поставляет компрессоры для CO2 с приводом открытого типа, рассчитанные на давление в 6,3 МПа. В их конструкции использованы роторы высокой прочности с комбинацией канавок 6/8.
Пропан (R290) – высокоэффективный хладагент с низким ПГП, имеющий класс пожароопасности А3 (горючий). Он применяется не только в бытовых кондиционерах, но и в холодильных установках и чиллерах:
- Компании Bitzer и Frascold выпускают полугерметичные винтовые компрессоры мощностью от 40 до 390 л. с. (30 – 286 кВт), специально разработанные для использования с R290.
Будущее технологий для винтовых компрессоров
Усилия многих инженеров сконцентрированы на оптимизации профиля роторов винтовых компрессоров сдвоенного типа. Кроме того, ведутся работы по поиску оптимальной компоновки элементов конструкции с одним ротором. Результаты исследования нового типа однороторных винтовых компрессоров с тремя канавками на главном роторе и десятизубцовыми ведомыми звездочками опубликовали А. Данпут (A. Dhunput) с соавторами в 2019 году. Как сообщается, новая конфигурация повышает интегральный показатель эффективности при неполной нагрузке (IPLV) на 7% по сравнению с традиционной компоновкой.
Считается, что хладагенты низкого давления не подходят для компрессоров объемного сжатия винтового типа. Однако в 2018 году была опубликована работа М. Акеи (M. Akei), описывающая конструкцию, включающую винтовой мини-компрессор для хладагента низкого давления. По габаритам и мощности этот компрессор, использующий два сдвоенных ротора, приводимых в движение высокоскоростным электродвигателем на постоянных магнитах, сравним с существующими спиральными компрессорами на R410A.
Винтовые детандеры для органического цикла Ренкина
Системы, использующие органический цикл Ренкина для преобразования бросового тепла в электроэнергию, находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Как правило, эти установки, также называемые бинарными генераторами, так как они одновременно производят тепло и электричество, используют в качестве рабочего тела хладагенты низкого давления, такие как R245fa, R1233zd(E) и R1224yd(Z).
В подобных системах применяют детандеры центробежного и винтового типов. Kobelco разработала микросистему бинарной генерации на базе полугерметичного винтового детандера, способную производить до 72 кВт электроэнергии и подавать горячую воду. В качестве источника тепла используется отводящая бросовое тепло вода, нагретая до 70-95°С.
Источник:
Ограничение производства хладагентов