Спиральный компрессор

Спиральный компрессор — это тип объёмного компрессора, в котором сжатие рабочей среды (газа, пара или смеси) происходит за счёт взаимодействия двух спиральных элементов, один из которых совершает планетарное движение относительно другого, не имея вращения вокруг собственной оси. Относится к классу роторных компрессоров с внутренним сжатием.

Принцип действия

Рабочий процесс спирального компрессора основан на принципе спирального сжатия, впервые описанном французским инженером Леоном Круа в 1905 году. Основными рабочими элементами являются две идентичные спирали (обычно эвольвентные или архимедовы), одна из которых неподвижна (статор), а вторая (ротор) совершает планетарное движение — вращается вокруг центра статора по круговой орбите, не поворачиваясь вокруг собственной оси.

При движении ротора между витками спиралей образуются серповидные полости, которые последовательно перемещаются от периферии к центру, уменьшаясь в объёме. Газ всасывается в периферийные полости, затем по мере движения к центру сжимается, и в центральной зоне через выпускное отверстие выбрасывается в нагнетательный трубопровод. Процесс сжатия непрерывный, без пульсаций, характерных для поршневых компрессоров.

История

Первые патенты на спиральные компрессоры были получены в начале XX века (Леон Круа, 1905), однако практическое применение началось лишь в 1970-х годах. Основные препятствия — сложность точной механической обработки спиральных поверхностей и отсутствие подходящих материалов.

В 1980-х годах японская компания Sanden Corporation (ныне Sanden Holdings) впервые запустила серийное производство спиральных компрессоров для автомобильных кондиционеров. В 1990-х годах технология получила широкое распространение в системах кондиционирования и холодильной технике благодаря компании Copeland (ныне Emerson Climate Technologies), которая разработала серию компрессоров Copeland Scroll.

В России серийное производство спиральных компрессоров началось в 2000-х годах на предприятиях, специализирующихся на холодильном и климатическом оборудовании.

Классификация

Спиральные компрессоры классифицируются по нескольким признакам:

По герметичности

Открытые — имеют отдельный привод (электродвигатель) через муфту или ременную передачу. Используются в крупных промышленных установках.
Полугерметичные — электродвигатель и компрессорный блок размещены в одном корпусе, но доступ к внутренним частям возможен через разъёмные соединения.
Герметичные (закрытые) — весь агрегат (двигатель и компрессор) заключён в герметичный корпус, неразборный. Наиболее распространены в бытовой и коммерческой технике.

По типу рабочей среды

Холодильные — для работы с хладагентами (R134a, R410A, R32, R290 и др.).
Воздушные — для сжатия воздуха (пневматика, промышленные системы).
Газовые — для природного газа, азота, углекислого газа и других газов.

По числу ступеней сжатия

Одноступенчатые — сжатие за один оборот ротора.
Двухступенчатые — два последовательно соединённых спиральных блока для повышения степени сжатия.

Устройство и основные компоненты

Типичный герметичный спиральный компрессор состоит из следующих узлов:

Корпус — герметичный стальной или алюминиевый кожух, выдерживающий рабочее давление.
Спирали (статор и ротор) — высокоточные детали, изготовленные из чугуна, алюминиевых сплавов или стали с покрытием. Поверхности спиралей обрабатываются с допусками в единицы микрометров.
Эксцентриковый вал — передаёт вращение от электродвигателя на ротор, обеспечивая планетарное движение.
Антифрикционные подшипники — скольжения или качения, воспринимающие радиальные и осевые нагрузки.
Впускной и выпускной клапаны — впускной обычно отсутствует (газ поступает через периферийные отверстия), выпускной — пластинчатый или шариковый.
Электродвигатель — асинхронный или синхронный, в герметичном исполнении, охлаждаемый всасываемым газом.
Масляная система — масло подаётся в зону трения для смазки и уплотнения зазоров.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики спиральных компрессоров:

Производительность — от 0,5 до 500 м³/ч (в зависимости от модели).
Степень сжатия — до 8–10 в одноступенчатом исполнении, до 20–30 в двухступенчатом.
Рабочее давление — до 3,0 МПа (30 бар) для одноступенчатых, до 5,0 МПа (50 бар) для двухступенчатых.
Частота вращения — обычно 1500–3000 об/мин (для сетей 50/60 Гц), возможна регулировка частотным приводом.
КПД — изотермический КПД до 0,75–0,85, адиабатический — до 0,70–0,80.
Уровень шума — 50–70 дБ(А) в зависимости от модели и режима работы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая надёжность и долговечность (отсутствие клапанов всасывания, минимальное количество движущихся частей).
Низкий уровень вибрации и шума (плавное, непрерывное сжатие).
Высокий КПД в широком диапазоне нагрузок.
Малые габариты и масса по сравнению с поршневыми аналогами.
Возможность работы с различными хладагентами, включая углеводороды (пропан, изобутан).

Недостатки

Сложность и высокая стоимость изготовления спиралей (требуется прецизионная обработка).
Чувствительность к жидкой фазе рабочей среды (гидроудар может разрушить спирали).
Ограниченная степень сжатия в одноступенчатом исполнении.
Сложность ремонта герметичных моделей (замена всего блока).

Применение

Спиральные компрессоры находят широкое применение в различных отраслях:

Холодильная техника — бытовые и промышленные холодильники, морозильные камеры, витрины, чиллеры.
Кондиционирование воздуха — оконные, сплит-системы, мультизональные системы (VRF/VRV), центральные кондиционеры.
Тепловые насосы — воздушные, грунтовые, водяные тепловые насосы для отопления и горячего водоснабжения.
Пневматика — компрессоры для сжатого воздуха в мастерских, на производстве, в медицине.
Газовая промышленность — сжатие природного газа, азота, углекислого газа, гелия.
Автомобильная промышленность — кондиционеры, системы охлаждения аккумуляторов электромобилей.

Интересные факты

Первый спиральный компрессор был запатентован в 1905 году, но коммерческое применение началось лишь спустя 70 лет.
В 2000-х годах компания Copeland выпустила компрессор с ресурсом более 100 000 часов непрерывной работы.
Спиральные компрессоры используются в космической технике (например, в системах терморегулирования МКС).
В 2020-х годах активно развиваются спиральные компрессоры с переменной частотой вращения (инверторные), позволяющие плавно регулировать производительность.

Источники

Круа Л. Патент FR 372, 1905.
Emerson Climate Technologies. Copeland Scroll Compressor Technical Manual, 2018.
Sanden Holdings. Scroll Compressor Product Catalog, 2020.
ГОСТ 28567-90. Компрессоры. Термины и определения.
Бурмистров А. В. Компрессорные машины. — М.: Машиностроение, 2015.
Шарков А. И. Спиральные компрессоры: теория и практика. — СПб.: Политехника, 2012.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →