Спиральный компрессор "сухого сжатия" Российский патент 2024 года по МПК F04C18/02 F04C18/04 F04C29/04 

Изобретение относится к области компрессорной техники, в частности к спиральным компрессорам «сухого сжатия».

Известен спиральный компрессор «сухого» сжатия с водяным охлаждением, содержащий согласованные друг с другом неподвижную и подвижную спирали. При этом по центру перьев неподвижной спирали образованы сквозные отверстия, перпендикулярные основанию подвижной спирали, для подачи воды из зоны водяного охлаждения, расположенной на задней стороне неподвижной спирали, в область контакта спиралей (патент на изобретение CN 111365234 А, кл. F04C 18/02, F04C 29/00, F04C 29/04, F04C 29/02, опубл. 03.07.2020). Нагнетательный патрубок расположен на основании неподвижной спирали и соединен с газожидкостным сепаратором. Подведенная в область контакта спиралей вода поглощает тепло, выделяемое при сжатии газа, после чего образовавшийся газ высокого давления вместе с водяным паром поступает в газожидкостной сепаратор из нагнетательной трубы. Вода, отделенная газожидкостным сепаратором, проходит через водоприемный патрубок и далее поступает в зону водяного охлаждения неподвижной спирали. Охлаждающая вода циркулирует через сквозные отверстия в перьях неподвижной спирали, а при попадании в камеру сжатия спирального компрессора контактирует с подвижной спиралью, охлаждая спирали и сжимаемый газ. Это приводит к снижению температуры подвижной и неподвижной спиралей и уменьшает их общую деформацию. Такой способ охлаждения обеспечивает отвод тепла, и как следствие, снижение температуры нагнетания в безмасляном режиме высокого давления, в результате чего деформации спиралей малы, а объемная эффективность высока за счет того, что вода по перьям спирали сначала поступает в специальные канавки, играющиероль смазки и уплотнения, что снижает общее число перетечек. После чего охлаждающая вода поступает в полость сжатия компрессора, играя роль охлаждения и уплотнения. Недостатком данного метода охлаждения является невозможность использования в качестве сжимаемого вещества холодильного агента ввиду того, что для представленной конструкции подвода охлаждающей воды требуется ее непосредственный контакт с сжимаемым веществом. В данном случае невозможно говорить о высокой эффективности такого метода охлаждения. К тому же, усложняется конструкция спирального компрессора в связи с дополнительной системой водяного охлаждения, что приводит к значительному увеличению высоты основания неподвижной спирали, а также затрудняется техническая задача по обеспечению сквозных отверстий в перьях неподвижных спиралей.

Известен спиральный компрессор «сухого» сжатия с водяным охлаждением, в котором используется канал охлаждения не только на перьях неподвижной спирали, но и в ее основании. Данные каналы охлаждения сообщены между собой для формирования последовательного контура охлаждения неподвижной спирали охлаждающей жидкостью. Данный способ позволяет увеличить площадь охлаждения неподвижной спирали для повышения энергоэффективности компрессора, но значительно усложняет конструкцию крышки компрессора и холодильной системы в целом, так как для осуществления подвода жидкости требуется увеличение площади основания спирали, а также установка дополнительного оборудования, (патент CN 101900116 А, кл. F04C 18/02, F04C 29/04, опубл. 01.12.2010)

В описанных известных решениях применение канала для подвода охлаждающей жидкости, выполненного практически по всей высоте пера неподвижной спирали, значительно снижает жесткость и прочность неподвижной спирали, что может способствовать быстрому выходу из строя спирального компрессора и, соответственно, холодильной системы в целом. Данное обстоятельство также может способствовать ограничению применения компрессора в соответствии с допустимой высотой пера спиралей.

Наиболее близким техническим решением является спиральный компрессор «сухого» сжатия, в основании спиралей которого расположены охлаждающие змеевики (патент на изобретение CN 101324235 А, кл. F04C 29/04, кл. F04C 18/02, опубл. 15.09.2008). Каналы подвижной и неподвижной спиралей, обеспечивающие их постоянное охлаждение, последовательно соединены между собой при помощи трубок и могут быть сообщены с холодильной системой.

Недостатками известного технического решения являются:

1. Усложнение конструкции, а также процесса сборки, следовательно, выше частота отказов работы при малейших недочетах.

2. Недостаточно высокая эффективность охлаждения (низкий коэффициент теплоотдачи) из-за нерационального расположения охлаждающих змеевиков. Змеевики забирают тепло от нагретых оснований спиралей, и отделены от непосредственного процесса сжатия значительной толщиной металла.

3. Отсутствие информации касательно регулировки скорости охлаждающего потока жидкости, проходящего через змеевики, следовательно, невозможно предугадать эффективность данного метода в условиях различных режимов работы спиральной машины.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является упрощение конструкции спирального компрессора «сухого» сжатия и интенсификация протекающего в нем процесса охлаждения сжимаемого газа, за счет размещения элементов подвода охлаждающего агента непосредственно в теле охлаждаемых элементов компрессора, а также за счет организации комбинированной системы охлаждения.

Технический результат достигается тем, что в спиральном компрессоре «сухого» сжатия, содержащем согласованные друг с другом подвижную спираль и неподвижную спираль и охлаждающие каналы, связанные с подводом и отводом холодильного агента, охлаждающие каналы выполнены в виде гибкой трубки, проходящей через сквозные отверстия, выполненные в основании неподвижной спирали, при этом по центру пера неподвижной спираливыполнены отверстия для ввода и вывода гибкой трубки в перо неподвижной спирали, а само перо неподвижной спирали выполнено с канавкой, сообщенной с этими отверстиями, причем гибкая трубка проходит через отверстия по центру пера неподвижной спирали и размещена в канавке пера под уплотнительным элементом.

Кроме того, в изобретении может иметь место следующее:

- канавка может быть выполнена с выступами в сторону основания неподвижной спирали, при этом гибкая трубка размещена в выступах канавки с волнообразным изгибом;

- гибкая трубка может выполнена круглого сечения, при этом свободное пространство между стенками канавки пера и гибкой трубкой заполнено теплопроводящим наполнителем;

- гибкая трубка может быть выполнена прямоугольного сечения;

- сквозное отверстие в основании пера неподвижной спирали для ввода гибкой трубки в перо неподвижной спирали выполнено с углом, меньшим угла закрутки спирали на 5÷30°;

- отвод трубки из пера неподвижной спирали осуществляется в положении, которое соответствует конечному углу закрутки этой спирали.

Сущность изобретения поясняется к графически, где:

на фиг. 1 представлено продольное сечение спирального компрессора с подводом охлаждающего холодильного агента;

на фиг. 2 укрупненно показано место I на фиг. 1;

на фиг. 3 показано сечение А-А фиг.1

на фиг. 4 показан вариант размещения в пере неподвижной спирали компрессора охлаждающих трубок круглого сечения; на фиг.5 представлено сечение Б-Б фиг.4;

на фиг. 6 показан вариант размещения в пере неподвижной спирали компрессора охлаждающих трубок прямоугольного сечения.

на фиг. 7 представлена схема работы спирального компрессора в составе холодильной системы;

Спиральный компрессор содержит корпус 1 электродвигателя, корпус 2 компрессора и крышку 3 компрессора. В верхней части корпуса 1 электродвигателя находится патрубок всасывания 4, патрубок нагнетания 5 расположен в крышке 3 компрессора. Основными рабочими элементами являются подвижная и неподвижная спирали 6 и 7, согласованные друг с другом. Подвижная спираль 6 установлена на эксцентриковом валу и совершает орбитальное движение с эксцентриситетом относительно неподвижной спирали 7 с образованием замкнутых полостей, объем которых уменьшается от периферии к центру. По всему перу профиля неподвижной спирали 7 выполнена канавка 8, в которой уложена гибкая трубка 9 для подвода охлаждающего холодильного агента.

Для входа и выхода гибкой трубки 9 части основания неподвижной спирали 7 выполнены отверстия 10 и 11. Отверстия для прохождения трубки 9 также выполнены в корпусе 2 и крышке 3 компрессора, а для подвода и отвода трубки 9 в перо неподвижной спирали 7 в середине пера спирали 7 выполнены сквозные отверстия 12 и 13. Подвод трубки в перо неподвижной спирали происходит через отверстие 10, выполненное в основании неподвижной спирали 7 под углом к поверхности спирали 7, которое учитывает конструктивное исполнение обратного клапана 15. Сквозное отверстие 12 расположено с учетом величины угла β недоввода (см. фиг. 3), обеспечивающего отсутствие пересечения отверстия 12 с начальным углом закрутки α спирали 7. Учет угла β недовода гарантирует лучшие характеристики компрессора, поскольку концевые участки спиралей имеют суживающуюся форму, и, следовательно, близкое расположение отверстия на конце неподвижной спирали может привести к прорыву газа и повреждению спиралей в процессе эксплуатации компрессора.

Угол недоввода β меньше угла закрутки α спирали 7 на 5÷30°:

β=α-(5-30)°

При отклонении от данного диапазона энергетические характеристики спирального компрессора ухудшаются из-за увеличения потерь от прорыва газа в окно нагнетания, а также возможного повреждения спиралей.

Отвод трубки 9 из пера неподвижной спирали 7 осуществляется через отверстие 13, в положении, которое соответствует конечному углу закрутки спирали 7. При этом направление расположения сквозных отверстий 11 и 13 перпендикулярно поверхности основания спирали 7. С целью охлаждения сжимаемого и всасываемого холодильного агента, трубка 9 проходит по всей длине пера неподвижной спирали 7 и расположена в канавке 8 под уплотнительной лентой 14.

При отсутствии необходимости охлаждения всасываемого холодильного агента, например, при его подводе непосредственно в полость спирального компрессора, минуя обмотки электродвигателя, охлаждающая трубка 9 может быть расположена в пере неподвижной спирали начиная с момента начала сжатия холодильного агента.

Трубка 9 расположена внутри канавки 8 пера неподвижной спирали 7 в положении, отстоящем внутрь от торцевой поверхности неподвижной спирали 7 на расстоянии, равном или превышающем глубину уплотнительного элемента 14. Размеры трубки 9 должны быть меньше толщины спиралей и могут корректироваться в зависимости от изменения параметров спиралей.

По центру основания неподвижной спирали 7 со стороны крышки 3 установлен обратный клапан 15.

Помимо охлаждения спирального компрессора бесконтактным способом в нем также используется система контактного охлаждения, представляющая собой дополнительный впрыск холодильного агента в полость сжатия через отверстия 16 при промежуточном давлении. Непосредственный впрыск обеспечивает дополнительное охлаждение компрессора. При этом в торцевой пластине неподвижной спирали 7 предусмотрены обратные клапаны 17, 18 с целью перекрывания обратного потока холодильного агента из полостей сжатия компрессора через отверстия 16 для впрыска хладагента. Холодильный агентпоступает из холодильной системы согласно циклу работы, представленному на фиг.7.

Таким образом, интенсифицируется процесс теплообмена с целью снижения температуры холодильного агента в рабочем процессе и элементов конструкции спирального компрессора.

Трубка 9, через которую осуществляется подвод холодильного агента к перу неподвижной спирали 7 компрессора, может быть выполнена в различных вариантах конструктивного исполнения.

В одном из вариантов трубка 9 может быть выполнена круглого сечения (фиг.4). Однако, в данном случае появляется пространство между уплотнительной лентой 14 и трубкой 9, которое необходимо заполнять специальным теплопроводящим наполнителем с целью исключения попадания в свободное пространство холодильного агента из полости высокого давления. Это, в свою очередь, приводит к снижению эффективности процесса теплообмена. Для повышения интенсивности охлаждения можно использовать трубки 9 круглого сечения, изогнутые в сечении пера неподвижной спирали с некоторым шагом Н (фиг. 5). Для этого канавка 14 выполняется с выступами, в которых трубка 9 располагается с волнообразным изгибом. При этом пространство между уплотнительной лентой 14 и трубкой 9 также заполняется специальным теплопроводящим наполнителем.

В другом варианте трубка 9 может быть выполнена прямоугольного сечения (фиг. 6). Такое исполнение позволяет исключить появление неэффективного пространства, которое требуется заполнять теплопроводящим наполнителем, а также интенсифицировать процесс теплообмена при работе спирального компрессора в холодильной системе. Трубка 9 с прямоугольным сечением отводит больше тепла от нагретых частей спирали и, как следствие, от самого холодильного агента в рабочем процессе спирального компрессора.

При выборе того или иного варианта конструктивного выполнения трубки 9 следует учитывать, что охлаждающие трубки прямоугольного сечения не должны загромождать более 1/3 от общей высоты пера неподвижной спирали 7компрессора, а трубки круглого сечения, изогнутые с определенным шагом не должны занимать более 1/2 от общей высоты пера неподвижной спирали компрессора. Данные условия обусловлены необходимостью обеспечения необходимой жесткости и прочности спиралей 6 и 7 с учетом подбора их оптимальной толщины.

Как правило, в спиральном компрессоре толщина пера спиралей неизменна во всем диапазоне изменения угла закрутки. Однако, возможен вариант, при котором толщина пера спиралей изменяется от начала и до конца угла закрутки («гибридный» профиль спирали) В случае применения такого профиля размеры трубки подбираются относительно наименьшей толщины спирали. При этом обеспечивается большая прочность и жесткость спиралей и компрессора в целом при прочих равных условиях.

На фиг. 7. представлена схема работы спирального компрессора в составе холодильной системы охлаждения или кондиционирования воздуха. Холодильная система помимо спирального компрессора включает в себя конденсатор 19, расширительный вентиль 20, испаритель 21, а также теплообменник 22 и капиллярную трубку 23. Теплообменник 22 связан с компрессором через линию отвода охлаждающего холодильного агента и может быть установлен непосредственно на корпусе 2 или крышке 3 компрессора, что обеспечивает более компактную и упрощенную конструкцию, исключает необходимость в промежуточных трубках и в изоляции линии подачи жидкого холодильного агента, чтобы ограничить потери температуры и давления.

Холодильный агент проходит через холодильную систему охлаждения или кондиционирования воздуха и в различных точках цикла работы может находиться как в жидком, так и в парообразном состоянии, а также холодильный агент может занимать промежуточное парожидкостное состояние.

Ввиду того, что холодильный агент охлаждается не только на стадии его сжатия, но и в процессе всасывания, снижается влияние несовершенства элементов конструкции компрессора, уменьшается величина дополнительногоперегрева и, соответственно, оказывается комплексное влияние на снижение температуры нагнетания холодильного агента.

Работа спирального компрессора в составе холодильной системы охлаждения или кондиционирования воздуха осуществляется следующим образом.

Холодильный агент в парообразном состоянии через всасывающий патрубок 4 поступает в корпус 2 компрессора, частично нагревается, принимая теплоту от обмоток электродвигателя, расположенного в корпусе 1, совмещенного с корпусом 2 компрессора, нагретых стенок корпуса 2 и деталей компрессора, и далее поступает непосредственно в полость всасывания спирального компрессора. По мере вращения подвижной спирали 6 относительно неподвижной спирали 7 между ними образуются замкнутые полости, объем которых уменьшается от периферии к центру. При этом происходит сжатие холодильного агента с повышением его температуры и давления. В процессе вращения подвижной спирали 6 по отверстию 10 пера неподвижной спирали 7 через ее основание подается жидкий холодильный агент, который прошел охлаждение в конденсаторе 19. При этом на охлаждение сжимаемого газа подается только часть от общего потока жидкого холодильного агента в цикле работы холодильной машины. При прохождении холодильного агента через трубку 9 в пере неподвижной спирали 7 происходит процесс его частичного испарения, следовательно, для охлаждения используется парожидкостная смесь. Испарение этого жидкого хладагента будет обеспечивать охлаждение, как всасываемого и сжимаемого газа, так и деталей спирального компрессора, что приведет к комплексному снижению температуры нагнетаемого газа. Далее холодильный агент в состоянии парожидкостной смеси подается в теплообменник 22 для его охлаждения, после чего происходит процесс его дросселирования при помощи капиллярной трубки 23 до нужного промежуточного давления. Требуемое промежуточное давление обеспечивается числом закрутки витков капиллярной трубки. Далее парожидкостная смесь холодильного агента разделяется на две равные части и впрыскивается в камерусжатия спирального компрессора через отверстия 16. Обратные клапаны 17 и 18 расположены на торцевой пластине основания неподвижной спирали 7 с целью перекрытия обратного потока холодильного агента из полостей сжатия компрессора через отверстия 16. При впрыске холодильного агента в полость сжатия при промежуточном давлении происходит его смешение с основным потоком хладагента в холодильном цикле.

Далее сжатый и охлажденный холодильный агент после прохождения через нагнетательный патрубок 5 поступает под высоким давлением в конденсатор 19, где он конденсируется до жидкого состояния.

Линия общего жидкостного потока после конденсатора разветвляется на линии основного и дополнительного потока. По линии дополнительного потока холодильный агент в небольшом количестве поступает в компрессор для охлаждения сжимаемого холодильного агента. При общей работе холодильной системы по линии основного потока сконденсированный жидкий холодильный агент высокого давления расширяется, как правило, через расширительный вентиль 20 до более низкого давления кипения и парожидкостного состояния. После этого он поступает в испаритель 21, где происходит процесс его кипения до насыщенного парообразного состояния, после чего газообразный холодильный агент поступает на всасывание в патрубок 4 компрессора. Далее цикл повторяется.

Следует отметить, что в теплообменнике 22 в качестве охлаждающего вещества может быть использован как воздух (для холодильных систем с компрессором низкой производительности), так и вода (для холодильных систем с компрессором более высокой производительности).

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в холодильных спиральных компрессорах «сухого» сжатия при их работе в холодильных системах и системах кондиционирования воздуха. Спиральный компрессор содержит согласованные друг с другом подвижную спираль 6 и неподвижную спираль 7 и охлаждающие каналы, связанные с подводом и отводом холодильного агента, выполненные в виде гибкой трубки 9, проходящей через отверстия 10 и 11 в основании неподвижной спирали 7, при этом по центру пера неподвижной спирали 7 выполнены отверстия 12 и 13 для ввода и вывода гибкой трубки в перо неподвижной спирали 7, а само перо неподвижной спирали выполнено с канавкой 8, сообщенной с этими отверстиями, причем гибкая трубка 9 проходит через отверстия 12, 13 по центру пера неподвижной спирали и размещена в канавке 8 пера под уплотнительным элементом 14. Дополнительные каналы 16 впрыска охлаждающего агента выполнены в основании неподвижной спирали 7 и соединяют полость сжатия с источником холодильного агента через обратные клапаны 17, 18, установленные в торцевой пластине неподвижной спирали 7. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности процесса охлаждения, улучшение энергетической характеристики спиральной машины за счет снижения расхода энергии на сжатие холодильного агента. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Спиральный компрессор «сухого» сжатия, содержащий согласованные друг с другом подвижную спираль и неподвижную спираль и охлаждающие каналы, связанные с подводом и отводом холодильного агента, отличающийся тем, что охлаждающие каналы выполнены в виде гибкой трубки, проходящей через сквозные отверстия, выполненные в основании неподвижной спирали, при этом по центру пера неподвижной спирали выполнены отверстия для ввода и вывода гибкой трубки в перо неподвижной спирали, а само перо неподвижной спирали выполнено с канавкой, сообщенной с этими отверстиями, причем гибкая трубка проходит через отверстия по центру пера неподвижной спирали и размещена в канавке пера под уплотнительным элементом.

2. Спиральный компрессор «сухого» сжатия по п. 1, отличающийся тем, что канавка выполнена с выступами в сторону основания неподвижной спирали, при этом гибкая трубка размещена в выступах канавки с волнообразным изгибом.

3. Спиральный компрессор «сухого» сжатия по п. 1 или 2, отличающийся тем, что гибкая трубка выполнена круглого сечения, при этом свободное пространство между стенками канавки пера и гибкой трубкой заполнено теплопроводящим наполнителем.

4. Спиральный компрессор «сухого» сжатия по п. 1, отличающийся тем, что гибкая трубка выполнена прямоугольного сечения.

5. Спиральный компрессор «сухого» сжатия по п. 1, отличающийся тем, сквозное отверстие в основании пера неподвижной спирали для ввода гибкой трубки в перо неподвижной спирали выполнено с углом, меньшим угла закрутки спирали на 5÷30°.

6. Спиральный компрессор «сухого» сжатия по п. 5, отличающийся тем, что отвод трубки из пера неподвижной спирали осуществляется в положении, которое соответствует конечному углу закрутки этой спирали.

7. Спиральный компрессор «сухого» сжатия по п. 1, отличающийся тем, что он содержит дополнительные каналы впрыска охлаждающего агентанепосредственно в полость сжатия, выполненные в основании неподвижной спирали, при этом в торцевой пластине неподвижной спирали установлены обратные клапаны, соединенные с дополнительными каналами.