CC BY
29
УДК 697.1
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПРЕССОРА В ТЕПЛОХОЛОДИЛЬНОМ КОМПРЕССИОННОМ ЦИКЛЕ ВОЗДУШНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА
С.В. Федосов, В.Н. Федосеев, И.А. Зайцева
Сергей Викторович Федосов
Кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университета, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26
E-mail: [email protected] Вадим Николаевич Федосеев
Кафедра организации производства и городского хозяйства, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ивановский государственный политехнический университет», 153000, Шереметевский проспект, д. 21, г. Иваново, Россия E-mail: [email protected]
Ирина Александровна Зайцева Кафедра экономика, управление и финансы, университет», г. Иваново, Россия E-mail: [email protected]
«Ивановский государственный политехнический
Новое поколение компрессоров, применяемых в воздушных тепловых насосах (ВТН), является продолжением развития современных технологий, отвечающих специфичным запросам рынка отопления в регионах с относительно умеренно холодным климатом. Выбор компрессора для низкотемпературного теплового насоса определяется его рабочими характеристиками, которые зависят от компрессионного фреонового цикла. Поэтому различные типы компрессоров оказываются более или менее пригодными для разных видов применения и типов хладагентов (фреонов).
В результате сравнительного анализа различных типов компрессоров выявлены их преимущества и недостатки, область использования в зависимости от мощности. Описаны такие характеристики компрессионного цикла, как рабочее давление, производительность, мощность, которые оказывают наибольшее влияние на область применения и условия эксплуатации компрессоров.
В качестве развития нового поколения ВТН в условиях расширенного диапазона температур окружающей среды авторами предложен мембранный компрессор, позволяющий повысить надежность и производительность теплонасосной системы. Мембранный компрессор, аналогичный поршневому по своим функциональным и технологическим возможностям, превосходит спиральный по независимости к использованию различных видов фреонов, широкому диапазону давления и температур, и стоимости.
Ключевые слова: воздушный тепловой насос, мембранный компрессор, компрессионный фреоновый цикл, энергоэффективные технологии.
EFFICIENCY OF COMPRESSOR IN THE HEAT-REFRIGERATING COMPRESSION CYCLE OF THE AIR HEAT PUMP
S.V. Fedosov, V.N. Fedoseyev, I.A. Zaytseva
Sergey V. Fedosov
Department of technology of binders and concretes, national research University
Moscow state University of civil engineering, 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337
E-mail: [email protected]
Vadim N. Fedoseev
Department of organization of production and urban economy, Federal state budgetary educational institution of higher education "Ivanovo state Polytechnic University", 153000, 21 Sheremetevsky Avenue, Moscow Ivanovo, Russia E-mail: [email protected]
Irina A. Zaytseva
Department of Economics, management and Finance, Ivanovo state Polytechnic University, Ivanovo, Russia
E-mail: [email protected]
The new generation of compressors used in air heat pumps is a continuation of the development of modern technologies that meet the specific needs of the heating market in regions with a relatively temperate cold climate. The choice of compressor for a low-temperature heat pump is determined by its performance characteristics, which depend on the compression freon cycle. Therefore, different types of compressors are more or less suitable for different types of applications and types of refrigerants (freons).
As a result of a comparative analysis of various types of compressors, their advantages and disadvantages, the area of use depending on power, were revealed. The characteristics of the compression cycle, such as operating pressure, productivity, power, which have the greatest impact on the scope and operating conditions of the compressors, are described.
As a development of a new generation of air heat pumps in an extended range of ambient temperatures, the authors proposed a membrane compressor, which allows to increase the reliability and performance of the heat pump system. A membrane compressor, similar to a reciprocating compressor in terms of its functional and technological capabilities, surpasses a spiral one in independence in the use of various types of freons, a wide range of pressure and temperature, and cost.
Keywords: air heat pump, diaphragm compressor, Freon compression cycle, energy-efficient technologies
Воздушный тепловой насос (ВТН) представляет собой теплохолодильное устройство, состоящее из замкнутого контура хладагента, включающего компрессор, конденсатор, терморегулирующий вентиль, испаритель, соединяющие их патрубки, контрольно-управляющих элементов и водяного контура с буферной емкостью, которая присоединяется к трубопроводам, обеспечивая транспортировку воды от потребителя и обратно.
В этой системе самым энергоемким компонентом является компрессор.
Компрессор - это компримирующая машина для сжатия и перемещения газов, степень повышения давления у которой больше 3 [2].
На сегодняшний день существует большое множество моделей компрессоров, вариантов их исполнения и применения. Компрессоры различаются по давлению, по производительности, по рабочей среде
(сжимаемому веществу) в том числе и по условиям окружающей среды.
В тепловых насосах по принципу действия используются объемные компрессоры, которые условно можно разделить на следующие конструктивные типы: поршневые, роторные, спиральные, винтовые, мембранные.
Поршневой компрессор широко применяются в машиностроении, текстильном производстве, в химической, холодильной промышленности и криогенной технике. Многообразны по конструктивному выполнению, схемам и компоновкам.
Винтовые компрессоры менее габаритны, чем поршневые, и значительно более устойчивы, а также способны обеспечить большую производительность.
Роторные способны развивать значительное давление газа на выходе, однако их выгодно отличают компактные размеры и меньшая шумность.
Наибольшую известность и востребованность при производстве теплохолодоснаб-жающего оборудования в настоящее время приобрели спиральные технологии - Scroll, применяемые в теплохолодильных машинах малой и средней мощности, частности, в компрессорах фирм Emerson, Copeland [3]. Возможности этих компрессоров достаточно широкие: они значительно опережают возможности и технологические характеристики компрессоров других типов.
Современные спиральные компрессоры для систем отопления создаются для рациональной эксплуатации с любым теплоносителем и улучшенной системой впрыска пара (система EV - впрыск пара).
Преимущества спиральных компрессоров серии ZH для ВТН с впрыском пара улучшает характеристики всей системы, увеличивая её тепловую производительность. Тип и размер компрессора может быть подобран по заданной производительности ВТН, в целях поднятия его СОР. Также дополнительным преимуществом является снижение температуры нагнетания, что увеличивает во времени рабочий диапазон по температуре для воды, обеспечивающей отопительные коммуникации.
В целом, спиральные компрессоры являются наиболее эффективными, в то время как поршневые обеспечивают самое высокое давление на выходе и могут, таким образом, использоваться для применения в промышленных системах. Спиральные компрессоры - тихие, плавно работающие устройства с самым высоким коэффициентом эффективности из всех типов компрессоров.
При всех существующих достоинствах тепловых насосов со специализированными спиральными компрессорами главным недостатком является их высокая стоимость из-за сложности изготовления. Мембранные компрессоры схожи с поршневыми, только роль поршня в них выполняет мембрана. Привод самой мембраны может быть механическим, пневматическим, электрическим или мембранно-поршневым. Все эти типы приводов объединяет тот факт, что перекачиваемый газ не контактирует в процессе работы устройства ни с чем, кроме мембраны и корпуса рабочей камеры. Это делает мембранные компрессоры востребованными в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую степень чистоты нагнетаемого газа.
Таблица 1
Преимущества и недостатки различных типов компрессоров
Тип компрессора Преимущества Недостатки
Поршневые Высокая эффективность (КПД до 95%) Возможность получения высокого Высокий уровень шума и вибраций Сложность регулирования подачи
давления Высокая стоимость
Долговечность
Роторные Компактность и легкость Низкая надежность
Низкий уровень шума Сложность изготовления и
Равномерность подачи газа Невысокая цена ремонта Невысокий КПД
Спиральные Низкий уровень шума Высокая эффективность Долговечность Высокая цена Высокая долговечность
Винтовые Высокая эффективность Высокий уровень шума
Надежность Применимы только в установках большой мощности
Мембранные Герметичность конструкции Устойчивость к коррозии Небольшое число оборотов Большая масса и большие
Высокая степень сжатия габаритные размеры
Высокая надежность Невысокая долговечность
Безопасность мембран
Отсутствие загрязнений
Разные типы компрессоров имеют разные технико-экономические характеристики, чем и определяется их использова-
ние. Объемные компрессоры успешно применяются в тепловых насосах различной мощности и назначения (табл. 2).
Таблица 2
Область использования основных типов компрессоров для тепловых насосов
Тип компрессора Бытовые тепловые насосы малой мощности до 12 кВт Бытовые и промышленные тепловые насосы средней мощности от 12 до 120 кВт Промышленные бытовые тепловые насосы большой мощности свыше 120 кВт
Поршневые + + + до 200 кВт
Роторные + до 15 кВт — —
Спиральные + от 5 кВт + до 70 кВт —
Винтовые — — + от 125 кВт до 1600 кВт
Мембранные от 0,1 кВт + +
Обзор мирового рынка компрессоров показал, что технологии производства тепловых насосов претерпевают модернизацию, чтобы использовать преимущества различных типов компрессоров. Последние исследования показывают, что производители стремительно развивают производство компрессоров на основе инверторной технологии. Данная технология позволяет улучшать эффективность компрессоров при работе в режиме частичной загрузки для того, чтобы удовлетворить более высоким стандартам MEPS на ведущих рынках сбыта
[9].
Каждый компрессор имеет не только свои конструктивные особенности, но и технические и рабочие характеристики, которые зависят от компрессионного цикла. Наибольшее влияние на область применения и условия эксплуатации компрессора оказывают такие характеристики, как рабочее давление, производительность, мощность. Рабочее давление определяет степень сжатия подаваемого газа, мощность характеризует количество потребляемой энергии,
а производительность отвечает за количество подаваемого газа в единицу времени.
Несмотря на конструктивные различия, термодинамические принципы работы всех компрессоров аналогичны. Различают идеальный и реальный компрессорный цикл. Идеальным считают цикл, в котором отсутствуют вредный объем, утечки газа и потери на трение, а процессы всасывания и нагнетания происходят при постоянном давлении [1, С. 32].
Компрессионный цикл - наиболее широко используемый в настоящее время теплохолодильный цикл. Однако есть другие циклы (например, цикл Стерлинга и термоэлектрические циклы), но эти циклы не используют в качестве рабочего тела фреоны.
Выбор компрессора для низкотемпературного теплового насоса определяется также и термодинамическими свойствами применяемого в нем фреона. Различия в физико-химических свойствах хладагентов означают, что объем хладагента, степень сжатия и давление нагнетания могут изменяться от системы к системе. В этой связи
различные типы компрессоров оказываются более или менее пригодными для разных видов применения и типов хладагентов.
Компрессорный цикл теплоохлажде-ния является замкнутым повторяющимся процессом. На выходе из испарителя при низкой температуре и низком давлении хладагент (рабочее тело) находится в парообразном состоянии. Далее по контуру компрессор всасывает хладагент, его давление повышается до 15 - 17 атм, а температура достигает до 45-50°С. После этого горячий пар хладагента попадает в конденсатор, где он, охлаждаясь, конденсируется. Затем хладагент уже в газо-жидком состоянии при высоком давлении и температуре поступает в регулятор потока (ТРВ), где давление резко падает, и происходит его частичное испарение. На вход испарителя идет смесь пара и жидкости. В испарителе жидкость полностью переходит в пар и идет в компрессор. Далее цикл повторяется.
Ограниченное количество хладагента постоянно циркулирует в теплохолодиль-ном замкнутом цикле, меняя своё агрегатное состояние при периодически изменяющихся температуре и давлении. В каждом цикле имеется два определенных уровня давления. На стороне высокого давления происходит конденсация хладагента. На стороне низкого давления (испаритель) жидкий хладагент превращается в пар. Граница между ними находится на выходе из компрессора — нагнетательный клапан и на выходе из регулятора потока (ТРВ). Этот процесс представляет собой соотношение давления и теплосодержания (энтальпии) хладагента. Энтальпия является функцией состояния приращения, которое при процессе с постоянным давлением, равно теплоте полученной системой от процесса поглощения.
Следует отметить, что в процессе сжатия хладагента в компрессоре его давление и энтальпия повышается, а при конденсации горячий пар превращается в горячую жидкость, энтальпия уменьшается, а выделившееся тепло отводится от конденсатора.
Оценить эффективность компрессионного цикла теплохолодильного устройства можно по коэффициенту термической (термодинамической) эффективности (СОР, к). Коэффициент термодинамической эффективности — это отношение изменения энтальпии хладагента в испарителе к изменению энтальпии в процессе сжатия или отношение мощности теплоохлаждения на выходе ВТН и электрической мощности, которую потребляет компрессор [6, 10]: АН Р
^ _ _испар. ; т _ вых.тет.
терм. эфф.~ АН ' р
компрес. эл.мощн.
Представленные выше технические характеристики позволяют сформировать требования для выбора компрессора, и выделить перечень подходящего оборудование.
В настоящее время при высоких температурах конденсации и низких температурах кипения рабочего тела (фреона) в ВТН стали появляться специализированные теплонасосные системы, способные работать при низкой температуре окружающей среды. Новое поколение таких компрессоров, применяемых в ВТН, является продолжением развития современных технологий, отвечающих специфичным запросам рынка отопления в регионах с относительно умеренно холодным климатом.
Сегодня, возвращаясь к истории, становится актуальным энергоэффективный подход совместного поэтапного строительного производства со встроенными в здание теплонасосными системами отопления.
Известно, что при отрицательных температурах наружного воздуха давление конденсации становится ниже давления кипения, и нормальный процесс циркуляции хладагента во фреоновом контуре нарушается. В таких случаях изготовитель указывает предельно допустимую температуру наружного воздуха — 5°С.
Последние разработки фирм-изготовителей ВТН для стран с умеренно холодным климатом позволили расширить температурный диапазон работы в режиме теплоснабжения от -15°С до -25°С, используя автоматизированную связку элек-
тронного ТРВ и компрессора [8]. Хладагент, попадая в вакуум испарителя, где вакуум - это величина его давления, которая ниже атмосферного, закипает, испаряясь, и отбирает затраченное на это тепло окружающей среды.
Таким образом, компрессор, сжимая под давлением пары хладагента, поднимает его температуру и обеспечивает процессы конденсации, дросселирования через регулировочный вентиль (ТРВ) и движение фреона в испаритель.
Соответственно связка ТРВ - компрессор позволила ТРВ регулировать температуру в испарителе, тем самым помогая расширять температурный диапазон ВТН.
В качестве развития нового поколения ВТН в условиях расширенного диапазона температур окружающей среды нами предлагается мембранный компрессор [4, 5] для ВТН, позволяющий повысить надежность и производительность теплонасосной системы.
Авторская разработка основана на устранении недостатков предлагая следующую конструкцию. Мембранный компрессор содержит следующие конструктивные элементы:
- магнитный провод,
- немагнитный корпус,
- мембрану, установленную в корпусе с образованием рабочей камеры,
- магнитный диск, закрепленный на мембране и взаимодействующий с приводом, выполненным в виде пластинчатых постоянных магнитов, расположенных по окружности с чередованием полярности, и установленных с возможностью вращения вокруг оси перпендикулярной или параллельной оси диска,
- немагнитный экран, установленный в корпусе между пластинами и диском.
Техническим результатом предлагаемой модели является повышение надежности компрессора, за счет снижения центробежных сил, уменьшения механических потерь при сохранении необходимой произво-
дительности. Преимуществом устройства является его компактность, которая предполагает соосное расположение дисков внутри камеры с радиально расположенными дискретными магнитами в отсутствии влияния низких температур на интенсивность магнитных полей магнитов.
Для усиления эффекта влияния магнитного поля за счет сил притяжения и отталкивания технология полярности магнитов изменяется к периферии, что повышает производительность. Дискретность технически позволяет изменить рабочее усилие на мембране варьируя формой и количеством магнитов. А расположение диска на мембране исключает ее соприкосновение с магнитами, размещенными на вращающемся диске со штоком, что так же приводит к повышению надежности и производительности устройства.
На рис. 1 представлен общий вид устройства мембранного компрессора. На фиг. 1, 2 показано расположение функциональных магнитов на мембране с указанием полярности.
Сам рабочий процесс происходит следующим образом. В немагнитном корпусе 1 при вращении диска 6 с помощью штока 7, расположенного в опорах 9, магниты 8 смещаются по окружности относительно магнитов 5, размещенных на диске 4, при этом при совпадении полярности магнитов 5 и 8 происходит взаимное отталкивание, а в камере нагнетания и всасывания 2 создается давление и смесь удаляется из камеры 2 через прямой клапан 10.
При дальнейшем смещении магнитов 5 и 8 относительно друг друга происходит взаимное притягивание. Мембрана 3 прогибается в сторону диска 6 и в камере нагнетания и всасывания 2 создается разряжение, в результате чего смесь поступает в камеру через обратный клапан 11.
При смещении диска на двойной угол 2а, через один магнит, расстояния между соседними магнитами цикл повторяется.
12 3 4 5 6 7 9 8
~ГА
фиг. 1 фиг. 2
Рис. 1. Мембранный компрессор
Таким образом, мембранный компрессор, аналогичный поршневому по своим функциональным и технологическим возможностям, обладает следующими достоинствами перед другими типами компрессоров, используемых в ВТН:
1) сухой режим работы;
2) широкий диапазон давления и температур;
3) высокая производительность;
4) высокий срок службы рабочих мембран;
5) независим к использованию различных видов фреонового газа;
6) ценовая стоимость такого компрессора на порядок ниже.
Широкое применение специализированных теплонасосных систем, работающих при низкой температуре окружающей среды, послужило толчком к появлению на рынке нового поколения компрессоров пригодных для таких условий. Однако применение средств дополнительной автоматизации и схемных решений весьма удорожает стоимость таких компрессоров. Авторами показана возможность применения экономически выгодного по цене мембранного
компрессора с теми же технологическими характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Карташевич, А. Н. Теплотехника. Реальные газы. Влажный воздух. Циклы холодильных машин: курс лекций / А. Н. Карташевич, В. Г. Косте-нич, А. В. Гордеенко. - Горки: БГСХА, 2016. - 48 с.
2. Компания ООО «Интех ГмбХ». Классификация компрессоров
3. Мировой рынок компрессоров: итоги и прогнозы // Холодильный Бизнес 4/2018, С. 34-40
4. Патент РФ № 174083. Тепловой насос / Федосеев В.Н., Емелин В.А., Воронов В.А., Остря-кова Ю.Е., Свиридов И.А.; Заявл. от 09.01.2017. Опубл. 29.09.2017. Бюл. №28
5. Патент РФ № 177875. Мембранный компрессор / Алоян Р.М., Федосеев В.Н., Емелин В.А., Воронов В.А., Свиридов И.А.; Заявл. От 18.07. 2017, Опубл. 15.03.2018. Бюл. № 8.
6. Рей Д., Маймайкл Д. Тепловые насосы. Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982 - 224 с.
7. Федосеев В.Н., Печникова А.Г., Зайцева И.А., Андреева О.Р. Виды и типы компрессорного оборудования // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений. Сборник научных трудов. Иваново, 2016. С. 199-211.
8. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Зайцева И.А., Емелин В.А. Высокотехнологическая система воздушного теплового насоса «три в одном» для ма-
лоэтажных и коттеджных строений // Приборы. 2020. №2 (236). С. 49-53.
9. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Зайцева И.А., Острякова Ю.Е., Емелин В.А., Шебашев В.Е. Технико-экономическое обоснование применения энергоэффективных теплонасосных компрессорных устройств в текстильных строениях. // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2019. 4 (12) С. 111-119.
10. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Паро-компрессионные теплонасосные установки. - М.: Энергоиздат, 1982. - 285 с.
REFERENCES
1. Kartashevich, A. N. Teplotekhnika. Real'nyye gazy. Vlazhnyy vozdukh. Tsikly kho-lodil'nykh mashin: kurs lektsiy / A. N. Kartashevich, V. G. Kostenich, A. V. Gordeyenko. - Gorki: BGSKHA, 2016. - 48 s.
2. Kompaniya OOO «Intekh GmbKH». Klassi-fikatsiya kompressorov // https://intech-gmbh.ru/compressors_classification/
3. Mirovoy rynok kompressorov: itogi i prognozy // Kholodil'nyy Biznes 4/2018, S. 34-40 // https://b.eurobi.ru/info/obzor-mirovogo-rynka-kompressorov-2017
4. Patent RF № 174083. Teplovoy nasos / Fe-doseyev V.N., Yemelin V.A., Voronov V.A., Ostryako-
va YU.Ye., Sviridov I.A.; Zayavl. ot 09.01.2017. Opubl. 29.09.2017. Byul. №28
5. Patent RF № 177875. Membrannyy kompressor / Aloyan R.M., Fedoseyev V.N., Yemelin V.A., Voronov V.A., Sviridov I.A.; Zayavl. Ot 18.07. 2017, Opubl. 15.03.2018. Byul. № 8.
6. Rey D., Makmaykl D. Teplovyye nasosy. Per. s angl. - M.: Energoizdat, 1982 - 224 s.
7. Fedoseyev V.N., Pechnikova A.G., Zaytseva I.A., Andreyeva O.R. Vidy i tipy kompressornogo obo-rudovaniya // Teoriya i praktika tekhnicheskikh, organi-zatsionno-tekhnologicheskikh i ekonomicheskikh resh-eniy. Sbornik nauchnykh trudov. Ivanovo, 2016. S. 199211.
8. Fedosov S.V., Fedoseyev V.N., Zaytseva I.A., Yemelin V.A. Vysokotekhnologicheskaya sistema vozdushnogo teplovogo nasosa «tri v odnom» dlya mal-oetazhnykh i kottedzhnykh stroyeniy // Pribory. 2020. №2 (236). S. 49-53.
9. Fedosov S.V., Fedoseyev V.N., Zaytseva I.A., Ostryakova YU.Ye., Yemelin V.A., Shebashev V.Ye. Tekhniko-ekonomicheskoye obosnovaniye primeneniya energoeffektivnykh teplonasosnykh kom-pressornykh ustroystv v tekstil'nykh stroyeniyakh. // Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnolog-icheskogo universiteta. Seriya: Materialy. Konstruktsii. Tekhnologii. 2019. 4 (12) S. 111-119.
10. Yantovskiy Ye.I., Pustovalov YU.V. Paro-kompressionnyye teplonasosnyye ustanovki. - M.: Energoizdat, 1982. - 285 s.
