Турбокомпрессоры: теория В компрессорах объемного принципа действия, к которым относятся спиральные, винтовые, поршневые и другие типы компрессоров, увеличение давление газа осуществляется за счет изменения объема неподвижного парообразного хладагента. Именно эти типы компрессоров, как правило, используются в системах охлаждения, как маленькой, так и большой производительности. В системах охлаждения, холодо-производительность которых измеряется многими мегаваттами, очень часто используют холодильные машины на основе центробежных турбокомпрессоров. В турбокомпрессорах, имеющих динамический принцип действия, повышение давления газа осуществляется за счет его непрерывного течения в колесе, снабженном лопатками, которое обеспечивает передачу механической работы парам всасываемого хладагента. Повышение энергии потока холодильного агента в колесе происходит в результате прироста его кинетического момента, откуда следует одновременное возрастание абсолютной скорости, что является нежелательным последствием, поскольку, в конечном счете, требуется повышение давления в потоке, а не его скорости. Для этого кинетическая энергия, приобретенная потоком, преобразуется в давление в диффузоре, установленном ниже по потоку от колеса. Таким образом, колесо и диффузор вместе образуют степень сжатия. Турбокомпрессоры характеризуются направлением движения основного потока, которое может быть либо осевым, либо радиальным. В осевых компрессорах основной поток газов в колесе движется параллельно оси ротора, тогда как в радиальных (центробежных) — перпендикулярно оси (рис. 1). В холодильной технике почти всегда используют центробежные компрессоры, поскольку с их помощью в сравнении с осевыми можно получить более высокую степень сжатия и они более дешевые [1].Одно и двухступенчатый компрессор. Линия помпажа Характеристика центробежного турбокомпрессора ограничена помпажным режимом. Этот режим реализуется, как только расхода газа за счет роста потерь давления достигает нижнего предела, т.е. как только объемный расход и скорость потока на выходе из колеса оказываются недостаточными, чтобы обеспечить повышение давления, которое необходимо для достижения требуемого давления конденсации. Поскольку при этом компрессор продолжает вращаться, в нем начинаются пульсации давления и расхода, которые вызывают мощные гидроудары. Такой режим работы является недопустимым и называется помпажным. Этот режим возникает в тех случаях, когда невозможно достичь давления конденсации, и направление потока может меняться на противоположное. Регулирование производительности одноступенчатого центробежного компрессора имеет определенные ограничения из-за возникновения риска работы за линией помпажа. Кроме этого, одноступенчатый центробежный компрессор имеет меньший холодильный коэффициент (COP — coefficient of performance) в сравнении с двухступенчатым компрессором. Именно поэтому компания Trane производит холодильные машины на основе двухступенчатого центробежного компрессора, которые дают возможность регулировать производительность от 20 до 100 % и иметь высокий холодильный коэффициент (около 7и при стандартных условиях).Кроме этого, центробежные компрессора Trane являются полугерметичными, т.е. двигатель и рабочее колесо компрессора находятся в одном корпусе и соединены с помощью редуктора, что позволяет колесу компрессора иметь большую скорость вращения, чем двигателю (рис. 2). В сравнении с открытыми (сальниковыми) компрессорами, которые также представлены на рынке, и которые также часто имеют редуктор между компрессором и двигателем, полугерметичные компрессора являются значительно более надежными, поскольку имеют меньше движущихся частей и соединений. Регулирование производительности центробежного компрессора Существует несколько методов регулирования производительности центробежного компрессора: ❏ частотное регулирование количества оборотов двигателя компрессора; ❏ предварительное закручивание парообразной струи хладагента за счет установки системы подвижных лопаток перед рабочим колесом; ❏ объединение первого и второго метода, а также другие способы регулирования. Регулирование производительности за счет первого метода, с одной стороны дает возможность уменьшить пусковые токи компрессора, а с другой стороны — связано с невозможностью глубокого дросселирования через опасность возникновения помпажа. Теоретически с помощью такого метода регулирования, при условии частичной нагрузки, в диапазоне приблизительностей 35–85 %, компрессор может иметь несколько лучший холодильный коэффициент. Но при нагрузке более 90 % и при полной загрузке центробежный компрессор с частотным регулированием наоборот менее эффективен, поскольку имеет потери энергии 3–4 % на работу частотного привода. Кроме этого, в случае уменьшения количества оборотов, на привод двигателя приходится значительное усилие, в первую очередь на подшипники, а также на муфту и уплотнение вала в случае открытых (сальниковых) компрессоров. Таким образом, стресс, который получают эти элементы вследствие работы при частичной нагрузке, снижает их жизненный цикл. Также стоит отметить, что система регулирования оборотов компрессора достаточно сложна в налаживании и эксплуатации и имеет достаточно большую стоимость. С помощью этого способа возможно уменьшить производительность компрессора до 10–15 % от его номинальной нагрузки, но, как правило, такое снижение на практике практически никогда не используется. Кроме этого, в случае если нагрузка на компрессор составляет 30 % и меньше от номинального значения, существенно падает холодильный коэффициент. Поэтому, как правило, на практике стараются не использовать режимы работы, при которых машина загружена на 25–30 % и меньше от номинальной нагрузки. Таким образом, регулирование производительности центробежного компрессора с помощью частотного регулирования количества оборотом двигателя компрессора в сравнении со вторым методом регулирования достаточно часто экономически нецелесообразно по причине больших капитальных затрат на опцию частотного преобразователя. Кроме этого период окупаемости в этом случае может измеряться десятками лет. Второй метод регулирования холодо-производительности центробежного компрессора — установка системы подвижных лопаток перед рабочим колесом — позволяет изменять угол наклона поступления холодильного агента. Этот метод регулирования производительности более простой и относительно дешевый. Подвижные лопатки перед рабочим колесом уменьшают количество парообразного хладагента, которое может принимать рабочее колесо компрессора. Таким образом, каждая позиция подвижных лопаток создает новую характеристику работы компрессора без изменения скорости вращения рабочего колеса.Компания Trane в своих холодильных машинах использует двухступенчатые компрессоры, которые позволяют с помощью системы подвижных лопаток перед рабочим колесом достигать регулирования производительности в диапазоне 20–100 %. Характеристика работы такого компрессора показана на рис. 3. Кривые указывают на диапазон работы системы подвижных лопаток во время изменения производительности компрессора, который ограничен линией помпажа. На вертикальной оси — разница входного и выходного давлений компрессора. На горизонтальной — расход парообразного хладагента в зависимости от позиции подвижных лопаток перед рабочим колесом компрессора. Начальная точка А — это рабочая точка, которая характеризирует полную нагрузку компрессора. Во время снижения нагрузки подвижные лопатки перед рабочим колесом частично закрываются, и рабочая точка движется к отметке В. Поскольку имеем меньшее количество хладагента, которое сжимается в компрессоре, соответственно имеем и меньшее количество теплоты, которое переносится в конденсатор. Таким образом, в случае частичной нагрузки производительность конденсатора больше, чем требуется, поэтому парообразные хладагент конденсируется при меньшем давлении и температуре конденсации. Это уменьшает разницу давлений между испарителем и конденсатором. В случае дальнейшего снижения нагрузки на систему охлаждения рабочая точка движется ниже по линии к отметке С, которая означает, что компрессор работает при минимальной нагрузке и последующее снижение производительности невозможно, поскольку компрессор может перейти в режим помпажа, что, естественно является нежелательным. Таким образом, диапазон между точками А и С характеризирует стабильный режим работы компрессора. Холодильная машина Trane, модели CVGF Холодильная машина Trane с водяным охлаждением конденсатора модели CVGF (рис. 4) со встроенным циклом переохлаждения работает на озоно-безопасном однокомпонентном холодильном агенте R134a и имеет в своем составе двухступенчатый полугерметичный центробежный компрессор, который характеризируется наивысшей герметичностью и требует минимального обслуживания и небольших эксплуатационных затрат. Перечень рабочих характеристик холодильной машины CVGF на основе двухступенчатого центробежного компрессора включает в себя следующие параметры: ❏ диапазон холодо-производительностей при стандартных условиях составляет 1400–3800 кВт (стандартные условиями являются: температура воды на входе/выходе в испаритель — +12/+7 °С, температура воды на входе/выходе в конденсатор — +27/+32 °С); ❏ диапазон рабочих температур хладоносителя (воды, раствора гликоля) на выходе из испарителя холодильной машины составляет: –2…+16 °С; ❏ максимальная рекомендуемая температура теплоносителя (воды, раствора гликоля) на входе в конденсатор — до +37 °С. Таким образом, для охлаждения конденсатора холодильной машины с центробежными компрессорами, в климатических условиях Украины, наилучшим решением являются градирни открытого типа. Кроме этого могут использоваться и градирни закрытого типа, и сухие охладители с адиабатическим орошением, однако, по стоимости и энергоэффективности они значительно уступают градирням открытого типа. Центробежный компрессор работает с постоянной скоростью, регулирование производительности компрессора достигается с помощью системы подвижных лопаток, установленных перед рабочим колесом компрессора в диапазоне 20–100 %. При этом способе регулирования достигается устойчивая работа компрессора, а привод двигателя не перегружается и имеет продолжительный жизненный цикл. Компрессор Trane может запускаться до шести раз в час, что является для центробежного компрессора отличным показателем, но фактически это редко когда используется, поскольку компрессор может снижать свою производительность до 20 % от номинальной производительности. Кроме этого к преимуществам центробежного компрессора холодильной машины CVGF компрессором можно отнести следующее: ❏ сравнительно новый дизайн (2000 г.); ❏ комплектуется пускателем «звезда–треугольник» для уменьшения пусковых токов; ❏ расширенный диапазон работы при частичной нагрузке (снижается давление конденсации и, соответственно, экономится наибольшее количество электроэнергии); ❏ герметичный двигатель и отсутствие сальниковых соединений; ❏ минимальный отвод тепла в машинное отделение, поскольку охлаждение двигателя осуществляется с помощью жидкого сконденсированного хладагента через систему канавок в двигателе, что делает стабильной работу двигателя компрессора. Для сравнения: в открытом сальниковом компрессоре теплота от двигателя выкидывается в машинное отделение, поэтому требуется дополнительная система вентиляции для отвода этого тепла. Все этого дополнительно свидетельствует про эффективность двухступенчатого центробежного компрессора Trane в холодильных машинах модели CVGF. Кроме этого, наивысшая эффективность работы холодильной машины CVGF достигается с помощью использования кожухотрубного испарителя с падающей пленкой, который является запатентованным изобретением компании Trane. Он имеет высокую эффективность и требует относительно низкой заправки хладагентом. Испаритель имеет двухфазное разделение холодильного агента (на жидкую и газообразную фазы). В верхней части испарителя установлен разделитель жидкого холодильного агента, который тонкой пленкой равномерно омывает пучок труб по всей длине испарителя, отбирает тепло у хладоносителя, который протекает в трубках, холодильный агент при этом кипит и испаряется. Также в испарителе установлены специальные перегородки, которые дают возможность отделить закипевший парообразный хладагент от капель жидкости и таким образом исполняют в испарителе функцию отделителя жидкости. BURJ DUBAI TOWER Один из проектов компании Trane — башню «Бурдж Дубай» в г. Дубаи, ОАЭ, — следует рассмотреть отдельно. Башня «Бурдж Дубай» (рис. 5) со временем должна стать наивысшим зданием в мире находящимся в стадии эксплуатации. Башня начала строится шесть лет назад, и на сегодняшний день превышает высоту в 700 м, что уже является наивысшим сооружением в мире в стадии строительства. Однако стоит отметить, что проектная высота башни составляет 808 м, и по окончании строительства ее архитектурный феномен будет привлекать туристов с разных уголков мира. В целом сооружение должно обойтись инвесторам в $ 20 млрд.Общая холодо-производительность холодильной станции башни «Бурдж Дубай» составляет 95 МВт, с прилегающими зданиями, включая огромный торговый центр — суммарная холодо-производительность в 1,5 раза выше. В проекте применены 20 холодильных машин Trane разных конфигураций на основе центробежных компрессоров. Холодильные машины работают на систему производства и хранения льда для системы кондиционирования. Перед отправкой и монтажом холодильных машин на объекте были протестированы на заводе-изготовителе в присутствие представителей заказчика для демонстрации заявленных возможностей и энергетической эффективности. Следует отметить, что конечной стадией производства всех холодильных машин Trane является их финальное тестирование. Однако, по требованию, заводской тест может происходить в присутствие заказчика.Также, одними из самых престижных и известных проектов, где использованы холодильные машины Trane на основе центробежных компрессоров являются: две башни-близнецы Petronas Tower в столице Малайзии г. Куала-Лумпур; дом правительства Российской Федерации, Храм Христа Спасителя и Центр международной торговли в Москве; главный офис банка Credit Suisse в НьюЙорке, «Пальмовый Остров» (Palm Island) в г. Дубаи, ОАЭ, и много других объектов. ❏ 1. Мааке В., Эккерт Г.Ю., Кошпен Ж.Л. Учебник по холодильной технике. — М., 1998.