Compresoare elicoidale sau compresoare cu surub

Compresoare elicoidale sau compresoare cu surub

1. Scurt istoric

Introducerea acestora in tehnica frigului este relativ recenta, 1955 pentru compresoarele birotor, respectiv 1971 pentru compresoarele monorotor.

Interesul pentru utilizarea acestor masini in tehnica frigului a crescut rapid, iar in 1985 erau instalate in lume in jur de 60000 de asemenea compresoare in diferite domenii de utilizare: congelare, racire, grupuri pentru racirea apei, pompe de caldura, etc. Pentru a le putea utiliza in toate domeniile tehnicii frigului, toti constructorii au realizat numeroase modificari si adaptari, in vederea inlocuirii compresoarelor cu piston.

La ora actuala s-au impus doua tipuri de asemenea compresoare, asa cum se observa in tabelul 1.3, care prezinta cativa furnizori de pe plan mondial si caracteristicile masinilor produse de acestia. Se observa ca o raspandire mult mai larga o au compresoarele birotor.

Tab.  Furnizori de compresoare elicoidale si caracteristicile acestora

2. Compresorul birotor (dublu surub)

Comprimarea - Cele mai importante elemente constructive de care depinde procesul de comprimare sunt geometria rotoarelor si volumul index.

Rotoarele au cel mai adesea geometria realizata dupa licenta Sveridge Rotor Maskiner (SRM), cu un rotor tata avand 4 lobi si un rotor mama avand 6 canale, ca in figura 1.17, dar exista si realizari cu 5 lobi si 6 respectiv 7 canale. Debitul acestor compresoare depinde de diametrul si lungimea rotoarelor, ca si de turatia acestora.

Incepand din 1980, odata cu reducerea diametrelor rotoarelor pana la cca. 100 mm si cresterea turatiei acestor rotoare mici pana la 2950 rot/min, au fost create noi tipuri de profile pentru rotoare, denumite Sigma. S-a demonstrat ca pentru un anumit profil dat, exista o turatie periferica optima u 50 m/s pentru rotoarele SRM, respectiv u 15-20 m/s pentru rotoarele Sigma.

La ora actuala diametrele rotoarelor variaza intre 100 si 300 mm. Marimile caracteristice pentru aceste compresoare sunt diametrul D al rotorului si raportul L/D dintre lungimea si diametrul rotoarelor.

In figura 1.16 este reprezentat un compresor birotor orizontal, iar in figura 1.17 este reprezentat un compresor birotor vertical.

Debitul volumic al acestor masini se poate calcula cu relatia:

     (1.3)

unde: - a este un coeficient care depinde de tipul compresorului, de profilul si unghiul de infasurare a lobilor;

- D si L sunt diametrul, respectiv lungimea rotorului;

- n [rot/min] este turatia rotorului.

Volumul index (V_i) caracterizeaza geometria fiecarui compresor in parte, iar randamentul indicat maxim  _{i max} se obtine atunci cand R_c=V_i^k, unde R_c este raportul de comprimare, iar k este valoarea indicelui adiabatic, acesta din urma depinzand de natura agentului de lucru.

De acest aspect trebuie sa se tina seama la alegerea compresorului, in functie de tipul procesului in care va fi utilizat (caracterizat de un domeniu precis pentru R_c), astfel incat V_i sa aiba o valoare cat mai favorabila. Exista urmatoarele recomandari:

- V_i=2,5 pentru climatizare si pompe de caldura (R_c 5);

- V_i=3,5 pentru procese de racire (R_c 8);

- V_i=5 pentru congelare la temperaturi scazute (R_c 15).

Valorile recomandate pentru V_i au doar un caracter orientativ, dar reprezinta valorile medii uzuale pentru domeniile respective.

Din punct de vedere constructiv orificiul de aspiratie este fix, iar cel de refulare este realizat din doua zone, una fixa prelucrata in carter, iar una variabila, creata de o piesa avand dimensiunea fixata la montaj, amplasata in sertarul de variatie a puterii frigorifice.

Carterul pentru aceste masini este realizat din fonta etansa (Ft 25 si Ft 26), cilindrii fiind prelucrati direct in corp, acesta din urma fiind calculat pentru o presiune de 25 bar, este supus probelor hidraulice.

Rotoarele sunt construite din otel forjat sau din fonta cu grafit sferic, turnata sub vid, prelucrata mecanic cu mare precizie pe masini unelte cu freze multiple. La marea majoritate a masinilor de acest tip, rotorul tata antreneaza rotorul mama, dar noile profile permit si antrenarea rotorului tata de catre rotorul mama, ceea ce permite cresterea vitezei si in consecinta a debitului vehiculat de compresor.

Lagarele: cele patru paliere sunt lise, cu bile sau cu rulmenti, eventual o combinatie a celor doua, datorita sarcinilor radiale mari. Aceste paliere sunt in general sensibil supradimensionate.

Garnitura mecanica (presgarnitura) este necesara pentru compresoarele de deschise si se foloseste acelasi tip de garnitura ca la compresoarele cu piston.

3. Compresorul monorotor (monosurub)

Comprimarea - pentru aplicatiile din tehnica frigului, principalul constructor din Europa este societatea APV Baker Limited. Fabricatia este bazata pe doua serii, una cu un rotor satelit si cealalta cu doua rotoare satelit. Un compresor monorotor cu un satelit este prezentat in figura 1.18.

Aceste masini sunt caracterizate de diametrul rotorului D, avand valori uzuale intre 175 si 350 mm. Debitul circulat de aceste masini se poate calcula cu relatia:

     (1.4)

unde: - B este un coeficient care depinde de geometria masinii fiind caracteristic fiecarui constructor;

- D este exprimat in m.

Uzual debitele au valori intre 120 si 5000 m³/h.

Aceste compresoare prezinta aceeasi particularitate in ce priveste volumul index V_i, ca si cele birotor.

Rotorul este din fonta, datorita proprietatilor mecanice si compatibilitatii cu agentii frigorifici si joaca acelasi rol ca si rotorul mama de la compresoarele birotor. Este realizat cu 6 canale.

Rotoarele satelit sunt construite dintr-un material compozit, prezinta 11 aripioare si sunt antrenate de rotorul principal. Au acelasi rol ca si rotorul tata, separand practic masina in doua zone de comprimare independente identice (pentru variantele cu doi sateliti).

Carterul este realizat dintr-o singura piesa, prin turnare, inchide toate partile mobile avand insa si capace demontabile pentru asigurarea accesului si montarea pieselor.

Lagarele pentru masina cu doi sateliti sunt proportional mult mai putin solicitate fata de compresoarele birotor, deoarece efectele de comprimare sunt echilibrate ca urmare a simetriei orizontale a masinii. Fortele radiale sunt practic nule deoarece pe de-o parte canalele se sprijina pe fata cilindrica externa a rotorului si pe de alta parte pe ambele fete ale rotorului este mentinuta presiunea de aspiratie. Efortul rezidual pe partea arborelui care iese in afara este preluat de un palier cu rulmenti.

4. Aspecte comune ale compresoarelor elicoidale

Sistemul de ungere - asigura urmatoarele functii:

- ungerea palierelor portante, a garniturii mecanice si a pistonului de echilibrare;

- comanda hidraulica a sertarului de variatie a puterii frigorifice si de pornire in gol;

- ungerea rotoarelor care angreneaza unul cu celalalt;

- etanseitatea intre rotoare si intre rotoare si stator, reducand si pierderile dintre partea de presiune ridicata si cea de presiune joasa;

- racirea vaporilor comprimati, prin preluarea unei parti importante din caldura;

Datorita acestei ultime functii, este posibil ca un asemenea compresor sa aiba temperatura de refulare intotdeauna sub 100 C, deoarece se injecteaza un debit de ulei de 0,5-1% din debitul total al acestuia, la o temperatura de 40 . 60 C.

Sertarul de variatie a puterii frigorifice - este o piesa esentiala pentru functionarea compresoarelor industriale, care in permanenta trebuie sa coreleze puterea prigorifica solicitata cu cea furnizata, respectiv sa asigure variatia debitului vehiculat.

La masinile birotor, sertarul este dispus la intersectia celor doua rotoare, culiseaza axial si elibereaza o parte mai mare sau mai mica din rotoare, realizand si o intoarcere spre aspiratie a unei parti din vapori. Lungimea rotorului mascata de sertar, realizeza in continuare comprimarea. Comprimarea se realizeaza ca si cand raportul L/D ar fi variabil.

La masinile monorotor, exista doua sertare situate de o parte si de alta a planului orizontal, care separa compresorul in doua jumatati simetrice.

5. Tendinte actuale

Principalele avantaje ale compresoarelor elicoidale, fata de cele cu piston sunt urmatoarele:

- dimensiuni mai reduse;
- greutate mai mica;
- siguranta mai mare in functionare;
- intretinere mai redusa;
- nivel de vibratie redus;
- antrenarea realizata de motoare cu doi poli.

Principalele dezavantaje ale compresoarelor elicoidale, fata de cele cu piston sunt urmatoarele:

- pretul mai ridicat (serii de fabricatie mai reduse, deci mai scumpe);
- importanta si complexitatea marita a circuitului de ungere;
- nivelul de zgomot mai ridicat.

Pentru a nu mari numarul de rotoare (datorita costurilor de fabricatie), anumiti constructori asigura antrenarea atat de catre rotorul tata, cat si de catre rotorul mama, ceea ce permite realizarea cu aceeasi pereche de rotoare, de debite in raportul 5 la 1. Alti constructori prevad antrenarea rotorului tata prin intermediul unui multiplicator de turatie.

Progresele realizate in domeniul informaticii, atat in ceea ce priveste modelarea cat si fabricarea rotoarelor si simplificarea sistemului de ungere, au permis realizarea de masini mai ieftine, mai simple (prin suprimarea sertarului) si mai silentioase, atat deschise cat si semiermetice, ca in figura 1.19, sau chiar ermetice.