COMPRESOARE FRIGORIFICE (cu piston, cu surub, centrifugale)

COMPRESOARE FRIGORIFICE

1.1. Consideratii generale. Clasificare

Principalele tipuri de compresoare utilizate in tehnica frigului si domeniile de utilizare ale acestora sunt prezentate in tabelul 1.

Tab. 1.1. Tipuri de compresoare frigorifice si domeniile de utilizare

1.2. Compresoare cu piston

Compresoarele cu piston fac parte din familia compresoarelor volumice alternative si pot fi de trei tipuri constructive:

- deschis, reprezentat in figura 1.1;
- semiermetic, reprezentat in figura 1.2;
- ermetic, reprezentat in figura 1.3.

Compresoarele deschise se pot cupla cu motoare separate, de tip electric sau termic si pot vehicula orice tip de agent frigorific. In general sunt utilizate pentru puteri frigorifice medii si mari.

Compresoarele semiermentice sunt cuplate direct la un motor electric inchis intr-un carter demontabil comun. Nu pot vehicula decat freoni si se utilizeaza pentru puteri medii.

Compresoarele ermetice se aseamana cu cele semiermetice, dar sunt inchise impreuna cu motorul intr-o carcasa etansa nedemontabila (sudata). Nu pot vehicula decat freoni si se utilizeaza pentru puteri mici si medii.

1.2.1. Realizarea comprimarii

In figura 1.4 este reprezentat interiorul unui compresor deschis cu piston.

Din punct de vedere constructiv, compresoarele frigorifice nu se diferentiaza fundamental de cele utilizate pentru alte gaze.

- in general compresoarele sunt cu simplu efect;
- comprimarea se realizeaza politropic;
- in compresoarele industriale sunt foarte utilizate supapele cu discuri inelare, care se intalnesc uneori si in cele semiermetice, in locul supapelor lamelare;
- racirea cilindrilor este cel mai adesea realizata de vaporii aspirati, care in consecinta se incalzesc in procesul de aspiratie;
- racirea vaporilor in timpul comprimarii se poate realiza prin injectie de agent frigorific lichid (ceea ce prezinta insa pericolul producerii de lovituri hidraulice, deci nu este o metoda utilizata in mod curent);
- comprimarea in doua trepte este avantajoasa daca raporul de comprimare depaseste valoarea 7, sau daca temperatura finala de refulare depaseste valoarea de 125.135 C;
- intre treptele de comprimare se realizeaza raciri intermediare, de regula cu apa sau cu aer.

Cilindrii - pot fi prelucrati prin procedee de precizie ridicata, direct in corpul carterului, pana la suprafata oglinda, sau pot fi realizati din camasi amovibile prelucrate din fonta extrafina centrifugata, avand tot suprafata oglinda. Partea inferioara a camasii se monteaza pe carter, iar in partea superioara a acesteia se monteaza supapele de aspiratie. Diametrul interior defineste alezajul D, exprimat in milimetri. Chiulasa care inchide cilindrii poate sa fie comuna pentru mai multi cilindri.

Pistonul - este realizat din aliaj de aluminiu, cu o prelucrare particulara a capului, conforma cu forma supapelor, in scopul reducerii la minim a spatiului mort. Pistonul este prevazut cu doi sau trei segmenti din fonta cromata si un segment raclor pentru uleiul de ungere.

In fusta pistonului sunt prevazute orificiile pentru montarea boltului, realizat sub forma tubulara din otel de inalta rezistenta (90 kgf/mm²). Pe bolt este asamblat piciorul bielei.

Deplasarea pistonului intre punctul mort interior si punctul mort exterior, constituie cursa S, exprimata in milimetri si indicata de firmele constructoare in cataloage.

Pentru a mentine viteza vaporilor la trecerea acestora prin supape, intr-un domeniu de valori convenabile, se realizeaza rapoarte D/S de ordinul 1 .1,4. In plus, in general nu se depaseste o viteza medie liniara a pistoanelor u, de 4 m/s. In consecinta se pot scrie doua relatii care permit definirea limitelor acceptabile ale S si D, pentru turatiile de sincronism ale motoarelor electrice de antrenare a compresoarelor:

     (1.1)

Tab. 1.2. Valorile parametrilor constructivi S si D
pentru diferite turatii de sincronism

Supapele - ca si la majoritatea compresoarelor pentru diverse gaze, sunt realizate din discuri inelare concentrice, cele de aspiratie la periferie, iar cele de refulare in zona axiala, ca in figura 1.5. Cursa supapelor este redusa, iar sectiunile de trecere se calculeaza pe baza urmatoarelor viteze:

- 30.40 m/s pentru freoni
- 50.60 m/s pentru amoniac.

Legislatiile unor tari europene impun ca pentru compresoarele deschise avand cilindreea peste 25 m³/h pe cilindru, sa fie prevazut un dispozitiv anti lovituri hidraulice, care poate sa fie reprezentat de un resort elicoidal. Acesta mentine in pozitie normala de functionare ansamblul supapelor de refulare, dar in cazul unui aflux de lichid, resortul trebuie sa se poata comprima si sa lase supapa sa se ridice de pe scaunul sau, pentru a permite curgerea lichidului.

Canale sau colectoare - vaporii de agent frigorific sunt admisi in cilindrii si sunt evacuati din acestia prin intermediul canalelor sau colectoarelor, care sunt realizate in carter sau in afara acestuia. Ultima solutie constructiva evita supraincalzirea vaporilor aspiratilor datorita contactului cu masa metalica a carterului, care in timpul functionarii compresorului este calda.

Cateva elemente constructive ale compresoarelor cu piston sunt prezentate in figura 1.6.

Coeficientul de debit - Spatiul mort al compresoarelor frigorifice este situat intre 1.4%, iar coeficientul de debit depinde de natura agentului frigorific, in particular de valoarea exponentului politropic.

1.2.2. Particularitati mecanice

Compresoarele frigorifice actuale difera putin de la un constructor la altul si in afara unor detalii tehnologice, au in comun cinci elemente specifice, care prezinta unele particularitati fata de compresoarele pentru gaze.

Carterul - se realizeaza in general din fonta cu granulatie fina (Ft25), etansa pentru agentii frigorifici si turnat dintr-o singura bucata, cu toate orificiile pentru montarea camasilor de cilindri, cuzinetilor pentru lagarele palier si pentru vizitare.

Grosimile fontei sunt determinate pentru a rezista la presiunile care se manifesta in diferite zone ale compresorului. Dupa realizarea prelucrarilor mecanie (uzinaj), carterul este supus unor probe hidraulice la o presiune de doua ori mai mare decat cea nominala de lucru.

Cilindrii sunt dispusi in linie, in V in W sau in VV, adica in stea. Astfel se pot realiza masini cu 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12 sau 16 cilindri. In acest mod constructorii pot sa realizeze serii de compresoare bazate pe una sau doua perechi de alezaj / cursa (D/S), in conditiile unei foarte bune compactitati, unui echilibraj foarte bun si cu un numar redus de ambielaje si elemente constructive (dintre care multe sunt comune unei intregi serii de compresoare).

Pentru un compresor cu i cilindri, volumul descris de piston, sau volumul baleiat denumit si cilindree, se calculeaza cu relatia:

     (1.2)

Carterul prezinta doua spatii despartite de un perete obtinut prin turnare:

- partea superioara cuprinde camasile de cilindru si constituie camera de aspiratie;

- partea inferioara cuprinde arborele cotit (vibrochenul) si baia de ulei.

Cele doua spatii comunica intre ele prin orificii de echilibrare a presiunii, astfel incat si partea inferioara a carterului sa se gaseasca tot la presinea de aspiratie.

Aceasta dispunere prezinta urmatoarele avantaje:

- partea inferioara se gaseste la presiuni apropiate de cea atmosferica, deci sunt posibile deschiderea si accesul in interior pentru operatii de intretinere;

- permite returul spre baia de ulei a uleiului care se separa de vaporii de agent in camera de aspiratie;

- permite degazarea uleiului de vaporii de agent frigorific.

Accesul pentru operatii de intretinere este facilitat de existenta unor deschideri pentru vizitare, prevazute cu capace demontabile si a unor diferite bosaje care permit racordarea de manometre de control sau a unor organe de siguranta.

Arborele cotit si bielele - se diferentiaza de cele utilizate in celelalte compresoare. Cateva elemente specifice sunt urmatoarele:

- arborele cotit este realizat din otel matritat sau adesea din fonta nodulara; este dimensionat cu atentie, iar masele de echilibrare, solidare cu arborele, preiau fortele rezultante - orizontale si verticale - ca si neuniformitatiile miscarii.

- arborele se roteste in paliere lise, prevazute cu cuzineti antifrictiune realizate dintr-un aliaj pe baza de plumb sau alte materiale, pe un suport metalic subtire, caz in care cuzinetii se pot inlocui, respectiv in paliere cu bile sau rulmenti, iar uneori se utilizeaza o combinatie a celor doua variante;

- suprafetele pe care se monteaza palierele lise se trateaza termic pentru a atinge o duritate de ordinul a 50 kg_f/mm²;

- daca numarul de cilindri este mai mare de 8, in general este prevazut un palier intermediar;

- arborele este penetrat de canale destinate circulatiei uleiului de ungere;

- bielele matritate dintr-un aliaj de aluminiu, sunt prevazute in capul acestora cu cuzineti antifrictiune amovibili, iar in picior cu o garnitura din bronz;

- in anumite cazuri, bielele nu prezinta nici cuzineti nici garnitura, iar cand se ating cotele de uzura definite de constructor, bielele sunt inlocuite cu totul;

- uneori bielele sunt prevazute cu canale pentru asigurarea curgerii uleiului dinspre cap spre picior;

Pentru compresoarele deschise, arborele iese in exterior, astfel incat trebuie prevazute doua dispozitive particulare:

- o garnitura rotativa (presgarnitura) - care creaza o bariera intre carterul aflat sub presiunea agentului frigorific si atmosfera. Pentru aceasta majoritatea constructorilor au adoptat un sistem de tip garnitura mecanica. Daca in timpul functionarii carterul trebuie sa lucreze sub depresiune, garnitura prezinta doua sisteme de etanseitate opuse.

- o piesa interna - intre arborele cotit si carter, avind rolul de a absorbi presiunea reziduala creata de diferenta dintre presiunea din carter si cea atmosferica. Aceasta piesa este realizata fie dintr-un inel prevazut pe unul din lagarele palier, fie dintr-un rulment cu bile, ace sau role numit de presiune.

Ungerea - are ca scop asigurarea gresajului partilor aflate in miscare relativa: palierele principale, capurile bielelor, picioarele bielelor, cilindrii, si garnitura mecanica.

Circuitul de ungere prezinta in general urmatoarele elemente:

- un filtru de aspiratie cu cadere de presiune redusa, imersat in baia de ulei;

- o pompa de ulei antrenata de arborele cotit: in prezent sunt utilizate doua tipuri de pompe: cu angrenaj exterior, echilibrate dar cu un singur sens de rotatie si cu angrenaj interior, reversibile, pentru compresoare ermetice si semiermetice, la care nu poate fi predefinit sensul de rotatie;

- un racitor de ulei pentru racirea uleiului refulat de pompa intr-un schimbator aflat fie in afara compresorului, fie in interiorul carterului, racirea realizandu-se fie cu apa, fie cu vapori de agenti frigorific aspirati;

- un filtru suplimentar la iesirea din schimbator pentru eliminarea impuritatilor metalice sau de grafit (carbune), care utilizeaza site foarte fine ( in general 20 m m) si pot fi prevazute uneori cu un magnet introdus pe circuitul de ulei;

- un regulator de presiune (presostat diferential de ulei) care mentine presiunea din circuitul de ungere la o valoare cu 2-3 bar peste presiunea de aspiratie, cu ajutorul unei supape reglabile din exteriorul compresorului, amplasata de constructori inainte de distributia uleiului sau la sfarsitul circuitului. In ambele cazuri excesul de ulei este reintrodus in carter.

- un distribuitor: In general uleiul curat si racit circula prin canalul prevazut in vibrochen de unde este distribuit spre diferitele puncte de ungere mentionate anterior: paliere, cuzineti, garnitura mecanica, etc. Acesta poate servi si ca fluid hidraulic motor pentru comanda variatoarelor de putere frigorifica.

Uleiul se poate reintoarce in carter prin urmatoarele puncte: neetanseitati interne ale palierelor si manetoanelor, neetanseitati permanente ale presgarniturii, raclajul peretilor interni ai cilindrilor, camerele de aspiratie, descarcarea supapei regulatorului, returul separatorului de ulei.

La utilizarea freonilor, este adesea necesara mentinerea temperaturii uleiului in carter, pe durata perioadelor de oprire in intervalul 50-60 C, pentru a evita diluarea prea puternica a uleiului cu agent frigorific. Aceasta incalzire se realizeaza cu ajutorul unei rezistente electrice montate intr-o teaca de protectie, in baia de ulei, a carei temperatura este reglata de un termostat. In timpul functionarii compresorului, rezistenta nu mai este alimentata.

Reglarea puterii frigorifice - Sistemul cel mai utilizat in compresoarele industriale consta in blocarea supapei de aspiratie in pozitie deschisa, pentru cilindrul sau cilindrii care practic vor fi suprimati din punct de vedere functional. In acest scop, discul inelar al supalei este ridicat prin diferite mijloace: tija ridicatoare, piston inelar, etc. Fiecare din acestea se deplaseaza in interiorul camasii cilindrului, cursa fiind foarte mica, astfel incat sa corespunda cursei supapei. Un asemenea sistem este prezentat in figura 1.7.

In general, aceste sisteme echipate cu resorturi pentru revenire sunt actionate prin una din urmatoarele modalitati:

- presiunea uleiului admis printr-un ventil solenoidal cu trei cai;

- presiunea vaporilor comprimati admisi printr-un ventil solenoidal;

- un dispozitiv mecanic actionat tot de presiunea uleiului.

Exista si un procedeu care utilizeaza un servomotor autonom, care mentine constanta presiunea in carter (de aspiratie) la o valoare prestabilita. Acest dispozitiv este utilizat in special pe grupuri de racire a apei.

In general, sistemul de reglare a puterii frigorifice prin eliminarea cilindrilor, poate sa fie utilizat pe compresoare avand minim trei cilindri, astfel incat sa ramana suficienti cilindri activi.

Mai pot fi mentionate si alte doua modalitati de reducere a puterii frigorifice:

- deschiderea unui orificiu de scurtcircuitare intre doi cilindri;

- deschiderea proportionala a supapelor de aspiratie prin intarzierea inchiderii, ceea ce conduce la reducerea debitului aspirat.

Pornirea cu sarcina redusa - daca se aplica la toti cilindrii, permite utilizarea de motoare electrice cu cuplu si curent absorbit mai reduse. Cilindrii sunt reintrodusi in sarcina normala atunci cand presiunea in circuit se stabilizeaza, fie pe rand, fie doi cate doi.

Sistemul de antrenare - Compresoarele deschise sunt in general antrenate direct de motoare electrice cu 6 sau 8 poli, ceea ce face ca turatia sa fie apropiata de cea de sincronism, adica pentru retele cu frecventa de 50 Hz: 1000 sau 1500 rot/min, respectiv pentru retele cu frecventa de 60 Hz: 1200 sau 1800 rot/min.

Se utilizeaza un cuplaj elastic rigid cu disc flector din otel sau elemente din cauciuc intre doua mansoane. Aceste compresoare sunt bine echilibrate dinamic si nu necesita volante inertiale.

In cazul in care compresorul este antrenat de un motor cu ardere interna, trebuie studiata in mod serios problema cuplajului, tinand seama de neregularitatile ciclice ale rotatiei celor doua masini. Uneori s-ar putea sa fie necesara utilizarea volantilor.

Compresoarele ermetice, sau cele semiermetice, sunt cuplate direct pe arborele motorului electric incorporat in carter.

1.2.3. Compresoare ermetice si semiermetice

Aceste tipuri de masini sunt specifice tehnicii frigului, deoarece freonii protejeaza infasurarile electrice, ceea ce permite introducerea motorului in fluxul de agent frigorific vehiculat de compresor.

Principlul avantaj al acestor masini este ca pe acelasi arbore se gasesc motorul electric si ambielajul compresorului. In plus ansamblul se introduce intr-o singura carcasa etansa pentru agentul frigorific, dispar problemele de aliniere a motorului cu compresorul si problema traversarii carterului de catre vibrochen, ca si problema garniturii mecanice.

Compresoarele ermetice sunt complet incluse intr-o carcasa metalica sudata si etansa care face inaccesibile partile mobile si nu permite interventiile in interior. In figura 1.8 este prezentat un compresor ermetic sectionat, iar in figura 1.9 este prezentat un compresor ermetic nefunctional, montat intr-o carcasa din sticla, pentru a se observa cum se prezinta acest aparat in interior.

In figura 1.10 sunt prezentate cateva parti componente ale unui compresor ermetic.

Compresoarele semiermetice permit demontarea atat a motorului cat si a compresorului, facand posibile interventii mecanice de intretinere si depanare. O sectiune printr-un compresor semiermetic este prezentata in figura 1.11.

Fata de compresoarele deschise, cele ermetice si semiermetice se disting prin urmatoarele particularitati:

Agentii frigorifici - nu pot fi decat fluide neutre din punct de vedere al sistemului electric: de exempu R134a, sau R22. Vaporii de agent frigorific, aspirati sunt utilizati pentru racirea infasurarilor electrice ale statorului si rotorului inainte de a ajunge in camera de aspiratie. Pentru temperaturi de vaporizare coborate (de exemplu -30 C), daca debitul masic de vapori aspirati de compresor nu este suficient pentru racirea motorului electric, trebuie prevazute ventilatoare exterioare pentru racirea carterului.

Puterea maxima - cu rare exceptii nu poate sa depaseasca 45 kW pentru compresoarele semiermetice, respectiv 30 kW pentru compresoarele ermetice.

Supapele - sunt in general cu lamele. Trebuie retinut insa ca masinile moderne utilizeaza din ce in ce mai mult supape asemanatoare cu cele ale compresoarelor industriale. Un asemenea exemplu il reprezinta sistemul DISCUS, reprezentat in figura 1.12.

Aspiratia vaporilor se realizeaza traversandu-se placa supapelor. Supapa de aspiratie este inelara, iar cea de refulare, supapa DISCUS, este o piesa cilidro-conica realizata dintr-un material plastic avand urmatoarele proprietati: este usor, elastic, rezistent la actiunea uleiurilor si a agentilor frigorifici, la temperaturi ridicate (pana la 480 C). In plus, zgomotele produse de supapele metalice sunt practic eliminate. Utilizarea supapei de aspiratie inelara, necesita o prelucrare mecanica particulara a capului pistonului, in vederea reducerii la minim a spatiului mort, in limitele tolerantelor de fabricatie. Prin utilizarea acestui sistem se obtin randamente superioare si uzuri mecanice mai reduse.

Carterul - este turnat dintr-o singura bucata si constituie atat corpul compresorului cat si al motorului, prezentand uneori si aripioare de racire. Este inchis pe partea compresorului de suportul lagarului palier si al pompei de ulei, iar pe partea motorului, de un capac pe care este prevazut un robinet de aspiratie, iar in interior un filtru pentru vaporii aspirati.

Cilindrii - sunt in general in numar de 2-3 in linie, 4 in V si 6 in W. Sunt prelucrati direct in corpul carterului. Capacele cilindrilor sunt tot din fonta ca si carterul, iar gura de vizitare este realizata pe partea compresorului. Se pot monta si doua compresoare in tandem, caz in care mai exista o piesa intermediara care leaga cele doua motoare montate spate in spate.

Variatia puterii frigorifice - este in general mai simplu de realizat decat la compresoarele industriale. Cele doua sisteme mai des intalnite sunt urmatoarele:

- obturarea intrarii vaporilor in doi cilindri simultan;

- deschiderea unui orificiu de scurtcircuit intre doi cilindri, ca in figura 1.13.

Pornirea in sarcina redusa - se realizeaza prin utilizarea de obturatori sau a unui circuit exterior de by-pass cu un robint solenoidal de comanda.

Ungerea - in general se realizeaza sub presiune, cu o pompa de ulei care trebuie sa fie obligatoriu reversibila, sensul de rotatie al compresorului putand sa fie indiferent.

1.2.4. Elemente auxiliare ale compresoarelor

Separator de ulei - Este amplasat la refularea compresorului si are ca scop separarea unei parti cat mai mari din uleiul antrenat de agentul frigorific din sistemul de ungere, pentru a-l intoarce in carterul compresorului. Separarea se bazeaza pe diferenta de densitate dintre cele doua fluide si pe modificarea energiei cinetice a acestora, care se poate produce in mai multe moduri: centrifugare, modificarea brucsa a directiei de curgere si cresterea brusca a sectiunii de curgere.

In figura 1.14 este reprezentat un separator de ulei compus dintr-un corp cilindric (poate sa fie orizontal sau vertical) in interiorul caruia exista sicane, material de umplutura (de exemplu inele metalice), sau plase metalice, tricotate sau din panza. Uleiul separat se acumuleaza in partea inferioara, de unde prin intermediul unui robinet cu flotor se reintoarce in carter.

Nu exista separatoare de ulei capabile sa separe complet uleiul antrenat de agentul frigorific din urmatoarele motive:

- chiar daca sunt foarte eficiente la debitul maxim de agent frigorific, eficienta acestora se reduce la scaderea debitului;

- vaporii de ulei foarte calzi (100-130 C) sub forma de aerosoli nu pot sa fie separati decat daca li se reduce tempertura pana in jurul valorii de 50 C si sunt readusi in starea de picaturi prin coalescenta.

Utilizarea separatorului de ulei este indispensabila la utilizarea amoniacului si poate sa fie evitata la utilizarea freonilor, situatie in care nu exista in instalatie zone in care sa fie posibila decantarea (rezervor de lichid sau butelie de joasa presiune).

Aparate de masura - Sunt indispensabile pentru verificarea conditiilor de functionare ale compresoarelor si sunt reprezentate in principal de:

- manometre sau traductori electronici de presiune, care se monteaza pe conductele de aspiratie si de refulare ca si pe circuitul de ulei;

- termometre sau traductori electronici de temperatura, care se monteaza in aceleasi puncte ca si manometrele.

Dispozitive de siguranta - Sunt dispozitive necesare pentru protectia masinii impotriva situatiilor anormale de functionare, care ar putea produce pagube materiale sau accidente. Exista doua categorii de asemenea dispozitive: cu utilizare obligatorie si cu utilizare facultativa.

- Dispozitive cu utilizare obligatorie:

- resort impotriva lovitura hidraulice;

- supapa de siguranta intre aspiratie si refulare, pentru evitarea distrugerii compresorului daca robinetul de refulare este inchis accidental in timpul functionarii compresorului;

- presostat de inalta presiune, care protejeaza compresorul impotriva cresterii presiunii de refulare si care actioneaza inainte de deschiderea supapei de siguranta de inalta presiune, montata in circuit;

- presostat de joasa presiune, care previne scaderea prea accentuata a presiunii din vaporizator sau vaporizatoare;

- presostat diferential de ulei, care are un traductor cuplat la presiunea din carter, iar celalalt traductor cuplat la refularea pompei de ungere si are ca scop supravegherea valorii diferentei dintre cele doua presiuni, care trebuie sa asigure ungerea corecta a compresorului. Acest aparat este temporar scos din functie in perioadele de pornire, pana cand se atinge turatia nominala, perioada in care presiunea diferentiala de ungere este mai redusa decat valoarea minima acceptabila.

- termostat de supraincalzire (esential la utilizarea amoniacului), care protejeaza compresorul impotriva unei temperaturi de refulare excesiv de ridicate (de exemplu 130 C).

- Dispozitive cu utilizare facultativa:

- termostat pentru supapa de siguranta, care se monteaza aproape de supapa de siguranta interna si opreste compresorul daca supapa de siguranta s-a deschis, caz in care s-ar produce supraincalziri periculoase;

- termostat de carter, care mentine temperatura carterului in timpul opririi compresorului, la valori care sa nu permita dizolvarea in ulei a agentilor frigorifici;

- termostat de 'ulei prea rece', care impiedica pornirea compresorului daca temperatura uleiului de ungere nu are o valoare convenabila (50-60 C);

Gestionarea electronica centralizata:

- anumiti constructori prevad o achizitie electronica de date privind functionarea, cu incadrarea permanenta in domeniile de siguranta a parametrilor si vizualizarea valorilor acestora pe monitor.

1.3. Compresoare elicoidale sau compresoare cu surub

1.3.1. 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. 1.3. Furnizori de compresoare elicoidale si caracteristicile acestora

1.3.2. 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 h _{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 pentru climatizare si pompe de caldura (R_c 5);

- V_i=3 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.

1.3.3. 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.

1.3.4. 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.

1.3.5. 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.

1.4. Compresoare volumice rotative

In aceasta categorie sunt incluse:

- compresoare cu palete in rotor;
- compresoare cu piston rotativ;
- compresoare cu spirale (Scroll).

Toate aceste masini sunt caracterizate de simplitatea aparenta a constructiei, datorata numarului redus de piese in miscare, dar care necesita tehnologii de fabriacatie scumpe.

1.4.1. Compresorul cu palete in rotor

Este un compresor volumic, utilizat in tehnica frigului inca din anii 1930, dar care datorita problemelor legate de materialele componente nu a suferit dezvoltari ulterioare.

Partea principala a masinii este reprezentata de un stator cilindric in interiorul caruia se invarte un rotor excentric, tangent la cilindru, asa cum se observa in figura 1.20.

Rotorul are prevazute canale radiale in care paletele pot sa culiseze liber sub efectul fortei centrifugale, pe care o imprima rotorul.

Noile materiale descoperite in industria aeronautica si posibilitatea de a se prelucra in serie profile complexe, pot sa asigure din nou succesul acestor tipuri de masini. Firma Rotocold din Marea Britanie, realizeaza asemenea compresoare, special pentru tehnica frigului si a adus cateva imbunatatiri dintre care se mentioneaza:

Realizarea paletelor din materiale compozite (polimeri aromatici si fibra de sticla), usoare si rezistente, ceea ce permite atingerea de turatii ridicate (viteza periferica de cca. 25 m/s);

Acoperirea paletelor cu un material autolubrifiant (teflon), asigura functionarea corecta si in cazul unei defectiuni pe circuitul de ulei;

S-a realizat un dispozitiv de protectie impotriva loviturilor hidraulice, prin echiparea compresorului cu o placa mobila situata la extremitatea rotorului, mentinuta in pozitie normala de resorturi. O eventuala suprapresiune datorata prezentei lichidului, deplaseaza placa mobila si astfel masina este protejata impotriva oricaror defectiuni mecanice;

Uleiul de ungere este preluat dintr-un separator de ulei (la presiune ridicata) si injectat intr-un dublu circuit intern. Primul alimenteaza garnitura mecanica asigurand ungerea si racirea acesteia, ungerea rulmentului din fata si ungerea unei fete a rotorului. Al doilea circuit asigura ungerea rulmentului din spate si ungerea celei de-a doua fete a rotorului. Acest mod de functionare elimina necesitatea utilizarii unei pompe de ulei, ceea ce simplifica mult constructia;

Reglarea puterii frigorifice, in lipsa unui dispozitiv specializat, se realizeaza fie prin utilizarea unui motor de antrenare cu doua turatii, fie prin utilizarea unui dispozitiv de modificarea a frecventei de alimentare.

Firma Rotocold are ca si caracteristici principalte pentru seria de compresoare cu 8 palete, urmatoarele caracteristici:

- materiale componente: polimeri si fibre de carbon;
- turatia nominala: 1450.4000 rot/min;
- turatia maxima admisa: 6000 rot/min;
- debit: 12,8.80,4 m³/h;
- agenti frigorifici: R22 si R502.

1.4.2. Compresor cu piston rotativ

Acest compresor este prezentat din considerente istorice, nefiind foarte raspandit in prezent. Poate fi considerat ca o varianta a compresorului cu lamele in rotor, avand insa o singura lamela, montata in stator, ca in figura 1.21.

Este utilizat inca din 1980 de cateva firme constructoare din Japonia, in special de firma Daikin, care foloseste asemenea compresoare ermetice in aparate de climatizare, in frigidere casnice si in grupuri compresor-condensator cu o putere de aproximativ 3 kW.

1.4.3. Compresorul cu spirale (Scroll)

Aceasta masina a fost inventata si brevetata in S.U.A. in 1905 si dezvoltata ulterior tot in S.U.A. in anii 1970. Pentru prima data au fost utilizate in frigidere casnice (de putere frigorifica redusa) de firma DWM-Copeland, iar apoi in climatizare de firma Trane care le-a folosit si in grupuri de racire a apei cu puterea frigorifica de 35 kW. Totusi nu exista nici un impediment pentru realizarea unor asemenea compresoare de puteri frigorifice mai mari.

Un compresor Scroll este prezentat in figura 1.22. Piesele principale sunt practic din doua spirale una in alta.

Spirala superioara unde se gaseste orificiul de refulare este fixa, in timp ce spirala inferioara este antrenata intr-o miscare orbitala. Aspiratia se realizeaza prin zona periferica, iar refularea prin orificiul situat in centrul spiralei fixe.

Spirala fixa este prezentata in figura 1.23, iar spirala mobila este prezentata in figura 1.24.

Modul de functionare al acestor tipuri de compresoare este ilustrat in figura 1.25.

- aspiratia - in timpul deplasarii spiralei inferioare se formeaza doua zone prin care sunt aspirati vaporii de agent frigorific pana in momentul in care cele doua zone se inchid;

- comprimarea - miscarea spiralei antreneaza vaporii spre zona centrala, iar volumul ocupat de vapori se reduce treptat ceea ce produce comprimarea acestora;

- refularea - vaporii comprimati sunt evacuati prin orificiul din zona centrala.

Se observa ca in timpul functionarii, cele trei faze (aspiratia, comprimarea si refularea) se desfasoara simultan, simetric si continuu, ceea ce reprezinta o caracteristica importanta a acestui tip de compresor, care va fi supus unei variatii a cuplului mai redusa decat in cazul compresorului cu piston.

Compresorul nu necsita supape, fiind suficienta o simpla clapeta unisens, care sa impiedice reantoarcerea vaporilor refulati. Raportul de comprimare este fix, iar coeficientul de debit este foarte bun, pentru ca nu exista spatiu mort.

Compresorul nu prezinta decat trei piese in miscare, dar pune probleme deosebite din urmatoarele puncte de vedere: etanseitate axiala, etanseitate radiala si evitarea rotatiei inverse a spiralei mobile.

- Etanseitatea axiala - este esentiala tinand seama de suprafata spiralei mobile si de fortele de presiune axiale datorate comprimarii, care tind sa departeze spirala mobila de cea fixa. Principalii constructori utilizeaza diverse metode pentru rezolvarea acestei probleme:

- Aplicarea unei presiuni de vapori pe spatele spiralei fixe, pentru a o impinge spre cea mobila. in acest scop in zona de inceput a comprimarii se practica un mic orificiu in spirala fixa, care prezinta totusi o usoara capacitate de deplasare axiala. Presiunea practicata trebuie sa fie suficient de mare ca sa poata asigura etansarea, dar nu prea mare pentru a nu provoca piederi datorate frecarilor excesive dintre cele doua spirale. La oprirea compresorului, cele doua spirale nu sunt in contact, ceea ce reduce cuplul de pornire.

- Aplicarea unei forte elastice asupra spiralei mobile, prin intermediul unui resort;

- Etanseitatea radiala - adica etanseitatea care trebuie sa existe la contactul dintre cele doua spirale. Pentru aceasta problema exista de asemenea doua solutii tehnice:

- Prin antrenarea excentrica libera a spiralei mobile, de catre arborele motor, situatie in care forta centrifuga asigura contactul permanent dintre spiarale in as afel incat spirala mobila sa ramana concentrica cu cea fixa;

- Prin antrenarea spiralei mobile, utilizand ca piesa intermediara o maselota cu excentric de tipul celei prezentate in figura 1.26. Antrenarea spiralei se realizeaza excentric fata de axul acesteia, care pivoteaza in orificiul prevazut in acest scop in corpul maselotei. Deplasarea maselotei este limitata cu ajutorul unui stift.

Aceasta solutie permite curatarea spiralei mobile in cazul prezentei nedorite de lichid sau impuritati solide, evitandu-se astfel distrugerea compresorului.

- Dispozitivul antirotatie - solutia de antrenare a spiralei mobile, prezentata anterior, caracteristica pentru compresoare ermetice asigura rotatia spiralei in sensul dorit. La compresoarele deschise se utilizeaza alte solutii tehnice care sa realizeze acelasi efect.

- Ungerea este asigurata de o pompa centrifugala imersata in baia de ulei din carter. Uleiul circula prin canale practicate in arborele de antrenare asigurand ungerea palierelor arborelui, dar si palierul spiralei mobile. Uleiul antrenat de vapori asigura lubrifierea zonei de contact dintre spirale.

La ora actuala cele mai numeroase utilizari ale acestor compresoare se intalnesc in conditionarea aerului.

1.5. Compresoar

1.5.1. Scurt istoric

Compresoarele centrifugale au inceput sa fie utilizate in tehnica frigului la inceputul secolului. Cele mai importante repere cronologice sunt:

1910: In Germania se studiaza posibilitatea utilizarii acestor compresoare cu agentii frigorifici cunoscuti la momentul respectiv (SO₂, CO₂, NH₃). Simultan compania Carier in S.U.A. experimenta cu aceste masini, diverse hidrocarburi si clorura de metilen.

1926: In Elvetia, compania Brown Boveri realizeaza un compresor centrifugal functionand cu amoniac, avand o putere frigorifica de 7000 kW, la realizarea unei temperaturi de -15C. Ulterior aceeasi companie a utilizat clorura de etilen si bromura de etilen pentru climatizare.

1930: Compania americana Kinetic Chemicals produce freoni avand masa moleculara mare, care se preteazate bine la utilizarea in aceste compresoare.

1933: Compania Carrier utilizeaza R11 pentru climatizare si R12, propan, respectiv SO₂, pentru realizarea de temperaturi mai scazute.

Dupa al doilea razboi mondial, dezvoltarea intensa a domeniului conditionarii aerului, dar si a aplicatiilor care necesita temperaturi mai scazute, au favorizat atat in Europa cat si in S.U.A. promovarea compresoarelor centrifugale.

Tab. 1.4. Tipuri de compresoare centrifugale
realizate de principalii furnizori

e centrifugale

1.5.2. Generalitati

Compresoarele centrifugale sunt utilizate intr-o mare varietate de instalatii frigorifice si pentru conditionarea aerului.

Debitele volumice uzuale se incadreaza intre 200 m³/h in aeronautica si 55000 m³/h in conditionarea aerului, iar turatiile intre 3000 si 100000 rot/min. Debitele mici se realizeaza cu diametre mici si turatii mari, iar debitele mari cu diametre mari si turatii mici.

Compresoarele frigorifice centrifugale de puteri frigorifice mici realizeaza 15-95 kW, functionand cu R134a, sau R114, au dimensiuni foarte reduse, sunt antrenate de turbine actionate de aer, la turatii de peste 100000 rot/min si sunt destinate climatizarii cabinelor avioanelor de transport.

Puterile frigorifice maxime ale compresoarelor centrifugale sunt limitate de dimensiunile acestora. De exemplu un asemenea compresor de 55000 m³/h pentru climatizarea unui aeroport, are un diametru exterior de aproape 2m.

Temperaturile de vaporizare pe care le pot realiza se situeaza intre +10 C (climatizare) si -160 C (lichefierea metanului). Presiunile de refulare pot ajunge la 21 bar, iar raportul de comprimare variaza intre 2 si 30 (cu mai multe trepte de comprimare). Practic pot sa fie comprimatii toti agentii frigorifici.

In compresoarele frigorifice se pot monta maxim 10 trepte (etaje) de comprimare si sunt posibile aspiratii multiple intre trepte, la diferite nivele de temperatura, astfel incat un compresor sa poata realiza mai multe nivele de temperatura scazuta. Se pot monta in serie mai multe compresoare, care sa fie antrenate simultan, iar daca este necesar aceste compresoare cu antrenare unica pot sa functioneze cu mai multi agenti frigorifici.

In conditionarea aerului, datorita valorii reduse a raportului de comprimare (3.4), este posibila comprimarea in una sau doua trepte, deci pentru acest domeniu se utilizeaza masini simple.

1.5.3. Constructia compresoarelor centrifugale

Masinile utilizate in climatizare sunt realizate in general sub forma unor grupuri care cuprind compresorul, sistemul de antrenare, condensatorul, vaporizatorul, dispozitivul de destindere si aparatele auxiliare.

Un model de rotor pentru compresoarele centrifugale este prezentat in figura 1.27.

In figura 1.28 este prezentat modul de compunere a vitezelor intr-un rotor de compresor centrifugal.

Compresoarele centrifugale sunt realizate in mai multe variante constructive:

Compresoarele deschise cu multiplicator separat, ca cel din figura 1.29, au aparut in ordine cronologica primele, avand la inceput doua trepte de comprimare.

Primii agenti frigorifici utilizati in aceste compresoare au fost R11, R12, R114, R500, R502 si R22.

Cele mai importante caracteristici ale acestor compresoare sunt urmatoarele:

- caterul este realizat din fonta oteloasa avand doua parti suprapuse, ambele avand cate o suprafata plana pentru montarea unei garnituri orizontale;
- rotoarele sunt in general inchise avand paletele ascunse in interior si fiind realizate in una din urmatoarele variante:

- integral din otel, cu palete separate, montate in canale practicate pe cele doua fete ale rotilor;
- integral din otel, cu paletele frezate in una din cele doua fete, cealalta fiind sudata de marginile rotilor;
- din aliaje de aluminiu lipite;

- labirintii (o parte fixa din aluminiu si una rotitoare din otel) etanseaza zona de presiune ridicata fata de cea de presiune scazuta, fiind strabatute de un debit foarte scazut de agent frigorific, avand si rolul de a impiedica uleiul din circuitul de ungere sa patrunda in compresor;
- garnitura mecanica are o constructie asemanatoare cu cea a compresoarelor deschise cu piston si etanseaza interiorul compresorului de exterior;
- pompa de ulei este montata la celalalt capat al arborelui, iar rotile dintate sunt imersate in baia de ulei aflata in partea inferioara a carterului;
- circuitul de ungere are urmaatoarele elemente principale:
- pompa de ulei cu roti dintate;
- filtru foarte fin;
- canalele de curgere a uleiului;
- punctele in care se realizeaza ungerea;
- supapa pentru reglarea presiunii de ungere;
- rezistenta electrica pentru degazarea uleiului;
- schimbator de caldura pentru racirea uleiului (racitor de ulei);
- pompa de ungere electrica, pentru asigurarea ungerii la pornire si in perioadele de oprire;
- cuplajul multiplicatorului exterior este realizat din doua mansoane danturate, montate pe cei doi arbori (al compresorului si al multiplicatorului) si dintr-o piesa intermediara de forma cilindrica avand dantura interioara.

Ansamblul este inchis si lucreaza intr-o baie de ulei.

Varianta de compresor din figura 1.30 prezinta un carter avand forma simplificata, roti mai simple, iar in difuzoare pot sa existe optional si palete.

- La intrarea in primul rand de roti poate sa existe un dispozitiv mobil de reglare a debitului, denumit si dispozitiv de prerotire.

- Ungerea se realizeaza cu ajutorul unei pompe centrifugale.

Compresoarele deschise cu multiplicator incorporat au constructia prezentata in figura 1.31.

- Deoarece ansamblul compresor-multiplicator-motor nu este nici economic, nici usor de manevrat, unii constructori au montat multiplicatorul in carter;

- Unul din avantaje este acela ca garnitura mecanica este plasata pe arborele de turatie redusa, care este mai usor de etansat.

Compresoarele centrifugale semiermetice se utilizeaza in conditionarea aerului, unde raportul de comprimare mai redus permite utilizarea a numai doua trepte de comprimare, la o turatie care poate fi realizata prin antrenarea directa utilizand un motor electric cu doi poli. O asemenea varianta este prezentata in figura 1.32.