Технологии, применяемые в современных компрессорах
Инверторные компрессоры постоянного тока. Производительность первых компрессоров, независимо от их вида, не регулировалась вообще или же регулировалась крайне неэффективным способом — за счет перепуска газа (байпаса). Управление холодопроизводительностью установки чаще всего осуществлялось путем включения и выключения компрессора.
В начале 2000-х годов сначала в бытовых сплит-системах, а потом в полупромышленном и промышленном климатическом оборудовании стали внедряться инверторные приводы компрессоров. Они позволяли изменять холодопроизводительность агрегата в соответствии с реальной тепловой нагрузкой в помещении. Помимо повышения холодильного коэффициента такой метод управления увеличивал и срок службы оборудования за счет резкого снижения количества циклов запуска и остановки компрессора. Первые инверторные приводы имели маленькую мощность, что сдерживало их распространение. Со временем были разработаны более мощные устройства, сфера их применения расширялась.
Следующим шагом стала разработка инверторных компрессоров, работающих от постоянного тока (DC Inverter — Direct Current Inverter). Суть нововведения — повышение энергоэффективности климатического оборудования за счет сокращения числа преобразований электрического тока. Дело в том, что инвертор регулирует производительность компрессора путем изменения частоты тока. Однако напрямую изменить частоту переменного тока невозможно, необходимо сначала превратить его в постоянный, а потом уже сформировать переменный ток нужной частоты. Таким образом, ток проходит двойное преобразование — сначала в устройстве, которое называется выпрямитель, синусоида выпрямляется, а потом в другом устройстве — инверторе — создается новая синусоида с нужными характеристиками.
Двойное преобразование влечет за собой двойные потери, поскольку КПД каждого этапа ниже 100%. Стремление повысить КПД натолкнуло инженеров на мысль отказаться от инвертора в инверторе (каламбур связан с тем, что под словом «инвертор» понимают и устройство для регулирования компрессора в целом, и одну из его составных частей, отвечающую за формирование переменного тока из постоянного) и подать на компрессор постоянный ток.
Регулирование компрессоров постоянного тока осуществляется путем изменения величины действующего напряжения. Питание компрессора осуществляется импульсами постоянной амплитуды, но разной частоты. Изменение длины и периодичности импульсов ведет к снижению действующего напряжения и соответствующему изменению производительности компрессора. Важно отметить, что при изменении действующего напряжения прямо пропорционально снижается потребляемая мощность компрессора, что обеспечивает экономию энергии при неполной нагрузке.
Сегодня инверторные компрессоры постоянного тока широко применяются в бытовых, полупромышленных и прецизионных кондиционерах, наружных блоках мультизональных систем.
Спиральные компрессоры
Конструктивно спиральные компрессоры состоят из электродвигателя, вала с эксцентриком и двух спиралей — подвижной и неподвижной. Подвижная спираль совершает поступательно-вращательное движение, благодаря которому обкатывается по поверхности неподвижной спирали. В каждый момент времени две спирали, касаясь друг друга, образуют несколько замкнутых объемов разной величины — тем б’oльших, чем дальше они расположены от центра. По мере движения подвижной спирали полости смещаются к центру, уменьшаясь в объеме. Тем самым достигается сжатие хладагента.
Основное внимание производителей спиральных компрессоров приковано к профилированию спиралей, снижению перетечек, повышению срока службы элементов компрессора. Но есть и более специфические наработки.
Так, для расширения температурных границ работы спиральных компрессоров была предложена технология Enhanced Vapor Injection (EVI). Суть ее заключается в подаче дополнительного потока хладагента в виде перегретого пара в процессе сжатия. Для этого часть жидкости после конденсатора направляют в небольшой теплообменник, где она выкипает и поступает обратно в компрессор.
В свою очередь, спиральные компрессоры помимо отверстий для подачи и нагнетания хладагента оснащаются портом для впрыскивания дополнительного объема хладагента. В спиральных компрессорах газ движется от наружных витков спиралей к внутренним. Впрыскивание дополнительного объема хладагента производится на середине этого пути.
Технология Enhanced Vapor Injection позволяет расширить температурные границы работы спиральных компрессоров в холодное время года до —25°C. Кроме того, по данным компании LG, за счет применения промежуточного впрыска хладагента удается повысить производительность системы на 27%. Технология Enhanced Vapor Injection способствует понижению температуры хладагента на выходе из компрессора, что, в свою очередь, позволяет компрессору работать с более высокой скоростью, а это приводит к увеличению производительности агрегата. Технология Enhanced Vapor Injection применяется также в компрессорах Copeland, Mitsubishi Electric и других.
В спиральных компрессорах новых кондиционеров компании Daikin проработан вопрос снижения перетечек хладагента из зоны с высоким давлением в зону с более низким давлением. Чтобы избежать таких перетечек, подвижная и неподвижная спирали должны быть плотно прижаты друг к другу. Возникает вопрос: как лучше добиться этого прижатия?
Обычно часть хладагента высокого давления на выходе из компрессора направляется в специальную полость снаружи подвижной спирали. Так как давление нагнетания выше, чем среднее давление хладагента между спиралями, то создается сила, прижимающая подвижную спираль к неподвижной. Однако при снижении производительности компрессора снижается давление хладагента на выходе из него, следовательно, становится меньше и прижимающая сила. А ведь для перетечки хладагента достаточно узкой щели. Как только она образуется, эффективность работы компрессора резко падает.
В компании Daikin разработали компрессоры с дополнительной опорной площадкой для подвижной спирали. Чем ниже давление нагнетания, тем больше хладагента проходит через эту площадку. За счет этого улучшается прижимание спиралей, снижается вероятность перетечек.
Эффективность компрессоров может быть повышена и косвенным путем — за счет изменения режима работы других элементов холодильного контура. Примером такого решения может служить технология EMS, применяющаяся в кондиционерах компании Midea.
В Midea изучили, при какой производительности компрессор наиболее эффективен. Выяснилось, что пик коэффициента полезного действия соответствует 50—80%-ной загрузке. Следовательно, нужно сделать так, чтобы компрессор максимально долго работал именно с такой загрузкой. Как этого достичь?
Очевидно, что в режиме 100%-ной тепловой нагрузки на кондиционер компрессор также должен «молотить на полную». Но так ли часто тепловая нагрузка столь велика? Выясняется, что нет. Далее следует анализ работы кондиционера при частичной нагрузке.
Одно из решений, которое выработали инженеры, — повышение температуры хладагента в испарителе при неполной нагрузке на кондиционер. Это позволяет повысить энергоэффективность кондиционера напрямую, ведь чем выше температура испарения, тем выше холодильный коэффициент. Одновременно компрессор выводится на тот самый энергоэффективный режим, что также способствует повышению холодильного коэффициента. По данным Midea, сезонный холодильный коэффициент SEER у такого кондиционера на 10% выше, чем у обычного.