Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

REFRIGERATION COMPRESSOR FOR OPERATING ON REFRIGERANTS THAT CHEMICALLY INTERACT WITH THE COPPER PARTS OF AN ELECTRIC MOTOR

Research article
Krysanov K.S.
Solomatin A.V.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.103.2.010
Issue: № 2 (104), 2021
Published:
2021/02/17
PDF

КОМПРЕССОРЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ РАБОТЫ НА ХЛАДАГЕНТАХ, ХИМИЧЕСКИ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С МЕДНЫМИ ЧАСТЯМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Обзорная статья

Крысанов К.С.1, Соломатин А.В.2, *

1, 2 Московский политехнический университет, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (ya.lexaneon333[at]yandex.ru)

Аннотация

В статье предлагается общий обзор проблем и факторов для реализации конструкций холодильного компрессора имеющего возможность работать с хладагентами, химически взаимодействующими с медными частями электродвигателя и последующего его производства. Разбор достоинств и недостатков каждого из конкретных конструкторских решений. Технологические препятствия для производства таких компрессоров на основе имеющихся средств производства и в сложившейся отрасли холодильного машиностроения. На основе рассмотрения перспективности каждой конструкции компрессора для ее последующей реализации и потенциальной надежности и безопасности при эксплуатации, выбраны наиболее предпочтительные варианты для применения их на практике.

Ключевые слова: холодильный компрессор, линейный компрессор, аммиачный компрессор, аммиак, алюминиевая обмотка, экранированный электродвигатель.

REFRIGERATION COMPRESSOR FOR OPERATING ON REFRIGERANTS THAT CHEMICALLY INTERACT WITH THE COPPER PARTS OF AN ELECTRIC MOTOR

Review article

Krysanov K.S.1, Solomatin A.V.2, *

1, 2 Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia

* Corresponding author (ya.lexaneon333[at]yandex.ru)

Abstract

The current article provides a general overview of the problems and factors for the implementation of the designs of a refrigeration compressor that can work with refrigerants that chemically interact with the copper parts of the electric motor and its subsequent production. The study conducts an analysis of the advantages and disadvantages of each of the specific design solutions as well as describes the technological obstacles of the production of such compressors on the basis of available means of production and in the established industry of refrigeration engineering. The paper selects the most preferred options for their practical application based on the consideration of the potential of each compressor design for its subsequent implementation and the potential reliability and safety during their operation.

Keywords: refrigeration compressor, linear compressor, ammonia compressor, ammonia, aluminum winding, shielded electric motor.

Введение

На сегодняшний день экологическая ситуация и новые регулирующие нормы по исключению из эксплуатации озоноразрушающих веществ и веществ с высоким потенциалом глобального потепления вынуждают ученых и специалистов по холодильному оборудованию серьезно взглянуть на природные хладагенты, такие как воздух, вода, аммиак, диоксид углерода и другие, в качестве долгосрочной альтернативы ГХФУ хладагентам в промышленном холодильном оборудовании. Аммиак является одним из самых энергоэффективных и проверенных хладагентов в истории холодильной промышленности. Любой, кто занимается производством консервов и промышленных пищевых продуктов, знает, что аммиак является предпочтительным хладагентом из-за его непревзойденных термодинамических свойств, что позволяет снизить эксплуатационные энергозатраты [4]. Для наглядности сказанного приведены данные некоторых современных хладагентов (см. таблицу 1) [8].

Таблица 1 – Характеристики хладагентов

Хладагент R22 R404a R134a R600a R717
Теплота парообразования (r0) при 0 C°, кДж/кг 205,6 168,6 197,2 355,8 1260,6
Отношение давлений при Tk=35 C°, T0=-25 C°, πk 6,78 6,4 8,32 8,05 8,96
 

К тому же экономия электроэнергии косвенно снижает выбросы углекислого газа в атмосферу, взяв во внимание, что более 50% электроэнергии вырабатывается ТЭС, а сектор искусственного охлаждения (включая кондиционирование воздуха) потребляет около 17% всей используемой в мире электроэнергии [6]. Несмотря на свои превосходные термодинамические свойства, обеспечивающие возможность проектирования на его основе энергоэффективных систем с минимальным воздействием на окружающую среду, аммиак не использовался в системах с небольшой производительностью. Этому есть ряд причин технического и технологического характера.

Основная часть

Основными факторами и препятствиями для использования аммиака в малых холодильных системах являются:

  1. Снижение заправки хладагентом.

Учитывая, что традиционно аммиак использовался в крупных коммерческих и промышленных применениях, возникает возможность расширить область его применения, чтобы охватить также системы небольшой емкости. Одним из важных аспектов, который следует учитывать при проектировании аммиачных систем, является снижение общего количества хладагента в системе, что является важным шагом в повышении безопасности.

  1. Несовместимость аммиака с медью.

Учитывая, что под воздействием аммиака медь активно корродирует, создание герметичных компрессоров для аммиака сопряжено с рядом проблем, поскольку электродвигатель, обычно имеющий медные обмотки, контактировал бы с хладагентом. Кроме того, большинство малых и средних холодильных и тепловых насосных систем, использующих ХФУ, ГХФУ или ГФУ, были построены с использованием медных труб. Как следствие, холодильная промышленность разделена на те, которые занимаются, главным образом, галогенированными углеводородами, использующими медные трубки и герметичные или полугерметичные компрессоры, и те, которые используют аммиак в системах большой емкости со стальными трубами и открытыми компрессорами.

  1. Отсутствие компонентов для аммиачных систем малой мощности.

Основным препятствием для коммерческого внедрения аммиачных систем малой мощности является отсутствие компонентов, специально предназначенных для этих применений. Система малой мощности также должна быть газонепроницаемой и работать с минимальным количеством хладагента.

Были определены четыре различных варианта типа компрессора, применение которых потенциально возможно для аммиачных систем малой мощности:

Открытые (сальниковые) компрессоры: открытые компрессоры (см. рисунок 1), разработанные для аммиака, доступны от нескольких производителей даже для небольших размеров. Одним из примеров является компрессор F2 от Bock. Этот компрессор рассчитан на аммиак, а тепловая мощность при работе на минимально допустимой скорости составляет около 7 кВт. Но следует отметить, что наличие сальникового уплотнения вала электродвигателя в компрессорах этого типа является недостатком. Значительные и трудноустранимые утечки хладагента могут происходить через сальники, расположенные на валу компрессора. Это одна из причин того, что в последние годы абсолютное большинство фреоновых компрессоров малой производительности выпускают в бессальниковом и герметичном исполнении со встроенным электродвигателем охлаждаемым всасываемым паром. Так же сальник может создавать дополнительное сопротивление вращению вала электродвигателя увеличивая механические потери агрегата [2].

04-03-2021 11-09-34

Рис. 1 – Схема сальникового компрессора:

1 – поршневой компрессор; 2 – рама; 3 – электродвигателя; 4 – резино–металлическая муфта; 5 – трубопровод; 6 – виброопоры

 

Компрессоры с алюминиевой обмоткой. Второй вариант - герметичный компрессор, у которого обмотки электродвигателя выполнены из алюминия вместо меди. Электрическая изоляция проводов в двигателе также должна быть выбрана для совместимости с аммиаком. Примером может служить Mayekawa как производитель компрессоров этого типа. Двигатель Mayekawa совместим с аммиаком благодаря использованию алюминия в обмотках двигателя и использованию тефлона для электрической изоляции обмоток. Компрессор спирального типа с охлаждающей способностью от 5 до 15 кВт подключается непосредственно к двигателю, который работает со скоростью 3600 об / мин и частотой 60 Гц (см. рисунок 2).

04-03-2021 11-09-47

Рис. 2 – Схема компрессора Mayekawa с алюминиевыми обмотками электродвигателя:

1 – картер компрессора; 2 – корпус; 3 – кольцевое уплотнение; 4 – алюминиевая обмотка; 5 – подвижная спираль; 6 – неподвижная спираль

 

К плюсам алюминиевой обмотки можно отнести меньший, чем у медной обмотки, вес и меньшую стоимость. Но и минусы у данного решения тоже есть: проводимость алюминия ниже меди (0,4 МОм/см у алюминия против 0,6 МОм/см у меди), теплопроводность так же ниже, что ведет к большим тепловым нагрузкам, чем у меди. Что неизбежно ведет к повышению электрических потерь и уменьшению кпд электродвигателя [7], [9]. Следовательно, требуется увеличивать сечение обмоточного провода.

Например, для сохранения неизменного коэффициента заполнения паза клетки электродвигателя необходимо при уменьшении числа параллельных проводников на меньшее число параллельных элементарных проводников в каждом эффективном проводе и переходе на провод большего диаметра соблюдать условие:

04-03-2021 11-12-10

где 04-03-2021 11-12-18 – диаметры изолированного провода. Максимально допустимый диаметр изолированного провода 2,35 мм, тогда минимальное 04-03-2021 11-12-32 находим из следующих формул:

04-03-2021 11-12-23

Затем 04-03-2021 11-12-32 должно быть округлено до ближайшего целого 04-03-2021 11-12-43. Диаметр алюминиевого провода тогда находим по следующей формуле:

04-03-2021 11-12-52

В качестве примера возьмем обмотку из провода сечением 0,8 мм2, диаметром 1/1,08 мм, при 04-03-2021 11-13-05, также определим возможность уменьшения числа 04-03-2021 11-13-16:

04-03-2021 11-13-23

округляем до 04-03-2021 11-17-45. Выбираем из номенклатуры провод диаметром 1,81/1,89 мм сечением 2,57 мм2.

Увеличение сечения составит 04-03-2021 11-17-54. Снижение же тока в свою очередь ведет к снижению мощности электродвигателя. Между соотношением мощностей 04-03-2021 11-18-01 и максимальных токов 04-03-2021 11-18-07 электродвигателя с алюминиевой или медной обмотками при неизменном числе эффективных проводов в пазу будет иметь место зависимость:

04-03-2021 11-19-26

где 04-03-2021 11-19-33 номинальный коэффициент мощности электродвигателя. Вывод формулы основан на совместном решении двух приближенных уравнений:

04-03-2021 11-19-40

То есть изменением кпд при изменении тока можно пренебречь, намагничивающие силы пропорциональны 04-03-2021 11-19-54. В соответствии с этим электродвигатель с 04-03-2021 11-20-05 и алюминиевой обмоткой проводом диаметром 1,81/1,89 мм сечением 2,57 мм2 потребует понижение тока в отношении 04-03-2021 11-20-24 и соответственно

04-03-2021 11-20-30

В данном примере ток будет ниже на 9% на алюминиевой обмотке и мощность ниже на 13%.

Компрессоры с экранированным статором: в компрессорах этого типа электрические обмотки статора двигателя компрессора расположены снаружи герметичного колпака/экрана (тонкая газонепроницаемая оболочка), а ротор, который не имеет обмоток, а только постоянные магниты, находится внутри корпуса. Это означает, что нет электрических соединений или сообщения вала со стороны хладагента с наружной полостью, в которой находятся обмотки, что сводит к минимуму риск утечки хладагента, делает систему герметичной. Экран изготавливается из немагнитной нержавеющей стали толщиной 0,3 мм, зазор между статором и экраном 0,05мм, между ротором и экраном 0,3 мм (см. рисунок 3) [5]. Однако, из-за этого увеличивается расстояние между ферромагнитными частями статора и ротора (воздушный зазор между статором и ротором), что приводит к снижению электрического холодильного коэффициента на 10% по сравнению с аналогичными компрессорами с классической конструкцией электродвигателя [1], [10].

04-03-2021 11-25-29

Рис. 3 – Схема экранированного компрессора:

1 – обмотка статора; 2 – экран из нержавеющей немагнитной стали; 3 – ротор

 

Хотя этот тип двигателей применяется в тех случаях, когда обмотки необходимо экранировать от суровых условий (химического воздействия, высокой температуры), он широко не используется в холодильной промышленности, а основным плюсом данного решения считается повышенная ремонтопригодность. Есть один австрийский производитель таких компрессоров для холодильной техники и тепловых насосов (Frigopol), охватывающий диапазон от 3 кВт до 21 кВт холодопроизводительности.

Увеличивая воздушный зазор между статором и ротором, пренебрегая падением напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях обмотки статора, можно записать U=E=4,44 wfBSko61. То есть магнитная индукция от зазора не зависит.

Намагничивающий ток двигателя определяется с помощью закона полного тока Нстlст+Н0l0 = Iμ w1, откуда Iμ =(Нстlст+Н0l0)/w1.

Следовательно, с увеличением воздушного зазора l0 увеличивается намагничивающий ток двигателя Iμ.

Таким образом, ток холостого хода I0=( Iμ2+ Ia2)1/2 увеличивается. Коэффициент мощности и реактивная мощность двигателя равны cos φ = P/S = P/(P2+Q2)1/2; Q= IμU.

Из-за увеличения тока холостого хода увеличится реактивная мощность и, следовательно, уменьшится коэффициент мощности двигателя. При увеличении воздушного зазора увеличатся потоки рассеяния, что вызовет еще большее уменьшение коэффициента мощности двигателя [3].

Линейный компрессор. Конструкция поршневого компрессора линейного типа (см. рисунок 4) перспективна в плане выведения медной обмотки из области с холодильным агентом и обладает повышенной компактностью по сравнению с обычными поршневыми компрессорами. Также к достоинствам этой конструкции можно отнести меньшие механические потери, так как отсутствуют узлы кривошипно-шатунного механизма и соответственно трение, создаваемое ими, и меньшую массу [11]. Однако такой механизм требует более сложной системы смазки нежели классический, что не является конструкторской проблемой, а энергозатраты на работу маслонасоса не велики. Как и вариант с газонепроницаемым колпаком (экраном) в этом случае возможно полное отсутствие контакта хладагента и обмоток.

04-03-2021 11-26-39

Рис. 4 – Схема классического герметичного линейного компрессора:

1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – клапанный узел; 4 – шток привода поршня; 5 – обмотка; 6 – статор; 7 – подвесная пружина; 8 – возвратная пружина; 9, 10 – патрубки всасывания и нагнетания

 

Мировая промышленность на данный момент производит в крупных масштабах линейные компрессора малых мощностей и имеет соответствующую производственно-технологическую базу и наработки в их проектировке. Основным производителем является компания LG. На сегодняшний день линейного компрессора с изолированными обмотками статора не существует, а учитывая все достоинства этого агрегата можно считать его оптимальным для реализации конструкции герметичного компрессора с экранированной обмоткой статора для аммиачных холодильных машин с малой заправкой.

Заключение

Исследовав ситуацию в холодильной промышленности, можно утверждать о наличии сферы холодильной техники, в которой возможно улучшить энергетические показатели путем внедрения систем, работающих на энергоэффективном и экологически безопасном хладагенте R717. Для расширения сферы применения этого хладагента необходимо разработать и исследовать свойства компрессорных агрегатов способных эксплуатироваться с данным хладагентом. Исследовав методы реализации конструкций таких компрессорных и насосных агрегатов, можно утверждать о потенциале линейного типа компрессоров в сочетании с экранированием медных обмоток электродвижущих частей и целесообразности дальнейшей разработки и изучении его энергетических характеристик.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Богданов А.В. Современные электроприводы герметичных насосов и компрессоров / А.В. Богданов, Г.Г. Беликов, Э.В. Лапшин // Труды международного симпозиума надежность и качество.- 2012.- №2.- С. 194-195.
  2. Бохан К.А. Эксплуатация и ремонт холодильных установок: учеб. пособ./ К.А.Бохан.– Брянск: Мичуринский филиал ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет», 2015.- 164 с.
  3. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: учеб. 4-е изд., перераб. и доп. / Б.Ю. Липкин.- М.: Высшая школа, 1990. - 363 с.
  4. Рукавишников А.М. Энергетическая эффективность сегодня-экономический выигрыш завтра / А.М. Рукавишников, М.В. Литовченко // Холодильная техника. -2012. -№5. -С. 9-13.
  5. Сапожников В.Б. Подбор компрессоров для холодильных систем мясоперерабатывающих производств / В.Б. Сапожников // Холодильное оборудование.- 2015.- №11.- С. 14-19.
  6. Сводный доклад, содержащий новейшую научную информацию в области климата// Холодильная техника. -2019. -№11. -С. 6-12.
  7. Слоним Н.М. Алюминиевые провода при ремонте асинхронных двигателей/ Н.М. Слоним // Москва, «Энергия». -1973. -136 с.
  8. Цветков О.Б. Таблицы свойств холодильных агентов: учеб.-метод. пособие / О.Б. Цветков, Ю.А. Лаптев. – СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. -52 с.
  9. Шевченко В.В. Сравнение характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при замене материала обмотки ротора и предложения по их улучшению / В.В. Шевченко, Н.И. Горюшкин, И.Я. Лизан // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. -2014. -№12. -С. 27-34.
  10. Якобсон В.Б. Малые холодильные машины / В.Б. Якобсон, А.А. Гоголин, К.Д. Кан .- Москва, Пищевая промышленность. -1977. -102 с.
  11. Xinye Zhang Theoretical analysis of dynamic characteristics in linear compressors / Xinye Zhang , Davide Ziviani, JamesE. Braun, EckhardA. Groll // International Journal of Refrigeration. -2019. -P. 115-117.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Bogdanov A.V. Sovremennye jelektroprivody germetichnyh nasosov i kompressorov [Modern electric drives of hermetic pumps and compressors] / A.V. Bogdanov, G.G. Belikov, Je.V. Lapshin // Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma nadezhnost' i kachestvo [Proceedings of the international symposium reliability and quality].- 2012.- №2.- P. 194-195. [in Russian]
  2. Bohan K.A. Jekspluatacija i remont holodil'nyh ustanovok: ucheb. posob. [ Operation and repair of refrigeration units: studies. stipend.] / K.A.Bohan.– Brjansk: Michurinskij filial FGBOU VO «Brjanskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet» [ Bryansk: Michurinsky Branch of the Bryansk State Agrarian University»], 2015.- 164 p. [in Russian]
  3. Lipkin B.Ju. Jelektrosnabzhenie promyshlennyh predprijatij i ustanovok: ucheb. [Power supply of industrial enterprises and installations: textbook. 4th edition, reprint. and supplemented] / B.Ju. Lipkin.- M.: Vysshaja shkola, 1990. - 363 p. [in Russian]
  4. Rukavishnikov A.M. Jenergeticheskaja jeffektivnost' segodnja-jekonomicheskij vyigrysh zavtra [Energy efficiency today-economic gain tomorrow] / A.M. Rukavishnikov, M.V. Litovchenko // Holodil'naja tehnika [Refrigeration equipment]. -2012. –P. 9-13. [in Russian]
  5. Sapozhnikov V.B. Podbor kompressorov dlja holodil'nyh sistem mjasopererabatyvajushhih proizvodstv [Selection of compressors for refrigeration systems of meat processing industries] / V.B. Sapozhnikov // Holodil'noe oborudovanie [Refrigerating equipment].- 2015.- №11.- P. 14-19. [in Russian]
  6. Svodnyj doklad, soderzhashhij novejshuju nauchnuju informaciju v oblasti klimata [Summary report containing the latest scientific information in the field of climate] // Holodil'naja tehnika [Refrigeration equipment]. -2019. -P. 6-12. [in Russian]
  7. Slonim N.M. Aljuminievye provoda pri remonte asinhronnyh dvigatelej [Aluminum wires in the repair of asynchronous motors] / N.M. Slonim // Moskva, «Jenergija» [Moscow, "Energy"]. -1973. -136 p. [in Russian]
  8. Cvetkov O.B. Tablicy svojstv holodil'nyh agentov [Tables of properties of refrigerating agents] / O.B. Cvetkov, Ju.A. Laptev // Ucheb.-metod. posobie. – SPb.: NIU ITMO; IHiBT, [Study-method. stipend. - St. Petersburg: NRU ITMO; IHiBT], 2013. – 52 p. [in Russian]
  9. Shevchenko V.V. Sravnenie harakteristik asinhronnogo dvigatelja s korotkozamknutym rotorom pri zamene materiala obmotki rotora i predlozhenija po ih uluchsheniju [Comparison of the characteristics of an asynchronous motor with a short-circuited rotor when replacing the material of the rotor winding and suggestions for their improvement] / V.V. Shevchenko, N.I. Gorjushkin, I.Ja. Lizan // Jenergosberezhenie, jenergetika, jenergoaudit [Energy saving, energy, energy audit]. -2014. -№12. - P. 27-34. [in Russian]
  10. Jakobson V.B. Malye holodil'nye mashiny [Small refrigerating machines] / A.A. Gogolin, K.D. Kan // Moskva, Pishhevaja promyshlennost' [Moscow, Food industry]. -1977. -102 p. [in Russian]
  11. Xinye Zhang Theoretical analysis of dynamic characteristics in linear compressors / Xinye Zhang , Davide Ziviani, JamesE. Braun, EckhardA. Groll // International Journal of Refrigeration. -2019. -P. 115-117.