INOVÁCIA KOMPRESORA NA CHLADIVO R718 - Z konferencie IIR GL v Trondheime

Thomas Moesch, TU, ILK Drážďany

Spracoval: Doc Ing. Peter, Tomlein, PhD.

Optimum udržateľného chladiva, ktoré okrem iných kritérií má vysoký SEER/SCOP a nízky GWP chladiva v kombinácii s nulovým ODP, možno v konečnom dôsledku dosiahnuť len s prírodnými chladivami, ako sú uhľovodíky (R290, R600a...), NH3 (R717), CO2 (R744) alebo H20 (R718). 

Trojitý bod R718 obmedzuje jeho použitie na klimatizáciu a tepelné čerpadlá. Súčasné chladiče R718 používajú hlavne turbokompresory kvôli nízkemu objemovému chladiacemu výkonu R718. 

Maximálny tlakový kompresný pomer turbokompresorov je však zhruba 2,0 (axiálny) alebo 4,0 (radiálny) na kompresný stupeň. To obmedzuje zvýšenie vnútornej teploty súčasných a budúcich chladičov R718 s turbokompresormi na približne 10 K (axiálne) … 25 K (radiálne) pre jednostupňové stroje. 

Hlavné aplikácie

Sú preto obmedzené na klimatizáciu bez odvlhčovania (napr. chladenie dátových centier) a bez rekuperácie tepla. Nový koncept skrutkového kompresora pre prototyp chladiča R718 s rekuperáciou tepla umožňuje zvýšenie teploty z 5 °C na 50 °C.

Voda (R718) má mnoho výhod ako prírodné chladivo

Nemá GWP, ODP, nie je toxický, nehorľavý a vysoko dostupný. Avšak relatívne malý objemový chladiaci výkon (pre 𝜗0= 5 °C: 𝑞0,𝑣,R718≈ 5 W(m³/h)-1 a 𝑞0,𝑣,R134a≈ 930 W(m³/h)-1), veľký tlakový pomer na teplotný zdvih (pre 𝜗0= 5 °C a 𝜗𝐶= 50 °C: 𝜋R718= 14,2 a 𝜋R134a= 3,8) a vysokú izontropickú výstupnú teplotu (pre 𝜗0= 5 °C a 𝜗𝐶= 50 °C: 𝜗s,dis,R718= 256 °C and 𝜗s,dis,R134a= 55 °C) predstavujú výzvu pre technológiu kompresora. Súčasné chladiče R718 používajú hlavne radiálne turbokompresory a sú obmedzené na relatívne malé nárasty teploty. Variabilné olovené rotory cykloidného typu sa v súčasnosti používajú vo vákuových pumpách. 

Vhodný aj pre chladivo R718

Ukázalo sa, že tento typ kompresora by mohol byť vhodný aj pre chladivo R718, ale je potrebné zvýšiť objemový prietok a objemový index. Preto bol navrhnutý skrutkový kompresor cykloidného typu s kužeľovým chodom a premenlivým vedením so vstrekovaním kvapaliny R718 pre vyššie objemové prietoky, vysoký objemový index a nízke výstupné teploty. Vývoj týchto nových skrutkových kompresorov a zahŕňa model geometrie rotorov, prístup k optimalizácii rotora a zjednodušený prístup na analýzu výkonu a vyrobiteľnosti kompresora.

Podmienky prevádzky a výroba rotora

Aplikácia pre kompresor R718 je chladič vody s možnosťou spätného získavania tepla na ohrev vody. Chladič je kompaktný, obsahuje výparník, kondenzátor a kompresor. To umožňuje predpokladať zanedbateľné straty sacieho tlaku a prehriatia nasávaním.

Prevádzkové podmienky jednotky chladiča a ďalšie predpoklady sú zhrnuté v tabuľke:

Obrábanie rotorov si vyžaduje vývoj nového procesu obrábania s geometricky definovanou reznou hranou, ako je znázornené na obrázku 1. Vďaka charakteristickej geometrii rotora (variabilný profil aj premenlivý uhol nábehu 𝛾) sa konvenčné brúsne procesy pre skrutkové kompresory nemožno použiť. Namiesto toho sa používa základná kinematika sústruženia závitov, pri ktorej sústružnícky nástroj neobsahuje profil skrutkového rotora. To znamená, že profil rotora nevytvára profil nástroja, ale kinematika pohybu univerzálneho sústružníckeho nástroja.

Táto nová výrobná technika vyžaduje kladný uhol vôle kedykoľvek počas záberu nástroja. Avšak požadovaný efektívny uhol vôle nemožno dosiahnuť iba konštrukčným uhlom vôle nástroja, ktorý je imanentný, vlastný jeho geometrii. Preto je pre tieto typy geometrií rotora kľúčové dodatočné nastavenie uhla sklonu nástroja. Navyše, jeden nástroj je obmedzený na pomer dĺžky k šírke (𝑙t𝑤t⁄)max= 5 … 10, čo je potrebné vziať do úvahy pri konštrukcii rotora.

Koncepcia kompresora

je založená na rotore s variabilnou vodiacou skrutkou s cykloidným profilom a mení svoj priemer koruny po dĺžke rotora, ako je znázornené na obrázku 2. Profil pozostáva z piatich samostatných segmentov: kruh koruny (I), epicykloida (II), hypocykloida (III), epicykloida (IV) a koreňový kruh (V). 

Súčasná koncepcia kompresora využíva symetrický profil 2:2, takže rotory sú zrkadlovo symetrické a každý profil je plne definovaný priemerom koruny 𝐷, stredovou vzdialenosťou 𝑎 a počtom zubov ̅= 2.

Geometria rotora kužeľového skrutkového kompresora s variabilným vedením (vľavo) s variabilným cykloidným profilom (vpravo)

Vyrobiteľnosť rotora s cykloidným profilom

Vo všeobecnosti môže aplikácia tejto novej výrobnej technológie ušetriť značné množstvo energie a ďalších zdrojov v porovnaní s procesmi, ako je mletie alebo drvenie. 

Optimalizácia rotora je postupná zmena niekoľkých parametrov geometrie. Rozsahy rôznych parametrov a hodnoty pre základnú koncepciu rotora sú priemery, dĺžky, uhly,...

Konštrukcia rotora

Rotor pracuje pri 𝑛rot= 10 000 ot./min., má geometrický sací objem 𝑉suc= 17,3 dm³ (10 400 m³/h pri 10 000 ot./min.), objemový index 𝑉i= 11,2 a je možné ho vyrobiť pomocou dvoch nástrojov. 

Tento vypočítaný výkon zodpovedá chladiacemu výkonu 27 kW až 36 kW (závisí od objemovej účinnosti 𝜂𝑣) a optimálnemu teplotnému nárastu od 5 °C do 49,4…65,7 °C (závisí od indexu polytropov 𝑛).

Výsledky ukazujú

Že proces optimalizácie skúmaného typu rotora nie je priamočiary a vyžaduje skúsenosti týkajúce sa rotorov s premenlivým vedením. 

Rôzne parametre sú vzájomne závislé a termodynamicky dobre prispôsobený rotor sa nemusí dať vyrobiť a naopak. Vysoký objemový index 𝑉i a vysoké sacie objemy majú tendenciu viesť k zlej vyrobiteľnosti.

Záver

Tento článok predstavuje nový prístup ku kompresii vodnej pary pomocou kužeľového skrutkového kompresora s variabilným vedením cykloidného typu. Optimalizácia geometrie rotora je náročná vzhľadom na množstvo parametrov geometrie, ich vzájomnú závislosť a viaceré cieľové hodnoty vrátane vyrobiteľnosti. 

Predložený optimalizačný prístup však ukazuje, že je možné optimalizovať túto novú geometriu rotora pre špecifické prevádzkové podmienky. 

Prezentovaný finálny dizajn rotora má sací objemový prietok 10 400 m³/h, objemový index 11,2 a je vyrobiteľný pomocou dvoch rezných nástrojov. To zodpovedá chladiacemu výkonu cca. 35 kW pre chladič R718 s rekuperáciou tepla (𝜗0 = 5 °C a 𝜗𝐶 = 50 °C). 

Ďalšie kroky v rámci projektu budú zahŕňať detailný návrh (vrátane hnacieho ústrojenstva a krytu), opracovanie rotorov a krytu, ich montáž a testovanie. Ďalšie konštrukčné kroky môžu zahŕňať konfigurácie rotora s nerovnobežnými osami otáčania.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 1/2023