Spirálkompresszorok
A spirál- vagy idegen szóval Scroll-kompresszorok működési elvének ismerete százéves múltra tekint vissza, ám alkalmazásukat gátolta a gyártáshoz megfelelő technológia hiánya. A 70-es években érte utol a technikai fejlődés az elvet, azóta egyre szélesebb körben alkalmazzák ezt a kompresszortípust, különösen hermetikus kivitelben. Fő felhasználási területüket a kis és közepes hűtőteljesítményű berendezések jelentik.
A spirálkompresszor működésmódja
Az úgynevezett archimédeszi spirálra, erre a geometriai görbére jellemző, hogy a menetei közötti távolság azonos, ha sugárirányban haladunk. Ezt a jellegzetességet alkalmazzák a spirálkompresszorban, ami egy álló és egy vele szemben levő „beletolt” mozgó archimédeszi spirálból (csigavonalból) áll (3.1.18. ábra). Az alsó spirált egy excenteres tengely forgatja. A forgórész úgynevezett „orbitális” mozgást végez; a középpontja körül forgó spirál maga is körpályán mozog.
3.1.18. ábra. Az álló és a mozgóspirálok
A működést a 3.1.19. ábrán vázolt ábrasorozat mutatja. Az ábrákon a kompresszor metszete és a forgattyú helyzete van feltüntetve.
3.1.19. ábra. A Scroll-kompresszor elvi működése
A teljes munkafolyamat a főtengely három teljes körülfordulása alatt zajlik le.
· Az első körülfordulás (0-2p, 1,2,3 részlet) közben a mozgó csigavonal két teret nyit meg, ezek a terek az első kör megtételének végére bezárulnak.
· A második körfordulás (2p-4p, 3,4,5 részlet) közben a bezárt tér szűkül, a gőz komprimálódik. A külső térben újabb szívási ütem kezdődik.
· A harmadik körülfordulás (4p-6p, 5,6,1 részlet) alatt a legbelső térből történik a komprimált hűtőközeg kitolása. A harmadik körülfordulás végére ismét az alaphelyzet áll elő, a gőztérfogat kiürül, a külső szélén a szívás befejeződik, a középső térben befejeződik a kompresszió.
3.1.20. ábra. Scroll-kompresszor működése
A szívóvezetéken érkező gőz a ház alsó részénél áramlik be, majd a motoron áthaladva, azt hűtve, a spirál külső részén lép be a csigavonalba. Az összesűrített gőz az állórész középpontjában levő kiömlőnyíláson át a burkolat nyomócsonkján távozik.
A 3.1.21. ábra egy Scroll-kompresszor felépítését mutatja be.
3.1.21. ábra. Scroll-kompresszor felépítése
A kompresszió úgy jön létre, hogy forgás közben az állórész és a forgórész nemcsak a spirálok élén felfekve érintkezik és tömít csúszás közben egymáson, hanem a két spirál minden menete egy-egy külső és belső pontban (illetve a tengellyel párhuzamosan vonalak mentén) is mindig érintkezik, vagyis a radiális találkozási pontok (illetve élek) forgás közben kívülről befelé vándorolnak. Az így bezárt tér a forgás előrehaladásával egyre kisebb lesz, ezáltal benne kompresszió megy végbe, amíg egyik radiális tömítőél a kiömlőcsatornát el nem éri, és az összesűrített közeg ezen át el nem távozik.
Az alacsony hőmérsékletre tervezett spirálkompresszoroknál a gőzáram nem tudná megfelelően hűteni a motort, ezért a motor állórészét a burkolattal fémes érintkezésbe hozták, ezzel léghűtésessé alakították.
A spirálkompresszor hajtása a 3.1.22. ábrán látható. Ez biztosítja az orbitális mozgást. A hajtómű tartalmaz egy speciális elemet, a lengődarabot, ami a kompresszor tehermentes indítását és folyadékütés elkerülését teszi lehetővé. A lengődarab egy csappal határolt pálya mentén elfordulhat, a pálya átmérője változhat. Ezzel elérhető, hogy induláskor a spirálok nem érnek össze, a gépek tehermentesen indulnak. Nagyobb fordulatszámon a lengődarab a nagyobb centrifugális erő hatására kimozdul, a spirálok összeérnek.
3.1.22. ábra. A Scroll-kompresszor tengelyének kialakítása
A spirálkompresszornak nincsenek munkaszelepei, csak a nyomócsonkba van építve visszacsapó szelep, hogy visszafele ne tudjon forogni. A kenést az olajteknőbe merülő, a tengely végén kialakított centrifugál szivattyú biztosítja. A felesleges olaj visszacsurog az olajteknőbe. A spirálok kenése a gőzáramban levő olajjal történik.
A spirálkompresszor konstrukciós adottsága, a forgólapátos, a csavar-, valamint a forgódugattyús kompresszorokhoz hasonlóan a beépített térfogatviszony, ennek változtatása nem lehetséges. A Scroll-kompresszor előnye, hogy alternáló elemeket nem tartalmaz, ezért rezgés- és zajmentes az üzeme, ami környezetvédelmi szempontból jelentős. Kevés alkatrészből áll, nincsenek munkaszelepei, károstere sincsen, ezért mind a szállítási foka, mind az indikált hatásfoka az alternáló dugattyús kompresszorénál kedvezőbb. Folyadékütéssel szemben nem érzékeny. Az üzemközben legördülő érintkező alkatrészei kevésbé kopnak, mint az alternáló dugattyús vagy a forgattyús cellás gépek mozgó részei, ezért élettartama hosszabb.
Az utóbbi időben nemcsak fűtési feladatok ellátásához, hanem használati melegvíz (HMV) előállításához is alkalmaznak hőszivattyúkat. Ilyen esetekben, mivel a hőforrás hőmérséklete adott, a hőleadás magas hőmérsékleten történik. Ez óhatatlan nagyobb nyomásviszonyt és magas kompresszió véghőmérsékletet okoz, ami energiafogyasztás-növekedéssel jár és veszélyezteti a kompresszor működését. Indokolt lenne tehát többfokozatú kompresszió alkalmazása. Ilyen feladatok ellátására a csavar- és a spirálkompresszorok úgy kínálnak lehetőséget, hogy egyfokozatú kompresszort alkalmaznak és beépítenek egy úgynevezett economisert. Ezzel a gép hengerének közepe táján a spirálok közé folyékony vagy gőz hűtőközeget fecskendeznek be (3.1.23. ábra), így ezzel a megoldással a kompresszió véghőmérsékletét lehet csökkenteni, a fajlagos hűtőteljesítmény pedig nő.
3.1.23. ábra. A spirálkompresszor álló- (fekete) és forgórésze (kék). Pirossal jelölve a befecskendezés helye.
A leggyakoribb, száraz expanziós economiser kapcsolási vázlatát és a vele módosított körfolyamatot mutatjuk be a 3.1.24. ábrán. A gép hengerének középső szakaszán egy szívónyílást képeznek ki, amely egy elpárologtatót működtet az itt uralkodó pk közbenső nyomásnak megfelelő t0 elpárolgási hőmérsékleten, és ez az elpárologtató a kondenzátorból érkező hűtőközeg folyadékot intenzíven utóhűti. Ezzel a megoldással a qo fajlagos hőelvonás qo*-ra nő és a fajlagos hűtőteljesítmény is javul.
3.1.24. ábra. Gőzbefecskendezés (economiser) alkalmazása
Spirálkompresszorok szabályozása
Hűtőteljesítményüket belülről az egyik spiráljárat lezárásával lehetne szabályozni, de ez nem egyszerű feladat. Fordulatszámszabályozásra frekvenciaváltó használata ad lehetőséget. Gyakori szabályozási mód a csoportaggregát összeállítása (összecsövezése) és többállású szabályozása.
