Klimatyzacje samochodowe

Share on Facebook

SPRĘŻARKI SPIRALNE – SCROLL

Kompresor scroll jest bardzo popularnym modelem sprężarki na rynku.
Nazywany jest też kompresorem spiralnym, pompą Scroll albo pompą próżniową Scroll.
Jego głównym zadaniem jest kompresja powietrza lub czynnika chłodzącego.
Znajduje on dzięki temu zastosowanie w układach klimatyzacji samochodowej ale jest też używany jako samochodowa turbosprężarka (znana jest jako turbosprężarka typu Scroll) oraz jako pompa próżniowa.

Sprężarka spiralna pracująca w cyklu odwróconym znana jest jako rozprężacz spiralny i może być stosowana to uzyskiwania energii mechanicznej z rozprężania cieczy.

Sprężarki spiralne zastępują bardziej tradycyjne rodzaje kompresorów w stacjonarnych pompach centralnego ogrzewania, systemach klimatyzacji samochodowej.

Klimatyzacje samochodowe  kompresor scroll, sprężarka spiralna, sprężarki regenerowaneKompresor typu Scroll został opatentowany przez Leona Creux-a w 1905 roku we Francji i USA. Pierwotnie Creux stworzył kompresor jako koncepcję parowego napędu rotacyjnego. Niestety w ówczesnym okresie technologia tworzenia metalowych obudów była niewystarczająco dobra i zaawansowana by przygotować działający prototyp. Kompresor Scroll wymaga bardzo niskiego poziomu tolerancji różnic parametrów by funkcjonować efektywnie. Pierwszy działający w praktyce kompresor typu Scroll pojawił się dopiero po Drugiej Wojnie Światowej gdy rozwój techniki i precyzyjniejsze maszyny i narzędzia umożliwiły jego skonstruowanie. W układach klimatyzacji samochodowej kompresory te znalazły komercyjne zastosowanie dopiero w początku lat 80`.

Sprężarka spiralna wykorzystuje dwie przeciwległe spirale do pompowania, kompresowania gazów i płynów. Geometria wirnika może być spiralna, może być spiralą Archimedesa lub może być hybrydą łuków. Często jedna ze spiral jest zamontowana na stałe podczas gdy druga przemieszcza się (orbituje) bez rotacji skutkiem tego blokując i pompując lub kompresując odpowiednią ilość płynu pomiędzy spiralami. Inną metodą uzyskania ruchu kompresyjnego jest współrotacja spiral w ruchu zsynchronizowanym ale z odrębnymi centrami rotacji. Ruch jest relatywnie taki sam jak przy samym orbitowaniu.

Innym rozwiązaniem tego typu jest rozwiązanie z elastycznymi „tubkami” gdzie spirala Archimedesa jest perystaltyczną pompą, która działa na tych samych zasadach jak tubka z pastą do zębów. Mają one obudowy wypełnione olejem by zapobiegać przetarciu się zewnętrznej tuby pompy i by wspierać rozpraszanie ciepła. To rozwiązanie stosuje też tuby wspierające często nazywane „wężami”. Ta klasa pomp nazywana jest często „pompami wężowymi”. Dodatkowo, ponieważ nie ma tam ruchomych części będących w kontakcie z płynem, pompy perystaltyczne są tanie w produkcji. Ponieważ brak w nich zaworów, uszczelnień i dławic to czyni je to łatwymi i tanimi w utrzymaniu. Dzięki zastosowaniu tub i węży z punktu widzenia obniżania kosztów utrzymania czyni je porównywalnymi z innymi typami pomp.

kompresor scroll, sprężarka klimatyzacji samochodowej, regeneracja sprężarek auto-klimaW porównaniu do innych rodzajów pomp kompresory spiralne pracują płynniej, ciszej i bardziej pewnie. W przeciwieństwie do tłoków orbitujące spirale da się doskonale zbalansować by zminimalizować wibracje. Wibracje jakich nie da się zbalansować wynikają z obecności specjalnej masy wyważającej i właściwie pozycjonującej orbitujące spirale. Procesy gazowe jakie zachodzą w tych kompresorach mają bardziej ciągły charakter, dzięki temu brak jest wolnych przestrzeni przez co zwiększa się efektywność objętościowa. W kompresorach typu Scroll proces kompresji rozpoczyna się po około 2-2.5 obrotach wału. W kompresorach rotacyjnych jest to jeden obrót a w kompresorach zwrotnych (tłokowych) potrzeba na to około 1.5 obrotu. Na rozładowanie i proces zasysania potrzeba jednego obrotu, gdzie dla kompresora tłokowego potrzeba mniej niż 0.5 rotacji na proces zasysania i mniej niż 0,25 rotacji na proces rozładowania. Im bardziej stabilny i stały jest przepływ tym mniejsza pulsacja gazu, mniej hałasu i mniej wibracji. W tej sytuacji określony przepływ jest wydajniejszy.

Sprężarki spiralne nigdy nie miały zaworów ssących ale w zależności od zastosowania mogły mieć lub nie mieć zawory rozładowujące. Dynamiczne zawory rozładowujące stosowane są w zadaniach gdzie kompresor ma kontakt z wysokimi ciśnieniami. Chodzi tu o typowe zadania dotyczące chłodzenia. Jeżeli chodzi o klimatyzację to nie mają one takich dynamicznych zaworów. Nie są one konieczne.

Wydajność isentropiczna* kompresora Scroll jest większa niż ta w kompresorach tłokowych gdy mówimy o kompresorze zaprojektowanym do pracy na jednym wybranym poziomie. Dzieje się tak dlatego że kompresory Scroll nie mają dynamicznych zaworów rozładowujących, które powodują dodatkową stratę na przepustnicy. Niemniej ta wydajność Scrolla w porównaniu do kompresora tłokowego spada w przypadku pracy przy wyższym poziomie ciśnienia. Wynika to z tzw. „utrat podciśnieniowych” jakie pojawiają się przy pracy pod wyższym ciśnieniem w kompresorach bez dynamicznego zaworu rozładowującego.

Obecnie panuje trend do stosowania rozwiązań opartych na bardziej ekologicznych niż inne substancje czynnikach chłodzących CO2. Niestety ze względu na właściwości tego typu czynników chłodzących trudno jest przygotować dla nich efektywny i niezawodny kompresor typu Scroll.

* – Wydajność isentropiczna to parametr mierzący stopień spadku energii w urządzeniu o stałym stabilnym przepływie. Porównuje ona aktualną wydajność do optymalnej jaka może być uzyskana w danych warunkach wejścia/wyjścia. Proces kompresji w kompresorze Scroll jest o około 100% wydajniejszy przy określonym woluminie przy procesie pompowania zamkniętego płynu. Proces ssania ma swój własny odrębny wolumin, jest on poza procesem kompresji i rozładowania. Dla porównania w kompresorach tłokowych w cylindrach pozostaje jakaś ilość skompresowanego gazu. Zajmuje on miejsce jakie mógłby zająć zasysany gaz. To zmniejszenie efektywności zależy od ciśnienia zasysania i rozładowania. Redukcja jest większa im większe jest ciśnienie.

Kompresory Scroll mają o wiele mniej ruchomych części w stosunku do kompresorów konwencjonalnych (tłokowych). Jest ich o około 70% mniej jak podaje Copeland, jeden z większych producentów tych kompresorów.

Sprężarki spiralne są bardziej wrażliwe na wszelkie cząstki, zanieczyszczenia. Wynika to z faktu że takie zanieczyszczenia muszą przejść przez minimum dwie zamknięte komory ciśnieniowe. Kompresory te pracujące bez radialnych czy osiowych odkształceń są bardziej podatne na wszelkie uszkodzenia wywołane przez obce obiekty wewnątrz układu. Pamiętać trzeba że nie mają one zaworu ssącego, który w kompresorach tłokowych jest najbardziej podatnych na tworzenie wycieków.

Sprężarki Scroll wykorzystują różne metody ochrony wewnętrznej kompresora by reagować na trudne sytuacje. Niektóre rozwiązania wykorzystują zawory w różnych punktach procesu kompresji by obniżyć ciśnienie wewnątrz kompresujących elementów.

Tradycyjne kompresory tłokowe mogą pracować w obu kierunkach i nadal funkcjonować prawidłowo. Natomiast Scroll musi obracać się tylko w jednym ustalonym kierunku by funkcjonować prawidłowo. Może być to istotne w przypadkach gdy mamy zaniki napięcia i kompresor pod wpływem ciśnienia może mieć konieczność obracania się w przeciwnym niż ustalonym kierunku. Tak pracować w krótkim czasie może tylko jednofazowy kompresor Scroll. Gdy zaniknie napięcie kompresor przestanie pompować. Uruchomienie kompresora w przeciwnym kierunku (obroty) od zadanego nawet przez kilka minut nie powinno uszkodzić kompresora. Kompresor trzyfazowy nawet po chwilowym zaniku napięcia mógłby nadal pracować normalnie z rotacją w określonym kierunku. Istotne jest tu właściwe podpięcie okablowania w czasie jego instalacji. Gdy okablowanie jest źle podłączone (odwrotnie) to kompresor trzyfazowy może pracować w przeciwnym kierunku w sposób niezauważony przez dłuższy okres czasu co może doprowadzić do jego uszkodzenia. Jednym ze sposobów złagodzenia procesu zalania kompresora podczas rozruchu jest uruchomienie go z odwróconą rotacją (wstecznie) na kilka minut zanim uruchomi się go z właściwą rotacją (do przodu). Taki ruch wsteczny podczas rozruchu pozwoli na pozbycie się płynu zebranego w elemencie pompującym i wstępne rozgrzanie zgromadzonego płynu. Takie działanie znacznie zminimalizuje ewentualne problemy z „zalanym” rozruchem.

Sprężarki spiralne są dość kompaktowych rozmiarów. Ponieważ pracują płynnie nie wymagają sprężynowego zawieszenia. Mają też dzięki temu małe i cienkie obudowy co redukuje koszty ale jest pewną słabością w zakresie utrzymywania płynów. Ich mocną stroną jest brak zaworów ssących które są powodem wielu awarii w systemie. Ze względu na swoją budowę Scroll jest bardziej tolerancyjny względem dostarczania płynu ale jednocześnie jest bardziej podatny na jego oddziaływanie w czasie pracy. Kompresory Scroll upraszczają też projekt systemu ze względu na jego orurowanie gdyż nie wymagają zewnętrznego podłączenia dla głównego czynnika chłodzącego.

Do dziś kompresory Scroll pracowały na pełnej swojej pojemności gdy były zasilane. Zmiany w pojemności były uzyskiwane poza nimi. Uzyskuje się to różnymi metodami:

  1. Bajpasowanie czynnika chłodzącego.
  2. Zmienna szybkość pracy napędu.
  3. Zestawienie kilku sprężarek i uruchamianie ich sekwencyjnie.

Każda z tych metod ma swoje słabe strony:
Ad. 1 – powoduje dodatkowe cyklowanie przepływu czynnika chłodzącego przez co pozwala na powracanie części skompresowanego gazu prosto do kompresora. Gaz ten nie jest wtedy użyteczny a więc spada wydajność systemu.
Ad. 2 – Napęd o dwóch trybach pracy (szybkości) wymaga większego okablowania i osprzętu co zwiększa koszty i może wymagać wyłączania układu przy przełączaniu trybu pracy napędu.
Ad. 2 – Napęd o wielu trybach pracy wymaga dodatkowego urządzenia zaopatrującego go w energię elektryczną o określonym poziomie.
Ad. 3 – Zestawienie (cyklowanie) kompresorów wymaga zestawienia kilku kompresorów na raz. To zwiększa koszty. Poza tym ten układ może wymagać by niektóre kompresory były bardzo małe by dokładnie kontrolować temperaturę.

Obecnie są już produkowane kompresory Scroll, które mogą pracować z wykorzystaniem niepełnej swojej pojemności. Mogą one zmieniać swoją pojemność podczas pracy. Jedną z metod uzyskiwania takich rezultatów jest opóźnianie rozpoczęcia kompresji. Początkowa faza kompresji jest inicjowana podczas zasysania. To zmniejsza ilość płynu jaki ma być kompresowany. Pozostała części procesów kompresji przebiega standardowo. Tradycyjne kompresory tłokowe mają lepszą zdolność do pracy przy wykorzystaniu niepełnej pojemności niż kompresory Scroll.

Firma Emerson przygotowała tak zwany kompresorem „Digital Scroll”, który jest zdolny do zmiany i regulowania przepływu czynnika chłodzącego w zależności od wymogów. W tym kompresorze zamiast połączyć ze sobą spirale na stałe, pozwala się im poruszać się oddzielnie w określonych cyklach. Gdy spirale rozdzielają się silnik nadal obraca się i pracuje ale spirale tracą zdolność do kompresowania czynnika chłodzącego, zatem redukuje się moc silnika (napędu) gdy kompresor nie pompuje. „Digital Scroll” uzyskuje 100% wydajności z określonego woluminu a przy tym redukuje koszty energii, zmniejsza hałas, rozmiar i wagę. „Digital Scroll” zmniejsza zapotrzebowanie na energię w sposób liniowy do zmniejszenia pojemności. W przypadku tradycyjnych kompresorów spadek zapotrzebowania na energię jest znikomy bez względu na poziom zmniejszenia objętości. Kompresor „Digital Scroll” wyeliminował ze swojej konstrukcji tradycyjne tłoki i zawory które zwiększają wagę i powodują utratę energii. Ten typ sprężarek jest wydajniejszy od kompresorów pracujących ze zmienną prędkością napędu czy od kompresorów tłokowych z solenoidalnymi zaworami.

Technologia „Digital” daje szeroki zakres przewag dla sprężarek Scroll w porównaniu do tradycyjnego kompresora. Po pierwsze, kompresor „Digital” pracuje z różnymi poziomami objętości bez potrzeby wykorzystania zewnętrznego inwertera (transformator AC/DC). Dzięki swym unikalnym rozwiązaniom technicznym kompresor ten natychmiast reaguje na wszelkie zmiany wymogów systemu. Kompresor ten stosuje przemiennie w jednym pojedynczym cyklu 20 sekund dwa stany pracy: stan ładowania i stan rozładowania. Działając na solenoidach kontroler ustala i rozszerza (rozsuwa) obracającą się spiralę i tę która jest przymocowana na stałe przy użyciu osiowego odkształcania. Kontroler modyfikuje czas ładowania i czas rozładowania by dostosować objętość do otrzymanych wymogów. Dla przykładu – gdy kompresor pracuje na 50% swojej pojemności to zastosuje 10 sekundowy stan ładowania i identyczny stan rozładowania. Ten krótki opis pokazuje nam kolejną zaletę tego rozwiązania – jego zmienność jest uzyskiwana przez działania o charakterze mechanicznym. Oznacza to że „Digital Scroll” jest w pełni obojętny na interferencje elektromagnetyczne (EMI).

Tłumaczenie na podstawie Wikipedii – Grzegorz Żywczak 15.02.2010