Спиральный (scroll) или винтовой компрессор

Вопрос «спиральный (scroll) или винтовой компрессор» возникает каждый раз, когда требуется подобрать машину объёмного сжатия для холодильной техники, теплового насоса или промышленной пневматики. Оба типа относятся к компрессорам объёмного действия по ГОСТ 28567-90, оба ротационные, без возвратно-поступательно движущихся поршней — но различаются геометрией рабочих органов, оптимальным диапазоном производительности, способом смазки и характером поведения при изменении степени сжатия.

Ниже разбираем принципы работы scroll- и винтового компрессоров, типичные диапазоны применения, эффективность, акустические свойства, требования к обслуживанию и области использования — отдельно для холодильной техники и для пневматических систем. Цель — дать инженеру и снабженцу сухую сводку различий, на которую можно опереться при выборе типа машины.

Место в классификации компрессоров

Терминологию и схему классификации компрессоров устанавливает действующий межгосударственный стандарт ГОСТ 28567-90 «Компрессоры. Термины и определения». По принципу действия машины делятся на две большие группы:

• Компрессоры объёмного действия — повышение давления достигается уменьшением объёма рабочей камеры. К ним относятся поршневые, мембранные и роторные машины; последние, в свою очередь, включают винтовые, спиральные, пластинчатые, водокольцевые и другие.
• Компрессоры динамического действия — повышение давления газа осуществляется воздействием вращающихся рабочих органов (турбокомпрессоры — центробежные и осевые).

И спиральный, и винтовой компрессоры относятся к одному классу — роторным объёмным компрессорам. Различие — в геометрии рабочих органов и схеме переноса газа от полости всасывания к полости нагнетания.

Принцип работы спирального (scroll) компрессора

Рабочие органы scroll-компрессора — две спирали одинаковой геометрии (как правило, эвольвентного или архимедова профиля), вставленные одна в другую со сдвигом по фазе. Одна спираль закреплена в корпусе, вторая совершает не вращательное, а орбитальное движение вокруг оси неподвижной спирали с эксцентриситетом, равным сдвигу центров. Поворот подвижной спирали относительно неподвижной не происходит — это исключается противоповоротным устройством (часто муфтой Олдхэма или эквивалентным механизмом).

Перенос и сжатие газа

При орбитальном движении между витками спиралей образуются замкнутые серповидные камеры. По мере перемещения от периферии к центру камеры непрерывно уменьшаются в объёме, газ сжимается и в центральной части выводится через нагнетательное отверстие. Цикл всасывания, сжатия и нагнетания идёт одновременно в разных полостях — поток газа на нагнетании практически непрерывный, без пульсаций.

Spiral-компрессор наиболее эффективен при номинальной (расчётной) степени сжатия, заданной геометрией спиралей. При работе вне номинального режима происходят так называемые потери «недосжатия» или «пересжатия», и эффективность снижается. Это конструктивная особенность машин с фиксированной встроенной степенью сжатия.

Принцип работы винтового компрессора

Рабочая пара винтового компрессора — два ротора с сопряжённой винтовой нарезкой, размещённые в общем корпусе с минимальными радиальными и торцевыми зазорами. Ведущий ротор имеет выпуклую нарезку («мужскую»), ведомый — вогнутую («женскую»). При вращении между винтовыми поверхностями роторов и стенками корпуса образуются закрытые камеры, которые перемещаются вдоль осей, уменьшаясь в объёме и сжимая газ. У типового двухроторного компрессора число камер за один оборот соответствует числу заходов винтовой нарезки.

Газораспределение осуществляется кромками винтов и торцевыми поверхностями корпуса; клапаны на всасывании и нагнетании не требуются. Это позволяет винтовому компрессору работать на высоких частотах вращения без потерь, характерных для клапанных машин.

Маслозаполненные машины

В маслозаполненный винтовой компрессор подаётся масло в рабочую полость. Оно выполняет три функции одновременно: уплотняет зазоры между роторами и между роторами и корпусом, отводит теплоту сжатия и смазывает контактные поверхности. В такой схеме ведущий ротор приводит ведомый напрямую через масляную плёнку без отдельных синхронизирующих шестерён. После сжатия масло отделяется от газа сепаратором, охлаждается и возвращается в контур; в линии нагнетания остаётся остаточное содержание масла, которое нормируется и при необходимости снижается дополнительной системой очистки.

Машины сухого сжатия

В компрессорах сухого сжатия масло в рабочую полость не подаётся. Роторы синхронизируются специальной парой шестерён, исключающей их соприкосновение. Уплотнения с лабиринтными и графитовыми элементами отделяют рабочую полость от подшипниковых узлов; запирающий газ препятствует попаданию масла из подшипников в сжимаемую среду. На выходе обеспечивается воздух без следов масла, что критично для пищевой, фармацевтической, медицинской и некоторых электронных производств.

Машины с впрыском воды

Водозаполненные («water-injected») винтовые компрессоры — гибридная схема: вместо масла во время сжатия в полость впрыскивается чистая вода, которая выполняет уплотнение зазоров и охлаждение. На выходе обеспечивается воздух класса oil-free, при этом КПД получается выше, чем у машин полностью сухого сжатия. Применение требует фильтрации и водоподготовки.

Сравнение по ключевым параметрам

Прямое числовое сравнение двух типов в формате «лучше — хуже» некорректно: каждый тип занимает свою нишу по производительности и условиям эксплуатации. Сводка качественных различий:

Конкретные значения производительности (м³/мин, м³/ч), потребляемой мощности, уровня звукового давления (дБ(А)) и удельного энергопотребления (кВт·ч на м³ сжатого воздуха) задаются техническими условиями на конкретную модель и подтверждаются приёмочными испытаниями. Методы измерения объёмного расхода и потребляемой мощности объёмных компрессоров установлены международным стандартом ISO 1217:2009 «Компрессоры объёмные. Приёмочные испытания» (в том числе допуски на отклонение измеренной производительности от заявленной — см. Приложение C).

При сравнении машин разных производителей всегда требуйте, чтобы заявленная производительность была подтверждена по методике ISO 1217 (приложение C), а уровень шума — по соответствующей акустической методике для компрессоров и вакуумных насосов. Без указания методики сами по себе числа не сравнимы между собой.

Применение в холодильной технике

В холодильной технике и системах кондиционирования воздуха работают компрессоры обоих типов, но в разных диапазонах холодопроизводительности и схемах.

Где предпочтительны scroll-компрессоры

• Бытовые и коммерческие системы кондиционирования (сплит-системы, мульти-сплит, чиллеры малой и средней мощности).
• Тепловые насосы воздух–воздух и воздух–вода средней мощности.
• Среднетемпературное и низкотемпературное холодильное оборудование умеренной производительности (холодильные витрины, моноблоки, конденсаторные агрегаты).

Преимущества — компактность, малое число движущихся деталей, низкие вибрации и шум, плавное регулирование производительности (частотное или «цифровое» с регулированием доли цикла под нагрузкой). Современные scroll-машины обычно выполняются герметичными или полугерметичными — с электродвигателем, размещённым в общем корпусе с компрессорной частью.

Где предпочтительны винтовые компрессоры

• Крупные централизованные холодильные системы — промышленный и торговый холод средней и большой холодопроизводительности.
• Чиллеры большой мощности, технологическое охлаждение в промышленности.
• Тепловые насосы большой мощности для централизованного теплоснабжения.
• Холодильные системы с большим внутренним диапазоном степеней сжатия — благодаря регулированию через золотник производительности.

В холодильной технике винтовые компрессоры обычно работают как маслозаполненные. Помимо смазки, масло отводит часть теплоты сжатия и уплотняет зазоры. После компрессора масло отделяется в маслоотделителе и возвращается в контур; остаточное масло, попадающее в холодильный контур, нормируется и учитывается при проектировании.

Применение в пневматических системах

В промышленной пневматике (станочный парк, инструмент, упаковочные линии, окрасочное оборудование, лабораторная и медицинская техника) винтовые и спиральные компрессоры закрывают разные сегменты потребления.

Винтовые в пневматике

• Базовое решение для постоянного снабжения сжатым воздухом среднего и большого расхода — цеха, технологические участки, общезаводская сеть сжатого воздуха.
• Маслозаполненные машины — массовый вариант для общих производственных нужд; для требовательных потребителей (пищевая, фармацевтическая, медицинская промышленность, лаборатории) применяются машины сухого сжатия или с впрыском воды.
• Двухступенчатые исполнения — для более высоких степеней сжатия по сравнению с одноступенчатыми.

Спиральные в пневматике

• Безмасляные scroll-компрессоры небольшой и средней производительности — для лабораторий, медицинских учреждений, дентального оборудования, пищевых и упаковочных линий.
• Сборки из нескольких параллельно работающих модулей — для увеличения суммарного расхода и резервирования.
• Задачи с особыми требованиями по чистоте воздуха и низкому уровню шума.

Качество сжатого воздуха классифицируется по содержанию частиц, влаги и масла; конкретные требования к воздуху для пневматических систем закрепляются техническими условиями на оборудование-потребитель. Безмасляные сборки (oil-free scroll, сухой винт, винт с впрыском воды) обеспечивают исходно более низкое содержание масла в выходном потоке по сравнению с маслозаполненной винтовой машиной без дополнительной очистки.

Обслуживание и срок службы

Подходы к обслуживанию у двух типов различаются по составу регламентных работ и доступности рабочих органов.

Регламент scroll-компрессора

Герметичные и полугерметичные scroll-машины, типичные для холодильной техники, конструктивно неремонтопригодны в полевых условиях — спиральный блок не разбирается и замене подлежит компрессор целиком. Регламент сводится к контролю параметров холодильного контура и электропитания, своевременной замене фильтров-осушителей и устранению утечек хладагента. Безмасляные scroll-компрессоры для пневматики требуют периодической замены наконечников/уплотнений рабочих органов, фильтров и охладителей.

Регламент винтового компрессора

Маслозаполненный винтовой компрессор требует регулярного обслуживания со стороны системы смазки и сепарации: замены масла, масляного фильтра, элементов маслоотделителя, воздушных и масляных фильтров, контроля состояния охладителей. Регламентные работы плановые, выполняются по моточасам или по контрольным параметрам (перепад давления на фильтрах, температура масла). Винтовой блок (винтовая пара с подшипниками) — ремонтопригоден, при выработке заменяется или восстанавливается без замены машины в сборе. У винтовых машин сухого сжатия дополнительно контролируется состояние синхронизирующих шестерён, уплотнений и системы запирающего газа.

Как выбрать тип компрессора

Выбор между scroll и винтом — это не выбор «лучшего вообще», а подбор машины под профиль нагрузки и требования к качеству среды. Алгоритм:

1. Определите назначение. Холодильная техника, тепловой насос или пневматика — разные требования к рабочей среде и схеме.
2. Зафиксируйте режим работы. Расчётный расход (производительность), требуемое рабочее давление, температуру всасывания и нагнетания, климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69, диапазон нагрузки во времени (постоянная, переменная, пиковая).
3. Установите требования к чистоте среды. Допустимо ли остаточное масло в потоке (для пневматики — масляный класс); для холода — совместимость со штатными хладагентами и маслами.
4. Оцените профиль нагрузки. Малая и средняя постоянная или переменная нагрузка с частыми изменениями — поле scroll-компрессоров. Большая постоянная или модулируемая через ЧП/золотник — поле винтовых.
5. Рассчитайте удельное энергопотребление. Сравнивайте по методике ISO 1217 (приложение C) и по реальному годовому профилю нагрузки, а не по паспортной точке в номинальном режиме.
6. Заложите регламент обслуживания. Маслозаполненный винт требует планового сервиса масла и фильтров; герметичный scroll — иной модели сервиса. Это влияет на стоимость владения и доступность машины.
7. Учтите акустику и компоновку. Уровень шума, виброизоляция, требования к помещению и к удалению теплоты сжатия из машинного зала.

Частые вопросы