Sprężarki odśrodkowe charakteryzują się wysoką sprawnością energetyczną niezależnie od ich wielkości i zakresu pracy. Sprawność ta jest z reguły rzędu 70÷80%. Tak wysoka sprawność jest wynikiem niewielkich strat związanych głównie z turbulencją i tarciem czynnika chłodniczego w wirniku.

W 1922 roku, w celu poprawy działania i efektywności systemów klimatyzacyjnych, Willis Carrier zaprojektował i zbudował pierwszą (w praktycznym znaczeniu) sprężarkę odśrodkową. Ta pierwsza sprężarka odśrodkowa została zainstalowana w biurze firmy Carrier w New Jersey. Dwa lata później, Carrier sprzedał pierwszą wyprodukowaną sprężarkę firmie Onondoga Pottery Company z Nowego Jorku. Sprężarka ta pracowała do 1957 roku, kiedy to firma Carrier odkupiła ją celem przekazania do Smithonian Muzeum w Waszyngtonie. Od momentu wyprodukowania pierwszej sprężarki odśrodkowej w 1924 roku, datuje się szybki rozwój tych sprężarek na świecie, szczególnie w USA.
Sprężarki odśrodkowe (zwane często turbosprężarkami) mają szerokie zastosowanie w klimatyzacji jak i w innych przemysłowych instalacjach chłodniczych. Normalna wydajność chłodnicza sprężarek odśrodkowych waha się w granicach od około 150 do nawet 20 MW. W przypadku specjalnych zastosowań sprężarek odśrodkowych hermetycznych w klimatyzacji i przy zastosowaniu jako czynnika chłodniczego jednego z węglowodorów ich zakres wydajności chłodniczej zawiera się w przedziale 150 kW do 200 kW. Sprężarki te są z reguły włączone w układy chłodzenia wody. Temperatura parowania układów ze sprężarkami odśrodkowymi wynosi między +5°C a -100°C. W sprężarkach tego typu jako czynnika chłodniczego używa się związków, które charakteryzują się wysoką masą cząsteczkową (μ). W przeszłości był to czynnik R11, R12, R22, R113, R500 lub amoniak, a po ich wycofaniu zastąpił je czynnik R123 i R134a. Można zadać pytanie, jaki związek chemiczny lub jaki czynnik naturalny będziemy używać w sprężarkach odśrodkowych po wycofaniu wyżej wymienionych czynników chłodniczych? W tym zakresie prowadzone są badania i testy.
W każdym przypadku, sprężarka odśrodkowa musi być projektowana pod kątem czynnika chłodniczego, jak i jej przeznaczenia oraz zastosowania.
Generalizując, wydajność chłodnicza (masowe natężenie przepływu) sprężarki odśrodkowej jest funkcją prędkości obrotowej wirnika, masy cząsteczkowej czynnika chłodniczego jak i liczby Macha. Sprężarka odśrodkowa jest sprężarką typu dynamicznego, w której praca jest przenoszona przez wirnik do par czynnika chłodniczego poprzez jego przyspieszenie. W następstwie tego, energia kinetyczna jest zamieniona na energię potencjalną z wyższym ciśnieniem aniżeli na ssaniu. Przy końcu procesu sprężania, temperatura czynnika chłodniczego i jego ciśnienie rosną, co jest praktycznie celem całego procesu sprężania. W zależności od wymaganego stopnia sprężania, rodzaju czynnika chłodniczego i prędkości obrotowej, sprężarka odśrodkowa może być jedno- lub wielostopniowa.

Rys. 1. Schemat typowego układu chłodniczego ze sprężarką odśrodkową

Rys. 2a. Widok układu chłodniczego ze sprężarką odśrodkową firmy Johnson Controls (York)

Przeznaczenie sprężarek chłodniczych odśrodkowych

Praktycznie wszystkie układy chłodnicze ze sprężarkami odśrodkowymi służą do chłodzenia cieczy (rys. 1), a wśród nich zdecydowana większość jest użyta do chłodzenia cieczy dla układów klimatyzacyjnych (rys. 2a i 2b). Jest to z reguły układ chłodniczy hermetyczny lub półhermetyczny zawierający sprężarkę odśrodkową (połączoną przewodami chłodniczymi z parownikiem, w którym następuje schłodzenie cieczy – z reguły wody), skraplacz, połączenia rurowe, elementy kontrolne oraz akcesoria. Wydajność chłodnicza układów ze sprężarką odśrodkową zawiera się w granicach od około 150÷200 kW aż do około 20 MW. Układy hermetyczne są preferowane przez użytkowników z uwagi na ich niższy koszt, łatwość instalacji oraz montażu, jak i zwartą budowę.
Prędkość obrotowa sprężarek odśrodkowych zależy głównie od rodzaju czynnika, średnicy wirnika i wymaganego ciśnienia tłoczenia (skraplania). Prędkość obrotowa zawiera się w granicach pomiędzy 3500 a 40 000 obr./min (mniejsze prędkości – większa średnica wirnika, większe prędkości – mniejsza średnica wirnika). W przypadku wysokich prędkości obrotowych sprężarki odśrodkowej, średnica wirnika może wynosić jedynie około 5÷6 cm.

Budowa sprężarki odśrodkowej (...)

Smarowanie sprężarek odśrodkowych (...)

Kontrola wydajności sprężarek odśrodkowych (...)

Czynniki chłodnicze (...)

Podsumowanie

Sprężarki odśrodkowe i układy chłodnicze z tymi sprężarkami będą się rozwijały chociażby ze względu na stale rosnące zapotrzebowanie „chłodu” w przemyśle jak i rosnące zapotrzebowanie na klimatyzację, szczególnie w: dużych budynkach, kompleksach handlowych, szpitalnych i innych dużych obiektach. Specyfiką tych układów jest ich wysoka sprawność energetyczna. Pytaniem pozostaje w chwili obecnej, jaki rodzaj czynnika chłodniczego będzie użyty po wyeliminowaniu czynników z grupy HFC. Na pewno w dalszym ciągu będą budowane sprężarki i układy hermetyczne na czynniki z grupy HC. Jeżeli chodzi o CO₂, to ze względu na jego wysokie ciśnienie, będzie prawdopodobnie użyty w układach z stosunkowo niskimi wartościami temperatury parowania.
Innym ważnym elementem rozwoju sprężarek odśrodkowych, będzie ich miniaturyzacja, która praktycznie już się zaczęła. Przykładem tego są sprężarki odśrodkowe (turbosprężarki) firmy Danfoss. Wraz z wprowadzeniem nowych, bardziej wytrzymałych materiałów, będzie możliwe zbudowanie wirnika sprężarki o małej średnicy i zastosowanie bardzo wysokich prędkości obrotowych bez obawy efektu kawitacji. Jeżeli dodamy do tego czynnik chłodniczy o wysokiej gęstości par na ssaniu sprężarki, miniaturyzacja znajdzie się w zasięgu naszej ręki.
Miniaturyzacja sprężarek odśrodkowych jest ograniczona z jednej strony wymiarami silnika napędowego, a z drugiej – gęstością par czynnika chłodniczego na ssaniu sprężarki, która ma wpływ na średnicę wirnika.
Trudno obecnie sobie wyobrazić rozwój sprężarek, każdego typu, bez uwzględnienia silnika elektrycznego o zmieniającej się w sposób ciągły liczbie obrotów. Należy oczekiwać, że w najbliższej przyszłości, większość produkowanych sprężarek odśrodkowych będzie napędzana takimi silnikami. W połączeniu z łożyskami magnetycznymi pozwoli to na podwyższenie sprawności energetycznej tych sprężarek do nieznanego dotąd poziomu.

Rys. 2b. Typowy układ chłodniczy ze sprężarką odśrodkową firmy Johnson Controls (York)

LITERATURA
[1] Katalogi firmy Johnson Controls / York
[2] Katalogi firmy Danfoss
[3] KONTOMARIS, K., LECK T. J., HUGHES J.: Low GWP Refrigerants for Centrifugal Chillers. ASHRAE Annual Conference. June 20–24, 2009. Lousville, Kentacky.
[4] KONTOMARIS, K., LECK T. J., HUGHES J.: A Non-Flammable, Reduced GWP, HFC-134a Replacement in Centrifugal Chillers: DR-11. International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue. July 12–15, 2010.
[5] ASHRAE Handbook. 2008. HVAC Systems and Equipment.
[6] E. G. PITA: Refrigeration Principles and Systems. An Energy Approach. Business News Publishing Company. Troy, Michigan, 1991.
[7] Principles of Refrigeration. Fourth Edition. 1997. Prentice Hall. Upper Saddle River, New Jersey.
[8] I. CEREPNALKOVSKI: Modern Refrigerating Machines. Elsevier Science Publisher. Amsterdam, London, New York, Tokyo, 1991.

AUTOR: Andrzej WESOŁOWSKI
– były pracownik Carrier, York i Embraco, USA