Мировой рынок компрессоров (Журнал «Мир климата» №115)

Мировой рынок компрессоров

Обзор рынка

Согласно предварительным оценкам, в 2018 году рост мировой экономики составил 3,7%, что меньше прогноза Международного валютного фонда. Даже с учетом быстрого промышленного развития ряда стран глобальные продажи холодильного и климатического оборудования резко замедлились, продемонстрировав негативные тенденции после пяти лет непрерывного роста. По данным JARN, мировой рынок кондиционеров воздуха в 2018 году вырос всего на 0,6% по сравнению с предыдущим годом. Совокупный спрос составил 130,14 миллиона штук. Быстрорастущий рынок Китая утратил динамичность, в результате количество складских остатков достигло рекордной величины. Неблагоприятная погода привела к тому, что рост рынков Юго-­Восточной Азии и Индии оказался ниже ожиданий. В то же время стабильно росли продажи кондиционеров воздуха в Японии, США, странах Европы и Африки.

Экономический спад замедлил рост рынка холодильного оборудования, однако не остановил его. Основной движущей силой роста стало развитие городской инфраструктуры в странах Азии. Резкое увеличение доли городского населения способствует развитию сектора продовольственной розницы и ускорению создания «холодильных цепочек». Гигиенические требования и необходимость обеспечения безопасности продовольственной и фармакологической продукции стимулируют развитие рынка холодильного оборудования. В Европе ускорение вывода фторсодержащих парниковых газов вызывает необходимость замены устаревающей техники, что также подстегивает спрос. Растет популярность оборудования, использующего новые хладагенты и природные вещества с низким или нулевым ПГП.

Компрессор — ​главный компонент оборудования для холодоснабжения и кондиционирования воздуха. Ужесточение конкуренции и активизация процессов слияний и поглощений привели к тому, что рынок оказался поделен между несколькими крупными компаниями-­производителями. В современных компрессорах используются новейшие достижения электроники, инновационные технологии инверторного управления и новые материалы. Развитие рынка оборудования для охлаждения и воздушного кондиционирования оказывает серьезное влияние на экологическую обстановку. И хотя темпы внедрения альтернативных экологичных хладагентов разнятся от региона к региону, не осталось стран, где бы не велась работа по уменьшению вредного воздействия на окружающую среду и снижению энергопотребления. Для каждого типа компрессоров и разных областей применения разрабатываются свои хладагенты, что создает определенные сложности производителям компрессоров.

Растет популярность тепловых насосов как инструмента для решения экологических проблем, таких как загрязнение воздуха и парниковые выбросы. Правительства многих европейских стран и Китая стимулируют продажи этого оборудования. Так, программа выдачи субсидий на покупку тепловых насосов в Китае способствовала их широкому распространению как в бытовом, так и в коммерческом, и даже промышленном секторах.

Компрессоры ротационного типа

В 2018 году в мире было продано 195,9 миллиона ротационных компрессоров, что на 4,1% больше, чем в предыдущем году.

Объем китайского рынка компрессоров данного типа составил 141,7 миллиона штук, 18,5 миллиона были проданы в Юго-­Восточной Азии, 4,8 миллиона штук — ​в Индии, 3,6 миллиона — ​в Японии, 2,4 миллиона — ​в Бразилии, 2,2 миллиона — ​в странах Европы, 2 миллиона — ​на Ближнем Востоке и 1,5 миллиона — ​в США.

Производство ротационных компрессоров сконцентрировано в Азии, прежде всего в Китае, а также в Таиланде, Японии и Малайзии. Значительная часть рынка принадлежит нескольким крупным брендам, появление новых игроков сопряжено со значительными трудностями.

Область применения компрессоров данного типа широка — ​от кондиционеров воздуха до тепловых насосов и холодильного оборудования. Необходимость увеличения производительности ротационных компрессоров привела к появлению моделей с двой­ным ротором. Сегодня такие компрессоры применяются как в бытовых, так и в полупромышленных кондиционерах воздуха и в VRF‑системах.

Развитию рынка ротационных компрессоров способствует растущая популярность тепловых насосов. Современные модели обеспечивают высокую теплопроизводительность даже в условиях холодного климата.

Для применения в холодильном оборудовании разработаны двухступенчатые компрессоры, способные составить конкуренцию устройствам спирального типа.

В сегменте тепловых насосов наилучшим образом показывают себя устройства «воздух — ​вода», использующиеся для организации отопления и горячего водоснабжения, осушители и другое оборудование коммерческого назначения.

Одна из главнейших задач, стоящих перед производителями, — ​повысить энергетическую эффективность продукции, снизив тем самым нагрузку на окружающую среду. Чтобы обеспечить наиболее высокую энергоэффективность, в ротационных компрессорах все активнее используются инверторные технологии. С их помощью удается значительно повысить эффективность работы устройств при неполной нагрузке и обеспечить соблюдение самых строгих требований к минимальному энергопотреблению.

Строгие требования Регламента по фторсодержащим парниковым газам в Европе способствуют росту доли кондиционеров воздуха на хладагенте R32. И хотя R32 позиционируется лишь как временная альтернатива традиционным хладагентам с более высоким ПГП, многие производители используют его в своих тепловых насосах «воздух — ​вода». Кроме того, ряд компаний применяют в подобном оборудовании углеводородный хладагент R290 (пропан), однако, судя по всему, о крупносерийном производстве речь не идет. В Европе стабильно растет доля тепловых насосов для сушки белья, использующих R290.

Китай переходит c R22 и R410A на R32, и к 2025 году, по прогнозам, рынок бытовых кондиционеров будет поделен между R410A и R32.

Япония определилась со своим кандидатом на звание хладагента нового поколения и все шире использует R32 в различных видах оборудования.

Из стран Юго-­Восточной Азии доля бытовых кондиционеров на R32 велика в Таиланде, Индонезии и Вьетнаме. В других государствах региона — ​на Филиппинах, в Малайзии, Сингапуре — ​продажи такого оборудования пока только начинают набирать обороты.

В Индии запрет на производство бытовых кондиционеров воздуха, использующих гидрохлорфторуглеродные хладагенты (ГХФУ), такие как R22, вступает в силу в 2025 году. Импорт такого оборудования был запрещен еще в 2015 году. В стране растет спрос на ротационные компрессоры, работающие на R32, а местные производители наладили выпуск кондиционеров на R290.

На Ближнем Востоке запрет импорта и производства сплит-­систем, использующих ГХФУ, включая R22 и R123, введенный Саудовской Аравией в 2015 году, стимулировал рост продаж ротационных компрессоров для работы с R410A.

На сегодняшний день ряд производителей разработали ротационные компрессоры для холодильного оборудования, использующие в качестве хладагента новую смесь ГФО с низким потенциалом глобального потепления — ​R448A.

Спиральные компрессоры

Продажи спиральных компрессоров в мире растут благодаря высокому уровню спроса на полупромышленные системы кондиционирования, чиллеры, VRF‑системы, а также теплонасосное и холодильное оборудование.

В целом мировой рынок спиральных компрессоров в 2018 году вырос ненамного, заметный рост продемонстрировал лишь ряд отдельных регионов. Так, в Северной Америке повышению спроса на компрессоры этого типа способствовал рост рынка агрегатированных кондиционеров на 6,5%, а также хорошие показатели в сегментах полупромышленных систем и чиллеров.

В Китае спад на рынке систем кондиционирования препятствует росту спроста на спиральные компрессоры.

По данным JARN, мировой рынок спиральных компрессоров в 2018 году вырос на 1,1% по сравнению с предыдущим годом. При этом рынок США показал рост на 5,15%, а китайский рынок, напротив, просел на 6,9%. Страны Европы, за исключением России и Турции, продемонстрировали падение на 1,3%. В Юго-­Восточной Азии наблюдался рост, вызванный потребностью в полупромышленных системах кондиционирования воздуха.

Продолжается технологическое совершенствование модульных чиллеров на основе компрессоров спирального типа. Среди преимуществ таких машин — ​небольшие размеры, облегчающие транспортировку и установку, а также возможность параллельного подключения, позволяющая добиться высокой производительности.

Большой потенциал роста имеет сегмент спиральных компрессоров для тепловых насосов «воздух — ​вода», рассчитанных на работу в холодном климате. Такие устройства могут использоваться не только для отопления, но и при подготовке горячей воды для гигиенических и хозяйственных нужд. В настоящее время широкое распространение получили бытовые водонагреватели на основе тепловых насосов с компрессорами спирального типа, в которых используются однофазные электродвигатели.

Кроме того, компактность и высокая производительность компрессоров спирального типа делают их прекрасным решением для применения в холодильном оборудовании. Япония поставляет спиральные компрессоры, использующие диоксид углерода (CO2) в качестве хладагента, в страны Европы и в Австралию. Такие компрессоры могут устанавливаться не только в системы холодоснабжения, но и в водонагреватели, работающие по принципу теплового насоса.

Появление гибридных транспортных средств создало потенциал для развития сегмента автомобильных кондиционеров на базе спиральных компрессоров с электрическим приводом, не отбирающим мощность у двигателя машины.

Следует отметить, что крупнейшие климатические компании часто сами производят спиральные компрессоры для использования в своих кондиционерах.

За пределами Европы, США и Японии большинство компрессоров спирального типа, установленных в системах кондиционирования воздуха, по-прежнему используют хладагент R22. Компрессоры морозильников и холодильников чаще всего работают на R404A.

В Японии стандартом стало применение R410A в холодильном и морозильном оборудовании на базе спиральных компрессоров и диоксида углерода (CO2) в водонагревателях Eco Cute, работающих по принципу теплового насоса.

Образцы спиральных компрессоров, использующих в качестве хладагента углеводороды и R32, можно видеть на отраслевых выставках в Европе и Китае, однако массовое производство подобных устройств пока не начато. В США выпускаются полупромышленные кондиционеры воздуха на базе компрессоров спирального типа, использующие хладагент R452B.

Компрессоры винтового типа

Сегмент винтовых компрессоров переживает застой. В секторе воздушного кондиционирования на двух ведущих рынках — ​в Китае и Европе — ​спрос на устройства этого типа падает, так как они вытесняются из традиционных областей применения спиральными компрессорами и устройствами центробежного типа с магнитной подвеской вала. Вместе с тем в том же Китае и других странах Азии стремительно растет спрос на спиральные компрессоры для средне- и низкотемпературного охлаждения.

За вычетом изделий, которые производятся компаниями для использования в качестве компонентов собственного оборудования, объем рынка винтовых компрессоров в 2018 году составил 116 000 единиц. Китайский, североамериканский и европейский рынки выросли на 3,6, 1,1 и 1,1% соответственно. Значительный рост спроса на винтовые компрессоры наблюдается в Индии, привлекающей все большее число иностранных производителей, и в Юго-­Восточной Азии, переживающей экономический подъем.

При этом сегмент рынка компрессоров винтового типа, предназначенных для систем воздушного кондиционирования, сокращается. Это связано с появлением устройств спирального и центробежного типов, работающих в том же диапазоне мощностей. При этом в США и Китае энергоэффективные чиллеры с водяным охлаждением на базе винтовых компрессоров с инверторным управлением составляют достойную конкуренцию холодильным машинам с компрессорами центробежного типа. Кроме того, во многих странах растет спрос на винтовые компрессоры для тепловых насосов. В частности, такие компрессоры все чаще используются в тепловых насосах «воздух — ​вода» для коммерческого применения, например в отелях.

Рынок холодильных систем для хранения пищевых продуктов стабильно растет в регионах с активно развивающейся экономикой: в Китае, Юго-­Восточной Азии, Индии. Развитие сегмента «холодильных цепочек» способствует росту спроса на винтовые компрессоры. Кроме того, не уменьшается потребность в устройствах подобного типа для специфических областей применения, таких как судовое холодильное оборудование.

Холодопроизводительность современного отдельного винтового компрессора лежит в диапазоне от 70 до 1758 киловатт, что уже довольно близко к теоретически достижимым пределам для данного вида устройств. В последнее время в дополнение к винтовым компрессорам сдвоенного типа разработаны модели с трехроторной конструкцией. Их роторы короче, а эффективность и надежность выше, чем у устройств сдвоенного типа той же производительности.

В сегменте винтовых компрессоров для систем воздушного кондиционирования произошел масштабный переход с хладагента R22 на озонобезопасные альтернативы, такие как R134a и R407С.

Некоторые европейские производители создали винтовые компрессоры для работы с хладагентом ГФО‑1234ze. Кроме того, интерес вызывает перспектива использования R290 (пропана).

Требования законодательства, регулирующего оборот хладагентов, различаются от региона к региону, и производителям приходится делать выбор в пользу того или иного решения в зависимости от конкретных обстоятельств.

Поршневые компрессоры

Спрос на полугерметичные компрессоры поршневого типа в 2018 году оценивался в 511 000 штук, что на 5,3% больше показателей 2017 года. Наиболее заметный рост наблюдался в сегменте оборудования для холодильного хранения.

В сегменте герметичных поршневых компрессоров для небольших полупромышленных установок рост по сравнению с 2017 годом составил 2,3%, объем сегмента составил 18,9 миллиона штук.

Поршневые компрессоры имеют долгую историю, область их применения включает и холодильную технику, и оборудование для кондиционирования воздуха, и тепловые насосы. В целом продажи таких компрессоров для кондиционеров падают, в то время как потребность в поршневых устройствах для холодильного оборудования год от года продолжает расти. Диапазон мощности поршневых компрессоров позволяет использовать их как в бытовых холодильниках, так и холодильных системах коммерческого и промышленного назначения.

За долгую историю технологии поршневого сжатия были созданы компрессоры, рассчитанные на работу с самыми разными хладагентами.

Созданные некоторое время назад герметичные поршневые компрессоры для холодильного оборудования, использующие в качестве хладагентов пропан (R290) и диоксид углерода, получили статус «дружественных к окружающей среде». Также на рынке появляются полугерметичные компрессоры, рассчитанные на работу с гидрофторолефинами.

Распространение в Европе, Китае и Японии тепловых насосов, в том числе типа «воздух — ​вода», работающих на диоксиде углерода, поддерживает спрос на полугерметичные поршневые компрессоры.

Компрессоры центробежного типа

Объем мирового рынка компрессоров центробежного типа в 2018 году оценивается в 19 000 единиц оборудования, что больше показателя предыдущего года на 2,6%. Основной движущей силой роста стало стремительное развитие технологии магнитной подвески вала.

Крупнейшими потребителями чиллеров на базе компрессоров центробежного типа являются США и Китай. В этих же странах в основном сконцентрировано их производство. Большинство представленных на рынке центробежных компрессоров и чиллеров на их основе выпускается компаниями из США. Некоторые производители чиллеров закупают компрессоры в Азии, другие же сами изготавливают компрессоры для своих холодильных машин.

За последние 10 лет небольшие чиллеры на базе компрессоров центробежного типа с магнитной подвеской вала стали энергоэффективным решением для воздушного кондиционирования зданий. Популярность таких холодильных машин продолжает расти.

К их преимуществам следует отнести энергоэффективность, низкий уровень шума и простоту обслуживания. Эти инновационные устройства все чаще приходят на смену как традиционным компрессорам центробежного типа, так и винтовым компрессорам. В Австралии на устройства с магнитной подвеской приходится до 70% общего объема продаж центробежных компрессоров. Велика их доля также в Европе и США. В Китае продажи компрессоров центробежного типа с магнитной подвеской в 2017 году выросли на 25% по сравнению с предыдущим годом.

Основной хладагент для центробежных компрессоров — ​R134a. В качестве замены ГФУ- и ГХФУ‑хладагентов в этом сегменте компании из Японии и США протестировали гидрофторолефин с низким потенциалом глобального потепления ГФО‑1234ze. Существуют также экологически безопасные чиллеры на базе компрессоров центробежного типа, использующие в качестве хладагента воду.

Кроме того, уже доступен для применения негорючий хладагент R1233zd(E), ПГП которого равен 1.

Прогноз на 2019 год

По прогнозу МВФ, в 2019 году темп роста мировой экономики снизится на 0,2%, отреагировав на торговое противостояние между Китаем и США. Однако совершенствование технологий и деловая активность останутся двигателем развития промышленности.

Массовость производства продолжит способствовать удешевлению инверторных контроллеров, благодаря чему инверторным управлением будут оснащать все больше ротационных компрессоров. В США и Индии ожидается рост спроса на бытовые сплит-­системы, что должно стимулировать местное производство компрессоров ротационного типа.

Ожидается рост спроса на спиральные компрессоры для VRF‑систем и тепловых насосов. В частности, следует обратить внимание на растущую потребность в спиральных компрессорах для тепловых насосов в Китае.

Винтовые и поршневые компрессоры продолжат активно применяться в холодильной технике. Их доля в сегменте оборудования для кондиционирования воздуха будет сокращаться.

Оздоровление мировой экономики, судя по всему, поспособствует умеренному росту спроса на холодильные машины, оснащенные традиционными компрессорами центробежного типа. Область применения воздушноохлаждаемых чиллеров на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской существенно расширится из-за появления на рынке новых высокопроизводительных моделей.

Основные направления развития технологий

Компрессоры ротационного типа

История разработки

Первые ротационные компрессоры появились в 1930-х годах. В 1937 году американская компания General Electric разработала компрессор ротационного типа для применения в бытовых кондиционерах воздуха. Однако несовершенство технологий производства и сборки не позволило новинке получить широкое распространение.

Лишь в 1972 году General Electric удалось добиться масштабного успеха, создав на базе ротационного компрессора компактный и легкий оконный кондиционер Carry-­Cool.

Успех General Electric дал импульс разработке ротационных компрессоров в Японии. Высокий уровень развития машиностроения в Японии позволил создать надежные и высокопроизводительные ротационные компрессоры для бытовых и автомобильных кондиционеров воздуха. Вскоре Panasonic, Mitsubishi Electric, Toshiba, Daikin, Hitachi и другие японские компании стали ведущими мировыми поставщиками компрессоров ротационного типа.

Сегодня ситуация в отрасли изменилась. Крупнейшими производителями ротационных компрессоров стали компании из Китая. Конструкцию и технологии изготовления китайские производители позаимствовали в Японии. Со временем свои заводы, выпускающие компрессоры ротационного типа, в Китае построили японские, южнокорейские и тайваньские компании.

На сегодняшний день Китай является не только крупнейшим потребителем ротационных компрессоров, но и крупнейшей производственной базой таких производителей, как Guangdong Meizhi Compressor Company (GMCC), Landa, Highly, Panasonic Wanbao Appliances Compressor (Guangzhou), Rechi, Mitsubishi Electric, Daikin, LG, Samsung, Aviation Industry Corporation of China (AVIC), Sanyo, Qingan, Galanz и Chigo.

Масштабы производства

Китайский рынок ротационных компрессоров стремительно растет. Если в 2013 году в Китае производилось и продавалось более 131 миллиона компрессоров ротационного типа, то в 2018-м — ​уже 206 миллионов. Рост за пять лет составил 57,3%, среднегодовой темп роста — ​11,5%.

Компания GMCC — ​крупнейший производитель ротационных компрессоров не только в Китае, но и в мире. Она располагает четырьмя производственными площадками: Guandong GMCC Refrigeration Equipment в Шуньдэ, Guandong GMCC Precision Manufacturing и Anhui GMCC Refrigeration Equipment в Хэфэе, а также Anhui GMCC Precision Manufacturing в Уху (провинция Аньхой). Суммарная производственная мощность всех площадок — ​75 миллионов компрессоров в год.

Второй по величине производитель — ​Landa — ​имеет пять заводов: в Чжухае, Хэфэе, Чжэнчжоу, Ухане и Чунцине. Суммарная годовая производственная мощность предприятий — ​50 миллионов компрессоров.

Третье место занимает компания Highly, производство которой мощностью 26 миллионов компрессоров в год располагается в Шанхае, Наньчане и Мяньяне, а также за пределами Китая — ​в Индии.

Типы конструкции

Ротационные компрессоры делятся на модели с вертикальным и горизонтальным расположением цилиндра.

Компрессоры с вертикальным расположением цилиндра широко применяются в бытовых и небольших полупромышленных кондиционерах воздуха, а также в воздушных тепловых насосах. Горизонтальные компрессоры обычно используются в холодильном оборудовании.

На сегодняшний день существуют три типа конструкции ротационных компрессоров — ​с одним, двумя или тремя цилиндрами. Устройства с двумя и тремя цилиндрами могут быть одно- или многоступенчатыми.

На основе варианта с двумя цилиндрами был создан компрессор с переменным рабочим объемом цилиндра. В сочетании с инверторным управлением это решение обеспечивает более широкий диапазон регулирования производительности и повышение точности поддержания заданных параметров.

Технология изменения рабочего объема цилиндров может использоваться и в двухступенчатых компрессорах с тремя цилиндрами, позволяя регулировать объемный коэффициент в цилиндрах низкого и высокого давления в соответствии с температурой окружающей среды. Таким образом, в двухступенчатом компрессоре создается оптимальное среднее давление, что повышает эффективность работы в режиме теплового насоса.

Впервые двухступенчатый трехцилиндровый ротационный компрессор с регулируемым рабочим объемом был представлен компанией Gree в 2016 году. Область применения этого устройства — ​воздушные тепловые насосы для регионов с холодным климатом. При небольшой нагрузке задействуются только два цилиндра, при увеличении потребности в тепле компрессор переходит в трехцилиндровый режим. Воздушные тепловые насосы с такими компрессорами способны обеспечивать стабильный обогрев при наружной температуре до —35°C, интегральный показатель производительности при частичной нагрузке (IPLV) при этом может достигать 7,20. При температуре —25°C система работает с номинальной теплопроизводительностью.

Помимо тепловых насосов такие компрессоры находят применение в кондиционерах воздуха, VRF‑системах и модульных водоохладителях/нагревателях.

GMCC разработала инверторный ротационный компрессор с переменным рабочим объемом, способный переключаться между одно- и двухцилиндровым режимами согласно двум различным алгоритмам, повышая теплопроизводительность компрессора при низкой температуре и улучшая производительность работы на холод и тепло на 15–30%.

Так называемые спиротационные (scrotary) компрессоры представляют собой установленные на одном шасси устройства ротационного и спирального типов. Эта разновидность компрессоров разработана компанией Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems для теплонасосных водонагревателей. Они также применяются в представленных на рынке в 2017 и 2018 годах ККБ мощностью 10 и 20 л. с. (7,35 и 14,7 кВт), использующих в качестве хладагента диоксид углерода (CO2).

В спиротационных компрессорах реализован цикл двухступенчатого сжатия с инжекцией паров хладагента. В этом цикле разница давлений на ступени высокого давления больше, чем на ступени низкого давления, поэтому ступень низкого давления выполнена как ротационный компрессор, а высокого — ​как компрессор спирального типа. Так как снижение эффективности спирального компрессора при повышении разницы давлений невелико, в то время как эффективность ротационных компрессоров в этом случае заметно падает, устройства спиротационного типа позволяют значительно улучшить параметры работы тепловых насосов при низкой температуре окружающего воздуха.

Виды компрессии

Для ротационного компрессора, работающего в составе воздушного теплового насоса, использующего, скажем, хладагент R134a, давление нагнетания изменяется в зависимости от заданного значения температуры нагрева воздуха в помещении, а давление всасывания зависит от температуры наружного воздуха. Чем холоднее снаружи, тем ниже давление.

Двух- и трехцилиндровая конструкция позволяет реализовать двухступенчатое сжатие в цикле охлаждения или обогрева при помощи единственного компрессора.

Так как температура наружного воздуха меняется в течение всего отопительного сезона, системе управления двух- или трехцилиндрового компрессора приходится постоянно переключаться между одно- и двухступенчатым сжатием. Это необходимо для обеспечения безопасной, надежной, экономичной и эффективной работы воздушного теплового насоса.

В Китае растет доля воздушных тепловых насосов на базе спиральных компрессоров с дополнительной инжекцией паров хладагента. Принцип этой технологии заключается в том, что пары хладагента подаются в камеру сжатия спирального компрессора, охлаждают сжимаемый газ и вместе с ним, продолжая сжиматься, движутся в сторону линии нагнетания. В результате значительно повышаются коэффициент производительности (COP) и тепловая мощность тепловых насосов, работающих при низкой температуре наружного воздуха.

В то время как в компрессорах с дополнительной инжекцией паров хладагента промежуточное охлаждение сжимаемого газа происходит не полностью, в так называемых компрессорах независимого сжатия осуществляется полное промежуточное охлаждение.

Компрессоры независимого сжатия могут быть как инверторными, так и неинверторными.

Такие компрессоры разработаны GMCC. Их преимуществами являются эффективность, высокий годовой показатель производительности (APF), точность контроля промежуточного давления в двухступенчатом цикле дросселирования газообразного хладагента, выбор независимой полости сжатия для активного всасывания насыщенных паров, снижение энергопотребления и повышение эффективности работы теплообменников.

Компрессоры центробежного и винтового типов

Направления развития мощных холодильных компрессоров

В настоящее время в крупном холодильном оборудовании, как правило, используются компрессоры двух типов: винтового и центробежного. Центробежный — ​один из старейших типов компрессоров, появившийся вторым после устройств поршневого типа. Уже в конце XIX века центробежные компрессоры использовались в промышленности для сжатия воздуха и других газов. Уже почти век, начиная с 1922 года, центробежные компрессоры остаются наиболее очевидным выбором при создании систем охлаждения и кондиционирования большой мощности.

В конце 1990-х годов были созданы и выпущены на рынок инновационные небольшие безмасляные компрессоры центробежного типа с магнитной подвеской. В течение последующих двух десятилетий диапазон производительности этих устройств необычайно расширился. Безмасляная технология магнитной подвески вала позволила решить технические проблемы, связанные с распределением смазки в холодильной системе, и существенно повысила эффективность компрессоров за счет уменьшения механических потерь. Эта технология также значительно изменила конструкцию компрессоров по сравнению с традиционными устройствами с масляной смазкой, как правило, требующими использования повышающей передачи.

Озабоченность проблемой глобального потепления и парниковых выбросов ведет к запрету использования хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления (ПГП), что стимулирует производителей ускорить разработку мощных холодильных компрессоров для работы с альтернативными хладагентами. В середине 2010-х годов были разработаны перспективные негорючие хладагенты низкого давления, сходные по характеристикам с уже использовавшимся R123, но имеющие низкий ПГП, и вскоре ведущие производители чиллеров представили высокоэффективные холодильные машины с компрессорами центробежного типа, использующие эти новые хладагенты.

Что касается винтовых компрессоров для систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения, то сегодня они представлены конструкциями трех видов: с одним, двумя и тремя роторами.

Конструкция с двумя роторами — ​ведущим и ведомым — ​появилась в 1930-х годах и поначалу использовалась в воздушных компрессорах, затем — ​в компрессорах для холодильного оборудования, сейчас такие устройства широко применяются в составе чиллеров.

Компрессор с одним винтовым ротором и двумя ведомыми шестернями был создан в 1960-х годах и с 1970‑х применяется в системах охлаждения. Трехроторная конструкция с одним ведущим и двумя ведомыми роторами разработана для использования в чиллерах в начале 2000-х годов.

Совершенствование технологий моделирования и высокоточной металлообработки позволило оптимизировать форму роторов, что привело к заметному повышению эффективности работы и упрощению конструкции компрессоров за счет уменьшения впрыска смазки. Результатом стало широкое распространение винтовых компрессоров, занявших нишу на шкале производительности между поршневыми/спиральными и центробежными компрессорами.

Стремление к повышению точности контроля над энергопотреблением зданий и промышленных объектов заставляет оценивать эффективность холодильного и климатического оборудования не только при полной, но и при частичной нагрузке, а также в нештатных режимах. Действенным способом повысить эффективность как центробежных, так и винтовых компрессоров показала себя технология управления частотой вращения (VSC). Совершенствование силовой электроники и появление мощных электромоторов на постоянных магнитах способствуют все более широкому применению VSC в безмасляных центробежных компрессорах. Для винтовых компрессоров управление частотой вращения уже стало стандартным решением.

Диапазоны мощности и области применения

Компрессоры центробежного типа сжимают газы, непрерывно преобразуя кинетическую энергию вращающейся крыльчатки в давление. Они способны сжимать значительные объемы газа. Как правило, такие компрессоры используются в водоохлаждаемых чиллерах большой мощности, работающих в условиях небольшой разности давлений хладагента в конденсаторе и испарителе. Разность давлений ограничена максимально возможной скоростью вращения крыльчатки. Однако недавно были созданы центробежные компрессоры, оптимизированные для работы в условиях большой разности давлений в составе чиллеров воздушного охлаждения и тепловых насосов.

Существует несколько разновидностей центробежных компрессоров — ​одноступенчатые, многоступенчатые, полугерметичные, открытого типа, отличающиеся используемыми хладагентами, областями применения и примененными технологиями.

В то же время винтовые компрессоры представляют собой компрессоры объемного сжатия, сжимающие газ за счет уменьшения объема, в котором содержится газ, поступивший со стороны всасывания, путем вращения прилегающих винтовых роторов. Мощность таких компрессоров ограничена деформацией роторов, максимально допустимой нагрузкой на подшипники и предельной скоростью вращения. Однако нет существенных ограничений, касающихся разности давлений. Это существенно расширяет рабочий диапазон и, соответственно, область применения винтовых компрессоров. В результате они используются в водо- и воздушноохлаждаемых чиллерах, высокотемпературных тепловых насосах, льдоаккумуляторах и системах низкотемпературного охлаждения. Список используемых винтовыми компрессорами хладагентов не ограничивается фторуглеродами, включая в себя и природные хладагенты, такие как аммиак (R717) и пропан (R290).

Новые альтернативные хладагенты для компрессоров большой мощности

Мощные холодильные компрессоры используют различные хладагенты низкого, среднего и высокого давления. Так как конструкция больших компрессоров в значительной степени определяется используемым хладагентом, выбор оптимального рабочего вещества представляет собой серьезную задачу для производителей холодильного и климатического оборудования.

Применение хладагентов высокого давления в компрессорах центробежного типа ведет к повышению скорости вращения крыльчатки, в результате добиться высокой эффективности компрессора становится непросто. Кроме того, эффективность цикла у хладагентов низкого давления, как правило, выше, чем у хладагентов высокого давления. Таким образом, центробежные компрессоры традиционно используют хладагенты низкого давления.

Объем всасывания для хладагентов низкого давления примерно в 5–6 раз больше, чем для хладагентов среднего давления, следовательно, больше и размер компрессора. Использование хладагентов низкого давления в компрессорах винтового типа делает их чрезмерно большими, соответственно, существенно возрастает и их стоимость. Следовательно, оптимальный выбор для винтовых компрессоров — ​хладагенты среднего давления, такие как R134a, R22 и R404A.

Разработка альтернативных хладагентов представляет собой поиск золотой середины между ПГП, горючестью и производительностью цикла. Среди хладагентов низкого давления наиболее многообещающими вариантами представляются R1233zd(E) и R1234yd(Z), созданные для применения в чиллерах на базе компрессоров центробежного типа. Эти хладагенты негорючи, имеют низкий ПГП и по производительности сравнимы с R123.

В то же время такие альтернативы хладагенту среднего давления R134a, как R1234ze(E) и R513A, уже нашли широкое применение как в центробежных, так и в винтовых компрессорах. В тех случаях, когда законодательство очень жестко ограничивает использование горючих хладагентов, чаще применяют R513A. Там же, где решающим фактором становится более низкий ПГП, например в европейских странах, выбор делается в пользу R1234ze(E).

Характеристики наиболее перспективных хладагентов для компрессоров большой мощности приведены в таблице 1.

История конструкции центробежных компрессоров

В 1922 году доктор Уиллис Х. Кэрриер разработал первый в мире водоохлаждаемый чиллер для кондиционирования воздуха, использующий компрессор центробежного типа. Следом, в 1930–1940-х годах, свои варианты холодильных машин на базе центробежных компрессоров разрабатывали ведущие производители климатического оборудования в США, такие как York и Trane. В Японии первый прототип такого чиллера был создан компаниями Takasago и Ebara в 1930 году и установлен в здании коммерческого назначения. С тех пор разрабатывались различные варианты компрессоров центробежного типа, но все многообразие конструкций можно свести к двум видам: одноступенчатые с повышающей передачей и многоступенчатые (с несколькими крыльчатками) с прямым приводом (рис. 1).

В 1990-х годах, когда из-за ограничения потребления и производства хлорфторуглеродов (ХФУ) на смену хладагенту низкого давления R11 пришел R134a, многие японские производители стали разрабатывать двухступенчатые центробежные компрессоры и чиллеры с экономайзером, призванным повысить эффективность при использовании охлаждающей воды более высокой температуры, характерной для климатических условий Азии. В результате двухступенчатая конструкция с повышающей передачей стала основной для азиатского рынка.

Чтобы повысить эффективность чиллеров при работе с неполной нагрузкой, в конце 1980-х годов была предложена и выпущена на рынок система регулирования скорости вращения за счет применения частотно-­регулируемого привода (VFD). Решение оказалось удачным, и многие производители стали использовать частотное регулирование в компрессорах с повышающей передачей и с прямым приводом.

В конце 1990-х годов конструкция центробежных компрессоров существенно изменилась — ​появились безмасляные решения с частотным регулированием на основе электромоторов с постоянными магнитами без повышающей передачи. Как показано на рис. 1, такой подход применяется в одно- и двухступенчатых компрессорах с прямым приводом, а также в двухступенчатых компрессорах с разнонаправленными крыльчатками (компоновка «спина к спине»). Оба варианта приводятся в движение электромоторами переменного или постоянного тока. Компоновка «спина к спине» уменьшает нагрузку на осевые подшипники путем уравновешивания давления газа на крыльчатки.

Распространение безмасляных технологий

Общие принципы магнитной подвески, удерживающей в воздухе вращающийся с большой скоростью вал с помощью электромагнитного поля, были разработаны еще в 1970-х годах. В конце 1990-х Danfoss Turbocor выпустила на рынок первый компрессор центробежного типа производительностью 70 холодильных тонн (246 киловатт) с интегрированным частотно-­регулируемым приводом и контроллером. Появлению этого компрессора предшествовал значительный прогресс в области силовой электроники, полупроводниковой элементной базы, цифрового управления и технологий, связанных с производством электромоторов на постоянных магнитах. В 2010-х годах многие ведущие производители чиллеров и компрессоров активно разрабатывали безмасляные компрессоры средней и большой мощности.

Как видно из таблицы 2, безмасляные компрессоры центробежного типа выпускают многие компании, занятые в индустрии климата. Диапазон производительности таких устройств очень широк, а спектр используемых хладагентов включает современные альтернативные вещества и смеси низкого и среднего давления.

Компания SKF, ведущий производитель подшипников, расширила ассортимент своей продукции за счет поглощения компании S2M, специализирующейся на технологии магнитной подвески. Компания Hanbell вступила в стратегическое партнерство c SKF для совместной разработки безмасляных компрессоров центробежного типа.

На рынке представлены и другие безмасляные технологии, например керамические подшипники качения, смазываемые жидким хладагентом. Так как вязкость хладагента невелика, механические потери в этом случае незначительны, при этом, в отличие от магнитной подвески, такое решение не требует применения сложных и дорогих контроллеров.

На сегодняшний день SKF предлагает как подшипники со смазкой хладагентом, так и магнитную подвеску, способствуя распространению безмасляных технологий в климатической индустрии.

Помимо производителей, перечисленных в таблице 2, на выставке China Refrigeration Expo‑2018 два чиллера на базе безмасляных компрессоров центробежного типа представила компания Gree. В этих устройствах используются как технология магнитной подвески, так и смазка жидким хладагентом.

Еще один вид безмасляной технологии, получивший развитие относительно недавно, — ​системы подвески с «газовой смазкой». Принцип работы такой подвески — ​создание зазора между вращающимся валом и поверхностью подшипника скольжения, для чего внутрь подшипника подается газ под давлением. После долгих исследований эта технология нашла применение в компрессорах для воздушного цикла охлаждения и устройствах турбонаддува.

В 2015 году компания LG объявила о выводе на рынок чиллера производительностью 300 холодильных тонн (более 1 мегаватта), созданного на базе трех инверторных безмасляных центробежных компрессоров с газовой смазкой. Эта технология более всего подходит для компрессоров небольшой производительности с высокой скоростью вращения вала и низкой нагрузкой на подшипники.

Повышение эффективности винтовых компрессоров

Эффективность компрессоров объемного сжатия, к которым относятся устройства винтового типа, определяется главным образом величиной утечек и потерями на трение при вращении ротора.

Чтобы повысить эффективность сжатия, были разработаны винтовые роторы различной конфигурации. Кроме того, с целью улучшения параметров работы в нештатных условиях в винтовых компрессорах тоже были реализованы технологии регулирования производительности: управление скоростью вращения в сочетании с применением моторов на постоянных магнитах (VSC) и переменное объемное отношение (VVR).

Управление производительностью компрессора за счет применения частотно-­регулируемых приводов, а не с помощью заслонки, существенно повысило эффективность путем устранения потока через байпас и утечек через заслонку, а также снижения потерь на преодоление сил трения за счет уменьшения скорости вращения при частичной нагрузке.

Традиционные винтовые компрессоры имеют фиксированное объемное отношение (отношение объема всасывания к объему нагнетания), определяемое конструкцией. График на рисунке 2 показывает, что при работе с более высоким, чем предусмотрено, давлением нагнетания в точке выхода газа наблюдается недостаточная компрессия. И наоборот, если давление нагнетания меньше расчетного, наблюдается избыточная компрессия, то есть компрессор совершает лишнюю работу. Таким образом, работа винтового компрессора с фиксированным объемным отношением в условиях, отличных от расчетных, всегда сопровождается потерями. Чтобы избежать этих потерь, созданы компрессоры с переменным объемным отношением. Изменение объемного отношения достигается путем изменения точки выхода газа в зависимости от реальных условий эксплуатации. Подобные решения используются главным образом для промышленных низкотемпературных систем, работающих в широком диапазоне температур испарения, но недавно нашли применение и в чиллерах для систем комфортного кондиционирования. Благодаря переменному объемному отношению коэффициент производительности (COP) новейших винтовых компрессоров удалось довести до 6,68, а интегральный показатель эффективности при неполной нагрузке (IPLV) до 10,77 (при работе компрессоров в составе водоохлаждаемых чиллеров в стандартных условиях AHRI).

Спиральные компрессоры

Спиральные компрессоры состоят из двух спиралей одинакового профиля. Преимущества компрессора такого типа связаны с особенностями его конструкции: высокая эффективность и низкий уровень шума объясняются непрерывностью процесса компрессии и крайне малыми утечками через зазоры камеры сжатия, надежность связана с малым числом компонентов и трущихся частей. За 30 лет присутствия на рынке спиральные компрессоры нашли применение в стационарных и автомобильных кондиционерах воздуха, чиллерах, в холодильном оборудовании, везде показав свою энергоэффективность. Кроме того, устройства данного типа применяются в качестве воздушных и гелиевых компрессоров, а также в составе вакуумных насосов и теплонасосных водонагревателей, использующих в качестве хладагента диоксид углерода.

Стоит отметить, что первой страной, где получили распространение спиральные компрессоры, стала Япония. На сегодняшний день в мире производится более 10 миллионов компрессоров спирального типа в год. Как правило, производительность этих устройств лежит в диапазоне от 0,75 до 45 киловатт.

Подход к хладагентам

В качестве меры противодействия глобальному потеплению индустрия климата и искусственного холода снижает энергопотребление оборудования, повышая его эффективность, и переходит на хладагенты с более низким ПГП. На сегодняшний день наибольшее внимание привлекают умеренно горючие хладагенты R32, R447A и R454A в качестве замены R410A в кондиционерах воздуха и R448A, R449A и R407H как альтернатива R404A для использования в холодильной технике.

В США в рамках программы оценки альтернатив с низким ПГП (AREP) проводились калориметрические испытания различных хладагентов с привлечением специалистов Института воздушного кондиционирования, отопления и холода (AHRI). Кроме того, ряд работ, касающихся хладагентов для спиральных компрессоров, был опубликован, в частности, компаниями Emerson и Danfoss, а также Национальной лабораторией Ок-­Ридж (ORNL).

В Японии распространение в качестве рабочего вещества для бытовых и полупромышленных кондиционеров получил хладагент R32. Были разработаны компрессоры, наилучшим образом подходящие для работы с этим хладагентом.

Компания Daikin создала компрессор, отличающийся повышенной эффективностью и надежностью благодаря периодической смазке соприкасающихся частей спиралей и применению специальных масел, хорошо растворяющихся в R32 при низкой температуре.

Mitsubishi Electric исследовала систему впрыска, подающую жидкий хладагент непосредственно в камеру всасывания до начала процесса сжатия. Подача жидкого хладагента в камеру всасывания позволяет охладить газообразный хладагент без потери холодильного масла, которое остается в герметично закрытом корпусе компрессора и препятствует нагреву нагнетаемого газа. Кроме того, поскольку впрыск осуществляется в камеру всасывания, сокращаются потери из-за «мертвого» объема и уменьшаются пульсации давления в трубопроводе, подающем хладагент для впрыска.

Emerson сообщила о разработке спирального компрессора с регулируемой скоростью вращения, предназначенного для работы с горючим углеводородным хладагентом R290 (пропаном). Конструкция минимизирует количество хладагента, растворенного в холодильном масле, за счет использования корпуса с низким давлением внутри и уменьшает количество хладагента в системе благодаря меньшим размерам компрессора и высокой скорости вращения.

Механические усовершенствования

Компания Mitsubishi Heavy Industrial Thermal Systems разработала мощный спиральный компрессор для использования в двухступенчатой компрессорной системе, обеспечивающей работу теплового насоса для нагрева воды. Для увеличения объема сжатия в новинке применены 3D‑спирали с увеличенным радиусом орбиты и меньшим числом витков. Такая форма позволила увеличить объем сжатия в 1,9 раза по сравнению со спиралями традиционного вида. Кроме того, компания создала революционный механизм трехмерного сжатия, получивший название e3D‑спираль. Ее концы имеют пологую форму в отличие от ступеней обычной спирали. Преимуществами новой конструкции являются высокая эффективность, большая производительность, высокий коэффициент сжатия.

Компания Hitachi разработала механизм регулирования производительности при помощи байпаса с модулируемой пульсацией всасывания (PWM). Это решение обеспечивает высокую эффективность в широком диапазоне мощностей. Ожидается, что сочетание нового механизма с инверторным управлением скоростью вращения существенно расширит рабочий диапазон спиральных компрессоров и улучшит производительность при малых нагрузках.

Компания Sanden сообщает о механизме антиротации подвижной спирали в компрессорах автомобильных кондиционеров. Чтобы уменьшить габариты и вес компрессоров, Sanden отказалась от шарового сочленения в пользу штыреоконного сочленения, а затем дисковой муфты, что значительно повысило надежность устройства.

Новые области применения

Спиральные компрессоры находят применение не только в холодильном оборудовании и кондиционерах воздуха.

Группа исследователей из Шанхайского университета транспорта (Цзяо Тун) изучила возможность применения воздушных и водородных компрессоров в транспортных средствах с топливными ячейками. Группа использовала как средства вычислительной гидродинамики (CFD), так и реальное оборудование. В ходе исследования была выявлена требующая решения проблема, заключающаяся в утечке рабочего вещества из соприкасающихся спиралей. Помимо этого, группа также представила горизонтальный спиральный компрессор для станций заправки.

Группа ученых из Университета электрокоммуникаций в Осаке предложила способ оценки объема перетечки хладагента между примыкающими камерами сжатия с помощью уплотнительной канавки под концевые уплотнители.

Компания Danfoss исследовала механическое напряжение на стенках спиралей в компрессорах с инверторным приводом. Чем выше скорость вращения подвижной спирали, тем сильнее центробежные силы заставляют давить ее на стенки неподвижной спирали. Утверждается, что анализ результатов исследования позволит оптимизировать форму спирали.

Многие производители, научные организации и поставщики специализированного программного обеспечения сообщают об исследованиях, посвященных анализу процесса сжатия и поведению клапанов в компрессорах со спиралями сложной геометрической формы. Данные исследования проводятся с помощью 3D‑моделирования и средств вычислительной гидродинамики.

Компании Mitsubishi Electric и Sanden использовали соответствующее программное обеспечение для анализа работы спирального компрессора, оборудованного выпускным клапаном, и сравнения его характеристик с параметрами реально существующего оборудования. Danfoss использовала программу гидродинамических вычислений как инструмент для проектирования компрессоров, позволяющий оценить параметры работы разрабатываемого изделия при разных значениях давлений и скоростях вращения вала.

Ученые из Политехнического университета Валенсии исследовали характеристики спиральных компрессоров с регулируемой скоростью вращения, работающих на R410A и R290 (пропане) и оборудованных системой впрыска паров хладагента. Исследование показало значительное влияние перегрева моторной секции и механических потерь на производительность компрессора.

По материалам JARN





Будь в курсе новинок и трендов

Подпишитесь на рассылку Ассоциации Предприятий Индустрии Климата (АПИК) и с периодичностью 1 раз в 2 недели мы будем присылать Вам новости климатической индустрии, результаты маркетинговой деятельности, приглашения на события отрасли.

Прими участие в выставке «МИР КЛИМАТА — 2020»

Выставка пройдет c 10 по 13 марта 2020 в Москве, ЦВК «Экспоцентр»

Заполните регистрационную форму и получите электронный билет





Профессионалы о выставке «МИР КЛИМАТА»

Александр Цыпин, Генеральный директор «EBM-PAPST RUS»
Олег Солодчик, Генеральный директор «ZIEHL-ABEGG»
Ирина Бернштейн, Директор по развитию бизнеса в России, Казахстане и Беларуси компании «Condair»
Виктор Мухлев, Генеральный директор «AER GROUP»
Александр Степанов, Директор «БРИЗ - климатические системы»
Руслана Митина, Президент «DANTEX GROUP»