Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Повышение эффективности работы холодильной

установки за счет переохлаждения хладагента

ФГОУ ВПО «Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота»,

Россия, *****@***ru

Уменьшение потребления электрической энергии является очень важным аспектом жизни в связи со сложившейся энергетической ситуацией в стране и в мире. Снижения энергопотребления холодильными установками можно достичь повышением холодопроизводительности холодильных установок. Последнее может быть осуществлено с помощью различных видов переохладителей. Таким образом, рассмотрены различные виды переохладителей и разработан наиболее эффективный.

холодопроизводительность, переохлаждение, регенеративный теплообменник, переохладитель, межтрубное кипение, кипение внутри труб

За счет переохлаждения жидкого хладагента перед дросселированием может быть достигнуто значительное повышение эффективности работы холодильной установки. Переохлаждения хладагента можно добиться за счет установки переохладителя. Переохладитель жидкого холодильного агента, идущего из конденсатора при давлении конденсации к регулирующему вентилю, предназначен для его охлаждения ниже температуры конденсации. Существуют различные способы переохлаждения: за счет кипения жидкого холодильного агента при промежуточном давлении, за счет парообразного агента, выходящего из испарителя, и с помощью воды. Переохлаждение жидкого холодильного агента позволяет увеличить холодопроизводительность холодильной установки.

Одним из видов теплообменных аппаратов, предназначенных для переохлаждения жидкого хладагента, являются регенеративные теплообменники. В аппаратах данного вида переохлаждение холодильного агента достигается за счет парообразного агента, выходящего из испарителя.

В регенеративных теплообменниках происходит теплообмен между жидким холодильным агентом, идущим из ресивера к регу­лирующему вентилю, и парообразным агентом, выходящим из испарителя. Регенеративные теплообменники используются для выполнения одной или нескольких следующих функций:

1) повышения термодинамической эффективности холодиль­ного цикла;

2) переохлаждения жидкого холодильного агента для пред­отвращения парообразования перед регулирующим вентилем ;

3) испарения небольшого количества жидкости, уносимой из испарителя. Иногда при использовании испарителей затоплен­ного типа богатый маслом слой жидкости намеренно отводят во всасывающую линию для обеспечения возврата масла. В этих случаях регенеративные теплообменники служат для испарения жидкого холодильного агента из раствора.

На рис. 1 представлена схема установки РТ.

Рис.1. Схема установки регенеративного теплообменника

Fig. 1. The scheme of installation of the regenerative heat exchanger

Простейшая форма теплообменника получается при метал­лическом контакте (сварке, пайке) между жидкостным и паровым трубопроводами для обеспечения противотока. Оба трубопровода покрываются изоляцией как единое целое. Для обеспечения макси­мальной производительности жидкостная линия должна быть размещена ниже всасывающей, поскольку жидкость во всасыва­ющем трубопроводе может течь вдоль нижней образующей .

Наибольшее распространение в отечественной промышлен­ности и за рубежом получили кожухозмеевиковые и кожухотрубные регенеративные теплообменники. В малых холодильных машинах, выпускаемых зарубежными фирмами, иногда исполь­зуются змеевиковые теплообменники упрощенной конструкции, в которой жидкостная трубка навивается на всасывающую. Фирма «Данхэм-Баш» (Dunham-Busk, США) для улучшения теплопере­дачи навитый на всасывающую линию жидкостный змеевик за­ливает алюминиевым сплавом. Всасывающая линия снабжается внутренними гладкими продольными ребрами, обеспечивающими хорошую теплоотдачу к пару при минимальном гидравлическом сопротивлении. Эти теплообменники предназначены для устано­вок холодопроизводительностью менее 14 кВт.

Для установок средней и крупной производительности широко применяются кожухозмеевиковые регенеративные теплообмен­ники. В аппаратах этого типа жидкостный змеевик (или несколько параллельных змеевиков), навитый вокруг вытеснителя, помещен в цилиндрический сосуд. Пар проходит в кольцевом пространстве между вытеснителем и кожухом, при этом обеспечивается более полное омывание паром поверхности жидкостного змеевика. Змеевик производится из гладких, а чаще из оребренных снаружи труб.

При использовании теплообменников типа «труба в трубе» (как правило, для малых холодильных машин) особое внимание уделяют интенсификации теплообмена в аппарате. С этой целью либо применяют оребренные трубы, либо используют всевозмож­ные вставки (проволочные, ленточные и т. д.) в паровой области или в паровой и жидкостной областях (рис. 2) .

Рис.2. Теплообменник регенеративный типа «труба в трубе»

Fig. 2. Regenerative heat exchanger type “pipe in pipe”

Переохлаждение за счет кипения жидкого холодильного агента при промежуточном давлении может осуществляться в промежуточных сосудах и экономайзерах.

В низкотемпературных холодильных установках двухступенча­того сжатия работа промежуточного сосуда, устанавливаемого между компрессорами первой и второй ступеней, во многом опре­деляет термодинамическое совершенство и экономичность работы всей холодильной установки. Промежуточный сосуд выполняет следующие функции:

1) «сбив» перегрева пара после компрессора первой ступени, что приводит к уменьшению работы, затрачиваемой ступенью высокого давления;

2) охлаждение жидкого хладагента перед поступлением его к регулирующему вентилю до температуры, близкой или равной температуре насыщения при промежуточном давлении, что обеспечивает снижение потерь в регулирующем вентиле;

3) частичное отделение масла.

В зависимости от типа промежуточного сосуда (змеевиковый или беззмеевиковый) осуществляется схема с одно - или двухступенчатым дросселированием жидкого хладагента. В безнасосных системах предпочтительным является при­менение змеевиковых промежуточных сосудов, в которых жидкость находится под давлением конденсации, обеспечивающим подачу жидкого хладагента в испарительную систему многоэтажных холодильников.

Наличие змеевика исключает также дополнительное замасли­вание жидкости в промежуточном сосуде.

В насосно-циркуляционных системах, где подача жидкости в испарительную систему обеспечивается за счет напора насоса, могут быть применены беззмеевиковые промежуточные сосуды. Использование в настоящее время в схемах холодильных уста­новок эффективных маслоотделителей (промывных или циклонных на стороне нагнетания, гидроциклонов - в испарительной си­стеме) также делает возможным применение беззмеевиковых промежуточных сосудов - аппаратов более эффективных и более простых в конструктивном исполнении .

Переохлаждение водой может достигаться в противоточных переохладителях.

На рис. 3 показан двухтрубный противоточный переохла­дитель. Он состоит из одной или двух секций, собранных из по­следовательно включенных двойных труб (труба в трубе). Внутрен­ние трубы соединены чугунными калачами, наружные - сварены. Жидкое рабочее вещество протекает в межтрубном пространстве в противоток охлаждающей воде, движущейся по внутренним тру­бам. Трубы - стальные бесшовные. Температура выхода рабочего вещества из аппарата обычно на 2-3 °С выше температуры посту­пающей охлаждающей воды .

труба в трубе"), в каждую из которых через распределитель подается жидкий хладагент, а в межтрубное пространство поступает холодильный агент из линейного ресивера, основным недостатком является ограниченный срок службы из-за быстрого выхода из строя распределителя. Промежуточный сосуд, в свою очередь, можно использовать только для систем охлаждения , работающих на аммиаке .

Рис. 4. Эскиз переохладителя жидкого фреона с кипением в межтрубном пространстве

Fig. 4. The sketch of supercooler with boiling of liquid Freon in intertubes space

Наиболее подходящим устройством является переохладитель жидкого фреона с кипением в межтрубном пространстве. Схема такого переохладителя представлена на рис. 4.

Конструктивно он представляет собой кожухотрубный теплообменный аппарат, в межтрубном пространстве которого кипит холодильный агент, в трубы поступает хладагент из линейного ресивера, переохлаждается и затем подается к испарителю. Основным недостатком такого переохладителя является вспенивание жидкого фреона за счет образования масляной пленки на его поверхности, что приводит к необходимости наличия специального устройства для удаления масла.

Таким образом, была разработана конструкция, в которой предлагается переохлаждаемый жидкий холодильный агент из линейного ресивера подавать в межтрубное пространство, а в трубах обеспечить (путем предварительного дросселирования) кипение холодильного агента. Данное техническое решение поясняется рис. 5.

Рис. 5. Эскиз переохладителя жидкого фреона с кипением внутри труб

Fig. 5. The sketch of supercooler with boiling of liquid Freon inside pipes

Данная схема устройства позволяет упростить конструкцию переохладителя, исключая из нее устройство для удаления масла с поверхности жидкого фреона.

Предлагаемый переохладитель жидкого фреона (экономайзер) представляет собой корпус, содержащий пакет теплообменных труб с внутренним оребрением, также патрубок для входа охлаждаемого хладагента, патрубок для выхода охлажденного хладагента, патрубки для входа сдросселированного хладагента, патрубок для выхода парообразного хладагента.

Рекомендуемая конструкция позволяет избежать вспенивания жидкого фреона, повысить надежность и обеспечить более интенсивное переохлаждение жидкого хладагента, что, в свою очередь, ведет к увеличению холодопроизводительности холодильной установки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зеликовский по теплообменным аппаратам малых холодильных машин. - М.: Пищевая промышленность, 19с.

2. Ионов производства холода. - Калининград: Кн. изд-во, 19с.

3. Данилова аппараты холодильных установок. - М.: Агропромиздат, 19с.

IMPROVING THE EFFICIENCY OF REFRIGERATING PLANTS DUE SUPERCOOLING OF REFRIGERANT

N. V. Lubimov, Y. N. Slastichin, N. M. Ivanova

Supercooling of liquid Freon in front of the evaporator allows to increase refrigerating capacity of a refrigerating machinery. For this purpose we can use regenerative heat exchangers and supercoolers. But more effective is the supercooler with boiling of liquid Freon inside pipes.

кefrigerating capacity, supercooling, supercooler

Рис. 1.21. Сема дендрита

Таким образом, механизм кристаллизации металлических расплавов при высоких скоростях охлаждения принципиально отличается тем, что в малых объемах расплава достигается высокая степень переохлаждения. Следствием этого является развитие объемной кристаллизации, которая у чистых металлов может быть гомогенной. Центры кристаллизации с размером больше критического способны к дальнейшему росту.

Для металлов и сплавов наиболее типична дендритная форма роста, впервые описанная еще в 1868 г. Д.К. Черновым. На рис. 1.21 показан эскиз Д.К. Чернова, поясняющий схему строения дендрита. Обычно дендрит состоит из ствола (ось первого порядка), от которого идут ветви – оси второго и последующих порядков. Дендритный рост протекает в определенных кристаллографических направлениях с ответвлениями через одинаковые промежутки. В структурах с решетками гранецентрированного и объемно-центрированного кубов дендритный рост идет в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Экспериментально установлено, что дендритный рост наблюдается только в переохлажденном расплаве. Скорость роста определяется степенью переохлаждения. Задача теоретического определения скорости роста в функции степени переохлаждения еще не получила обоснованного решения. Исходя из экспериментальных данных, полагают, что эта зависимость приближенно может рассматриваться в виде V ~ (D Т) 2 .

Многие исследователи полагают, что при некоторой критической степени переохлаждения наблюдается лавинообразное увеличение числа центров кристаллизации, способных к дальнейшему росту. Зарождение все новых и новых кристаллов может прервать дендритный рост.

Рис. 1.22. Трансформация структур

По последним зарубежным данным, с ростом степени переохлаждения и температурного градиента перед фронтом кристаллизации, наблюдается трансформация структуры быстро затвердевающего сплава от дендритной к равноосной, микрокристаллической, нанокристаллической и далее к аморфному состоянию (рис. 1.22).

1.11.5. Аморфизация расплава

На рис. 1.23 иллюстрируется идеализированная ТТТ-диаграмма (Time-Temperature-Transaction), поясняющая особенности затвердевания легированных металлических расплавов в зависимости от скорости охлаждения.

Рис. 1.23. ТТТ-диаграмма: 1 – умеренная скорость охлаждения:

2 – очень высокая скорость охлаждения;

3 – промежуточная скорость охлаждения

По вертикальной оси отложена температура, по горизонтальной – время. Выше некоторой температуры плавления ‑ Т П жидкая фаза (расплав) стабильна. Ниже этой температуры жидкость переохлаждается и становится нестабильной, поскольку появляется возможность зарождения и роста центров кристаллизации. Однако при резком охлаждении может возникнуть прекращение движения атомов в сильно переохлажденной жидкости и при температуре ниже Т З сформируется аморфная твердая фаза. Для многих сплавов температура начала аморфизации ‑ Т З лежит в пределах от 400 до 500 ºC. Большинство традиционных слитков и отливок охлаждаются медленно в соответствии с кривой 1 на рис. 1.23. За время охлаждения возникают и растут центры кристаллизации, формируя кристаллическую структуру сплава в твердом состоянии. При очень высокой скорости охлаждения (кривая 2) образуется аморфная твердая фаза. Представляет также интерес промежуточная скорость охлаждения (кривая 3). Для этого случая возможен смешанный вариант затвердевания с наличием как кристаллической, так и аморфной структуры. Такой вариант имеет место в том случае, когда начавшийся процесс кристаллизации не успевает завершиться за время охлаждения до температуры Т З. Смешанный вариант затвердевания с формированием мелких аморфных частиц поясняется упрощенной схемой, представленной на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Схема формирования мелких аморфных частиц

Слева на этом рисунке изображена крупная капля расплава, содержащая в объеме 7 центров кристаллизации, способных к последующему росту. В середине эта же капля разделена на 4 части, одна из которых не содержит центров кристаллизации. Эта частица затвердеет аморфной. Справа на рисунке исходная частица разделена на 16 частей, 9 из которых станут аморфными. На рис. 1.25. представлена реальная зависимость числа аморфных частиц высоколегированного никелевого сплава от размера частиц и интенсивности охлаждения в газовой среде (аргон, гелий).

Рис. 1.25. Зависимость числа аморфных частиц сплава никеля от

размера частиц и интенсивности охлаждения в газовой среде

Переход металлического расплава в аморфное, или как его еще называют, стеклообразное состояние является сложным процессом и зависит от многих факторов. В принципе, все вещества можно получить в аморфном состоянии, но для чистых металлов требуются столь высокие скорости охлаждения, которые пока не могут быть обеспечены современными техническими средствами. В то же время высоколегированные сплавы, в том числе эвтектические сплавы металлов с металлоидами (В, С, Si, Р) затвердевают в аморфном состоянии при более низких скоростях охлаждения. В табл. 1.9 приведены критические скорости охлаждения при аморфизации расплавов никеля и некоторых сплавов.

Таблица 1.9

Варианты работы холодильной установки: работа с нормальным перегревом; с недостаточным перегревом; сильным перегревом.

Работа с нормальным перегревом.

Схема холодильной установки

Например, хладагент подаётся под давлением 18 бар, на всасывании давление 3 бара. Температура, при которой в испарителе кипит хладагент t 0 = −10 °С, на выходе из испарителя температура трубы с хладагентом t т = −3 °С.

Полезный перегрев ∆t = t т − t 0 = −3− (−10)= 7. Это нормальная работа холодильной установки с воздушным теплообменником . В испарителе фреон выкипает полностью примерно в 1/10 части испарителя (ближе к концу испарителя), превращаясь в газ. Дальше газ будет нагреваться температурой помещения.

Перегрев недостаточный.

Температура на выходе будет уже, к примеру, не −3, а −6 °С. Тогда перегрев составляет всего 4 °С. Точка, где перестаёт кипеть жидкий хладагент, перемещается ближе к выходу испарителя. Таким образом, большая часть испарителя заполняется жидким хладагентом. Такое может случиться, если терморегулирующий вентиль (ТРВ) будет подавать больше фреона в испаритель.

Чем больше фреона будет находиться в испарителе, тем больше будет образовываться паров, тем выше будет давление на всасывании и повысится температура кипения фреона (допустим уже не −10, а −5 °С). Компрессор начнет заливать жидким фреоном, потому что давление увеличилось, расход хладагента увеличился и компрессор не успевает откачать все пары (если компрессор не имеет дополнительных мощностей). При такой работе холодопроизводительность повысится, но компрессор может выйти из строя.

Сильный перегрев.

Если производительность ТРВ будет меньше, то фреона будет поступать в испаритель меньше и выкипать он будет раньше, (точка выкипания сместиться ближе к входу испарителя). Весь ТРВ и трубки после него обмерзнут и покроются льдом, а процентов 70 испарителя не обмерзнут вообще. Пары фреона в испарителе будут нагреваться, и их температура может достигнуть температуры в помещении, отсюда ∆t ˃ 7. При этом холодопроизводительность системы понизится, давление на всасывании понизится, нагретые пары фреона могут вывести из строя статор компрессора.

Одна из самых больших сложностей в работе ремонтника заключается в том, что он не может видеть процессов, происходящих внутри трубопроводов и в холодильном контуре. Тем не менее, измерение величины переохлаждения может позволить получить относительно точную картину поведения хладагента внутри контура.

Заметим, что большинство конструкторов выбирают размеры конденсаторов с воздушным охлаждением таким образом, чтобы обеспечить переохлаждение на выходе из конденсатора в диапазоне от 4 до 7 К. Рассмотрим, что происходит в конденсаторе, если величина переохлаждения выходит за пределы этого диапазона.

А) Пониженное переохлаждение (как правило, меньше 4 К).

Рис. 2.6

На рис. 2.6 приведено различие в состоянии хладагента внутри конденсатора при нормальном и аномальном переохлаждении. Температура в точках tв=tc=te=38°С = температуре конденсации tк. Замер температуры в точке D дает значение td=35 °С, переохлаждение 3 К.

Пояснение. Когда холодильный контур работает нормально, последние молекулы пара конденсируются в точке С. Далее жидкость продолжает охлаждаться и трубопровод по всей длине (зона C-D) заполняется жидкой фазой, что позволяет добиваться нормальной величины переохлаждения (например, 6 К).

В случае нехватки хладагента в конденсаторе, зона C-D залита жидкостью не полностью, имеется только небольшой участок этой зоны, полностью занятый жидкостью (зона Е-D), и его длины недостаточно, чтобы обеспечить нормальное переохлаждение.

В результате, при измерении переохлаждения в точке D, вы обязательно получите его значение ниже нормального (в примере на рисунка 2.6 — 3 К).

И чем меньше будет хладагента в установке, тем меньше будет его жидкой фазы на выходе из конденсатора и тем меньше будет его степень переохлаждения.

В пределе, при значительной нехватке хладагента в контуре холодильной установки, на выходе из конденсатора будет находиться парожидкостная смесь, температура которой будет равна температуре конденсации, то есть переохлаждение будет равно 0 К (смотри рисунок 2.7).

Рис. 2.7

tв=td=tk=38°С. Значение переохлаждения П/О = 38—38=0 К.

Таким образом, недостаточная заправка хладагента всегда приводит к уменьшению переохлаждения.

Отсюда следует, что грамотный ремонтник не будет без оглядки добавлять хладагент в установку, не убедившись в отсутствии утечек и не удостоверившись, что переохлаждение аномально низкое!

Отметим, что по мере дозаправки хладагента в контур, уровень жидкости в нижней части конденсатора будет повышаться, вызывая увеличение переохлаждения.

Перейдем теперь к рассмотрению противоположного явления, то есть слишком большого переохлаждения.

Б) Повышенное переохлаждение (как правило, больше 7 К).

Рис. 2.8

tв=te=tk= 38°С. td = 29°С, следовательно переохлаждение П/О=38-29=9 К.

Пояснение. Выше мы убедились, что недостаток хладагента в контуре приводит к уменьшению переохлаждения. С другой стороны, чрезмерное количество хладагента будет накапливаться в нижней части конденсатора.

В этом случае длина зоны конденсатора, полностью залитая жидкостью, увеличивается и может занимать весь участок E-D. Количество жидкости, находящееся в контакте с охлаждающим воздухом, возрастает и величина переохлаждения, следовательно, тоже становится больше (в примере на рис. 2.8 П/О = 9 К).

В заключение укажем, что измерения величины переохлаждения являются идеальными для диагностики процесса функционирования классической холодильной установки.

В ходе детального анализа типовых неисправностей мы увидим как в каждом конкретном случае безошибочно интерпретировать данные этих измерений.

Слишком малое переохлаждение (менее 4 К) свидетельствует о недостатке хладагента в конденсаторе. Повышенное переохлаждение (более 7 К) указывает на избыток хладагента в конденсаторе.

2.4. УПРАЖНЕНИЕ

Выберите из 4-х вариантов конструкций конденсатора с воздушным охлаждением, представленных на рис. 2.9, тот, который, по вашему мнению, является наилучшим. Объясните почему?

Рис. 2.9

Под действием силы тяжести жидкость накапливается в нижней части конденсатора, поэтому вход паров в конденсатор всегда должен располагаться сверху. Следовательно, варианты 2 и 4 по меньшей мере представляют собой странное решение, которое не будет работоспособным.

Разница между вариантами 1 и 3 заключается, главным образом, в температуре воздуха, который обдувает зону переохлаждения. В 1-м варианте воздух, который обеспечивает переохлаждение, поступает в зону переохлаждения уже подогретым, поскольку он прошел через конденсатор. Наиболее удачной следует считать конструкцию 3-го варианта, так как в ней реализован теплообмен между хладагентом и воздухом по принципу противотока. Этот вариант имеет наилучшие характеристики теплообмена и конструкции установки в целом.

Подумайте об этом, если вы еще не решили, какое направление прохождения охлаждающего воздуха (или воды) через конденсатор вам выбрать.

• Влияние температуры и давления на состояние хладогенов
• Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением
• Анализ случаев аномального переохлаждения

Напомним, что VRF-системы (Variable Refrigerant Flow — системы с переменным расходом хладагента), являются сегодня самым динамично развивающимся классом систем кондиционирования воздуха. Мировой рост продаж систем класса VRF ежегодно увеличивается на 20-25 %, вытесняя с рынка конкурирующие варианты кондиционирования. Благодаря чему происходит этот рост?

Во-первых, благодаря широким возможностям систем Variable Refrigerant Flow: большой выбор наружных блоков — от мини-VRF до больших комбинаторных систем. Огромный выбор внутренних блоков. Длины трубопроводов — до 1000 м (рис. 1).

Во-вторых, благодаря высокой энергоэффективности систем. Инверторный привод компрессора, отсутствие промежуточных теплообменников (в отличие от водяных систем), индивидуальный расход хладагента — всё это обеспечивает минимальное энергопотребление.

В-третьих, положительную роль играет модульность конструкции. Нужная производительность системы набирается из отдельных модулей, что без сомнения очень удобно и повышает общую надёжность в целом.

Именно поэтому сегодня VRF-системы занимают как минимум 40 % мирового рынка систем центрального кондиционирования и эта доля с каждым годом растёт.

Система переохлаждения хладагента

Какая максимальная длина фреоновых трубопроводов может быть у сплит-системы кондиционирования? Для бытовых систем производительностью до 7 кВт холода она составляет 30 м. Для полупромышленного оборудования эта цифра может достигать 75 м (инверторный наружный блок). Для сплит-систем данное значение максимально, но для систем класса VRF максимальная длина трубопроводов (эквивалентная) может быть и значительно большей — до 190 м (суммарная — до 1000 м).

Очевидно, что VRF-системы принципиально отличаются от сплит-систем с точки зрения фреонового контура, и это позволяет им работать при больших длинах трубопроводов. Это отличие заключается в наличии специального устройства в наружном блоке, которое называется переохладитель хладагента или subcooler (рис. 2).

Прежде чем рассмотреть особенности работы систем VRF, давайте обратим внимание на схему фреонового контура сплит-систем и поймём, что происходит с хладагентом при больших длинах фреоновых трубопроводов.

Холодильный цикл сплит-систем

На рис. 3 изображён классический цикл фреона в контуре кондиционера в осях «давление-энтальпия». Причём это цикл для любых сплит-систем на фреоне R410a, то есть от производительности кондиционера или марки вид данной диаграммы не зависит.

Начнём с точки D, с начальными параметрами в которой (температура 75 °C, давление 27,2 бара) фреон попадает в конденсатор наружного блока. Фреон в данный момент — это перегретый газ, который сначала остывает до температуры насыщения (около 45 °C), затем начинает конденсироваться и в точке А полностью переходит из состояния газа в жидкость. Далее происходит переохлаждение жидкости до точки А (температура 40 °C). Считается, что оптимальная величина переохлаждения равна 5 °C.

После теплообменника наружного блока хладагент поступает на устройство дросселирования в наружном блоке — терморегулирующий вентиль либо капиллярную трубку, и его параметры меняются до точки B (температура 5 °C, давление 9,3 бара). Обратим внимание, что точка В находится в зоне смеси жидкости и газа (рис. 3). Следовательно, после дросселирования в жидкостный трубопровод поступает именно смесь жидкости и газа. Чем больше величина переохлаждения фреона в конденсаторе, тем больше доля жидкого фреона поступает во внутренний блок, тем выше КПД кондиционера.

На рис. 3 обозначены следующие процессы: В-С — процесс кипения фреона во внутреннем блоке с постоянной температурой около 5 °C; С-С — перегрев фреона до +10 °C; С -L — процесс всасывания хладагента в компрессор (происходят потери давления в газовом трубопроводе и элементах фреонового контура от теплообменника внутреннего блока до компрессора); L-M — процесс сжатия газообразного фреона в компрессоре с повышением давления и температуры; М-D — процесс нагнетания газообразного хладагента от компрессора до конденсатора.

Потери давления в системе зависят от скорости фреона V и гидравлической характеристики сети:

Что будет происходить с кондиционером при увеличении гидравлической характеристики сети (вследствие повышенной длины или большого количества местных сопротивлений)? Повышенные потери давления в газовом трубопроводе приведут к падению давления на входе в компрессор. Компрессор начнёт захватывать хладагент меньшего давления и, значит, меньшей плотности. Расход хладагента упадёт. На выходе компрессор будет выдавать меньшее давление и, соответственно, упадёт температура конденсации. Пониженная температура конденсации приведёт к пониженной температуре испарения и обмерзанию газового трубопровода.

Если повышенные потери давления будут происходить на жидкостном трубопроводе, то процесс даже более интересный: так как мы выяснили, что в жидкостном трубопроводе фреон находится в насыщенном состоянии, а точнее, в виде смеси жидкости и пузырьков газа, то любые потери давления будут приводить к небольшому вскипанию хладагента и увеличению доли газа.

Последнее повлечёт за собой резкое увеличение объёма парогазовой смеси и увеличению скорости движения по жидкостному трубопроводу. Повышенная скорость движения снова вызовет дополнительную потерю давления, процесс станет «лавинообразным».

На рис. 4 приведён условный график удельных потерь давления в зависимости от скорости движения хладагента в трубопроводе.

Если, например, потери давления при длине трубопроводов 15 м составляют 400 Па, то при увеличении длины трубопроводов в два раза (до 30 м) потери увеличиваются не в два раза (до 800 Па), а в семь раз — до 2800 Па.

Поэтому простое увеличение длины трубопроводов в два раза относительно стандартных длин для сплит-системы с On-Off-компрессором фатально. Расход хладагента упадёт в несколько раз, компрессор будет перегреваться и очень скоро выйдет из строя.

Холодильный цикл VRF-систем с переохладителем фреона

На рис. 5 схематично изображён принцип работы переохладителя хладагента. На рис. 6 изображён тот же холодильный цикл на диаграмме «давление-энтальпия». Рассмотрим подробно, что же у нас происходит с хладагентом при работе системы Variable Refrigerant Flow.

1-2: Жидкий хладагент после конденсатора в точке 1 делится на два потока. Бóльшая часть проходит через противоточный теплообменник. В нём происходит охлаждение основной части хладагента до +15…+25 °C (в зависимости от его эффективности), которая далее поступает в жидкостный трубопровод (точка 2).

1-5: Вторая часть потока жидкого хладагента из точки 1 проходит через ТРВ, его температура понижается до +5 °C (точка 5), поступает на тот же противоточный теплообменник. В последнем происходит его кипение и охлаждение основной части хладагента. После кипения газообразный фреон сразу поступает на всасывание компрессора (точка 7).

2-3: На выходе из наружного блока (точка 2) жидкий хладагент проходит через трубопроводы к внутренним блокам. При этом теплообмена с окружающей средой практически не происходит, а вот часть давления теряется (точка 3). У некоторых производителей дросселирование производится частично в наружном блоке системы VRF, поэтому давление в точке 2 меньше, чем на нашем графике.

3-4: Потери давления хладагента в электронном регулирующем вентиле (ЭРВ), который располагается перед каждым внутренним блоком.

4-6: Испарение хладагента во внутреннем блоке.

6-7: Потери давления хладагента при его возврате в наружный блок по газовому трубопроводу.

7-8: Сжатие газообразного хладагента в компрессоре.

8-1: Охлаждение хладагента в теплообменнике наружного блока и его конденсация.

Рассмотрим подробнее участок от точки 1 до точки 5. В системах VRF без переохладителя хладагента процесс из точки 1 сразу переходит в точку 5 (по синей линии рис. 6). Удельная величина производительности хладагента (поступающего к внутренним блокам) пропорциональна длине линии 5-6. В системах, где переохладитель присутствует, полезная производительность хладагента пропорциональна линии 4-6. Сравнивая длины линии 5-6 и 4-6, становится понятной работа переохладителя фреона. Повышение эффективности охлаждения циркулирующего хладагента происходит как минимум на 25 %. Но это не означает, что производительность всей системы стала больше на 25 %. Дело в том, что часть хладагента не поступила к внутренним блокам, а сразу ушла на всасывание компрессора (линия 1-5-6).

Именно в этом состоит баланс: на какую величину повысилась производительность фреона, поступающего к внутренним блокам, на столько же уменьшилась производительность системы в целом.

Так в чём тогда смысл применения переохладителя хладагента, если общую производительность системы VRF он не увеличивает? Чтобы ответить на этот вопрос, снова вернёмся к рис. 1. Смысл применения переохладителя — снижение потерь на длинных трассах систем Variable Refrigerant Flow.

Дело в том, что все характеристики VRFсистем приводятся при стандартной длине трубопроводов 7,5 м. То есть сравнивать VRF-системы разных производителей по данным каталога не совсем корректно, поскольку реальные длины трубопроводов будут гораздо больше — как правило, от 40 до 150 м. Чем больше отличается длина трубопровода от стандартной, тем больше потери давления в системе, тем больше происходит вскипание хладагента в жидкостных трубопроводах. Потери производительности наружного блока по длине приводятся на специальных графиках в сервис-мануалах (рис. 7). Именно по этим графикам необходимо сравнивать эффективность работы систем при наличии переохладителя хладагента и при его отсутствии. Потери производительности VRF-систем без переохладителя на длинных трассах составляют до 30 %.

Выводы

1. Переохладитель хладагента является важнейшим элементом для работы VRF систем. Его функциями являются, во-первых, увеличение энергетической ёмкости хладагента, поступающего к внутренним блокам, во-вторых, уменьшение потерь давления в системе на длинных трассах.

2. Не все производители систем VRF снабжают свои системы переохладителем хладагента. Особенно часто исключают переохладитель ОЕМ-бренды для удешевления конструкции.