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

Недозаправка и перезаправка системы хладагентом

Как показывает статистика, основной причиной аномальной работы кондиционеров и выхода из строя компрессоров, является неправильная заправка холодильного контура хладагентом. Нехватка хладагента в контуре может объясняться случайными утечками. В то же время избыточная заправка, как правило, является следствием ошибочных действий персонала, вызванных его недостаточной квалификацией. Для систем, в которых в качестве дросселирующего устройства используется терморегулирующий вентиль (ТРВ), лучшим индикатором, указывающим на нормальную величину заправки хладагентом, является переохлаждение. Слабое переохлаждение говорит о том, что заправка недостаточна, сильное указывает на избыток хладагента. Заправка может считаться нормальной, когда температура переохлаждения жидкости на выходе из конденсатора поддерживается в пределах 10-12 градусов Цельсия при температуре воздуха на входе в испаритель, близкой к номинальным условиям эксплуатации.

Температура переохлаждения Тп определяется как разность:
Тп =Тк – Тф
Тк – температура конденсации, считываемая с манометра ВД.
Тф – температура фреона (трубы) на выходе из конденсатора.

1. Нехватка хладагента. Симптомы.

Недостаток фреона будет ощущаться в каждом элементе контура, но особенно этот недостаток чувствуется в испарителе, конденсаторе и жидкостной линии. В результате недостаточного количества жидкости испаритель слабо заполнен фреоном и холодопроизводительность низкая. Поскольку жидкости в испарителе недостаточно, количество производимого там пара сильно падает. Так как объемная производительность компрессора превышает количество пара, поступающего из испарителя, давление в нем аномально падает. Падение давления испарения приводит к снижению температуры испарения. Температура испарения может опуститься до минусовой отметки, в результате чего произойдет обмерзание входной трубки и испарителя, при этом перегрев пара будет очень значительным.

Температура перегрева Т перегрева определяется как разность:
Т перегрева = Т ф.и. – Т всас.
Т ф.и. - температура фреона (трубы) на выходе из испарителя.
Т всас. - температура всасывания, считываемая с манометра НД.
Нормальный перегрев 4-7 градусов Цельсия.

При значительном недостатке фреона перегрев может достигать 12–14 о С и, соответственно, температура на входе в компрессор также возрастет. А поскольку охлаждение электрических двигателей герметичных компрессоров осуществляется при помощи всасываемых паров, то в этом случае компрессор будет аномально перегреваться и может выйти из строя. Вследствие повышения температуры паров на линии всасывания температура пара в магистрали нагнетания также будет повышенной. Поскольку в контуре будет ощущаться нехватка хладагента, точно также его будет недостаточно и в зоне переохлаждения.

Таким образом, основные признаки нехватки фреона:
• Низкая холодопроизводительность
• Низкое давление испарения
• Высокий перегрев
• Недостаточное переохлаждение (менее 10 градусов Цельсия)

Необходимо отметить, что в установках с капиллярными трубками в качестве дросселирующего устройства, переохлаждение не может рассматриваться как определяющий показатель для оценки правильности величины заправки хладагентом.

2. Чрезмерная заправка. Симптомы.

В системах с ТРВ в качестве дросселирующего устройства, жидкость не может попасть в испаритель, поэтому излишки хладагента находятся в конденсаторе. Аномально высокий уровень жидкости в конденсаторе снижает поверхность теплообмена, охлаждение газа поступающего в конденсатор, ухудшается, что приводит к повышению температуры насыщенных паров и росту давления конденсации. С другой стороны, жидкость внизу конденсатора остается в контакте с наружным воздухом гораздо дольше, и это приводит к увеличению зоны переохлаждения. Поскольку давление конденсации увеличено, а покидающая конденсатор жидкость отлично охлаждается, переохлаждение, замеренное на выходе из конденсатора, будет высоким. Из-за повышенного давления конденсации происходит снижение массового расхода через компрессор и падение холодопроизводительности. В результате, давление испарения также будет расти. Ввиду того, что чрезмерная заправка приводит к снижению массового расхода паров, охлаждение электрического двигателя компрессора будет ухудшаться. Более того, из-за повышенного давления конденсации, растет ток электрического двигателя компрессора. Ухудшение охлаждения и увеличение потребляемого тока ведет к перегреву электрического двигателя и в конечном итоге – выходу из строя компрессор.

Итог. Основные признаки перезаправки хладагентом:
• Упала хладопроизводительность
• Возросло давление испарения
• Возросло давление конденсации
• Повышенное переохлаждение (более 7 о С)

В системах с капиллярными трубками в качестве дросселирующего устройства излишек хладагента может попасть в компрессор, что приведет к гидроударам и, в конечном итоге, к выходу компрессора из строя.

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

Кондиционера

Заправка кондиционера фреоном может осуществляться несколькими способами, каждый из них имеет свои преимущества, недостатки и точность.

Выбор метода заправки кондиционеров зависит от уровня профессионализма мастера, необходимой точности и используемых инструментов.

Также необходимо помнить о том что не все хладагенты можно дозаправлять, а лишь однокомпонентные (R22) или условно изотропные (R410a).

Многокомпонентные фреоны состоят из смеси газов с различными физическими свойствами, которые при утечке улетучиваются неравномерно и даже при небольшой утечке их состав изменяется, поэтому системы на таких хладагентах необходимо полностью перезаправлять.

Заправка кондиционера фреоном по массе

Каждый кондиционер заправлен на заводе определённым количеством хладагента, масса которого указана в документации на кондиционер (также указана на шильдике), там же указана информация о количестве фреона которое надо добавить дополнительно на каждый метр фреоновой трассы (обычно 5-15 гр.)

При заправке этим методом необходимо полностью освободить холодильный контур от оставшегося фреона (в баллон или стравть в атмосферу,экологии это нисколько не вредит- об этом читайте в статье о влиянии фреона на климат)и отвакуумировать. После залить в систему указанное количество хладагента по весам или с помощью заправочного цилиндра.

Преимущества этого метода в высокой точности и достаточной простоте процесса заправки кондиционера. К недостаткам относятся необходимость эвакуации фреона и вакуумирования контура, а заправочный цилиндр, к тому же имеет ограниченный объём 2 или 4 килограмма и большие габариты, что позволяет использовать его в основном в стационарных условиях.

Заправка кондиционера фреоном по переохлаждению

Температура переохлаждения – это разница между температурой конденсации фреона определённой по таблице или шкале манометра (определяется по давлению считанному с манометра, подсоединённого к магистрали высокого давления непосредственно на шкале или по таблице) и температурой на выходе из конденсатора. Температура переохлаждения обычно должна находится в пределах 10-12 0 C (точное значение указывают производители)

Значение переохлаждения ниже данных значений указывает на недостаток фреона- он не успевает достаточно охладиться. В этом случае его надо дозаправить

Если переохлаждение выше указанного диапазона, значит в системе переизбыток фреона и его необходимо слить до достижения оптимальных значений переохлаждения.

Заправить данным способом можно с помощью специальных приборов, которые сразу определяют величину переохлаждения и давление конденсации, а можно и с помощью отдельных приборов- манометрического коллектора и термометра.

К достоинствам этого метода относится достаточная точность заправки. Но на точность данного метода влияет загрязнённость теплообменника, поэтому до заправки данным методом необходимо очистить (промыть) конденсатор наружного блока.

Заправка кондиционера хладагентом по перегреву

Перегрев- это разница между температурой испарения хладагента определённой по давлению насыщения в холодильном контуре и температурой после испарителя. Практически определяется путём измерения давления на всасывающем вентиле кондиционера и температуры всасывающей трубки на расстоянии 15-20 см от компрессора.

Перегрев обычно находится в пределе 5-7 0 C (точное значение указывает производитель)

Снижение перегрева говорит о переизбытке фреона - его необходимо слить.

Переохлаждение выше нормы говорит о недостатке хладагента- систему нужно заправлять до достижения требуемой величины перегрева.

Данный метод достаточно точен и его можно существенно упростить, если использовать специальные приборы.

Другие методы заправки холодильных систем

Если в системе есть смотровое окошко, то по наличию пузырьков можно судить о нехватке фреона. В этом случае заправляют холодильный контур до исчезновения потока пузырьков, делать это нужно порциями, после каждой ждать стабилизации давления и отсутствия пузырьков.

Также можно заправлять по давлению, добиваясь при этом температур конденсации и испарения указанных производителем. Точность этого метода зависит от чистоты конденсатора и испарителя.

19.10.2015

Степень переохлаждения жидкости, получаемой на выходе конденсатора, является важным показателем, который характеризует стабильную работу холодильного контура. Переохлаждением называют температурную разность между жидкостью и конденсацией при данном давлении.

При нормальном атмосферном давлении, конденсация воды имеет температурный показатель 100 градусов по Цельсию. Согласно законам физики, вода, которая 20 градусов, считается переохлажденной на 80 градусов по Цельсию.

Переохлаждение на выходе из теплообменника изменяется как разность между температурной жидкости и конденсации. Исходя из рисунка 2.5, переохлаждение будет равно 6 К или 38-32.

В конденсаторах с воздушным охлаждением показатель переохлаждения должен быть от 4 до 7 К. В случае если он имеет иную величину, то это говорит о нестабильной работе.

Взаимодействие конденсатора и вентилятора: перепад температур воздуха.

Нагнетаемый воздух вентилятором имеет показатель 25 градусов по Цельсию (рисунок 2.3). Он забирает тепло у фреона, за счет чего его температура меняется до 31 градуса.

На рисунке 2.4 изображено более детальное изменение:

Tae - температурная отметка воздуха, подаваемого в конденсатор;

Tas – воздух с новой температурой конденсатора после охлаждения;

Tk –с манометра показания о температуре конденсации;

Δθ – разность температурных показателей.

Вычисление температурного перепада в конденсаторе с воздушным охлаждением происходит по формуле:

Δθ =(tas — tae), где К имеет пределы 5–10 К. На графике это значение равно 6 К.

Разница перепада температур в точке D, то есть на выходе из конденсатора, в данном случае равняется 7 К, так как находиться в том же пределе. Температурный напор составляет 10-20 К, на рисунке это (tk- tae). Чаще всего значение данного показателя останавливается на отметке в 15 К, но в этом примере – 13 К.