-> 13.03.2012 - Переохлаждение в холодильных установках
Переохлаждение жидкого хладагента после конденсатора – существенный способ увеличения холодопроизводительности холодильной установки. Понижение температуры переохлаждаемого хладагента на один градус соответствует повышению производительности нормально функционирующей холодильной установки примерно на 1% при том же уровне энергопотребления. Эффект достигается за счёт уменьшения при переохлаждении доли пара в парожидкостной смеси, которой является сконденсированный хладагент, поступающий к ТРВ испарителя даже из ресивера.
В низкотемпературных холодильных установках применение переохлаждения особенно эффективно. В них переохлаждение сконденсированного хладагента до значительных отрицательных температур позволяет увеличивать холодопроизводительность установки более чем в 1,5 раза.
В зависимости от размеров и конструкции холодильных установок реализовать этот фактор можно в дополнительном теплообменнике, устанавливаемом на жидкостной линии между ресивером и ТРВ испарителя, различными способами.
Переохлаждение хладагента за счёт внешних источников холода
- в водяном теплообменнике за счёт использования доступных источников очень холодной воды
- в воздушных теплообменниках в холодное время года
- в дополнительном теплообменнике холодными парами от внешней/вспомогательной холодильной установки
Переохлаждение за счёт внутренних ресурсов холодильной установки
- в теплообменнике - переохладителе за счёт расширения части фреона, циркулирующего в основном холодильном контуре - реализуется в установках с двухступенчатым сжатием и в сателлитных системах, а также в установках с винтовыми, поршневыми и спиральными компрессорами, имеющими промежуточные порты всасывания
- в регенеративных теплообменниках холодными парами, всасываемыми в компрессор из основного испарителя - реализуется в установках, работающих на хладагентах с низким значением показателя адиабаты, главным образом HFC (ГФУ) и HFO (ГФО)
истемы переохлаждения, использующие внешние источники холода всё ещё довольно редко применяются на практике. Переохлаждение от источников холодной воды применяется, как правило, в тепловых насосах – водонагревательных установках, а также в средне- и высокотемпературных установках, где в непосредственной близости от них есть источник прохладной воды - используемые артезианские скважины, естественные водоёмы для судовых установок и т.д. Переохлаждение от внешних дополнительных холодильных машин реализуется крайне редко и только в очень больших установках промышленного холода.
Переохлаждение в воздушных теплообменниках применяется тоже весьма нечасто, так как эта опция холодильных установок пока малопонятна и непривычна для российских холодильщиков. Кроме того, проектировщиков смущают сезонные колебания значений повышения холодопроизводительности установок от применения в них воздушных переохладителей.
Системы переохлаждения, использующие внутренние ресурсы широко применяются в современных холодильных установках, причём с компрессорами практически всех типов. В установках с винтовыми и двухступенчатыми поршневыми компрессорами применение переохлаждения уверенно доминирует, так как возможность обеспечивать всасывание паров с промежуточным давлением реализована непосредственно в конструкции этих типов компрессоров.
Главной задачей, стоящей в настоящее время перед производителями холодильных и климатических установок различного назначения, является повышение производительности и эффективности входящих в них компрессоров и теплообменного оборудования. Эта идея не потеряла своей актуальности за всё время развития холодильного оборудования с момента зарождения этой отрасли промышленности до наших дней. Сегодня, когда стоимость энергоресурсов, а также размер парка эксплуатируемого и вводимого в эксплуатацию холодильного оборудования достигли таких впечатляющих высот, повышение эффективности систем производящих и потребляющих холод стало актуальной мировой проблемой. С учётом того, что проблема эта носит комплексный характер, действующие законодательства большинства европейских государств стимулируют разработчиков холодильных систем на повышение их эффективности и производительности.
Тепловой баланс поверхностного конденсатора имеет следующее выражение:
G к (h к -h к 1 )=W (t 2в -t 1в )с в , (17.1)
где h к - энтальпия пара, поступающего в конденсатор, кДж/кг; h к 1 =с в t к - энтальпия конденсата; с в =4,19 кДж/(кг× 0 С) – теплоемкость воды; W – расход охлаждающей воды, кг/с; t 1в, t 2в - температура охлаждающей воды на входе и выходе из конденсатора. Расход конденсируемого пара G к, кг/с и энтальпия h к известны из расчета паровой турбины. Температура конденсата на выходе из конденсатора принимается равной температуре насыщения пара t п , соответствующей его давлению р к с учетом переохлаждения конденсата Dt к : t к = t п - Dt к .
Переохлаждение конденсата (разность между температурой насыщения пара при давлении в горловине конденсатора и температурой конденсата во всасывающем патрубке конденсатного насоса) является следствием понижения парциального давления и температуры насыщенного пара из-за наличия воздуха и парового сопротивления конденсатора (рис.17.3).
Рис.17.3. Изменение параметров паровоздушной смеси в конденсаторе: а – изменение парциального давления пара p п и давления в конденсаторе p к; б – изменение температуры пара t п и относительного содержания воздуха ε
Применяя закон Дальтона к движущейся в конденсаторе паровоздушной среде, имеем: р к =р п +р в , где р п и р в – парциальные давления пара и воздуха в смеси. Зависимость парциального давления пара от давления в конденсаторе и относительного содержания воздуха e =G в /G к имеет вид:
(17.2)
При входе в конденсатор относительное содержание воздуха мало и р п »р к . По мере конденсации пара значение e растет и парциальное давление пара падает. В нижней части парциальное давление воздуха наиболее значимо, т.к. оно повышается из-за роста плотности воздуха и значения e . Это приводит к снижению температуры пара и конденсата. Кроме того, имеет место паровое сопротивление конденсатора, определяемое разностью
Dр к = р к - р к´ . (17.3)
Обычно Dр к =270-410 Па (определяется эмпирически).
В конденсатор, как правило, поступает влажный пар, температура конденсации которого однозначно определяется парциальным давлением пара: меньшему парциальному давлению пара соответствует меньшая температура насыщения. На рис.17.3, б показаны графики изменения температуры пара t п и относительного содержания воздуха ε в конденсаторе. Таким образом, по мере движения паровоздушной смеси к месту отсоса и конденсации пара температура пара в конденсаторе уменьшается, так как снижается парциальное давление насыщенного пара. Это происходит из-за присутствия воздуха и возрастания его относительного содержания в паровоздушной смеси, а также наличия парового сопротивления конденсатора и снижения общего давления паровоздушной смеси.
В таких условиях формируется переохлаждение конденсата Dt к =t п -t к, которое приводит к потере теплоты с охлаждающей водой и необходимости в дополнительном подогреве конденсата в регенеративной системе турбоустановки. Кроме того – сопровождается возрастанием количества растворенного в конденсате кислорода, вызывающего коррозию трубной системы регенеративного подогрева питательной воды котла.
Переохлаждение может достигать 2-3 0 С. Средством борьбы с ним является установка воздухоохладителей в трубном пучке конденсатора, из которых отсасывается паровоздушная смесь в эжекторные установки. В современных ПТУ переохлаждение допускается не более 1 0 С. Правила технической эксплуатации строго предписывают допустимые присосы воздуха в турбоустановку, которые должны быть меньше 1%. Например, для турбин мощностью N Э =300 МВт присосы воздуха должны быть не более 30 кг/час, а N Э =800 МВт – не более 60 кг/час. Современные конденсаторы, обладающие минимальным паровым сопротивлением и рациональной компоновкой трубного пучка, в номинальном режиме эксплуатации турбоустановки практически не имеют переохлаждения.
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
Carrier
Инструкция по монтажу, наладке и обслуживанию
РАСЧЕТ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ И ПЕРЕГРЕВА
Переохлаждение
1. Определение
конденсации насыщенного пара хладагента (Тк)
и температурой в жидкостной линии (Тж):
ПО = Тк Тж.
Коллектор
температуры)
3. Этапы измерения
электронного на жидкостную линию рядом с фильтром
осушителем. Убедитесь, что поверхность трубы чистая,
и термометр плотно касается ее. Покройте колбу или
датчик пеной, чтобы теплоизолировать термометр
от окружающего воздуха.
низкого давления).
давление в линии нагнетания.
Измерения должны производиться, когда агрегат
работает в оптимальных проектных условиях и развивает
максимальную производительность.
4. По таблице пересчета давления в температуру для R 22
найдите температуру конденсации насыщенного пара
хладагента (Тк).
5. Запишите температуру, измеренную термометром
на жидкостной линии (Тж) и вычтите ее из температуры
конденсации. Полученная разница и будет значением
переохлаждения.
6. При правильной заправке системы хладагентом
переохлаждение составляет от 8 до 11°С.
Если переохлаждение оказалось меньше 8°С, нужно
добавить хладагента, а если больше 11°С удалить
излишки фреона.
Давление в линии нагнетания (по датчику):
Температура конденсации (из таблицы):
Температура в жидкостной линии (по термометру): 45°С
Переохлаждение (по расчету)
Добавьте хладагент согласно результатам расчета.
Перегрев
1. Определение
Переохлаждение это разность между температурой
всасывания (Тв) и температурой насыщенного испарения
(Ти):
ПГ = Тв Ти.
2. Оборудование для измерения
Коллектор
Обычный или электронный термометр (с датчиком
температуры)
Фильтр или теплоизолирующая пена
Таблица пересчета давления в температуру для R 22.
3. Этапы измерения
1. Поместите колбу жидкостного термометра или датчик
электронного на линию всасывания рядом с
компрессором (10 20 см). Убедитесь, что поверхность
трубы чистая, и термометр плотно касается ее верхней
части, иначе показания термометра будут неверны.
Покройте колбу или датчик пеной, чтобы теплоизо
лировать термометр от окружающего воздуха.
2. Вставьте коллектор в линию нагнетания (датчик
высокого давления) и линию всасывания (датчик
низкого давления).
3. После того, как условия стабилизируются, запишите
давление в линии нагнетания. По таблице пересчета
давления в температуру для R 22 найдите температуру
насыщенного испарения хладагента (Ти).
4. Запишите температуру, измеренную термометром
на линии всасывания (Тв) в 10 20 см от компрессора.
Проведите несколько измерений и рассчитайте
среднюю температуру линии всасывания.
5. Вычтите температуру испарения из температуры
всасывания. Полученная разница и будет значением
перегрева хладагента.
6. При правильной настройке расширительного вентиля
перегрев составляет от 4 до 6°С. При меньшем
перегреве в испаритель попадает слишком много
хладагента, и нужно прикрыть вентиль (повернуть винт
по часовой стрелке). При большем перегреве в
испаритель попадает слишком мало хладагента, и
нужно приоткрыть вентиль (повернуть винт против
часовой стрелки).
4. Пример расчета переохлаждения
Давление в линии всасывания (по датчику):
Температура испарения (из таблицы):
Температура в линии всасывания (по термометру): 15°С
Перегрев (по расчету)
Приоткройте расширительный вентиль согласно
результатам расчета (слишком большой перегрев).
ВНИМАНИЕ
ЗАМЕЧАНИЕ
После регулировки расширительного вентиля не забудьте
вернуть на место его крышку. Изменяйте перегрев только
после регулировки переохлаждения.
В этой статье мы расскажем о самом точном способе заправки кондиционеров.
Заправлять можно любые фреоны. Дозаправлять - только однокомпонентные фреоны (напр.: R-22) или изотропные (условно изотропные, напр.: R-410) смеси
При проведении диагностики систем охлаждения и кондиционирования, процессы, происходящие внутри конденсатора, скрыты от сервисного инженера, а часто именно по ним можно понять, почему упала эффективность системы в целом.
Кратко рассмотрим их:
- Перегретые пары хладагента попадают из компрессора в конденсатор
- Под действием воздушного потока температура фреона снижается до температуры конденсации
- До тех пор, пока последняя молекула фреона не перейдет в жидкую фазу, на протяжении всего участка магистрали, на котором происходит процесс конденсации, температура остается одинаковой.
- Под действием охлаждающего потока воздуха температура хладагента снижается с температуры конденсации до температуры охлажденного жидкого фреона
Зная давление, по специальным таблицам производителя фреона можно определить температуру конденсации в текущих условиях. Разность между температурой конденсации и температурой охлажденного фреона на выходе из конденсатора — температура переохлаждения — величина обычно известная (уточняется у производителя системы) и диапазон этих величин для данной системы фиксирован (например: 10-12 °C).
Если значение переохлаждения ниже указанного производителем диапазона — значит фреон не успевает охладиться в конденсаторе — его недостаточно и требуется дозаправка. Недостаток фреона снижает эффективность работы системы и увеличивает нагрузку на нее.
Если значение переохлаждения выше диапазона — фреона слишком много, требуется слить часть до достижения оптимального значения. Переизбыток фреона увеличивает нагрузку на систему и снижает срок ее службы.
Дозаправка по переохлажению без использования :
- Подключаем манометрический коллектор и баллон с фреоном к системе.
- Устанавливаем термометр/датчик температуры на линию высокого давления.
- Запускаем систему.
- По манометру на линии высокого давления (жидкостной линии) измеряем давление, вычисляем температуру конденсации для данного фреона.
- По термометру контролируем температуру переохлажденного фреона на выходе из конденсатора (она должна быть в диапазоне значений суммы температуры конденсации и температуры переохлаждения).
- Если температура фреона превышает допустимую (температура переохлаждения ниже требуемого диапазона) — фреона недостаточно, потихоньку добавляем его в систему до достижения нужной температуры
- Если температура фреона ниже допустимой (температура переохлаждения выше диапазона) — фреон в избытке, часть надо потихоньку стравливать до достижения нужной температуры.
- Сбрасываем прибор в ноль, переводим в режим переохлаждения, выставляем тип фреона.
- Подключаем манометрический коллектор и баллон с фреоном к системе, причем шланг высокого давления (жидкостный) подключаем через Т-образный тройник, поставляемый вместе с прибором.
- Устанавливаем датчик температуры SH-36N на линию высокого давления.
- Включаем систему, на экране отобразится значение переохлаждения, сравниваем его с требуемым дипазоном и в зависимости от того, выше или ниже отображаемое значение, потихоньку стравливаем или добавляем фреон.
Алексей Матвеев,
технический специалист компании «Расходка»
