Анализ случаев аномального переохлаждения. Повышение эффективности работы холодильной установки за счет переохлаждения хладагента Перегрев и переохлаждение хладагента

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.

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.

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:

1. Перегретые пары хладагента попадают из компрессора в конденсатор
2. Под действием воздушного потока температура фреона снижается до температуры конденсации
3. 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.
4. Под действием охлаждающего потока воздуха температура хладагента снижается с температуры конденсации до температуры охлажденного жидкого фреона

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 :

1. Подключаем манометрический коллектор и баллон с фреоном к системе.
2. Устанавливаем термометр/датчик температуры на линию высокого давления.
3. Запускаем систему.
4. По манометру на линии высокого давления (жидкостной линии) измеряем давление, вычисляем температуру конденсации для данного фреона.
5. По термометру контролируем температуру переохлажденного фреона на выходе из конденсатора (она должна быть в диапазоне значений суммы температуры конденсации и температуры переохлаждения).
6. Если температура фреона превышает допустимую (температура переохлаждения ниже требуемого диапазона) — фреона недостаточно, потихоньку добавляем его в систему до достижения нужной температуры
7. Если температура фреона ниже допустимой (температура переохлаждения выше диапазона) — фреон в избытке, часть надо потихоньку стравливать до достижения нужной температуры.

1. Сбрасываем прибор в ноль, переводим в режим переохлаждения, выставляем тип фреона.
2. Подключаем манометрический коллектор и баллон с фреоном к системе, причем шланг высокого давления (жидкостный) подключаем через Т-образный тройник, поставляемый вместе с прибором.
3. Устанавливаем датчик температуры SH-36N на линию высокого давления.
4. 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»

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

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.