Перегрев пара хладагента перед компрессором

Холодильного агента перед дросселированием

Схема и цикл с перегревом пара и переохлаждением жидкого

Для увеличения холодопроизводительности действительных холодильных машин поддерживается режим, при котором в испарителе выкипает весь жидкий холодильный агент. Для гарантированного исключения попадания жидкости в компрессор всегда пар хладагента перед всасыванием перегревается. В холодильных установках предприятий массового питания для сжатия пара как правило применяются поршневые компрессоры. Попадание даже небольшого количества жидкости в полость цилиндров может вызвать гидравлический удар и аварию всей холодильной машины, так как жидкость практически не сжимаема. Поэтому «сухой ход» – это обязательное условие работы компрессора холодильной машины. Кроме того с целью снижения необратимых потерь при дросселировании в реальных холодильных машинах жидкий хладагент перед дроссельным устройством охлаждается. Это повышает удельную холодопроизводительность цикла и холодильной установки в целом. Перегрев пара перед всасыванием в компрессор осуществляется или во всасывающем трубопроводе, или в самом испарителе, или в специальном аппарате – регенеративном теплообменнике. Охлажение жидкого холодильного агента паред дросселированием может происходить или в специальном переохладителе, или в самом конденсаторе, или также в регенеративном теплообменнике. В малых хладоновых холодильных машиных торговли и общественного питания как правило используется регенеративный теплообменник. Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником показаны на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником.

После испарителя насыщенный пар холодильного агента состояния т.1′ направляется в регенеративный теплообменник, где перегревается в процессе 1′ — 1″ за счет теплообмена с теплым жидким холодильным агентом, идущим из конденсатора. Перегретый пар всасывается компрессором, в котором адиабатически сжимается в процессе 1″ — 2″ от давления кипения Р_о до давления конденсации Р_к. При этом его температура повышается. Сжатый горячий пар подается в конденсатор. где сначала охлаждается до температуры насыщения, а затем конденсируется в общем процессе 2″ — 3′. Образовавшаяся в процессе конденсации жидкость поступает в ренегеративный теплообменник, в котором охлаждается в процессе 3′ — 3″ за счет теплообмена с холодным паром, выходящим из испарителя. Охлажденный жидкий хладагент дросселируется в процессе 3″ — 4″ от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, где жидкость кипит в процессе 4″ — 1′, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в регенеративном теплообменнике, всасывается компрессором и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла:

Массовый расход холодильного агента

где — Q_о – полная тепловая нагрузка испарителя (полная холодопроизводительность холодильной машины).

Объемный расход хладагента

где ν_вс – удельный объем всасываемого пара холодильного агента, м 3 /кг.

Теоретическая потребляемая мощность компрессором

Холодильный коэффициент цикла

Степень перегрева пара перед всасыванием в компрессор и охлаждения жидкости перед дросселированием зависит от вида рабочего вещества и конкретных условий работы холодильной машины. Так например для аммиачных машин при среднетемпературном режиме перегрев принимается Δt_вс = (5 – 10)°С, для хладоновых Δt_вс = (10 – 30)°С. В аммиачных холодильных машинах регенеративный теплообменник не применяется из-за его низкой эффективности. Поэтому в таких машинах имеет место незначительное охлаждение жидкости перед дросселированием Δt_охл = (3 –5)°С. В хладоновых особенно малых машинах регенеративный теплообменник обязателен не только для охлаждения, но и для возврата в компрессор масла высокой концентрации (выпаривания жидкого хладагента из маслохладонового раствора). В этом случае состояние жидкого холодильного агента перед дросселированием определяется из теплового баланса регенеративного теплообменника, который имеет вид:

где q_под – количество подведенной теплоты от теплого жидкого холодильного агента, Дж/кг;

где q_отв – количество отведенной теплоты от холодного пара после испарителя, Дж/кг;

Отсюда находится энтальпия жидкого хладагента после регенеративного теплообменника h_3″:

Источник

Цикл с переохладителем-перегревателем

Какой из этих двух эффектов будет преобладать, зависит от скрытой теплоты парообразования и удельной теплоемкости хладагента. В случае высокой удельной теплоемкости пара увеличение производительности за счет повышенного перегрева перекрывает потери из-за уменьшения расхода циркулирующего хладагента. Сухое тепло и, следовательно, производительность, возрастают с ростом температуры всасывания. В случае высокой скрытой теплоты и низкой удельной теплоемкости увеличение перегрева не может возместить потери производительности из-за уменьшения расхода хладагента. С увеличением температуры всасывания скрытая теплота и производительность уменьшается.

Если температура испарения близка к 0°С, то при увеличении перегрева

в случае аммиака производительность снижается;
в случае R22 производительность не изменяется;
в случае пропана, пропена, бутана, R134а, R410, R407С производительность несколько возрастает;
в случае R404а и R507а производительность существенно возрастает.

Изготовители компрессоров иногда указывают производительность при перегреве 25 К. Эта величина будет только тогда характеризовать более высокую производительность, если весь перегрев происходит в испарителе. Перегрев пара после выхода из испарителя нужно относить к чистым потерям. К тому же, всегда ли можно достичь в испарителе перегрева пара на 25 К? Поэтому вызывает интерес другой способ перегрева. Он представлен на рис. 05.

Вместо перегрева пара в испарителе, пар перегревают в отдельном теплообменнике, охлаждая при этом конденсат. Более холодный конденсат будет меньше испаряться регулирующем вентиле. Термодинамически эти два способа эквивалентны, но есть и некоторые важные различия.

Испаритель теперь может работать с обычным перегревом от 5 до 10 К.
Необходим дополнительный теплообменник. Потери давления в нем могут перекрыть положительный эффект от перегрева-переохлаждения.
Испаритель работает с хладагентом, имеющим более низкую концентрацию пара на входе и более низкий массовый расход, что может снизить коэффициент теплопередачи.

Источник

Что происходит с перегревом?

Отметим, что перегрев должен быть минимально допустимым, не провоцирующий пульсаций давления на входе из испарителя. Как на испарителе охлаждения жидкости, так и на испарителе воздухоотделителя с непосредственным охлаждением воздуха, величина перегрева позволяет дать оценку степени заполнения воздухоотделителя. Проводя диагностику любой холодильной машины, основным показателем является величина перегрева (рис.83.6).

Следует всегда быть внимательными, поскольку недопустимое снижение перегрева свидетельствует о заливе испарителя жидким хладагентом, что может стать причиной возникновения губительных для компрессора гидравлических ударов. Аналогичный риск имеет место и в охладителях жидкости.

Что касается водоохлаждающих машин, то для них перегреву пара на выходе из испарителя свойственно меняться от 4 К до 8 К (рис.83.7). Если речь идет о моноблочных агрегатах, то они имеют заводскую настройку ТРВ, которую изменять не рекомендуется.

В холодильных машинах высокой производительности, компрессор, как правило, оборудуют регулятором производительности. В данных агрегатах может быть установлено несколько параллельных компрессоров. Если в одном холодильном контуре работает три компрессора, то расход хладагента меняется в зависимости от количества работающих компрессоров: 100% — 3 действующих компрессора, 66% — 2 действующих компрессора, 33% — 1 компрессор и 0% — компрессоры отключены.

Поскольку ТРВ один, то ему необходимо подавать хладагент в испаритель независимо от режима работы централи. Номинальную холодопроизводитеьность определяют тогда, когда расход хладагента составляет 100%. Исходя из этого следует, что ТРВ необходимо адаптироваться к изменениям расхода. Ему нужно поддерживать перегрев пара в указанных пределах, когда холодопроизводительность составляет 100%, 66% и 33%. При регулировании холодопроизводительности (меняется число работающих компрессоров) перегрев не остается постоянным.

По мере снижения температуры воды на входе в испаритель, датчик температуры подает команду на включение одного, а после — двух других компрессоров. ТРВ оказывается переразмеренным и испаритель начинает переполняться жидким хладагентом. Иногда ТРВ может стать причиной возникновения пульсаций давления в испарителе, соответственно, и на входе в компрессор.

В нашем случае (сравниваем рис.83.8 и рис.83.9) перегрев снижается с 6 К (производительность 100%) до 9 С – 4 С=5 К (минимальная производительность).

Теперь отрегулируем ТРВ на перегрев 6 К. При увеличении производительности перегрев снова измениться. Поэтому не следует менять заводскую настройку ТРВ самостоятельно, не понимая последствий такого вмешательства.

Если необходимо произвести настройку ТРВ на определенную величину перегрева в централи по производству ледяной воды, то выполнять ее следует при максимальной производительности централи (100%) и температуре воды на входе в испаритель равной 12 С. Не нужно настраивать ТРВ на малый перегрев, поскольку при снижении холодопроизводительности он будет уменьшаться. Необходимо всегда проверять величину перегрева, поскольку при пониженной холодопроизводительности перегрев не должен опускаться ниже 4 К.

Данная проблема не возникнет, если в централи установлен электронный ТРВ, поскольку встроенный процессор постоянно поддерживает перегрев на оптимальном уровне.

Вернемся к рисунку 83.8. Централь работается с максимальной холодопроизводительностью (задействованы все три компрессора), и перепад температур по воде равен 5 К. Известно, что расход воды через испаритель является постоянной величиной, поэтому если компрессор работает, то перепад температур по воде не может быть больше 5 К.

Источник

Принципы работы терморегулирующего вентиля (ТРВ)

На приведенной ниже схеме рис 4.1 рассмотрен испаритель с прямым циклом расширения, где:

Fb – сила открытия ТРВ, действующая на мембрану сверху (точка b);
Fo – сила закрытия ТРВ, действующая на мембрану снизу (точка о);
Fr – сила закрытия ТРВ, действующая на запорную иглу ТРВ (точка r).

При давлении Fo =4,6 бар, усилие регулировочной пружины составляет 1,4 бар. В сумме они создают давление 6 бар. До тех пор пока давление в термобаллоне не превысит 6 бар или температура R22 не станет больше 11 С, ТРВ останется закрытым. Равновесие запорной иглы ТРВ сохраняется когда выполняется следующее условие:

Если температура термобаллона превысит 11 С, то это повлечет и увеличение давления (оно станет больше 6 бар) и ТРВ откроется. Когда температура и давление станут ниже 11 С и 6 бар соответственно, то ТРВ закроется.

Получается, что при соответствующей настройке регулировочной пружины ТРВ (1,4 бар), будет поддерживаться постоянная разница между температурой кипения и температурой термобаллона в 7 К.

Основные причины аномального перегрева

На (рис. 5.1) tB= tE= температуре кипения=4 С. В точке D температура составляет 18 С, а перегрев составляет 14 К.

Объясняется это следующим образом: если холодильный контур имеет нормальную работу, то последние капли жидкости в точке С уже выкипели. Далее пары продолжают нагреваться – участок C-D. Когда участок C-D заполнен парами, обеспечивается нормальный перегрев.

Когда в испарителе хладагент находится в недостаточном количестве, длина участка, заполненного парами, увеличивается (рис.5.1 точка Е), в результате чего перегрев значительно возрастает. Если температура в точке D достигнет 18 С, то перегрев составит 14 К.

Чрезмерно низкий перегрев (меньше 5 К)

Практика показывает, что даже после выполнения настроек ТРВ, системе необходимо 20 минут для того, чтобы войти в новый режим.

В стабильно работающих установках открытие ТРВ действительно приводит к увеличению давления кипения, в связи с этим необходимо знать, что в функции ТРВ не входит его регулировка. Основное назначение ТРВ – это оптимальное заполнение испарителя при различных тепловых нагрузках для обеспечения постоянного перегрева всасываемых паров.

Как перегрев влияет на холодопроизводительность?

Поэтому для максимальной холодопроизводительности необходимо следить, чтобы испаритель был как можно больше заполнен хладагентом. Снижая перегрев необходимо следить, чтобы жидкость не попадала на вход в компрессор. Если в системе слишком большой перегрев, то это означает, что ТРВ пропускает слишком мало жидкости (почти закрыт). Низкая холодопроизводительность испарителя свидетельствует о том, что перепад температур Δθ на входе-выходе является незначительным. Давление кипения на выходе из ТРВ падает, и трубопровод покрывается инеем. При низком перегреве отверстие ТРВ пропускает много жидкости или полностью открыто. Если в испарителе содержится много жидкости, то наблюдается высокая холодопроизводительность и перепад температур Δθ для охлаждаемого воздуха является нормальным. В этом случае в компрессор могут попадать губительные для него частицы жидкости.

Воздействие температуры охлаждаемого воздуха

Если охлаждаемый воздух поступает к испарителю с температурой 25 С, то участка трубопровода А-В достаточно, чтобы обеспечить перегрев паров в 7 К. Давление кипения в этом случае соответствует 5,2 барам, что является эквивалентом температурному напору Δθполн 18 К.

В данном случае установка работает нормально, температура окружающей среды падает, как и температура на входе в испаритель. Допустим, что температура на входе в испаритель снизилась на 20 С. При прежних настройках ТРВ перегрев остается почти постоянным – 7 К. Чтобы перегрев паров остался прежним при более низкой температуре, необходимо увеличить участок трубопровода испарителя, где происходит обмен между воздухом и парами хладагента. При температуре наружного воздуха 20 С длина участка А?-В больше для обеспечения перегрева 7 К, чем участка А-Б при температуре 25 С, для обеспечения аналогичного перегрева паров. Поскольку в данных участках находятся только пары, то можно утверждать, что при температуре воздуха на входе в испаритель 20 С в нем находится меньше жидкого хладагента, нежели при температуре 25 С.

При поступлении в ТРВ более холодного воздуха он начинается закрываться, что приводит к снижению количества жидкости и уменьшении холодопроизводительность. Давление кипения также снижается. Говоря другими словами, при снижении температуры воздуха на входе в испаритель, сечение ТРВ становится меньше, для сохранения необходимого перегрева. При этом давление кипения также уменьшается. Температурный напор Δθполн остается неизменным, если давление конденсации не меняется и правильно отрегулировано.

Производительность ТРВ

Аналогичная ситуация происходит и с терморегулирующим вентилем: при снижении расхода жидкости давление между входом и выходом уменьшается, и увеличивается при его повышении. Также следует помнить о том, что увеличение расхода жидкости хладагента, проходящего через терморегулирующий вентиль, повышает его производительность, а, следовательно, и мощность установки.

Необходимо различать следующие понятия: производительность ТРВ, поглощающая способность испарителя и холодопроизводительность.

Под производительностью терморегулирующего вентиля понимают максимальный расход, способный пропускать данный элемент при полностью открытом отверстии и фиксированном перепаде давления ΔР. Исходя из этого, можно сделать вывод, что производительность напрямую зависит от диаметра сечения сменного клапанного узла внутри ТРВ. Данная зависимость отображена на схеме рис.8.2.

Проходное сечение В обладает большим диаметром чем b, а, следовательно, может пропускать больше жидкости. Таким образом, терморегулирующий вентиль с клапанным узлом, имеющим сечение В, обладает большей производительностью, чем ТРВ с патроном сечением b.

При этом производительность ТРВ и холодопроизводительность испарителя должны быть равны, поскольку через ТРВ может проходить столько жидкости, сколько сможет выкипеть в испарителе.

В приведенной ниже таблице 8.1 указаны данные по выбору ТРВ для установки на R22.

Точка 1: Производительность ТРВ 3,32 кВт при tk=50 С и to=0 С (ΔР=18,4-4=14,4 бар)

Точка 2: Производительность ТРВ 2,88 кВт при tk=35 С и to=0 С (ΔР=12,5-4=8,5 бар)

Точка 2: Производительность ТРВ 2,53 кВт при tk=35 С и to=10 С (ΔР=12,5-5,8=6,7 бар)

Следовательно, для температуры кипения 0 С производительность снижается с 3,32 до 2,88 кВт при уменьшении ΔР с 14,4 до 8,5 бар, что равняется 13%.

При температуре конденсации 35 С производительность терморегулирующего вентиля снижается с 2,88 до 2,53 кВт и ΔР уменьшается с 8,5 до 6,7 бар – 12%.

Поэтому ТРВ и маркируются по производительности. Некоторые изготовители указывают номинальную производительность данной величины для определенных условий работы (+5/+32 С переохлаждение 4 К). Так, номинальная производительность ТРВ компании DANFOSS марки TEX5-3 составляет 3 тонны, а ALCO марки TIE4HW – 4 тонны.

Стоит помнить, что номинальная производительность обозначает только порядок величины, а ее конкретное значение будет показано на практике. Определяется оно рабочим перепадом и паспортом ТРВ, устанавливающим определенное значение производительности для данного проходного сечения.

Пульсации ТРВ

В точке to хорошо налаженный ТРВ обеспечит перегрев 7 К. В целом, установка показывает стабильную работу и необходимый перегрев. На промежутке времени t1 открываем вентиль на один оборот, после чего сразу видим, как он быстро переходит на пульсирующий режим работы. При этом перегрев меняется от 2 до 14 К. Показания манометра НД также свидетельствуют о пульсации давления кипения, которые совпадают по частоте с изменениями кривой 2. На следующем промежутке t2 ТРВ открываем еще на оборот. При этом частота пульсации начинает быстро возрастать, и перегрев находится в промежутке 0-12 К.

Если дотронутся до всасывающего трубопровода, то можно отчетливо ощутить гидроудары, которые передаются в компрессор. При этом корпус компрессора будет холодным. Чем больше открываем регулировочный винт ТРВ, тем больше повышается его производительность. Пульсация свидетельствует о том, что пропускная способность ТРВ выше производительности испарителя.

Негативные нюансы пульсации

При дальнейшем открытии ТРВ, пульсации прекратятся, низкое давление стабилизируется, а температуры 1 и 2 приобретут одинаковое значение. Компрессор станет работать в условиях, когда на его входе имеются неиспарившиеся частицы. Правда, данный режим может привести к негативным последствиям.

Настройка терморегулирующего вентиля

Давайте рассмотрим наиболее простой и верный способ. К используемым манометрам подключаем электронный термометр, датчик которого крепим на термобаллоне ТРВ (рис.8.4). Для того, чтобы обеспечить стабильность настроек необходимо все действия производить при температуре близкой к отключению компрессора. Категорически не рекомендуется их выполнять при высокой температуре ТРВ в охлаждаемом объеме.

Предлагаемая технология настройки основана на том, что вначале необходимо ТРВ вывести на предельный режим, во время которого начнутся пульсации. Для этого ТРВ медленно открывается до появления пульсации (показания манометра НД и термометра остаются неизменными). При возникновении пульсаций перегрева необходимо прикрывать ТРВ до тех пор, пока они не прекратятся.

Не следует вращать регулировочный винт больше, чем на один оборот, поскольку предельный режим пульсации может наступить через ¼, а иногда и через 1/8 оборота. После всех совершенных изменений необходимо выждать порядка 15 минут. В конечном результате это поможет сократить общее время настройки.

Если в период работы установки в пульсирующем режиме слегка закрыть ТРВ (пол-оборота), то это будет значить, что терморегулирующий вентиль настроен на минимально возможный перегрев. В этом случае заполнение испарителя жидким хладагентом станет оптимальным, и пульсации прекратятся.

Стоит учитывать, что давление конденсации должно оставаться практически стабильным, но максимально приближенным к номинальным условиям работы, поскольку от нее зависит производительность ТРВ.

Возможные осложнения при настройке:

не возникают пульсации. Если не удается добиться пульсаций, то это означает, что даже при полностью открытом ТРВ его производительность ниже, чем производительность испарителя. Причины могут быть следующими: слишком узкое проходное сечение ТРВ, недостаточное количество хладагента или на вход в терморегулирующий вентиль поступает недостаточное количество жидкости;
пульсации не прекращаются. Если не удается исключить пульсации, то это означает, что терморегулирующий вентиль даже в закрытом состоянии имеет производительность выше, чем у испарителя. Это может быть вызвано тем, что проходное сечение ТРВ слишком велико или испарителю не хватает производительности.

Когда перегрев становится слишком большим, настройку прекращают (ТРВ перекрыт, давление кипения слишком низкое и полный перепад температур Δθполн слишком велик). Другими словами – испаритель производит меньше паров, чем может поглотить компрессор и его мощность является недостаточной.

Источник