Вестник УКЦ АПИК: «Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров». Фрагменты курса (Продолжение)

Журнал «МИР КЛИМАТА» продолжает публикацию фрагментов нового учебного курса Учебно-консультационного центра «Университет климата».

Основные элементы холодильной машины

Компрессор

Компрессор всасывает парообразный хладагент, поступающий от испарителя при низкой температуре и низком давлении, производит его сжатие, повышая давление и температуру, и затем направляет к конденсатору. В зависимости от условий работы холодильной машины давление паров хладагента на выходе из компрессора может составлять 15–25 атм, а температура 70–90 ºС.

Важными характеристиками компрессора являются степень сжатия и объем хладагента, который нагнетается компрессором. Степень сжатия определяется как отношение максимального давления на выходе из компрессора к максимальному давлению на входе в компрессор.

По своему конструктивному исполнению компрессоры, используемые в холодильных машинах, могут быть разделены на две основные категории:

  • поршневые;
  • ротационные, спиральные (SCROLL), и винтовые (SCREW).

Принципиальное отличие ротационных, спиральных и винтовых компрессоров от поршневых заключается в том, что всасывание и сжатие хладагента осуществляется не за счет возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах, а за счет вращательного движения рабочих органов компрессоров — соответственно пластин, спиралей и винтов.

Компрессоры поршневые

Рис. 5 а, б
Рис. 5 а, б
1 — выпускной клапан; 2 — линия нагнетания к конденсатору;
3 — поршень; 4 — цилиндр; 5 — шатун; 6 — коленчатый вал;
7 — давление нагнетания; 8 — давление в цилиндре; 9 — давление
всасывания; 10 — головка клапанов; 11 — линия всасывания
от испарителя; 12 — впускной клапан

Схема работы поршневого компрессора показана на
рис. 5 а, б.

Схема работы поршневого компрессора

При движении вверх по цилиндру (4) поршень (3) сжимает газ. Перемещение поршня обеспечивается электродвигателем через коленчатый вал (6) и шатун (5). Всасывающие и выпускные клапаны открываются и закрываются под действием давления газа.

Фаза всасывания хладагента показана на рис. 5 а. Поршень (3) начинает опускаться в цилиндре (4) от верхней «мертвой точки». При движении вниз над поршнем создается разряжение и парообразный хладагент через открытый впускной клапан (10) всасывается в цилиндр.

Фаза сжатия и выпуска разогретого пара высокого давления показана на рис. 5 б. Поршень движется вверх и сжимает пар. Выпускной клапан (1) открывается, и пар под давлением выходит из компрессора. Конструкция цилиндра такова, что поршень никогда не касается головки клапана (10), всегда оставляя некоторое свободное пространство, называемое «мертвым объемом».

Поршневые компрессоры производятся в различных модификациях. В зависимости от типа конструкции компрессора и от типа электродвигателя различают следующие типы:

  • герметичные;
  • полугерметичные;
  • открытые.

В герметичных компрессорах электродвигатель и компрессор находятся в едином герметичном корпусе. Мощность таких компрессоров может составлять от 1,7 до 35 кВт. Они широко используются в холодильных машинах малой и средней мощности.

Рис. 5 в
Рис. 5 в
1 — обмотка электродвигателя;
2 — сердечник электродвигателя;
3 — глушитель; 4 — пружинный
амортизатор; 5 — коленчатый вал;
6 — цилиндр; 7 — шатун

Типовой герметичный компрессор показан на рис.5 в.

Поршневой герметичный компрессор

В полугерметичных компрессорах электродвигатель и компрессор закрыты. Они соединены напрямую и расположены по горизонтали в едином разборном контейнере. Эти компрессоры производятся в диапазоне мощностей от 30 до 300 кВт. В случае повреждения электродвигатель можно вынуть, получая доступ к клапанам, поршню, шатунам и другим поврежденным частям.

В полугерметичных компрессорах регулирование мощности может обеспечиваться также перепуском газа с выхода на вход либо закрытием всасывающего клапана одного из нескольких цилиндров.

Охлаждение электродвигателя герметичных и полугерметичных компрессоров производится всасываемым хладагентом.

Полугерметичные компрессоры применяются в холодильных машинах средней и большой мощности.

В открытых компрессорах электродвигатель расположен снаружи. Вал с сальниками выведен за пределы корпуса. Соединение электродвигателя с компрессором может быть прямым (в линию) либо через трансмиссию.

Регулирование мощности холодильной машины может выполняться как в режиме «пуск — остановка», так и плавной регулировкой скорости вращения компрессора с использованием специальных устройств, называемых инверторами.

Для привода компрессора используются в зависимости от мощности однофазные электродвигатели с конденсаторным пуском или трехфазные.

Основной недостаток поршневого компрессора — пульсации давления паров хладагента на выходе из компрессора, а также большие пусковые нагрузки. Поэтому электродвигатель должен иметь запас мощности для пуска компрессора и иметь акустическую защиту для снижения уровня шума.

Количество запусков компрессора является наиболее критичным для его срока службы. Именно на режиме запуска происходит большое количество отказов, поэтому система управления холодильной машины ограничивает время между повторными пусками компрессора (как правило, не менее 6 минут) и время между основным и повторным пуском (2–4 минуты).

Ротационные компрессоры

Ротационные компрессоры осуществляют всасывание и сжатие газа с помощью вращательного движения пластин.

В ротационных, так же как в спиральных и винтовых компрессорах, существенно снижены пульсации давления и пусковые токи за счет вращательного движения рабочих органов. Кроме того, поскольку такие компрессоры не имеют масляного картера, то значительно снижается возможность выброса масла при запуске компрессора.

Ротационные компрессоры производятся в двух вариантах: со стационарными пластинами (рис. 6) и с вращающимися пластинами (рис. 7).

Рис. 6
Рис. 6
а — заполнение газом имеющегося пространства; б — начало сжатия и начало всасывания; в — продолжение сжатия и всасывания; г — завершение сжатия и окончательное заполнение газом существующего пространства.
1 — пластина; 2 — пружина; 3 — всасывание; 4 — эксцентричный ротор; 5 — газ, сохранившийся при предыдущем витке вращения; 6 — выпуск; 7 — сжатие
Рис. 7
Рис. 7
а — заполнение газом имеющегося пространства; б — начало сжатия и начало всасывания; в — завершение сжатия и всасывания; г — начало всасывания и начало сжатия.
1 — ротор; 2 — цилиндр; 3 — всасывание; 4 — выпуск

Компрессор ротационный с неподвижными пластинами

В компрессоре со стационарными пластинами на роторе двигателя установлен эксцентрик. При вращении ротора эксцентрик обкатывается по внутренней поверхности цилиндра, сжимая перед собой очередную порцию хладагента. Пластины разделяют зоны высокого и низкого давления.

Последовательные циклы всасывания и сжатия показаны на рис. 6 в, г.

В компрессорах с вращающимися пластинами (рис. 7) используется ротор (1), на котором установлены две или несколько пластин.

Ротационный компрессор с двумя подвижными пластинами

Ось ротора смещена относительно оси цилиндра (2). Две пластины (1) образуют две четко разграниченные зоны: высокого и низкого давления. Цикл всасывания и сжатия показан на рис. 7 а — г.

Спиральные компрессоры

Спиральные компрессоры появились сравнительно недавно и нашли широкое применение в холодильных машинах малой и средней мощности.

Компрессор состоит из двух стальных спиралей, расширяющихся от центра к краю цилиндра и вставленных одна в другую (рис. 8). Одна из спиралей закреплена неподвижно, вокруг нее вращается спираль подвижная.

Рис. 8 Спиральный компрессор SCROLLА — Камера нагнетания увеличенных размеров для амортизации пульсации горячих газов.
В — Чугунные спирали для уменьшения термических напряжений и увеличения коэффициента производительности (СОР).
С — Упрощенная система привода подвижной спирали.
D — Труба для юстировки двигателя. Также снижает скорость газов на линии всасывания. Это позволяет улавливать посторонние частицы в нижней части компрессора.
Е — Высокопроизводительный двигатель для снижения потребления электроэнергии.
F — Резервуар повышенной емкости для масла, предназначенный для оптимизации смазки при любых условиях работы.
G — Сепаратор примесей, позволяющий продлить срок службы компрессора.
H — Обратный клапан новой конструкции для уменьшения потерь давления и лучшей герметичности.
I — Клапан для предотвращения любого ущерба в случае инверсии фазы электрического тока.
J — Оптимизированный профиль спиралей для получения более высокого коэффициента производительности (СОР).
K — Подшипники скольжения для снижения уровня шума.
L — Датчик температуры двигателя для более эффективной защиты.
M — Отверстие для слива и замены масла.
N — Указатель уровня масла
Рис. 8. Спиральный компрессор SCROLL
Основные элементы спирального компрессора
Основные элементы спирального
компрессора:
1 — неподвижная спираль;
2 — подвижная спираль;
3 — эксцентрик;
4 — противоповоротное
устройство

Профиль спиралей образован кривой, которая в математике называется эвольвентой. К примеру, зубчатые колеса шестерен имеют такой же профиль, благодаря которому в местах контакта зубья перекатываются друг по другу без проскальзывания.

Подвижная спираль установлена на эксцентрике, и при вращении ее внешняя поверхность как бы катится по внутренней поверхности неподвижной спирали. Благодаря этому точка контакта обеих спиралей постепенно перемещается от периферии к центру, сжимая перед собой пары хладагента и вытесняя их в центральное отверстие в верхней крышке. Так как точек контакта несколько (они расположены на каждом витке подвижной спирали), то происходит плавное сжатие паров, уменьшается нагрузка на электродвигатель, особенно в момент пуска.

Спиральная пара
Спиральная пара:
а: 1 — подвижная спираль;
2 — неподвижная спираль;
б: спиральная пара в сборе

Пары хладагента поступают через входной штуцер в цилиндрической части, охлаждают электродвигатель, сжимаются в спиралях и выходят через подающий штуцер в верхней части компрессора.

Естественно, в технологическом плане такой компрессор более сложен, поскольку необходимо обеспечить герметичность по торцам спиралей и очень точное прилегание профилей спиралей. Поэтому пока такие компрессоры устанавливаются на холодильных машинах малой и средней мощности — от 5 до 40 кВт.

Винтовые компрессоры

Общий вид одновинтового компрессора
Рис. 9. Общий вид одновинтового
компрессора:
1, 2 — вращающиеся роторы с
шестеренками;
3 - центральный винтовой
ротор выходное отверстие;
4 - линия всасывания;
5 — скользящий клапан;
6 — линия нагнетания;
7 — сепаратор масла

Винтовые компрессоры нашли широкое применение в холодильных машинах большой мощности — от 160 до 3 500 кВт.

Компрессоры выполняются в двух различных модификациях:

  • с одним винтом — одновинтовые;
  • с двумя винтами — двухвинтовые.

В моделях с одинарным винтом используется одна или две шестерни-сателлиты, подсоединенные с боков к ротору. Ротор и шестерни располагаются в соответствующем картере.

Обратимся к рис. 9 и рассмотрим работу винтового компрессора.

Сжатие паров хладагента обеспечивается по принципу, используемому в шестеренчатых насосах, с помощью вращающихся в разные стороны роторов (1) и (2). Вращение роторов обеспечивается центральным ротором (3), выполненным в виде винта.

Пары хладагента через отверстие всасывания (4) поступают на охлаждение двигателя и попадают во внешний сектор вращающихся шестеренок роторов (1) и (2), сжимаются и через скользящий клапан (5) поступают к выходному отверстию (6).

Герметичность прилегания винтов обеспечивается использованием смазывающего масла, которое в дальнейшем отделяется от хладагента в специальном сепараторе, входящем в конструкцию компрессора.

В моделях с двойным винтом используются два ротора, один из которых основной, другой — приводной.

Основные элементы одновинтового компрессораОбщий вид двухвинтового компрессораРоторы двухвинтового компрессора
Рис. 10. Основные элементы одновинтового компрессора:
1 — центральный ротор;
2 — шестерни;
3 — скользящий клапан.
Рис. 11. Общий вид двухвинтового компрессора:
1 — электрический двигатель; 2 — фильтр на линии всасывания; 3 — скользящий клапан;
4 — корпус; 5 — подшипник;
6 — основной ротор (винт);
7 — приводной (вспомогательный) ротор;
8 — ось вспомогательного ротора;
9 — фильтр-маслоотделитель
Рис. 12. Роторы двухвинтового компрессора

В винтовых компрессорах отсутствуют впускные и выпускные клапаны. Всасывание хладагента производится непрерывно с одной стороны, а выпуск его — с противоположной. Они имеют меньший уровень шума по сравнению с поршневыми компрессорами.

Винтовые компрессоры обеспечивают плавную работу компрессора и позволяют регулировать мощность изменением числа оборотов электродвигателя.

Конденсатор

Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, который передает тепловую энергию от хладагента к окружающей среде, чаще всего воде или воздуху. Тепловая энергия, передаваемая хладагентом через конденсатор, складывается из теплоты, поглощенной испарителем холодильного контура, и теплоты, вырабатываемой компрессором при сжатии хладагента.

Теплота, выделяемая конденсатором, примерно равна холодопроизводительности холодильной машины, увеличенной на 30–35 %. Так, для холодильной машины мощностью 10 кВт общий объем теплоты, выделяемой конденсатором, составляет около 13–13,5 кВт.

Второй рабочей средой конденсатора помимо хладагента может служить окружающий воздух (конденсаторы с воздушным охлаждением) или жидкость (конденсаторы с водяным охлаждением).

Конденсаторы с воздушным охлаждением

Наибольшее распространение получили конденсаторы с воздушным охлаждением.

Они состоят из теплообменника и блока вентилятора с электродвигателем.

Теплообменник обычно изготавливается из медных трубок диаметром 6 и 19 мм, как правило, с оребрением из тонких пластин, выполненных из алюминия.

Медь легко поддается обработке, не подвержена окислению и имеет высокие показатели теплопроводности. Выбор диаметра трубок зависит от большого количества факторов: легкости обработки, потерь давления в линии хладагента, потерь давления со стороны охлаждающей воздушной среды и т. д. В настоящее время наблюдается тенденция использования трубок малого диаметра.

Оребрение трубок теплообменника чаще всего изготавливается из алюминия. Тип, профиль и конфигурация оребрения могут быть весьма разнообразны и существенно влиять на тепловые и гидравлические характеристики теплообменника.

Так, например, использование сложного профиля оребрения с просечками и выступами позволяет создать большую турбулентность воздуха вблизи поверхности ребра. Тем самым повышается эффективность теплопередачи между хладагентом, проходящим по трубкам, и внешним воздухом. Хотя в этом случае несколько увеличивается аэродинамическое сопротивление, что требует установки вентилятора с большим напором, то есть с более мощным электродвигателем. Однако в этом случае достигается существенное повышение производительности холодильной машины, что с лихвой оправдывает увеличение энергоемкости установки.

Соединение трубки с ребрами может быть выполнено двумя способами:

  • в ребре делается отверстие для непосредственного контакта с трубкой;
  • в месте подсоединения ребра к трубке делается воротничок (буртик), который повышает поверхность теплообмена.

Преимущество первого варианта состоит в простоте и экономичности производства, однако в связи с неплотным контактом передача теплоты внешней среды ограниченна.

Кроме того, при работе в загрязненной либо агрессивной атмосфере по контуру прилегания ребер к трубке может появиться коррозия. Это значительно снижает полезную поверхность теплообмена, приводит к снижению производительности и повышению температуры конденсации.

Конденсаторы с воздушным охлаждением
Рис. 13
1 — медная трубка;
2 — оребрение

Скорость воздушного потока, проходящего через теплообменник, обычно составляет от 1 до 3,5 м/с.

Внутренняя поверхность трубок также может быть рифленой, что позволяет обеспечить большую турбулентность и большую теплоотдачу хладагента. Конденсаторы имеют один или несколько рядов трубок (чаще всего до 4), расположенных в направлении прохождения потока охлаждающего воздуха. Трубки могут располагаться на одном уровне либо ступенями (в шахматном порядке) для повышения эффективности теплообмена (рис. 13).

Схема конденсатора с воздушным охлаждением

Важным аспектом является схема движения рабочих сред в теплообменнике. Горячий хладагент поступает в конденсатор сверху и постепенно опускается вниз. В верхней части теплообменника происходит наиболее интенсивное охлаждение хладагента, для чего используется примерно 5 % полезной площади теплообменника.

На этом начальном участке теплообменника теплопередача весьма значительна благодаря большому перепаду температур между хладагентом и холодным воздухом и высокому коэффициенту теплопередачи, обусловленному высокой скоростью движения хладагента.

На следующем, основном участке охлаждения, составляющем около 85 % всей полезной поверхности теплообменника, процесс конденсации парообразного фреона проходит при почти неизменной температуре.

Оставшиеся 10 % полезной поверхности теплообмена используется для «дополнительного охлаждения» хладагента. Количество отводимой теплоты в этой зоне составляет примерно 5 % общего показателя теплообмена, что связано с небольшим перепадом температур между хладагентом, перешедшим в жидкую фазу, и продувочным воздухом.

Температура конденсации хладагента превышает температуру окружающего воздуха примерно на 10–20 °С, а температура выходящего из теплообменника воздуха на 3–5,5 °С ниже температуры конденсации.

Абсолютные показатели температуры конденсации хладагента обычно составляют 42–55 °С.

В табл. 1 представлена зависимость температуры конденсации парообразного фреона R-22 от температуры окружающего воздуха.

Таблица 1. Зависимость температуры конденсации от температуры окружающего воздуха

Конденсатор с воздушным охлаждением Температура наружного воздуха, °С Температура конденсации, °С
32 46 ÷ 49
35 49 ÷ 51
38 51 ÷ 54

Характеристики конденсаторов зависят как от типа хладагента и температуры окружающей среды, так и от атмосферного давления окружающего воздуха (высоты над уровнем моря). При больших высотах производительность конденсатора снижается в связи с уменьшением плотности воздуха. В табл. 2 приведены коэффициенты, позволяющие точно скорректировать холодопроизводительность холодильных машин в зависимости от высоты над уровнем моря.

Таблица 2. Коэффициент коррекции холодопроизводительности от высоты над уровнем моря

Высота над уровнем моря, м Коэффициент коррекции холодильной мощности (холодопроизводительность)
300 0,991
600 0,981
900 0,972
1 200 0,962
1 500 0,953
1 800 0,943

Конденсаторы с водяным охлаждением

Конденсаторы с водяным охлаждением по своему конструктивному исполнению подразделяются на следующие основные группы:

  • кожухотрубные конденсаторы;
  • конденсаторы типа «труба в трубе»;
  • пластинчатые конденсаторы.

Конденсаторы первой группы чаще всего используются на установках средней и большой мощности, другие же — на установках средней и малой мощности.

Кожухотрубные конденсаторы

Рис. 14
Рис. 14

Кожухотрубные конденсаторы выполняются в виде стального цилиндрического кожуха, с обоих концов которого приварены стальные трубчатые решетки. В них запрессовываются медные трубки. К трубным решеткам крепятся головки с входным и выходным патрубками для подключения к системе водяного охлаждения (рис. 14).

Схема кожухотрубного конденсатора с водяным охлаждением

В верхней части кожуха располагается патрубок подвода горячего парообразного хладагента, поступающего из компрессора. В нижней части установлен патрубок отвода жидкого хладагента.

Горячий парообразный хладагент омывает трубки и заполняет свободное пространство между трубками и кожухом.

Холодная вода подается по трубкам снизу и выходит через верхнюю часть кожуха.

Горячий парообразный хладагент соприкасается с трубками, по которым циркулирует холодная вода, остывает, конденсируется и скапливается на дне конденсатора. Вода, поглощая теплоту от хладагента, выходит из конденсатора с более высокой температурой, чем на входе в конденсатор. Участок «дополнительного охлаждения», если таковой предусмотрен, состоит из пучка трубок, расположенных на дне конденсатора и отделенных от остальных трубок металлической перегородкой. В таком случае поступающая в конденсатор холодная вода в первую очередь проходит через участок «дополнительного охлаждения».

Трубки конденсатора изготавливаются из меди и имеют номинальный диаметр 20 и 25 мм. С внешней стороны они имеют оребрение, позволяющее повысить теплообмен между хладагентом и водой, находящейся внутри трубок.

Обычно в конденсаторах используется вода из системы оборотного водоснабжения.

Температура конденсации хладагента примерно на 5 °С выше температуры воды на выходе из конденсатора. Например, при температуре воды на выходе из конденсатора 35 °С температура конденсации хладагента R-22 составляет примерно 40 °С. В этих условиях перепад температуры воды в конденсаторе не превышает 5 °С.

Для передачи 1 кВт тепла от хладагента к проточной воде требуемый расход воды составляет около 170 л/ч.

Конденсаторы типа «труба в трубе»

Рис. 15
Рис. 15

Эти конденсаторы представляют собой выполненную в виде спирали трубку, внутри которой соосно расположена другая трубка. Хладагент может перемещаться по внутренней трубке, а охлаждающая жидкость — по внешней трубке либо наоборот (рис. 15).

Схема конденсатора типа «труба в трубе»

Вся конструкция может быть выполнена из меди, либо внутренняя трубка может быть медной, а внешняя — стальной.

Как внешняя, так и внутренняя поверхности могут иметь оребрение, увеличивающее эффективность теплопередачи. Два потока жидкостей движутся навстречу друг другу. Вода поступает снизу и выходит сверху, хладагент перемещается в противоположном направлении.

Этот тип конденсатора используется в автономных установках кондиционирования воздуха и установках малой мощности. В связи с тем, что конденсатор этого типа представляет собой неразъемную конструкцию, очистка трубки, по которой циркулирует вода, может проводиться только химическим путем.

Пластинчатые конденсаторы
В этом типе теплообменника циркуляция жидкости происходит между пластинами, расположенными «елочкой». Пластины теплообменника выполнены из нержавеющей стали.

Внутри теплообменника создаются два независимых контура циркуляции — хладагента и охлаждающей воды. Эти два потока движутся навстречу друг другу. Пластинчатые теплообменники имеют очень высокие теплотехнические характеристики, что обусловило их большое распространение в установках средней и малой мощности. Высокая эффективность этих теплообменников сочетается с компактными размерами и малой массой, небольшими перепадами температур между двумя жидкостями. Это повышает эффективность установки за счет меньшего количества требуемого хладагента.

Пластинчатые теплообменники используются не только в качестве конденсатора, но и в качестве испарителя.

В табл. 3 приводятся наиболее часто встречающиеся значения температуры воды, используемой в конденсаторах, и соответствующие значения температуры конденсации хладагента.

Таблица 3. Температуры воды на входе в конденсатор и температуры конденсации

Температура воды на входе, °С Температура конденсации, °С
16 32 ÷ 38
24 38 ÷ 40

Максимально допустимые при испытаниях значения давления в конденсаторах с водяным охлаждением приведены в табл. 4.

Таблица 4. Максимально допустимые значения давления в конденсаторах с водяным охлаждением

Максимальное давление в рабочем режиме со стороны контура хладагента, кПа 2 450
Максимальное давление в рабочем режиме со стороны контура воды, кПа 1 000

Коэффициент загрязнения

Коэффициент загрязнения характеризует термическое сопротивление, вызванное отложением осадка, содержащегося в воде, на внутренних стенках теплообменника. В результате снижается теплопередача.

Проблема загрязнения трубок является большим препятствием при использовании теплообменников в регионах с повышенными показателями жесткости воды.

Согласно стандарту ARI Standart 590 характеристики холодильных машин должны соответствовать коэффициенту загрязнения конденсатора:

8,8×10-5, (m2×˚С)/Bm.

Для других коэффициентов загрязнения необходимо скорректировать характеристики холодильных машин. В табл. 5 указаны коэффициенты коррекции эффективности холодильных машин для разных коэффициентов загрязнения.

Следует отметить, что приведенные в табл. 5 коэффициенты обычно используются для корректировки холодо- и теплопроизводительности установок большой мощности.

Таблица 5. Коэффициенты коррекции показателей холодопроизводительности установки в зависимости от коэффициента загрязнения

Коэффициент загрязнения,
2×°С/Вт)
Поправочный коэффициент холодопроизводительности Поправочный коэффициент потребляемой мощности компрессора
Испаритель Конденсатор
чистые трубки 1,01 1,02 0,98
8,8 × 10–5 1,00 1,00 1,00
17,6 × 10–5 0,98 0,98 1,03
35,2 × 10–5 0,94 0,94 1,05

Для установок малой и средней мощности в качестве исходной точки принимаются чистые пластины конденсатора и испарителя, а значения поправочных коэффициентов соответствуют указанным в табл. 6.

Таблица 6. Коэффициенты коррекции показателей холодопроизводительности установки малой мощности в зависимости от коэффициента загрязнения

Коэффициент загрязнения, (м2×°С/Вт) Поправочный коэффициент холодильной машины Поправочный коэффициент потребляемой мощности компрессора
чистые трубки 1,00 1,00
4,4 × 10–5 0,98 0,99
8,8 × 10–5 0,96 0,99
17,6 × 10–5 0,93 0,98

В технической документации на оборудование обязательно приводится методика пересчета характеристик в зависимости от коэффициента загрязнения.

В табл. 7 указаны коэффициенты загрязнения, соответствующие различным типам используемой воды.

Таблица 7. Типичные коэффициенты загрязнения для различных типов воды

Тип воды Коэффициент загрязнения, (мsup>2×°С/Вт)
Вода из водонапорной башни (необработанная) 17,6 × 10–5
Вода из реки (озера) 17,6 × 10–5
Вода из скважины 17,6 × 10–5
Морская вода (открытое море) 0,044 × 10 10 10–5
Вода из реки (озера) 17,6 –5
Вода из скважины 17,6 ×–5
Морская вода (открытое море) 0,044 ×–5
Вода из скважины 17,6 –5
Морская вода (открытое море) 0,044 ×–5

С целью сокращения загрязнения до минимально возможного уровня рекомендуют устанавливать скорость потока воды, превышающий 1 м/с. Рекомендуется также периодически производить очистку трубок механическим либо химическим путем.

Испаритель

Испарители служат для охлаждения рабочей среды — воздуха или воды. Соответственно эти теплообменники подразделяются на испарители для охлаждения воды или жидкостей, содержащих антифриз, и для охлаждения воздуха.

Пластинчатые испарители для охлаждения воды

Пластинчатые испарители обладают теми же характеристиками, что и аналогичные конденсаторы, описание которых было приведено ранее. Они обладают большей устойчивостью к замораживанию в случае поломки по сравнению с традиционными типами испарителей. Учитывая малый объем жидкости в пластинчатом испарителе, необходимо предусмотреть в системе наличие аккумулирующего бака, позволяющего избежать слишком частых включений и отключений компрессора.

Кожухотрубные испарители для охлаждения воды

Рис. 16
Рис. 16

Эти испарители состоят из кожуха и собранных в пучок прямых трубок. Хладагент циркулирует в трубках испарителя, в то время как вода омывает трубки с внешней стороны. Разделительные пластины, установленные в корпусе, направляют поток воды и несколько раз меняют его направление движения.

На рис. 16 показана внутренняя конструкция кожухотрубного испарителя.

Схема кожухотрубного испарителя

Как видно из рис. 16, пластины крепления трубок имеют соответствующие головки с патрубками входа и выхода хладагента.

Испаритель может иметь один или два независимых контура. Вода, поступающая для охлаждения, входит и выходит через два патрубка, расположенных с двух сторон кожуха.

Конструкция и характеристики испарителя аналогичны конденсаторам с водяным охлаждением.

Вода в испарителе циркулирует перпендикулярно трубкам и с довольно большой скоростью (от 0,6 до 3,0 м/с) благодаря разделительным перегородкам. Такое техническое решение существенно повышает эффективность теплообмена.

Кожухотрубные испарители предназначены для работы с различными хладагентами и выполняются в очень широкой гамме мощностей — от 7 до 200 кВт и более.

Испарители для охлаждения воздуха

Воздушные испарители представляют собой теплообменники с одним или несколькими рядами медных трубок с алюминиевым оребрением аналогично воздушным конденсаторам.

Хладагент циркулирует внутри трубок, охлаждаемый воздух — между пластинами (ребрами). Характеристики трубок и пластин аналогичны воздушным конденсаторам. Количество рядов трубок чаще всего бывает от 4 до 6.

Наиболее распространенные диаметры трубок: 5/16“, 3/8“ и 1/2“; расстояние между ребрами колеблется от 1,4 до 1,8 мм. Трубки могут располагаться по ходу воздуха в ряд или в шахматном порядке.

Начиная с определенной мощности, воздушные испарители изготавливаются с двумя или более контурами охлаждения, имеющими независимый подвод хладагента с помощью распределителя.

Это делается для того, чтобы более равномерно распределить хладагент в трубках теплообменника. Распределение хладагента на два и более независимых контура позволяет более гибко реагировать на изменение режима работы. Соединение распределителя с каждым из независимых контуров осуществляется через трубки малого диаметра.

Каждый контур наполняется одинаковым количеством хладагента. Поток воздуха также распределяется по фронтальной площади теплообменника равномерно, что предотвращает сбои в работе и исключает обмерзание отдельных участков теплообменника.

Опыт показывает, что наилучшие показатели качества работы испарителя достигаются, когда его объем позволяет развивать мощность от 2,8 до 7 кВт на каждый контур при использовании хладагента R22.

Скорость воздушного потока на входе в испаритель обычно составляет 2–3 м/с, при более высоких скоростях возможен унос капель конденсата через фронтальную площадь теплообменника.

Размеры теплообменников современных холодильных машин определяются исходя из расчета расхода охлаждаемого воздуха. Ориентировочный расход воздуха составляет около 195 м3/ч на 1 кВт холода.

Общая холодопроизводительность испарителя зависит от температуры испарения хладагента, принимаемой при проектировании, и температуры поступающего в испаритель воздуха, определяемой условиями его эксплуатации.

Потери давления воздуха, проходящего через испаритель, зависят от многих факторов: диаметра трубок, площади и конфигурации ребер, количества рядов трубок, скорости воздушного потока на входе в испаритель и количества образующегося на оребрении трубок конденсата.

Вентилятор

Вентиляторы создают необходимый напор воздуха, проходящего через конденсаторы и испарители.

Обдув воздухом конденсаторов с воздушным охлаждением, устанавливаемых на открытом месте (на улице), выполняется, как правило, вентиляторами осевого типа (аксиальными вентиляторами), обеспечивающими необходимый расход воздуха. При этом потери давления воздуха, проходящего через конденсатор, сравнительно небольшие, поэтому и выбирают аксиальные вентиляторы, которые и создают небольшой напор.

На 1 кВт поглощенного конденсатором тепла расходуется примерно 300–370 м3/ч наружного воздуха с температурным перепадом 8–10 °С.

Вентилятор обычно работает на всасывании, так как при этом воздух перед теплообменником не нагревается от вентилятора и электродвигателя. Кроме того, такое размещение позволяет создать более равномерный поток воздушной струи.

Скорость вращения вентилятора составляет 750–1450 об/мин.

В тех случаях, когда конденсатор устанавливается в помещении и воздух, проходящий через конденсатор, приходится выбрасывать через сеть воздуховодов на улицу, используются центробежные вентиляторы, обеспечивающие более высокий напор по сравнению с осевыми вентиляторами.

В эти использованием клиноременной передачи.

Регулятор потока

Регулятор потока служит для дозирования (от конденсатора) в область низкого давления (к испарителю).

Самым простым регулятором потока является свернутая в спираль тонкая длинная трубка, называемая капиллярной трубкой, диаметром 0,6–2,25 мм.

Капиллярные трубки наиболее широко применяются в кондиционерах сплит-систем малой мощности. Это обусловлено их низкой стоимостью, простотой конструкции и надежностью эксплуатации.

Капиллярная трубка надежно функционирует как в условиях постоянной нагрузки (постоянных давлений нагнетания и всасывания), так и на переходных режимах.

Однако в эксплуатации бывают случаи изменения нагрузки испарителя или колебания давления нагнетания компрессора, которые могут привести к недостаточному или избыточному питанию испарителя хладагентом. Это связано с тем, что расход хладагента через трубку зависит только от перепада давлений на трубке.

Например:

1) при понижении давления конденсации из-за снижения окружающей температуры заполнение испарителя будет недостаточно, вследствие чего снизится холодопроизводительность;

2) при снижении тепловой нагрузки на испаритель весь жидкий хладагент не будет выкипать в испарителе, может попасть в компрессор, повредить его клапаны и подшипники. Это явление называется гидравлическим ударом.

В более мощных установках применяется терморегулирующий вентиль (ТРВ), регулирующий подачу хладагента в испаритель таким образом, чтобы поддерживать заданное давление испарения и перегрев в испарителе при изменении условий работы холодильной машины.

Рис. 17
Рис. 17
1 — ТРВ; 2 — пружина; 3 — регулировочный винт;
4 — мембрана; 5 — испаритель; 6 — термобаллон

На рис. 17 показана схема ТРВ с внутренним уравниванием для холодильных машин малой и средней мощности.

Схема терморегулирующего вентиля (ТРВ) с внутренним уравниванием

Расход хладагента через ТРВ определяется проходным сечением регулирующего клапана.

На регулирующую мембрану (4) воздействуют пружина (2) и давление за клапаном (давление испарения), направленные на закрытие клапана. Над мембраной (4) термобаллон (6) создает давление, направленное на открытие клапана.

Термобаллон крепится к фреонопроводу на выходе испарителя, поэтому давление в баллоне и, следовательно, над мембраной определяется температурой на выходе испарителя (или перегревом в испарителе).

При увеличении температуры наружного воздуха хладагент начинает кипеть более интенсивно. Перегрев хладагента увеличивается, и, соответственно, растет температура термобаллона. Возросшее давление в баллоне воздействует на мембрану ТРВ и открывает клапан, увеличивая подачу хладагента в испаритель и восстанавливая состояние равновесия.

При уменьшении температуры наружного воздуха процесс происходит в обратную сторону. ТРВ прикрывается и уменьшает подачу хладагента в испаритель.

Регулировкой настройки пружины (2) можно изменять настройку ТРВ, задавая давление испарения и величину перегрева.

Однако при изменении гидравлического сопротивления испарителя вследствие варьирования условий работы холодильной машины ТРВ с внутренним уравниванием не позволяет точно поддерживать постоянное давление испарения на выходе.

Рис. 18
Рис. 18
1 — ТРВ; 2 — пружина; 3 — регулировочный винт;
4 — мембрана; 5 — испаритель; 6 — термобаллон;
7 — управляющая линия

На рис. 18 показана схема ТРВ с внешним уравниванием.

Схема терморегулирующего вентиля (ТРВ) с внешним уравниванием

В холодильных машинах средней и большой мощности при регулировании мощности применяют ТРВ с внешним уравниванием, в котором давление замеряется не за клапаном, а на выходе из испарителя с помощью дополнительной управляющей трубки (7). Благодаря такому подключению ТРВ обеспечивает стабильное поддержание давление испарения и перегрева при переменном гидравлическом сопротивлении испарителя.

В следующем номере журнала мы продолжим публиковать фрагменты нового учебного курса для проектировщиков, запись на обучение по которому скоро начнется в Учебно-консультационном центре «УНИВЕРСИТЕТ КЛИМАТА».

При составлении учебно-методического пособия по курсу «Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров» была использована следующая учебная, справочная и техническая литература:

  1. Ананьев В. А., Балуева Л. Н., Гальперин А. Д. и др. «Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика». Учебное пособие. — М.: Евроклимат, 2001.
  2. Курылев Е. С., Оносовский В. В., Румянцев Ю. Д. Холодильные установки. — СПб.: Политехника, 1999.
  3. Мааке В., Эккерт Г. Ю., Кошпен Ж. Л. Учебник по холодильной технике. — М.: Изд-во МГУ, 2002.
  4. Поляков В. В., Скворцов Л. С. Насосы и вентиляторы. Учебник для вузов.— М.: Стройиздат, 1990.
  5. Нимич Г. В., Михайлов В. А., Бондарь Е. С. «Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха». Учебное пособие. — К.: ТОВ «Видавничий будинок “Аванпост”, Прим, 2003.
  6. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. В 2-х частях / под ред. И. Г. Староверова. Изд. 3-е, переработанное и дополненное. — М.: Стройиздат, 1976.
  7. “Холодильные машины”. Учебник для студентов втузов. / Под общей редакцией Л. С. Тимофеевского. — СПб.: Политехника, 1997.


наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест