Еще раз про … переохлаждение

По материалам новой книги Семенова Ю.В. «Холодильные установки. Основы проектирования»

Переохлаждение в теоретическом цикле парокомпрессионной холодильной установки с прямым расширением — это разность температур конденсации и жидкого хладагента перед расширительным вентилем (ТРВ), которая должна обеспечиваться конденсатором.

Каждый грамотный холодильщик знает, что достаточное переохлаждение хладагента является непременным условием обеспечения работоспособности холодильной установки.

Хорошее переохлаждение позволяет:

— увеличить холодопроизводительность всей холодильной установки за счет увеличения разности энтальпий в испарителе (рис. 1);

— гарантировать стабильную работу ТРВ и испарителя.

Рис.1. Переохлаждение на диаграмме lgP-h

В реальных холодильных установках основные элементы (компрессор, конденсатор, ТРВ и испаритель) соединены между собой трубопроводами, в которых всегда присутствуют потери давления, оказывающие влияние на параметры холодильного цикла. В частности, без дополнительных мероприятий переохлаждение на входе в ТРВ в реальной установке всегда будет меньше, чем в теоретическом цикле.

Однако об этом часто забывают и полагают, что теоретическое переохлаждение, созданное в конденсаторе, сохраняется неизменным вплоть до входа в ТРВ.

Далее мы будем рассматривать переохлаждение на примере фреоновых холодильных установок с воздухоохладителями и воздушными конденсаторами.

В таких установках после воздушного конденсатора устанавливают «пятый элемент» — ресивер, в котором хранится запас жидкого фреона для компенсации переменного расхода в воздухоохладителях, вызванного работой ТРВ.

Как будет показано ниже, ресивер оказывает существенное влияние на создание первоначального переохлаждения в системе.

1.     Переохлаждение в воздушном конденсаторе и ресивере

Следует заметить, что переохлаждение, обычно принимаемое в расчет для установок с воздушными конденсаторами, достигается именно в системе конденсатор–ресивер, а не в воздушном конденсаторе.

В большинстве случаев воздушный конденсатор не имеет встроенной секции, обеспечивающей дополнительное переохлаждение. Поэтому переохлаждение на выходе из конденсатора обычно составляет около 1 К.

Жидкий фреон, выходящий из воздушного конденсатора и имеющий незначительное переохлаждение, поступает в ресивер через патрубок, расположенный в его верхней части, и заполняет ресивер по направлению снизу вверх.

В верхней части ресивера, не заполненной хладагентом, всегда находится насыщенный пар хладагента при давлении насыщения. Поэтому верхний слой жидкого хладагента в ресивере имеет температуру насыщения, независимо от переохлаждения, достигнутого в конденсаторе.

Однако в нижней части ресивера фреон сохраняет и даже несколько увеличивает достигнутое в конденсаторе переохлаждение за счет температурного расслоения и охлаждения ресивера окружающим воздухом, в том числе и при паузах в работе холодильной установки.

Так как жидкий фреон забирается из нижней части ресивера, он всегда имеет переохлаждение, которое составляет примерно 2 К.

В вертикальном ресивере увеличению переохлаждения способствует вертикальный столб жидкого фреона, давление которого увеличивает переохлаждение в нижней части ресивера (примерно на 0,2 К на метр высоты столба для фреона R404A). Поэтому, вертикальный ресивер будет иметь в этом отношении некоторое преимущество по сравнению с горизонтальным.

Для холодильных установок с небольшой длиной трасс и перепадом высот (компрессорно-ресиверный или компрессорно-конденсаторный агрегат расположен рядом с холодильной камерой) такого переохлаждения на выходе из ресивера достаточно для компенсации потерь давления в жидкостном трубопроводе на участке от ресивера до ТРВ.

Вскипания фреона в трубопроводе не происходит, в ТРВ поступает жидкий фреон, не содержащий паровой фазы, и холодильная установка работает без проблем даже при высоких летних температурах наружного воздуха.

2.     Где теряется переохлаждение

При движении фреона к воздухоохладителям по жидкостному трубопроводу первоначальное переохлаждение уменьшается из-за потерь давления. Потери давления, выраженные в снижении температуры насыщения (в К) — это и есть потери переохлаждения в жидкостном трубопроводе.

Потери давления в жидкостном трубопроводе складываются из:

— потерь давления, вызванных трением при движении фреона на прямых участках трубопровода;

— потерь давления в местных сопротивлениях (фитингах);

— потерь давления в линейных компонентах (фильтр-осушитель, запорные и соленоидные вентили);

— гравитационных потерь давления, вызванных перепадом высот при движении хладагента снизу вверх.

Если трубопровод проходит внутри холодильных камер, его наружная поверхность охлаждается за счет конвективного теплообмена с холодным воздухом, что может незначительно компенсировать указанные потери давления. Но рассчитывать на это особо не стоит.

Оценим величину гравитационных потерь давления, которые рассчитываются по известной из гидравлики формуле:

где ρ — плотность жидкого фреона, кг/м³;

g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с²;

Δz — перепад высот при движении жидкого фреона вверх, м.

Так как плотность большинства фреонов в жидком состоянии с точностью ± 10 % равна 1000 кг/м³, в первом приближении можно считать, что на 1 метр вертикального подъема жидкостного трубопровода теряется около 0,1 бар:

ΔP_Г = 1000 · 9,81 · 1 = 9810 Па = 0,0981 бар ≈ 0,1 бар.

Более точные значения потерь давления для различных фреонов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Потери давления в вертикальных восходящих трубопроводах жидкости (бар)

Примечание: данные приведены для температуры конденсации +45 °С и переохлаждения 2 К.

Если в единицах давления потери давления в вертикальных трубопроводах определяются только плотностью жидкого фреона, то потери переохлаждения будут различаться (таблица 2), так как каждый фреон имеет свою кривую зависимости температуры насыщения от давления.

Таблица 2. Потери переохлаждения в вертикальных восходящих трубопроводах жидкости (К)

Примечание: данные приведены для температуры конденсации +45 °С и переохлаждения 2 К.

Оценим, как потери давления в жидкостном трубопроводе влияют на переохлаждение.

Жидкостной трубопровод обычно проектируется таким образом, чтобы потери давления на трение и местные сопротивления не превышали 0,5 К.

Потери давления в линейных компонентах (фильтр, запорные и соленоидные вентили) могут быть также оценены в 0,5 К. Только на соленоидном вентиле потери составляют не менее 0,2 К для фреона R404A (для полного открытия соленоидного вентиля на нем должен поддерживаться перепад давления не менее 0,05…0,08 бар).

Таким образом, если на выходе из ресивере обеспечивается переохлаждения в 2 К, холодильные установки с короткими фреоновыми трассами и незначительным перепадом высот между воздухоохладителем и ресивером будут нормально работать. Остаточного переохлаждения на входе в ТРВ будет достаточно для его стабильной работы.

Иная картина возникает, если имеется значительный перепад высот между воздухоохладителем и ресивером.

Как мы видим из таблицы 2, уже при подъеме на 5 м для фреона R404A потеря переохлаждения составляет 1 К, что соответствует суммарным потерям на трение, в фитингах и линейных компонентах. И переохлаждения на выходе из ресивера может быть уже недостаточно: фреон может вскипать в жидкостном трубопроводе, и на вход в ТРВ поступать парожидкостная смесь.

А при большей высоте подъема основным фактором, влияющим на потери переохлаждения, будут являться гравитационные потери.

Итак, если воздухоохладители расположены на большом удалении от ресивера и установлены значительно выше него, требуется создать дополнительное переохлаждение жидкого фреона, выходящего из ресивера, чтобы обеспечить надежное питание воздухоохладителей и их работоспособность.

Это дополнительное переохлаждение не обязательно должно быть очень большим. Так как при перепаде высот в 10 м теряется порядка 2…4 К переохлаждения (см. таблицу 2), будет достаточно обеспечить дополнительное переохлаждение в 5…10 К, если перепад высот составляет не более 20 м.

3.     Как обеспечить дополнительное переохлаждение

Объектами, в которых необходимо учитывать потери переохлаждения, являются прежде всего низкотемпературные и среднетемпературные склады, в которых холодильные камеры высотой более 6 м удалены на большие расстояния от машинного отделения, в котором размещается ресивер.

Другой категорией объектов, для которых нужно уделять особое внимание — это пищевые производства, размещенные на нескольких этажах. При размещении машинного отделения на первом этаже, а холодильных камер (производственных помещений) на втором или третьем этажах, перепад высот между воздухоохладителями и ресивером может достигать 8…12 м.

Подача жидкого фреона к кубическим или двухпоточным воздухоохладителям, размещенным под потолком таких камер, требует преодоления гравитационных потерь давления, которые возникают из-за столба жидкого фреона, высота которого соизмерима с суммарной высотой камер и этажей.

Рассмотрим способы дополнительного переохлаждения, которые могут быть реализованы на таких объектах, оснащенных холодильными установками с винтовыми и поршневыми компрессорами.

3.1. Универсальное решение

Универсальным решением для создания дополнительного переохлаждения является применение специального теплообменника-переохладителя. Его следует включать в состав холодильной установки на стадии проектирования.

Если по каким-то причинам этого сделано не было, и при эксплуатации холодильной установки были выявлены проблемы с переохлаждением, такой переохладитель может быть установлен в уже эксплуатируемую систему.

Основными причинами проблем с переохлаждением в работающей холодильной установке могут быть:

— недостатки проекта (не учтены перепады высот между воздухоохладителями и ресивером);

— отклонения от проекта на стадии монтажа (камеры «уехали» от машинного отделения на большие расстояния и высоту или наоборот было перенесено машинное отделение).

Применение специального теплообменника-переохладителя позволяет использовать внутренние ресурсы холодильной установки, не прибегая к внешним источникам энергии.

В качестве такого переохладителя применяют пластинчатый теплообменник-испаритель, который подключается к холодильной установке как дополнительный потребитель холода и охлаждает основной поток жидкого фреона, идущий к воздухоохладителям. Перегретый пар из переохладителя поступает в общую всасывающую магистраль.

Случай из практики

Два года назад к нам обратилась крупная компания, эксплуатирующая среднетемпературный холодильный склад с камерами высотой 16 м. Холодоснабжение осуществлялось от централи на 4-х шестицилиндровых поршневых компрессорах.

Основная проблема — неэффективная работа воздухоохладителей, особенно в холодильной камере, удаленной от машинного отделения на расстояние 40 м. Чтобы обеспечить нормальную работу этой камеры, заказчик намеревался установить в ней дополнительные воздухоохладители.

Предоставленная заказчиком проектная документация показала, что холодопроизводительности компрессоров должно хватать для нормальной работы холодильной установки. Воздухоохладители и воздушный конденсатор были подобраны корректно. Но технические решения по компенсации гравитационных потер давления в проекте предусмотрены не были.

Автором было предложено установить теплообменник-переохладитель и подключить его к существующей централи. Был подобран пластинчатый теплообменник, обеспечивающий в расчетном режиме дополнительное переохлаждение в 10 К, достаточное не только для компенсации гравитационных потерь давления в жидкостных трубопроводах, но и для повышения эффективности работы холодильной установки.

Воздухоохладители в проблемной камере заработали, улучшилась работа воздухоохладителей и в других камерах. Проблемы у заказчика исчезли.

3.2. Установки с винтовыми компрессорами

Отличительной особенностью винтовых компрессоров является постепенное возрастание давления (от давления всасывания до давления нагнетания) вдоль винтовой пары. Это позволяет разместить на боковой поверхности корпуса специальный порт (ЕСО-порт, порт экономайзера), расположенный в зоне промежуточного давления.

К этому порту может быть подключен теплообменник-испаритель (экономайзер), который переохлаждает основной поток жидкого хладагента за счет кипения в нем фреона при промежуточном давлении (рис.2). Перегретый пар из экономайзера поступает в ЕСО-порт компрессора.

Рис.2. Режим работы с экономайзером на диаграмме lgP-h

Применение винтовых компрессоров с экономайзерами является наиболее эффективным решением для высотных холодильных складов, так как даже у среднетемпературных компрессоров экономайзеры обеспечивают переохлаждение в 10…20 К.

Случай из практики

Проект модернизации пищевого производства предусматривает холодоснабжение среднетемпературных холодильных камер высотой 8 м от централи на 3-х поршневых восьмицилиндровых компрессорах. Удаление воздухоохладителей от машинного отделения составляет от 10 до 60 м. Дополнительный переохладитель проектом не предусматривается. Очевидно, что при реализации проекта будут проблемы с холодоснабжением наиболее удаленных воздухоохладителей.

Автором было предложено вместо поршневых компрессоров применить винтовые среднетемпературные полугерметичные компрессоры с индивидуальными экономайзерами.

Расчетное переохлаждение составляет 19 К, что позволяет не только обеспечить надежное холодоснабжение даже наиболее удаленных воздухоохладителей, но и повысить эффективность холодильной установки в целом.

Новый проект находится на стадии согласования с заказчиком.

3.3. Установки с поршневыми компрессорами

Для низкотемпературных складов альтернативой винтовым компрессорам могут быть централи на базе двухступенчатых поршневых компрессоров с переохладителями.

В таких компрессорах полный цикл сжатия разделен на две ступени:

— в цилиндры первой ступени поступает пар из воздухоохладителей;

— в цилиндры второй ступени — смесь перегретого пара после первой ступени и влажного пара из переохладителя.

Испарение жидкости, содержащейся во влажном паре, вызывает охлаждение перегретого пара, поступающего из цилиндров первой ступени (промежуточное охлаждение). Несмотря на низкие температуры кипения, это позволяет температуре нагнетания (после второй ступени сжатия) оставаться в пределах допустимых значений.

Техническое решение аналогично экономайзеру в винтовых компрессорах: теплообменник-испаритель переохлаждает основной поток жидкого хладагента за счет кипения в нем фреона при давлении, соответствующей промежуточной степени сжатия. При этом за счет большого переохлаждения существенно повышается эффективность холодильной установки.

Для одноступенчатых поршневых компрессоров, если исключить неэффективные и экзотические варианты, могут быть использованы два способа получения дополнительного переохлаждения:

— применение специального теплообменника-переохладителя (см. п.3.1);

— установка ресивера выше воздухоохладителей.

Последний способ предполагает отказаться от традиционного размещения ресивера в машинном отделении и поднять его на высоту, превышающую высоту остановки воздухоохладителей.

Жидкий фреон из ресивера, минуя машинное отделение, подается напрямую к воздухоохладителям, на вертикальном участке трубопровода движется сверху вниз, создавая дополнительное переохлаждение, которое обеспечивает компенсацию потерь давления на трение, местные сопротивления и в линейных компонентах.

Так как воздушный конденсатор при этом должен располагаться еще выше ресивера, такой способ применим не всегда. Но если конденсатор установлен на кровле здания, ресивер может быть размещен непосредственно под ним.

Случай из практики

По проекту холодоснабжения производственного здания контейнерное машинное отделение располагалось на грунте, а воздухоохладители размещались на втором этаже здания (высотная отметка 8 м) на удалении от машинного отделения до 30 м. В проекте применена централь на базе 2-х поршневых четырехцилиндровых компрессоров, конденсатор размещался на крыше контейнера, ресивер — в машинном отделении.

Расчет показал, что расчетного переохлаждения будет недостаточно для компенсации потерь давления в жидкостных трубопроводах.

Автором было предложено внести незначительные изменения в проект: перенести воздушный конденсатор на кровлю здания, а горизонтальный ресивер разместить под ним.

Изменения были согласованы с заказчиком, оборудование было смонтировано и успешно работает уже на протяжении пяти лет.

Выводы

Достаточное переохлаждение хладагента в парокомпрессионной установке с прямым расширением является непременным условием обеспечения ее работоспособности.

Основные потери переохлаждения происходят в вертикальных восходящих жидкостных трубопроводах, что необходимо учитывать на стадии проектирования и при изменениях, вносимых в проект при его реализации.

Отсутствие в проекте технических решений по дополнительному переохлаждению фреона может привести к серьезным проблемам при эксплуатации холодильных установок с восходящими жидкостными трубопроводами.

Но даже в этом случае, как показывает опыт автора, эти проблемы могут быть успешно решены.