Сколько должно быть переохлаждение конденсатора. Анализ случаев аномального переохлаждения

-> 13.03.2012 - Переохлаждение в холодильных установках

Переохлаждение жидкого хладагента после конденсатора – существенный способ увеличения холодопроизводительности холодильной установки. Понижение температуры переохлаждаемого хладагента на один градус соответствует повышению производительности нормально функционирующей холодильной установки примерно на 1% при том же уровне энергопотребления. Эффект достигается за счёт уменьшения при переохлаждении доли пара в парожидкостной смеси, которой является сконденсированный хладагент, поступающий к ТРВ испарителя даже из ресивера.

В низкотемпературных холодильных установках применение переохлаждения особенно эффективно. В них переохлаждение сконденсированного хладагента до значительных отрицательных температур позволяет увеличивать холодопроизводительность установки более чем в 1,5 раза.

В зависимости от размеров и конструкции холодильных установок реализовать этот фактор можно в дополнительном теплообменнике, устанавливаемом на жидкостной линии между ресивером и ТРВ испарителя, различными способами.

Переохлаждение хладагента за счёт внешних источников холода

• в водяном теплообменнике за счёт использования доступных источников очень холодной воды
• в воздушных теплообменниках в холодное время года
• в дополнительном теплообменнике холодными парами от внешней/вспомогательной холодильной установки

Переохлаждение за счёт внутренних ресурсов холодильной установки

• в теплообменнике - переохладителе за счёт расширения части фреона, циркулирующего в основном холодильном контуре - реализуется в установках с двухступенчатым сжатием и в сателлитных системах, а также в установках с винтовыми, поршневыми и спиральными компрессорами, имеющими промежуточные порты всасывания
• в регенеративных теплообменниках холодными парами, всасываемыми в компрессор из основного испарителя - реализуется в установках, работающих на хладагентах с низким значением показателя адиабаты, главным образом HFC (ГФУ) и HFO (ГФО)

истемы переохлаждения, использующие внешние источники холода всё ещё довольно редко применяются на практике. Переохлаждение от источников холодной воды применяется, как правило, в тепловых насосах – водонагревательных установках, а также в средне- и высокотемпературных установках, где в непосредственной близости от них есть источник прохладной воды - используемые артезианские скважины, естественные водоёмы для судовых установок и т.д. Переохлаждение от внешних дополнительных холодильных машин реализуется крайне редко и только в очень больших установках промышленного холода.

Переохлаждение в воздушных теплообменниках применяется тоже весьма нечасто, так как эта опция холодильных установок пока малопонятна и непривычна для российских холодильщиков. Кроме того, проектировщиков смущают сезонные колебания значений повышения холодопроизводительности установок от применения в них воздушных переохладителей.

Системы переохлаждения, использующие внутренние ресурсы широко применяются в современных холодильных установках, причём с компрессорами практически всех типов. В установках с винтовыми и двухступенчатыми поршневыми компрессорами применение переохлаждения уверенно доминирует, так как возможность обеспечивать всасывание паров с промежуточным давлением реализована непосредственно в конструкции этих типов компрессоров.

Главной задачей, стоящей в настоящее время перед производителями холодильных и климатических установок различного назначения, является повышение производительности и эффективности входящих в них компрессоров и теплообменного оборудования. Эта идея не потеряла своей актуальности за всё время развития холодильного оборудования с момента зарождения этой отрасли промышленности до наших дней. Сегодня, когда стоимость энергоресурсов, а также размер парка эксплуатируемого и вводимого в эксплуатацию холодильного оборудования достигли таких впечатляющих высот, повышение эффективности систем производящих и потребляющих холод стало актуальной мировой проблемой. С учётом того, что проблема эта носит комплексный характер, действующие законодательства большинства европейских государств стимулируют разработчиков холодильных систем на повышение их эффективности и производительности.

Одна из самых больших сложностей в работе ремонтника заключается в том, что он не может видеть процессов, происходящих внутри трубопроводов и в холодильном контуре. Тем не менее, измерение величины переохлаждения может позволить получить относительно точную картину поведения хладагента внутри контура.

Заметим, что большинство конструкторов выбирают размеры конденсаторов с воздушным охлаждением таким образом, чтобы обеспечить переохлаждение на выходе из конденсатора в диапазоне от 4 до 7 К. Рассмотрим, что происходит в конденсаторе, если величина переохлаждения выходит за пределы этого диапазона.

А) Пониженное переохлаждение (как правило, меньше 4 К).

Рис. 2.6

На рис. 2.6 приведено различие в состоянии хладагента внутри конденсатора при нормальном и аномальном переохлаждении. Температура в точках tв=tc=te=38°С = температуре конденсации tк. Замер температуры в точке D дает значение td=35 °С, переохлаждение 3 К.

Пояснение. Когда холодильный контур работает нормально, последние молекулы пара конденсируются в точке С. Далее жидкость продолжает охлаждаться и трубопровод по всей длине (зона C-D) заполняется жидкой фазой, что позволяет добиваться нормальной величины переохлаждения (например, 6 К).

В случае нехватки хладагента в конденсаторе, зона C-D залита жидкостью не полностью, имеется только небольшой участок этой зоны, полностью занятый жидкостью (зона Е-D), и его длины недостаточно, чтобы обеспечить нормальное переохлаждение.

В результате, при измерении переохлаждения в точке D, вы обязательно получите его значение ниже нормального (в примере на рисунка 2.6 — 3 К).

И чем меньше будет хладагента в установке, тем меньше будет его жидкой фазы на выходе из конденсатора и тем меньше будет его степень переохлаждения.

В пределе, при значительной нехватке хладагента в контуре холодильной установки, на выходе из конденсатора будет находиться парожидкостная смесь, температура которой будет равна температуре конденсации, то есть переохлаждение будет равно 0 К (смотри рисунок 2.7).

Рис. 2.7

tв=td=tk=38°С. Значение переохлаждения П/О = 38—38=0 К.

Таким образом, недостаточная заправка хладагента всегда приводит к уменьшению переохлаждения.

Отсюда следует, что грамотный ремонтник не будет без оглядки добавлять хладагент в установку, не убедившись в отсутствии утечек и не удостоверившись, что переохлаждение аномально низкое!

Отметим, что по мере дозаправки хладагента в контур, уровень жидкости в нижней части конденсатора будет повышаться, вызывая увеличение переохлаждения.

Перейдем теперь к рассмотрению противоположного явления, то есть слишком большого переохлаждения.

Б) Повышенное переохлаждение (как правило, больше 7 К).

Рис. 2.8

tв=te=tk= 38°С. td = 29°С, следовательно переохлаждение П/О=38-29=9 К.

Пояснение. Выше мы убедились, что недостаток хладагента в контуре приводит к уменьшению переохлаждения. С другой стороны, чрезмерное количество хладагента будет накапливаться в нижней части конденсатора.

В этом случае длина зоны конденсатора, полностью залитая жидкостью, увеличивается и может занимать весь участок E-D. Количество жидкости, находящееся в контакте с охлаждающим воздухом, возрастает и величина переохлаждения, следовательно, тоже становится больше (в примере на рис. 2.8 П/О = 9 К).

В заключение укажем, что измерения величины переохлаждения являются идеальными для диагностики процесса функционирования классической холодильной установки.

В ходе детального анализа типовых неисправностей мы увидим как в каждом конкретном случае безошибочно интерпретировать данные этих измерений.

Слишком малое переохлаждение (менее 4 К) свидетельствует о недостатке хладагента в конденсаторе. Повышенное переохлаждение (более 7 К) указывает на избыток хладагента в конденсаторе.

2.4. УПРАЖНЕНИЕ

Выберите из 4-х вариантов конструкций конденсатора с воздушным охлаждением, представленных на рис. 2.9, тот, который, по вашему мнению, является наилучшим. Объясните почему?

Рис. 2.9

Под действием силы тяжести жидкость накапливается в нижней части конденсатора, поэтому вход паров в конденсатор всегда должен располагаться сверху. Следовательно, варианты 2 и 4 по меньшей мере представляют собой странное решение, которое не будет работоспособным.

Разница между вариантами 1 и 3 заключается, главным образом, в температуре воздуха, который обдувает зону переохлаждения. В 1-м варианте воздух, который обеспечивает переохлаждение, поступает в зону переохлаждения уже подогретым, поскольку он прошел через конденсатор. Наиболее удачной следует считать конструкцию 3-го варианта, так как в ней реализован теплообмен между хладагентом и воздухом по принципу противотока. Этот вариант имеет наилучшие характеристики теплообмена и конструкции установки в целом.

Подумайте об этом, если вы еще не решили, какое направление прохождения охлаждающего воздуха (или воды) через конденсатор вам выбрать.

• Влияние температуры и давления на состояние хладогенов
• Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением
• Анализ случаев аномального переохлаждения

Рис. 1.21. Сема дендрита

Таким образом, механизм кристаллизации металлических расплавов при высоких скоростях охлаждения принципиально отличается тем, что в малых объемах расплава достигается высокая степень переохлаждения. Следствием этого является развитие объемной кристаллизации, которая у чистых металлов может быть гомогенной. Центры кристаллизации с размером больше критического способны к дальнейшему росту.

Для металлов и сплавов наиболее типична дендритная форма роста, впервые описанная еще в 1868 г. Д.К. Черновым. На рис. 1.21 показан эскиз Д.К. Чернова, поясняющий схему строения дендрита. Обычно дендрит состоит из ствола (ось первого порядка), от которого идут ветви – оси второго и последующих порядков. Дендритный рост протекает в определенных кристаллографических направлениях с ответвлениями через одинаковые промежутки. В структурах с решетками гранецентрированного и объемно-центрированного кубов дендритный рост идет в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Экспериментально установлено, что дендритный рост наблюдается только в переохлажденном расплаве. Скорость роста определяется степенью переохлаждения. Задача теоретического определения скорости роста в функции степени переохлаждения еще не получила обоснованного решения. Исходя из экспериментальных данных, полагают, что эта зависимость приближенно может рассматриваться в виде V ~ (D Т) 2 .

Многие исследователи полагают, что при некоторой критической степени переохлаждения наблюдается лавинообразное увеличение числа центров кристаллизации, способных к дальнейшему росту. Зарождение все новых и новых кристаллов может прервать дендритный рост.

Рис. 1.22. Трансформация структур

По последним зарубежным данным, с ростом степени переохлаждения и температурного градиента перед фронтом кристаллизации, наблюдается трансформация структуры быстро затвердевающего сплава от дендритной к равноосной, микрокристаллической, нанокристаллической и далее к аморфному состоянию (рис. 1.22).

1.11.5. Аморфизация расплава

На рис. 1.23 иллюстрируется идеализированная ТТТ-диаграмма (Time-Temperature-Transaction), поясняющая особенности затвердевания легированных металлических расплавов в зависимости от скорости охлаждения.

Рис. 1.23. ТТТ-диаграмма: 1 – умеренная скорость охлаждения:

2 – очень высокая скорость охлаждения;

3 – промежуточная скорость охлаждения

По вертикальной оси отложена температура, по горизонтальной – время. Выше некоторой температуры плавления ‑ Т П жидкая фаза (расплав) стабильна. Ниже этой температуры жидкость переохлаждается и становится нестабильной, поскольку появляется возможность зарождения и роста центров кристаллизации. Однако при резком охлаждении может возникнуть прекращение движения атомов в сильно переохлажденной жидкости и при температуре ниже Т З сформируется аморфная твердая фаза. Для многих сплавов температура начала аморфизации ‑ Т З лежит в пределах от 400 до 500 ºC. Большинство традиционных слитков и отливок охлаждаются медленно в соответствии с кривой 1 на рис. 1.23. За время охлаждения возникают и растут центры кристаллизации, формируя кристаллическую структуру сплава в твердом состоянии. При очень высокой скорости охлаждения (кривая 2) образуется аморфная твердая фаза. Представляет также интерес промежуточная скорость охлаждения (кривая 3). Для этого случая возможен смешанный вариант затвердевания с наличием как кристаллической, так и аморфной структуры. Такой вариант имеет место в том случае, когда начавшийся процесс кристаллизации не успевает завершиться за время охлаждения до температуры Т З. Смешанный вариант затвердевания с формированием мелких аморфных частиц поясняется упрощенной схемой, представленной на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Схема формирования мелких аморфных частиц

Слева на этом рисунке изображена крупная капля расплава, содержащая в объеме 7 центров кристаллизации, способных к последующему росту. В середине эта же капля разделена на 4 части, одна из которых не содержит центров кристаллизации. Эта частица затвердеет аморфной. Справа на рисунке исходная частица разделена на 16 частей, 9 из которых станут аморфными. На рис. 1.25. представлена реальная зависимость числа аморфных частиц высоколегированного никелевого сплава от размера частиц и интенсивности охлаждения в газовой среде (аргон, гелий).

Рис. 1.25. Зависимость числа аморфных частиц сплава никеля от

размера частиц и интенсивности охлаждения в газовой среде

Переход металлического расплава в аморфное, или как его еще называют, стеклообразное состояние является сложным процессом и зависит от многих факторов. В принципе, все вещества можно получить в аморфном состоянии, но для чистых металлов требуются столь высокие скорости охлаждения, которые пока не могут быть обеспечены современными техническими средствами. В то же время высоколегированные сплавы, в том числе эвтектические сплавы металлов с металлоидами (В, С, Si, Р) затвердевают в аморфном состоянии при более низких скоростях охлаждения. В табл. 1.9 приведены критические скорости охлаждения при аморфизации расплавов никеля и некоторых сплавов.

Таблица 1.9

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

Внутри конденсатора давление фреона одинаковое.
Зная давление, по специальным таблицам производителя фреона можно определить температуру конденсации в текущих условиях. Разность между температурой конденсации и температурой охлажденного фреона на выходе из конденсатора — температура переохлаждения — величина обычно известная (уточняется у производителя системы) и диапазон этих величин для данной системы фиксирован (например: 10-12 °C).

Если значение переохлаждения ниже указанного производителем диапазона — значит фреон не успевает охладиться в конденсаторе — его недостаточно и требуется дозаправка. Недостаток фреона снижает эффективность работы системы и увеличивает нагрузку на нее.

Если значение переохлаждения выше диапазона — фреона слишком много, требуется слить часть до достижения оптимального значения. Переизбыток фреона увеличивает нагрузку на систему и снижает срок ее службы.

Дозаправка по переохлажению без использования :

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.

С использованием данный процесс упрощается в разы (схема подключения в рисунках есть в инструкции по эксплуатации):

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.

Данный способ дозаправки точнее, чем заправка по объему или по весу, поскольку отсутствуют промежуточные вычисления, которые порой бывают приблизительными.

Алексей Матвеев,
технический специалист компании «Расходка»

Варианты работы холодильной установки: работа с нормальным перегревом; с недостаточным перегревом; сильным перегревом.

Работа с нормальным перегревом.

Схема холодильной установки

Например, хладагент подаётся под давлением 18 бар, на всасывании давление 3 бара. Температура, при которой в испарителе кипит хладагент t 0 = −10 °С, на выходе из испарителя температура трубы с хладагентом t т = −3 °С.

Полезный перегрев ∆t = t т − t 0 = −3− (−10)= 7. Это нормальная работа холодильной установки с воздушным теплообменником . В испарителе фреон выкипает полностью примерно в 1/10 части испарителя (ближе к концу испарителя), превращаясь в газ. Дальше газ будет нагреваться температурой помещения.

Перегрев недостаточный.

Температура на выходе будет уже, к примеру, не −3, а −6 °С. Тогда перегрев составляет всего 4 °С. Точка, где перестаёт кипеть жидкий хладагент, перемещается ближе к выходу испарителя. Таким образом, большая часть испарителя заполняется жидким хладагентом. Такое может случиться, если терморегулирующий вентиль (ТРВ) будет подавать больше фреона в испаритель.

Чем больше фреона будет находиться в испарителе, тем больше будет образовываться паров, тем выше будет давление на всасывании и повысится температура кипения фреона (допустим уже не −10, а −5 °С). Компрессор начнет заливать жидким фреоном, потому что давление увеличилось, расход хладагента увеличился и компрессор не успевает откачать все пары (если компрессор не имеет дополнительных мощностей). При такой работе холодопроизводительность повысится, но компрессор может выйти из строя.

Сильный перегрев.

Если производительность ТРВ будет меньше, то фреона будет поступать в испаритель меньше и выкипать он будет раньше, (точка выкипания сместиться ближе к входу испарителя). Весь ТРВ и трубки после него обмерзнут и покроются льдом, а процентов 70 испарителя не обмерзнут вообще. Пары фреона в испарителе будут нагреваться, и их температура может достигнуть температуры в помещении, отсюда ∆t ˃ 7. При этом холодопроизводительность системы понизится, давление на всасывании понизится, нагретые пары фреона могут вывести из строя статор компрессора.