4 .5. Способы подачи хладагента в испаритель

В настоящее время в холодильных машинах находят применение следующие способы подачи хладагента в испаритель:

1) ручными вентилями для испарителя, работающего в режиме затопленного;

2) расширительными устройствами (прессостатические, капиллярные, термостатические);

3) электронными регуляторами;

4) циркуляционным насосом;

5) комбинированным способом (с затопленными испарителями и циркуляционным насосом.

4.5.1. Регуляторы для испарителей, работающих в режиме затопленных

Принципиальная схема одноступенчатой холодильной установки, оборудованной затопленным испарителем, представлена на рис.4.19. Дросселирование хладагента и его расширение в такой установке обеспечивается с помощью ручного вентиля Рв, при большем или меньшем открытии которого происходит повышение или понижение уровня жидкого хладагента в отделителе жидкости Ож. Такой тип регулирования используется только как дополнение к системе автоматического регулирования. В случае неисправности системы автоматического регулирования благодаря ручному вентилю установка продолжает свою работу.

4 .5.2. Прессостатические расширительные устройства или регулирующие вентили

Принципиальная схема этого типа расширительного устройства (РВ) приведена на рис.4.20.

Прессостатический РВ предназначен для поддержания постоянного давления кипения в испарителе.

Атмосферное давление внутри сильфона, регулировочная пружина и давление жидкого хладагента из конденсатора Р_ж на сильфон, жестко связанным с клапаном, составляют комплекс сил, действующих как на закрытие, так и открытие клапана подачи хладагента. Если предположить, что атмосферное давление меняется в небольших пределах, а давление Р_ж остается постоянным, то в качестве противодействия получим силу F₀, обусловленную давлением кипения Р₀ и силу действия пружины F_r. Таким образом, сжимая пружину можно настроить давление кипения Р₀ на желаемую величину. Так, например, предположим, что пружина настроена так, чтобы поддерживать давление кипения Р₀ на уровне 4,6 бар (соответствует температуре кипения t₀ = 4⁰С для R22).

Если давление кипения будет Р₀> 4,6 бар сильфон вместе с пружиной сжимается и РВ закрывается. Поскольку компрессор продолжает всасывать пары хладагента давление кипения Р₀ снижается до 4,6 бар.

Если давление кипения Р₀ < 4,6 бар пружина открывает РВ, который будет обеспечивать подачу жидкого хладагента в испаритель и повышать давление кипения до заданного уровня Р₀ = 4,6 бар.

Таким образом, давление кипения устанавливается постоянным и поддерживается на уровне Р₀ = 4,6 бар. Это означает, что перепад давления на РВ поддерживается постоянным и, следовательно, расход жидкого хладагента через него будет также постоянным независимо от тепловой нагрузки на испаритель.

Представим себе, что задающий термостат настроен таким образом, чтобы поддерживать температуру воздуха в охлаждаемом объеме в диапазоне t_в = 20…25⁰С. Когда воздух, поступающий на вход испарителя, имеет температуру t_вmin = 20⁰С, а давление кипения Р₀ = 4,6 бар, что соответствует температуре кипения t₀ = 4⁰С, то тепловая нагрузка на испаритель будет минимальной, поскольку перепад температуры между температурой воздуха и температурой кипения будет минимальным и соответствовать

∆t_min = t_вmin – t₀ = 20 – 4 = 16⁰С .

В этом случае последняя капля жидкого хладагента испаряется в точке А, что обеспечивает нормальный перегрев.

Когда же температура воздуха на входе в испаритель повысится до

t_вmаx = 25⁰С, давление кипения не изменится и останется постоянным, соответствуя тем же t₀ = 4⁰С, и поэтому тепловая нагрузка на испаритель возрастет, поскольку

∆t_mаx = t_вmаx – t₀ = 25 – 4 = 21⁰С.

Однако перепад давления на РВ будет оставаться прежним и, следовательно, расход жидкого хладагента через него не изменится. Поскольку испаритель теперь будет обдуваться более теплым воздухом, жидкий хладагент начнет выкипать гораздо быстрее, и точка А переместится внутрь испарителя, обуславливая гораздо более значительный перегрев. Увеличение перегрева снизит холодопроизводительность испарителя.

Основные недостатки прессостатического РВ

РВ обладает основным недостатком, заключающимся в том, что он не может увеличить холодопроизводительность испарителя, когда потребности в холоде необходимы.

РВ можно использовать только в небольших холодильных установках с одним испарителем при относительно постоянной потребности в холоде.

Основные достоинства прессостатического РВ

При новом запуске компрессора РВ остается закрытым пока давление не упадет ниже установленного (в рассмотренном случае ниже 4,6 бар). Следовательно, РВ позволяет ограничивать потребляемую мощность электродвигателя при запуске.

Использование РВ снижает эксплуатационные расходы, поскольку позволяет использовать меньшие затраты электроэнергии во время работы из-за малого диапазона настройки по давлению кипения хладагента.

Особенности заправки хладагентом холодильных систем, оснащенных прессостатическим РВ

В отсутствии вынужденного обдува испарителя

1) Следует удалить хладагент и отвакуумировать контур.

2) Заправить установку точно таким же количеством хладагента, которое предписано разработчиком.

3) Если отсутствует мерный заправочный сосуд или неизвестна величина веса хладагента, то необходимо работу производить в следующей последовательности:

а) предварительную заправку произвести из условия, чтобы перегрев после заправки был установлен на более высоком уровне (т.е. примерно в два раза больше, чем при работе в нормальном режиме);

б) через 12…14 часов дозаправить систему хладагентом из условия получения перегрева, соответствующего работе в нормальном режиме.

При заправке большим количеством хладагента при снижении тепловой нагрузки могут возникнуть гидроудары и компрессор может выйти из строя.

При наличии вынужденного обдува испарителя

Для исключения гидроударов в компрессоре необходимо дополнительно в этом случае не уменьшать производительность вентилятора, которые могут быть обусловлены следующими причинами:

• шум на большой скорости вращения;

• загрязнение воздушного фильтра на всасывании.

4.5.3. Капиллярные расширительные устройства

Принципиальная схема этого типа РВ приведена на рис.4.21. Это устройство является наиболее простым, поскольку оно представляет собой простой отрезок холодильной трубки малого диаметра, что делает его стоимость крайне низкой. Кроме того, оно не содержит никаких механических узлов и деталей и не располагает никакими системами настройки, что обеспечивает его высокую надежность и продолжительность работы в течение очень длительного времени.

Капиллярные расширительные устройства применяют в холодильных установках малой мощности: кондиционерах, домашних холодильниках, небольших тепловых насосах и холодильных шкафах.

В настоящее время для наружных диаметров капилляра d_нар = 2,4 мм и 3 мм выпускаются капилляры с внутренними диаметрами d_вн = 0,6; 0,8 и 1,2 мм. Пары холодильного агента, покидающие испаритель, чаще всего всасываются в верхней части компрессора (1). Поэтому данная зона холодная. Далее всасываемые пары проходят через электродвигатель компрессора, который они охлаждают. Масло находится на дне корпуса (2), а поскольку нагнетаемые пары очень горячие, то нижняя часть компрессора также горячая. Переохлажденная жидкость хладагента, которая выходит из конденсатора (3) в последующем идет в фильтр или фильтр-осушитель (4). После дросселирования в капилляре (5) жидкий хладагент проходит через испаритель, а перегретые пары хладагента вновь возвращаются в компрессор. В этих схемах (т.е. с капиллярными расширительными устройствами) на выходе из конденсатора ресивер не устанавливают, поскольку его содержимое при остановке компрессора переместится в испаритель и переполнит его, что при очередном запуске компрессора приведет к гидравлическому удару.

Следует также отметить, что испаритель должен быть установлен таким образом, чтобы исключить любую возможность стекания жидкого хладагента под действием силы тяжести на вход в компрессор при его остановках. Поэтому на схемах с капиллярными расширительными устройствами испаритель всегда запитан снизу.

Особенности заправки хладагентом холодильных систем, оснащенных капиллярными расширительными устройствами

Заправка холодильным агентом выше допустимой нормы вызывает работу с пониженным перегревом на всасывающей магистрали, что может оказаться причиной гидроударов, создающих опасность выхода из строя или разрушения компрессора.

Недостаточная заправка холодильным агентом приведет к работе с очень высоким перегревом в испарителе, что вызовет перегрев электродвигателя, приводящим к частым его выключениям от реле перегрева.

4.5.4. Термостатические расширительные устройства

Для оптимального заполнения испарителя желательно поддерживать перегрев пара на выходе из него близким к нулю (максимум 1…2⁰С). Однако при высокой чувствительности регулятора резко ухудшаются динамические характеристики системы. Поэтому обычно применяют регуляторы, обеспечивающие 5…15⁰С, но поддерживается этот перегрев не в испарителе, а после выхода пара из испарителя (во всасывающем трубопроводе или регенеративном теплообменнике).

Т ермостатические расширительные устройства или вентили (ТРВ) подразделяются на следующие два типа:

1. ТРВ с внутренним уравниванием;

2. ТРВ с внешним уравниванием.

Внешний вид ТРВ показан на рис. 4.22.

Ниже рассмотрены принципиальные схемы и особенности заправки для этих двух типов ТРВ.

ТРВ с внутренним уравниванием

Принципиальная схема ТРВ при работе на хладагенте R22 приведена на рис. 4.23.

Этот тип ТРВ используется при малом гидравлическом сопротивлении испарителя. Запорная игла ТРВ уравновешена, когда F_b = F₀ + F_r и ТРВ закрыт. Если Р₀ = 4,6 бар (t₀ = 4⁰C), а регулировочная пружина создает давлении Р_r = 1,4 бара, то эти два давления суммируются и создают давление закрытия, равное 6 бар. Следовательно, ТРВ не сможет открыться до тех пор, пока давление открытия Р_b в термобаллоне не превысит 6 бар, т.е. пока температура R22, содержащегося в термобаллоне не превысит 11⁰С.

Таким образом, настройка регулировочной пружины РВ на давление в 1,4 бара позволяет поддерживать постоянную разницу в 7⁰С между температурой испарения и температурой термобаллона. Если изменить настройку регулировочной пружины, то изменится и величина перегрева хладагента в испарителе.

Правильно рассчитанная и смонтированная холодильная установка, у которой холодопроизводительность ТРВ соответствует холодопроизводительности испарителя, может быть настроена на перегрев в диапазоне от 5 до 8⁰С как в случае использования ее в торговом оборудовании, так и в кондиционерах.

Чрезмерно большой перегрев будет обусловлен нехваткой хладагента в системе, или, если отверстие ТРВ практически закрыто и пропускает очень мало жидкого хладагента. В этом случае холодопроизводительность испарителя уменьшается, а давление испарение падает и на выходе из ТРВ трубопровод снаружи покрывается инеем.

Чрезмерно малый перегрев будет обусловлен избыточным количеством хладагента в системе. В этом случае отверстие ТРВ полностью открыто и пропускает много жидкого хладагента, при этом холодопроизводительность испарителя высокая. Однако при таком режиме работы возможны гидроудары в компрессоре.

ТРВ с внешним уравниванием

На рис.4.24 представлена принципиальная схема ТРВ при работе на хладагенте R22.

В этом типе ТРВ сила закрытия F₀ не зависит от давления над седлом клапана, т.е. от давления на выходе из ТРВ, а определяется давлением над мембраной т.е. на выходе из испарителя. Поэтому, ТРВ с внешним уравниванием используется при большом гидравлическом сопротивлении испарителя (на рис.4.24 местным сопротивлением является распределитель жидкого хладагента по испарителям).

Пусть сила F₀, обусловленная давлением на выходе из испарителя эквивалентна Р₀ = 3,6 бар (соответствует температуре кипения t₀ = -2⁰С и устанавливается с помощью дросселя в трубке, подающий пар хладагента над мембраной). Предположим, что настройка пружины такая же как в ТРВ с внутренним уравниванием и соответствует Р_r = 1,4 бара. Это означает, что

рассматриваемый ТРВ будет находиться в равновесии (см. рис. 9.6), когда давление в термобаллоне будет равно Р_b = Р₀ + Р_r = 3,6 +1,4 = 5 бар, что соответствует температуре R22 в термобаллоне, равной t_b = 6⁰С. В рассматриваемом случае перегрев хладагента в испарителе составит 8⁰С, вместо 13⁰С, получившихся бы в варианте использования модели ТРВ с внутренним уравниванием при условии равновесия, соответствующем Р_b = 6 бар (t_b = 11⁰С), т.е. при давлении кипения над седлом клапана Р₀ = 4,6 бар (4⁰С) при температуре кипения хладагента в испарителе t₀ = -2⁰С (соответствует Р₀ = 3,6 бар) из-за наличия гидравлического сопротивления в самом испарителе или на входе в него. В представленной схеме потери давления в испарителе составляют 1 бар, что при использовании ТРВ с внутренним уравниванием приведет к существенному увеличению перегрева паров в испарителе, а значит к снижению его холодопроизводительности.

В ТРВ с внешним выравниванием (см. рис.4.24) при увеличении тепловой нагрузки перегрев пара возрастет и температура в месте установки термобаллона начнет увеличиваться, что приведет к росту давления над мембраной более Р_b = 5 бар, а поскольку установленное давление под ней остается прежним и равным Р₀ = 3,6 бар, то клапан подачи жидкого хладагента начнет открываться и увеличивать площадь поверхности заполнения испарителя хладагентом, а, значит, и сохранять установленный перегрев, равный 8⁰С. И, наоборот, при уменьшении тепловой нагрузки температура в термобаллоне и перегрев пара уменьшаются. Уменьшение температуры в термобаллонеприведет к снижению давления над мембраной и последующему уменьшению подачи жидкого хладагента в испаритель, вследствие прикрытия клапана ТРВ.

Способы заправки термобаллонов

В настоящее время известны следующие три способа заправки термобаллонов:

• жидкостная заправка;

• адсорбционная заправка;

• заправка МОР.

Жидкостная заправка

При таком способе заправки требуется, чтобы корпус ТРВ всегда был бы более теплым, чем термобаллон. Если корпус ТРВ становится холоднее термобаллона, жидкий хладагент будет перемещаться в управляющую полость ТРВ. В этом случае будет падать давление испарения и возрастет перегрев пара в испарителе. Снижение температуры испарения будет приводить к еще более интенсивному охлаждению корпуса ТРВ. Одновременно с этим рост перегрева вызовет также высокий нагрев термобаллона. Для исключения такого ненормального режима работы следует остановить компрессор и с помощью горячей тряпки, смоченной в воде нагреть верхнюю часть ТРВ.

В некоторых случаях не представляется возможным нормализовать процесс с помощью указанного нагрева верхней части ТРВ. Тогда заправку жидким хладагентом производят таким способом, чтобы заправленный объем превышал сумму объемов управляющей полости и капиллярной трубки, соединяющей термобаллон с управляющей полостью. В этих случаях в термобаллоне всегда будет оставаться жидкость вне зависимости от температуры корпуса ТРВ и перегрев будет обеспечиваться в нормальном диапазоне.

Адсорбционная заправка

При таком способе заправки управляющий тракт заполняется инертным газом, который при обычной температуре не конденсируется, а в термобаллоне находится поглотитель в виде твердого тела из адсорбирующего вещества. Когда температура термобаллона растет (перегрев повышается) из поглощающего вещества (адсорбента) выделяется газ, что приводит к повышению давления в управляющем тракте и к открытию ТРВ. Напротив, при охлаждении термобаллона (перегрев снижается) адсорбент поглощает газ, что приводит к падению давления в управляющем тракте и к закрытию ТРВ.

Преимущество этого типа заправки является то, что тракт совсем не содержит жидкости и, следовательно, никакое перетекание невозможно. ТРВ будет работать вполне нормально, какими бы не были температуры корпуса ТРВ и его термобаллона.

Недостаток: адсорбционная заправка является инерционной, т.е. реагирует на резкие изменения температур медленнее, чем жидкостная заправка. Поэтому при быстрых и частых изменениях в потребностях холода, ее использование не рекомендуется.

Заправка МОР

Аббревиатура МОР означает "Максимальное рабочее давление", и эта заправка предназначена для защиты электродвигателя от перегрузок, которые могут возникнуть при запуске.

Управляющий тракт с заправкой МОР содержит ограниченное количество жидкости, заливаемое в процессе изготовления ТРВ таким образом, чтобы при достижении температуры баллона (называемой температурой МОР) вся жидкость, находящаяся в термобаллоне испарилась. Если температура термобаллона продолжает расти, то давление в термобаллоне больше не повышается, поскольку в нем нет больше жидкости. Это означает, что при температуре выше температуры МОР, ТРВ с заправкой МОР будет закрыт при максимальном рабочем давлении (рис.4.25). ТРВ с заправкой МОР может открыться только тогда, когда температура кипения (т.е. давление в испарителе) упадет ниже заданного значения точки МОР. Другими словами, в точке МОР ТРВ начинает перекрывать подачу хладагента в испаритель, чтобы предотвратить рост давления испарения. Повышение температуры термобаллона выше точки МОР практически не приводит к дополнительному открытию ТРВ.

Влияние заправки МОР на нагрузку электродвигателя при пуске

Установлено, что при повышении температуры кипения на 1градус холодопроизводительность Q₀ повышается на 3…5%.

Пусть холодильная установка работает при температуре кипения хладагента t₀ = -30⁰С.

Тогда при запуске, после оттаивания испарителя до температуры выше 0⁰С, давление кипения будет соответствовать приросту температуры по сравнению с рабочим режимом не менее, чем на 30⁰С, а увеличение холодопроизводительности при обычной заправке термобаллона составит ∆Q₀ = 30×4 = 120%. Поэтому, в течение периода времени выхода на рабочий режим компрессор должен перекачивать гораздо больший, чем на рабочем режиме массовый расход хладагента. Следовательно, компрессор в рассматриваемом случае должен получать больше энергии, а электродвигатель потреблять гораздо больший ток.

При заправке МОР, который, например, настроен на температуру МОР, равную (-)25⁰С после оттаивания давление испарения в термобаллоне не сможет подняться до величины, соответствующей 0⁰С, а останется на уровне

(-)25⁰С в течение всего периода времени выхода на рабочий режим. В этом случае прирост давления испарения по сравнению с рабочим уровнем будет соответствовать приросту температуры 5⁰С (т.е. прирост холодопроизводительности будет ∆Q₀ = 5×4 = 20%).

Таким образом, потребляемая электрическая мощность компрессора и тепловая мощность конденсатора снизится со 120% (для ТРВ с обычной заправкой) до 20% (для ТРВ с заправкой МОР).

Для холодильных установок, оборудованных ТРВ с заправкой МОР длительность выхода на рабочий режим будет гораздо больше, чем для установок, имеющих ТРВ с обычной заправкой. Однако, поскольку при этом отпадает необходимость конденсатора большой поверхности и более мощного элктродвигателя компрессора, себестоимость установки с ТРВ и заправкой МОР резко снижается.

В испарителях большой мощности, требующих больших теплообменных поверхностей, а, следовательно, и увеличения длины труб теплообменников, возникает проблема роста потерь давления с возрастанием этой длины. Чтобы решить ее, теоретически можно было бы пойти на увеличение площади проходного сечения труб, однако такое решение увеличивает габариты и требует повышенных капиталовложений. Поэтому изготовители предпочитают другое решение, а именно разделение испарителей большой мощности на несколько параллельных секций с одинаковыми характеристиками. Чтобы на каждую секцию не ставить свой ТРВ, предусматривают один общий ТРВ, после которого устанавливают распределитель жидкости, предназначенный для равномерного распределения, прошедшего через ТРВ хладагента между различными секциями испарителя. На рис. 4.26 приведен пример испарителя, составленного из трех секций.

Для подачи хладагента в такой испаритель необходимо предусматривать распределитель с числом выходных отверстий, равным числу секций запитываемого испарителя, т.е. трем.

Кроме того, каждая из трубок распределителя, называемых также ветками или нитками, должны иметь одинаковые длины и одинаковые проходные сечения. Если это условие не выполняется, расход хладагента в каждой секции будет разный, что недопустимо.

Метод настройки ТРВ

В большинстве случаев ТРВ настроены на заводе-изготовителе и как правило не требуют дополнительной регулировки. При возникновении необходимости настройки ТРВ рекомендуется следующий метод.

Дополнительно к обычно используемым манометрам необходимо установить электронный термометр, датчик которого следует укрепить на термобаллоне ТРВ. Настройку необходимо производить при температуре в охлаждаемом объеме близкой к температуре отключения компрессора.

Рекомендуемая технология настройки заключается в том, чтобы сначала вывести ТРВ на предельный режим, при котором начнутся пульсации:

• для этого при постоянной величине перегрева (показания термометра и манометра НД не меняются) нужно медленно открывать ТРВ до тех пор, пока не начнутся пульсации;

• если при этом появляются пульсации перегрева (пульсации показаний термометра и манометра), нужно закрывать ТРВ до тех пор, пока пульсации не прекратятся.

При настройке могут возникнуть две следующие сложности:

1) не удается добиться пульсаций; это означает, что ТРВ будучи даже полностью открытым, имеет производительность ниже, чем производительность испарителя;

2) не удается исключить пульсации после их возникновения; это означает, что ТРВ, будучи даже полностью закрытым, сохраняет производительность выше, чем производительность испарителя, что может быть связано с тем, что либо проходное сечение в ТРВ слишком велико, либо испарителю не хватает производительности;

4.5.5. Электронные регуляторы

Задача электронных регуляторов состоит в том, чтобы обеспечить регулирование подачи жидкого хладагента в испарители, работающие с перегревом, преимущественно в оребренные испарители и испарители охладителей жидкости.

В качестве управляющего сигнала в электронном регуляторе используется не перегрев хладагента во всасывающем трубопроводе как у ТРВ, а разность температур на выходе и входе в испаритель, которая, следовательно, учитывает падение давления в испарителе.

Электронная система регулирования содержит следующие основные элементы:

• электронный регулятор, содержащий корпус собственно регулятора, блок дроссельного отверстия и приводной механизм;

• электронный блок выработки команд, который помимо основной функции может обеспечивать выполнение определенного числа дополнительных функций;

• датчики температуры на основе термопар.

Подача жидкости регулируется в зависимости от величины сигнала, идущего от датчиков температур, которые регистрируют разность между температурой на выходе и температурой на входе испарителя. Электронный блок обеспечивает сравнение текущей разности температур с заданным значением установленной разности этих температур.

В случае отклонения разности температур от заданного значения электронный блок сразу же увеличивает или уменьшает подачу хладагента в испаритель с помощью приводного механизма регулятора.

Главное преимущество электронного регулятора связано с тем, что он позволяет работать системе при очень небольших температурах перегрева, а

его функционирование не зависит от падения давления между выходом из испарителя и входом в него.