4.6. Конденсаторы

По роду охлаждающей среды конденсаторы можно разделить на две группы: с водяным и воздушным охлаждением. К специальным конденсаторам относятся испарители-конденсаторы и конденсаторы с охлаждением технологическим продуктом.

По принципу отвода теплоты конденсаторы с водяным охлаждением делятся на проточные, оросительные и испарительные.

К проточным относятся горизонтальные и вертикальные кожухотрубные, пакетно-панельные и элементные. В последнее время проводятся исследования пластинчатых конденсаторов, подтверждающие высокие теплотехнические характеристики.

За счет отвода теплоты конденсации в проточных конденсаторах вода нагревается в среднем на 4…8 градусов. При этом принудительное движение воды внутри труб или каналов обеспечивается насосами.

В оросительных конденсаторах основная часть теплоты отводится водой, а оставшаяся часть – испарением воды в воздух. В испарительных конденсаторах отвод теплоты конденсации хладагента осуществляется воздушным потоком и испарением воды.

Воздушные конденсаторы делятся на конденсаторы с принудительным и свободным движение воздуха.

В связи с возникшей проблемой сокращения потребления пресной воды в последнее время все чаще используются воздушные конденсаторы.

В работе [1] показано, что в современных конструкциях конденсаторов плотность теплового потока q_k = Q_k/F находится в пределах от 0,22 до 1,22 кВт/м²; удельная масса аппаратов М/Q_к составляет от 2,6 до 13,5 кг/кВт, а при исключении вентиляторного узла от 1,0 до 6,0 кг/кВт; удельный объемный расход воздуха W_в/Q_к – от 0,06 до 0,3 м³/с/кВт.

Установлено также [1], что для отечественных холодильных агрегатов средне - и низкотемпературного исполнения увеличение температуры конденсации на один градус приводит к снижению холодопроизводительности в среднем на 1,5…2%, увеличению мощности, потребляемую агрегатом на 0,3%, снижению холодильного коэффициента на 2…2,5%, к повышению температуры обмотки встроенного электродвигателя компрессора на 1,5…2 град.

4.6.1. Особенности эксплуатации конденсаторов с воздушным охлаждением

В общем случае в конденсаторах с воздушным охлаждением, как для торгового холодильного оборудования, так и кондиционеров перепад температуры воздуха между выходом и входом в таких конденсаторах, как правило, находится в пределах от 5 до 10 градусов. При этом значение разности между температурой конденсации и температурой воздуха на входе в конденсатор также имеет порядок 5…10 градусов [2].

Таким образом, полный температурный напор в конденсаторе Δt_п может находиться в пределах 10…20 градусов. При этом полный температурный напор должен оставаться постоянным.

В соответствии с изложенным, для известной температуры воздуха на входе в конденсатор t_вх, можно определить температуру конденсации из соотношения

t_к = t_вх + Δt_п.

Одной из наиболее важных характеристик при работе холодильной установки является степень переохлаждения жидкости на выходе из конденсатора (жидкостного ресивера), определяемая как

Δt_пер = t_к – t_вых,

где t_вых – температура жидкости на выходе из конденсатора (жидкостного ресивера).

Нормальное переохлаждение жидкого хладагента должно в холодильной установке должно находиться в пределах Δt_пер = 4…7 градусов. Когда величина Δt_пер выходит за пределы этого диапазона температур, то это будет всегда связано с аномальным течением рабочего процесса в холодильной установке. В частности, при наличии значительных потерь давления, обусловленных потерями давления на трение, на местных сопротивлениях и высотой столба жидкости (в случае, если испаритель установлен выше конденсатора), переохлаждение менее четырех градусов может привести к внезапному вскипанию хладагента в жидкостной магистрали до ТРВ.

Особенности работы конденсатора при пониженной температуре наружного воздуха

Если конденсатор изначально выбран при условии работы его в летний период, то с наступлением зимы такой конденсатор по мере снижения наружной температуры становится переразмеренным. Переразмеренность конденсатора будет тем больше, чем ниже температура наружного воздуха, что приводит к заметному снижению давления конденсации. Поскольку полный температурный перепад температур Δt_пер остается практически постоянным, то при уменьшении наружной температуры t_вх температура конденсации уменьшится на то же значение, что и приведет к соответствующему снижению давления конденсации.

Падение давления конденсации до определенного уровня в принципе является нормальным. Однако, при значительном снижении давления конденсации ухудшается работа холодильной установки, не смотря на то, что даже при полностью открытом ТРВ в испаритель будет поступать гораздо меньшее количество жидкого хладагента. В этом случае зона перегрева становится весьма значительной, а количество произведенных паров будет недостаточным. В таком режиме работы давление кипения будет падать пропорционально падению давления на входе в ТРВ. В пределе падение давления кипения может стать столь значительным, что приведет к отключению компрессора предохранительным реле низкого давления (НД). Даже, если это отключение не происходит, то все равно снижение холодопроизводительности приведет к подъему температуры в охлаждаемом помещении. При недостатке же жидкости в испарителе, в конденсаторе образуется ее избыток. Однако, поскольку конденсатор переразмерен, в нем создаются условия превосходного переохлаждения.

Особенности работы конденсатора при запуске компрессора в холодное время

До момента запуска в конденсаторе размещенном снаружи, температура находящегося в нем хладагента в конце концов становится равной наружной температуре холодного воздуха. В связи с этим, в момент запуска компрессора давление на входе в ТРВ может оказаться в 3…4 раза меньше потребного. Следовательно, в этом случае через ТРВ будет проходить очень мало жидкого хладагента, хотя он и полностью откроется, и на выходе из испарителя пары хладагента будут аномально перегретыми, а испаритель будет иметь очень низкую холодопроизводительность. Давление при этом на входе в компрессор сильно упадет, что приведет к его отключению предохранительным реле НД.

Для того, чтобы запуск компрессора был без проблем, следует разместить конденсатор или жидкостный ресивер внутри помещения. В случае размещения ресивера в помещении, а конденсатора снаружи следует между ними устанавливать обратный клапан, препятствующий перетеканию хладагента из ресивера при неработающем компрессоре, обусловленного процессом конденсации в результате температурной разницы (так называемый принцип холодной стенки Ватта). В противном случае в момент запуска ресивер может оказаться пустым, что в последующем приведет к срабатыванию предохранительного реле НД и отключению компрессора.

Другим способом подъема давления для соответствующей подпитки ТРВ является подача тепла в конденсатор. Однако для реализации этого способа необходимо, чтобы производительность конденсатора в пусковой период была бы как можно ниже. Для этого должен отключаться вентилятор в период запуска. Причем включение вентилятора должно быть невозможным до тех пор, пока давление конденсации не поднимется до уровня нормальной подпитки ТРВ. Этот способ может быть усовершенствован путем подогрева жидкости, находящейся в ресивере с помощью электронагревателя, устанавливаемого в его нижней части. Регулирование работой электронагревателя осуществляется или термостатом, измеряющим температуру жидкости, или реле, регулирующим давление в ресивере. При этом настройка регулировки электронагревателя должна обеспечивать величину давления, соответствующую температуре не менее 27⁰С.

Способ подогрева жидкости в ресивере предполагает, что при остановке компрессора ресивер содержит достаточно большое количество жидкости, которое может быть обеспечено соответствующим объемом заправки и выполнения вакуумирования установки при ее остановке.

Продолжительность переходного режима при запуске

В настоящее время известно множество приемов, позволяющих обеспечить регулирование давления конденсации, воздействуя либо на расход воздуха, либо на поверхность конденсатора.

Изменять расход воздуха через вентиляторы можно их отключением или с помощью заслонок, размещаемых в воздушном потоке. Применение заслонок обеспечивает более быстрый выход на режим, поскольку ограничивает естественную конвекцию вокруг конденсатора во время запуска.

Другим способом является использование специального регулятора давления конденсации на выходе из конденсатора, позволяющего также сократить продолжительность переходного режима при запуске за счет одновременного использования следующих двух различных эффектов.

С одной стороны снижают поверхность теплообмена конденсатора с помощью его затопления жидким хладагентом (что одновременно дает преимущество в улучшении процесса переохлаждения жидкости), а с другой стороны уменьшают расход воздуха с помощью регулирующего реле ВД.

Случаи аномального переохлаждения жидкого хладагента

Возможны два случая аномального переохлаждения жидкого хладагента на выходе из конденсатора (жидкостного ресивера): пониженное и повышенное, которые будут характеризовать уровень заправки установки холодильным агентом.

1. Пониженное переохлаждение

Степень переохлаждения жидкого хладагента будет тем меньше, чем меньше будет хладагента в контуре. В пределе при значительной нехватке хладагента из конденсатора будет выходить парожидкостная смесь, температура которой будет равна температуре конденсации, то есть в этом случае переохлаждение будет отсутствовать полностью. По мере дозаправки холодильного агента в контур уровень жидкости в нижней части конденсатора будет повышаться, вызывая увеличение переохлаждения жидкого хладагента.

2. Повышенное переохлаждение

В этом случае длина зоны конденсатора, залитая жидкостью увеличивается, то есть количество жидкости, находящееся в контакте с охлаждающим воздухом возрастает, что приводит к увеличению переохлаждения жидкого хладагента. Переохлаждение более 7 градусов указывает на избыток хладагента в контуре.

4.6.2. Регулирование давления конденсации

Необходимость регулирования давления конденсации обусловлена особенностями и изменением эксплуатационных и конструктивных параметров холодильной установки.

Для регулирования давления конденсации применяются следующие технические устройства:

‒ гидравлический регулятор;

‒ 3-х ходовой регулятор;

‒ 2-х ходовой регулятор с дифференциальным обратным клапаном.

В основу работы этих регуляторов положено снижение поверхности теплообмена за счет подъема уровня жидкости в конденсаторе при падении давления конденсации. Падение же давления конденсации связано, как правило, с уменьшением наружной температуры воздуха. Снижение же теплообменной поверхности конденсатора способствует подъему давления конденсации, переохлаждению холодильного агента и приводит к соответствующему уменьшению производительности конденсатора. Из перечисленных технических устройств наибольшее применение находит 3-х ходовой регулятор и 2-х ходовой регулятор с дифференциальным клапаном. Гидравлический регулятор давления конденсации является сложным по монтажу и настройке.

Принцип действия 3-х ходового регулятора давления конденсации основан на увеличении давления конденсации выше минимальной величины, отрегулированной на заводе. Последнее может быть реализовано, например, за счет соответствующего перепуска части горячих газов в ресивер и уменьшения подачи в него жидкого хладагента из конденсатора (рис.4.27).

Работа 2-х ходового регулятора с дифференциальным обратным клапаном в принципе такая же и состоит в следующем (рис.4.28).

Е сли давление конденсации падает ниже величины, обусловленной настройкой клапана, то проход жидкого хладагента из конденсатора в ресивер через клапан 1 начинает перекрываться, а поскольку из ресивера продолжается поступление жидкости на вход в ТРВ, то давление в нем начинает падать.

Когда давление в жидкостном ресивере упадет ниже давления нагнетания примерно на 1бар, дифференциальный клапан 2 открывается и перепускает в ресивер горячий газ из магистрали, что приводит к повышению давления и температуры в ресивере.

Когда давление конденсации возрастает и становится больше величины настройки регулятор остается полностью открытым для подачи жидкого хладагента из конденсатора в ресивер, а дифференциальный клапан закрывается.

П одбор и настройка регулятора давления конденсации

Для холодильных установок большой холодопроизводительности могут потребоваться регуляторы давления конденсации с очень большим диаметром. В этом случае допускается использовать несколько параллельно установленных регуляторов (рис.4.29), что позволит уменьшить общие потери давления и решить проблему несанкционированного перепуска горячего газа в ресивер при работе установки в летнее время. Необходимо также обеспечить достаточно высокое переохлаждение жидкости в конденсаторе, чтобы в летнее время отсутствовало преждевременное дросселирование жидкого хладагента на выходе из конденсатора или в жидкостной магистрали из-за потерь давления на регуляторе давления конденсации.

Регулятор давления конденсации должен устанавливаться совместно с предохранительным реле ВД для управления вентилятором конденсатора. Диапазон настройки (дифференциал) реле ВД должен быть достаточно большим, чтобы не допускать частых включений и выключений вентилятора при работе заполненного конденсатора в зимнее время. Иначе могут начаться беспрестанные пульсации давления конденсации, приводящие к одновременным пульсациям регулятора давления конденсации и давления кипения, что может повлечь за собой отключение компрессора предохранительным реле НД.

Вентилятор конденсатора после его запуска не должен больше останавливаться вплоть до остановки компрессора, а обеспечить такие условия может только регулятор давления конденсации, поскольку он является в данной системе единственным органом, сохраняющим как давление конденсации, так и давление кипения.

Случай использования двух регуляторов давления

В этом случае, вместо обратного клапана предусматривается введение в схему регулятора давления в ресивере, устанавливаемого на обводной магистрали компрессора (рис.4.30). В рассматриваемой схеме регулятор давления конденсации настроен на перекрытие выхода жидкости из конденсатора, когда давление в нем начинает падать. Регулятор давления в ресивере открывается при понижении давления в нем, перепуская туда горячий газ, точно также как это делает обратный клапан.

Таким образом, в данном случае получаем два значения давления, регулируемые совершенно раздельно, каждое своим собственным регулятором:

• с помощью регулятора давления конденсации, позволяющим регулировать давление в конденсаторе и, следовательно, давление нагнетания;

• с помощью регулятора давления в ресивере, позволяющим регулировать давление в ресивере, путем перепуска газа из нагнетательного патрубка.

Настройка регулятора давление в ресивере соответствует давлению примерно на 1бар ниже давления настройки регулятора давления конденсации.

Летом, когда давление в норме, регулятор давления конденсации открыт на максимум, а регулятор давления в ресивере полностью закрыт. Регулятор давления в ресивере должен быть настроен таким образом, чтобы разность между давлением нагнетания и давлением в ресивере была, по крайней мере, выше суммы потерь давления в конденсаторе и регуляторе давления конденсации. Если существует опасность перемещения жидкости из ресивера на вход в конденсатор или на выход из компрессора, то установка обратного клапана 1 является необходимой.

4.6.3. Особенности работы холодильной установки с регуляторами давления конденсации

1. Заправка холодильной установки

В холодильной установке жидкостный ресивер должен иметь объем достаточный для размещения в нем полной заправки, включая заправку конденсатора.

Если ресивер окажется слишком малым, то летом он окажется полностью залитым, а в конденсаторе будет оставаться еще слишком много жидкости, что приведет к снижению поверхности теплообмена и аномальному росту давления конденсации. Аномальный рост давления приводит к нежелательному отключению компрессора предохранительным реле высокого давления (ВД).

Заправка холодильной установки должна быть существенно выше номинальной (до 2-х кратной номинальной) с целью сохранения достаточного количества жидкости в ресивере и испарителе даже, если зимой конденсатор окажется полностью заполненным жидкостью.

Если количество заправленного хладагента окажется недостаточным, то холодильная установка будет выключаться в холодное время предохранительным реле низкого давления (НД).

2. Конденсаторы, расположенные над компрессором

Как уже указывалось, когда установка должна работать зимой, то переразмеренность конденсатора может становиться очень значительной по причине того, что он выбирается для условий летней наружной температуры.

Если конденсатор расположен над компрессором, то при наличии регулятора давления конденсации при очень низкой наружной температуре жидкость в конденсаторе может подняться настолько, что переполнит конденсатор и под действием силы тяжести она начнет стекать в нагнетающую полость компрессора. Возврат жидкости в головку блока компрессора может в этом случае привести к механическим повреждениям компрессора в результате гидравлического удара.

Во избежание такой опасности необходимо установить обратный клапан на входе в конденсатор, либо сам вход выполнить в виде лирообразного колена (рис.4.31).

В том же случае, когда разность уровней между компрессором и конденсатором превышает 3м, то, когда компрессор останавливается, и пар перестает циркулировать, масло под действием силы тяжести будет стекать в нагнетающий коллектор. Более того, если нагнетающий патрубок проходит через холодный участок, то при остановке компрессора пары хладагента будут в нем конденсироваться.

Такое скопление масла и сконденсировавшегося жидкого хладагента приводит к дополнительным повреждениям в результате гидроудара головки блока компрессора при его запуске. Чтобы избежать такой опасности необходимо в нижней части восходящего нагнетательного трубопровода установить лирообразную ловушку жидкости (маслоподъемную петлю) (рис.10.5).

Жидкость, которая стекает туда при остановке компрессора, будет перекачана в конденсатор при запуске компрессора. Установка в этом случае обратного клапана создает дополнительные потери давления в нагнетающей магистрали и, кроме того, срок его службы будет короче, чем у конструкции с двумя лирообразными участками (на выходе из компрессора и на входе в конденсатор).

Потери давления в конденсаторе и регуляторе давления конденсации

В летний период эксплуатации, когда наружная температура относительно высокая, регулятор давления конденсации полностью открыт и переохлажденная жидкость свободно проходит в ресивер.

Для того, чтобы ограничить нежелательные потери давления на клапане, его подбирают из условия перепада давления на нем не более 0,4бар.

Необходимо также, чтобы сумма перепадов давления на конденсаторе и на регуляторе давления конденсации была бы меньше давления настройки обратного клапана. Если сумма потерь давления на конденсаторе и на регуляторе давления конденсации будет выше перепада давления на обратном клапане, то это приведет к срабатыванию предохранительного реле ВД.

ля регулирования давления конденсации наибольшее применение находит 3-х ходовой регулятор и 2-х ходовой регулятор с дифференциальным клапаном. Гидравлический регулятор является сложным по монтажу и эксплуатации.

Принцип действия 3-х ходового регулятора основан на соответствующем уменьшении расхода жидкости в жидкостный ресивер и увеличении в его объем расхода горячих газов из нагнетательной линии, что приводит к росту температуры жидкости в нем и, следовательно, к повышению в нем давления.