На что влияет понижение температуры кипения холодильного агента

На что влияет понижение температуры кипения холодильного агента

Эксплуатация оборудования в режимах, отличных от оптимальных (например, в условиях повышенных температур окружающей среды), влияет на экономичность и безопасность работы холодильной установки.

В статье рассмотрены отклонения от оптимального режима работы установки, описаны условия их выявления и устранения.

Статья будет полезна специалистам, занятым на эксплуатации промышленного холодильного оборудования.

Регулирование режима работы холодильной установки достигается установлением и поддержанием оптимальных перепадов температур между средами в теплообменных аппаратах, оптимального перегрева пара на всасывающей стороне и определенной температуры на нагнетательной стороне компрессора.

Наиболее часто встречающимися отклонениями, влияющими на экономичность и безопасность работы холодильной установки, являются:

пониженная температура кипения хладагента в испарительной системе;

повышенная температура конденсации пара в конденсаторе;

повышенная или чрезмерно высокая температура пара на нагнетательной стороне компрессора.

Пониженная температура кипения*.

Работа холодильной установки при пониженной температуре кипения, кроме последствий, указанных выше, может вызвать замерзание хладоносителя в испарителе, подмерзание охлажденных грузов, находящихся около охлаждающих приборов, увеличение усушки продуктов, а также ухудшение смазки фреоновых компрессоров.

Температура кипения является самоустанавливающимся параметром. Величина ее определяется теплопритоком к испарителю, холодопроизводительностью компрессоров, интенсивностью теплообмена в испарителе и требуемой температурой охлаждаемого объекта.

Понижение температуры кипения происходит в том случае, когда при снижении тепловой нагрузки производительность включенных в работу компрессоров оказывается больше производительности охлаждающих приборов. В этом случае надо выключить часть компрессоров. При работе компрессоров с регулируемой производительностью необходимо включить автоматическую систему регулирования холодопроизводительности и следить за исправностью ее работы.

Понижение температуры кипения, вызванное ухудшением интенсивности теплообмена в испарителе, объясняется многими причинами.

При недостатке хладагента в системе происходит неполное заполнение испарителя, и часть его теплопередающей поверхности не используется. Основными признаками недостаточного количества хладагента являются низкий его уровень в линейном ресивере (или конденсаторе), а также периодическое оттаивание регулирующего вентиля при увеличении степени его открытия. В таком случае система должна быть пополнена хладагентом. Недостаточное количество хладагента в испарительной системе может явиться следствием неправильной регулировки его подачи. В этом случае необходимо обеспечить требуемое заполнение испарительной системы путем большего открытия регулирующего вентиля или соответствующей настройкой приборов автоматики.

Снеговая шуба, оседающая на наружной поверхности охлаждающих приборов, а также замасливание их внутренней поверхности значительно ухудшают теплообмен и приводят к пониженной температуре кипения. Проведение периодических оттаиваний охлаждающих приборов позволяет не только освобождать их от снеговой шубы, но и выпускать скопившееся масло. Причиной значительного ухудшения теплообмена воздухоохладителей может быть уменьшение скорости циркулирующего воздуха или полное прекращение его циркуляции из-за зарастания воздухоохладителя или воздуховодов снеговой шубой, неудачной конструкции системы циркуляции воздуха, неисправности вентиляторов или их электродвигателей.

При затопленных аммиачных испарителях (кожухотрубные, панельные испарители, коллекторные батареи и т. п.) температура кипения может понизиться в случае скопления в их нижней части большого количества масла, которое, занимая часть аппарата, уменьшает активную теплопередающую поверхность.

В аппаратах для охлаждения хладоносителя при недостаточной его концентрации на трубах испарителя происходит намерзание ледяной корочки, которая, являясь термическим сопротивлением, служит причиной понижения температуры кипения. Уменьшение циркуляции хладоносителя из-за значительного засорения трубопроводов, фильтров, выхода из строя насосов, мешалок или их электродвигателей также понижает температуру кипения.

Повышенная температура конденсации**.

Повышенная температура конденсации приводит к уменьшению холодопроизводительности установки, увеличению потребляемой мощности и снижению технико-экономических показателей ее работы.

Температура конденсации является самоустанавливающимся параметром. Величина температуры конденсации, при которой происходит самоустановление, зависит от производительности включенных компрессоров, теплопередающих свойств конденсатора и средней температуры охлаждающей среды. Снижение повышенной температуры конденсации может быть осуществлено способами, описанными выше. В некоторых случаях для снижения температуры конденсации у холодильной установки с воздушными конденсаторами при высоких температурах воздуха целесообразно производить разбрызгивание воды.

Повышенная температура конденсации при оборотном водоснабжении может быть вызвана неудовлетворительной работой водоохладительного устройства (градирни). Мероприятия, направленные на улучшение его работы, сводятся к увеличению подачи циркулирующей воды и улучшению ее распределения, а также к увеличению количества воздуха, проходящего через градирню.

Повышение давления конденсации может быть вызвано ухудшением теплопередачи в конденсаторах в результате:

исключения из активного теплообмена части поверхности конденсаторов из-за их переполнения жидким хладагентом (недостаточная емкость линейных ресиверов, переполнение системы или малая подача в испарительную систему);

наличия в конденсаторе неконденсирующихся примесей (воздух и продукты разложения масла);

уменьшения поверхности конденсаторов, по причине неправильно проведенного ремонта прохудившихся труб (заглушение их вместо замены новыми);

ухудшения теплообмена в связи с загрязнением поверхности труб водяным камнем, отложением ила, водорослей;

ухудшения распределения охлаждающей воды из-за загрязнения форсунок и распределителей у вертикальных, оросительных н испарительных конденсаторов.

В автоматизированных холодильных установках повышенное давление конденсации может быть вызвано дефектами работы водорегуляторов.

Повышенная температура пара после его сжатия в компрессоре.

Превышение действительной температуры нагнетаемого пара по сравнению с ее оптимальными значениями может явиться следствием повышенного перегрева*** всасываемого пара, чрезмерного понижения температуры кипения, плохого охлаждения и неисправностей компрессора, наличия в системе неконденсирующихся газов. Повышенный перегрев пара на всасывании зависит от недостаточной подачи хладагента в систему, большой протяженности всасывающих трубопроводов и плохого качества их теплоизоляции.

Наиболее часто встречаются следующие неисправности компрессора, вызывающие повышенную температуру нагнетания:

значительный износ цилиндра компрессора, вызывающий большой пропуск пара через поршневые кольца, а также неплотности нагнетательных или всасывающих клапанов;

недостаточная подача воды в охлаждающую рубашку компрессора или отложение водяного камня на его стенках, ухудшающее теплообмен через стенки рубашки;

нарушение смазки поверхности цилиндра и разогрев ее из-за повышенного трения поршневых колец о его стенки.

У компрессоров с обильной циркуляционной смазкой (винтовые и ротационные) температура пара после его сжатия зависит не столько от температуры всасываемого пара, сколько от температуры и количества впрыскиваемого масла.

Влажный ход компрессора.

Влажный ход компрессора происходит при сжатии влажного пара. Это одна из наиболее опасных ненормальностей работы холодильных установок.

Температура жидкого хладагента при сжатии не повышается, поэтому происходит сильное охлаждение сжимаемой смеси, а также цилиндров и всей группы движения компрессора.

Признаки влажного хода компрессора:

отсутствие перегрева всасываемого пара;

снижение температуры нагнетаемого пара;

изменение звука работающего компрессора: звонкий стук клапанов переходит в глухой и в цилиндре появляются стуки;

обмерзание цилиндров и картера компрессора.

Основные причины, вызывающие попадание в компрессор влажного пара:

избыточная подача жидкого хладагента в испарительную систему;

вскипание жидкости в затопленных испарителях при резком снижении в них давления или при резком повышении тепловой нагрузки;

конденсация пара во всасывающем трубопроводе при длительной стоянке или низкой температуре воздуха и плохой теплоизоляции трубопровода.

Наличие мешков во всасывающих трубопроводах повышает опасность, при скапливании в них жидкого хладагента и масла в компрессор может попасть большая порция жидкости, приводящая к гидравлическому удару.

При возникновении влажного хода немедленно закрывают всасывающий вентиль компрессора и прекращают подачу жидкого хладагента в испарительную систему. Приоткрывать всасывающий вентиль следует так, чтобы в компрессоре не было стуков. Если в компрессор попало значительное количество жидкого хладагента и компрессор сильно обмерз, то в некоторых случаях целесообразно приоткрыть байпас, соединяющий всасывающую и нагнетательную линии. В этом случае в цилиндры будет поступать пар с более высокой температурой, чем из всасывающего трубопровода, и компрессор может быть быстрее приведен в рабочее состояние. Закрывать нагнетательный вентиль в этом случае категорически запрещается.

Фото 1. Фрагмент варианта внешнего вида фреоновой промышленной холодильной установки
на винтовом компрессоре «Bitzer» (Германия): (холодопроизводительность Q₀ = 229 кВт при температуре кипения t₀ = +5 °С и температуре конденсации t_к = 45 °С)

Изменение температуры кипения на 1°С в среднем приводит к изменению холодопроизводительности компрессора на 4-5%, изменению потребляемой мощности на 2% и изменению удельного расхода электроэнергии на 2-3%.

Температурный напор, т. е. разность между температурой воздуха в охлаждаемом объекте и температурой кипения или хладоносителя, принимается в пределах 7-10 °C. Однако в некоторых случаях экономически оправданными являются как напоры 5 °С (камеры для фруктов), так и 12-20 °С (судовые и бытовые установки). Для испарителей, в которых производится охлаждение жидкостей, разность между средней температурой охлаждаемой жидкости и температурой кипения принимается в пределах 4-6 °С. Наиболее целесообразным с экономической точки зрения является температурный напор для аммиачных испарителей 3-4 °С, для фреоновых 4-5 °С [1].

** Температура конденсации. Температура конденсации tк определяется по температурной шкале манометра, измеряющего давление в конденсаторе.

Увеличение температуры конденсации на 1 °С приводит к снижению холодопроизводительности на 1-2%, увеличению мощности на 1-1,5% и возрастанию удельного расхода электроэнергии на 2-2,5%.

Разность между температурой конденсации и средней температурой воды принимается в пределах 4-6 °С, что соответствует температуре конденсации на 2-4 °С, превышающей температуру отходящей из конденсатора воды. Имеется тенденция к снижению температурного перепада; в аммиачных кожухотрубных конденсаторах этот перепад следует принимать равным от 2 до 3 °С.

Нагрев воздуха в воздушных конденсаторах принимается равным 5-6 °С, а температурный перепад в пределах от 6 до 9 °С. Меньшее значение этого перепада соответствует большей стоимости электроэнергии, и наоборот.

*** Во фреоновых холодильных установках, оборудованных теплообменниками, перегрев пара на всасывающей стороне находится в пределах от 10 до 45 °С. Для низкотемпературных холодильных установок, снабженных несколькими теплообменниками, этот перегрев может быть значительно выше. Перегрев пара хладагента в испарителе в большинстве случаев нежелателен, однако в испарителях с ТРВ (в малых холодильных машинах) устанавливается минимальный перегрев, необходимый для работы ТРВ (3-4 °С) [1].

1. Эксплуатация холодильников. Быков А.В. Изд-во «Пищевая промышленность», 1977 г.

Источник

Зависимость холодопроизводительности компрессора от температуры кипения фреона

При температуре воды на выходе из установки, равной +15°С, и как следствие температуре кипения фреона +10°С, (температуру окружающей среды принимаем +30°С, из чего получаем температуру конденсации +45°С), ее холодопроизводительность составит 19 кВт.

Теперь мы понижаем температуру воды на выходе из чиллера, например до +5°С (Т_oа=0°С), а остальные параметры остаются неизменными (температура окружающей среды +30°С, температура конденсации +45°С) и получаем холодопроизводительность уже 12 кВт.

Почему же так выходит?

При понижении температуры кипения до t_oa (0°С), получаем диаграмму 1а-2а-3-4а, удельная массовая холодопроизводительность, как видно из диаграммы, уменьшается, но не значительно (Q_oa = i1a»- i4a).

Это объясняется тем, что при дросселировании, в нашем случае проходя через ТРВ, до более низкого давления р_oa (процесс 3 — 4а) хладагент поступает в испаритель с большим содержанием пара (Х4a>Х4). Удельная работа сжатия компрессора с понижением температуры кипения увеличивается (la = i2a-i1a).

При этом уменьшается удельная массовая холодопроизводительность компрессора (q_0км = i1 — i4) и повышается температура сжатия паров фреона в компрессоре (t2a> t2).

С понижением температуры и давления кипения значительно увеличивается удельный объем всасываемого пара (V_1а > V₁), что приводит к существенному уменьшению удельной объемной холодопроизводительности компрессора q_vкм.

Вывод: с понижением температуры кипения (понижением температуры воды) — увеличивается «объем работы компрессора», которую выполняет компрессор, поэтому падает холодопроизводительность (см. график. Добавляется зеленая площадь).

В нашем случае, при понижении температуры кипения на 10°С градусов, холодопроизводительность чиллера снижается с 19 до 12 кВт, т.е. уменьшается на

К аналогичным последствиям приводит повышение температуры конденсации и соответственно давления конденсации. Кроме того, увеличивается нагрев компрессора и потребление электроэнергии. Однако, если снижение температуры кипения на 1°С уменьшает холодопроизводительность машины на 3 … 5%, то повышение температуры конденсации на 1°С снижает его всего на 1 … 2% (в зависимости от типа холодильной машины и условий ее работы).

На практике, для корректного подбора чиллера необходимо не только знать требуемую тепловую нагрузку (или массовый расход жидкости и её разность температур на входе и выходе из вашего оборудования), но и требуемую температуру жидкости. Так, например если нам надо отводить 12 кВт тепла при температуре жидкости +5°С, то мы выберем чиллер марки ВМТ-16, а если технология позволяет отводить тоже количества тепла (12 кВт), только при температуре воды +15°С, то мы уже можем взять установку охлаждения жидкости ВМТ-10 (Q₀=13 кВт, при Т_жид=+15°С), что позволит нам разово сэкономить при покупке чиллера

20…25%, а также постоянно экономить на электроэнергии

Важен ли расход воды в чиллере и оборудовании?

Величина скорости теплоносителя влияет на коэффициент теплоотдачи. При увеличении расхода воды на 25% увеличивается запас площади поверхности теплообменника на 8,2%. Улучшается теплосъем с охлаждаемого оборудования за счет большего расхода воды.

Источник

Пособие для ремонтника

Соотношение между температурой и давлением является одним из основных факторов, определяющих состояние хладагента как в испарителе, так и в конденсаторе, а также в обычной емкости с хладагентом. Ниже приведены более подробные объяснения влияния температуры и давления на состояние хладагента.*

А) Кипение воды при понижении давления
Мы знаем, что для начала процесса кипения воды при атмосферном давлении достаточно нагреть ее до 100°С. Вместе с тем, при вакуумировании холодильного контура с целью его обезвоживания, вода, которая может находиться в контуре, имеет температуру окружающей среды, то есть гораздо ниже 100°С.

С помощью простого опыта, схема которого приведена на рис. 1.1, можно показать действие вакуумирования на процесс закипания воды.
Пусть прозрачная емкость с водой, например, при температуре 30°С, соединена с атмосферой, то есть находится при атмосферном давлении. Видно, что вода непо-
Атмосферное давление

движна и не кипит. Однако, при подключении емкости к мощному вакуумному насосу, после начала вакуумирования можно заметить, что вода начинает закипать, хотя ее температура составляет только 30°С.
Это явление может быть объяснено следующим образом:
Поверхность воды находится под действием двух сопряженных сил, которые направлены друг против друга (см. рис 1.2).
► Первая сила Fi — внутренняя сила жидкости, направленная снизу вверх и стремящаяся вытеснить воду из сосуда.
► Вторая сила Fe — внешняя сила, которая, напротив, стремиться удержать воду внутри сосуда.

До тех пор, пока противоположно направленные силы Fi и Fe уравновешены, они взаимно нейтрализуются и в сосуде ничего не происходит.
Ф
* Модель процесса кипения, приведенная автором, не является строго научной, но помогает в доступной форме объяснить процессы кипения и конденсации (прим. ред.).

Вакуумирование вызывает кипение воды
Вакуумирование понижает давление над жидкостью и тем самым уменьшает силу Fe. Следовательно, когда в результате вакуумирования сила Fe становится меньше силы Fi, вода не может оставаться внутри сосуда и начинает выходить из него в виде пара: вода кипит (испаряется).
Подогрев воды также вызывает ее кипение
Поскольку подогрев увеличивает внутреннюю силу Fi, действующую в жидкости.
Когда в результате подогрева сила Fi становится больше силы Fe, внешная сила больше не может удерживать воду в сосуде и поэтому начинается ее кипение.

Итак, чтобы вызвать кипение жидкости достаточно либо повысить внутреннюю силу (подогревая жидкость), либо понизить внешнее давление над ее свободной поверхностью (вакуумируя сосуд).
Б) Как вызвать кипение воды, поливая сосуд холодной водой
В предыдущем эксперименте мы вскипятили воду, вакуумируя сосуд и нарушая тем самым равновесие между силами Fe и Fi.
Когда вода полностью закипит, закроем изолирующий вентиль сосуда на выходе из него (см. рис. 1.3). Кипение полностью прекращается.
Это объясняется тем, что молекулы пара, образующиеся в процессе кипения жидкости, скапливаясь над ее поверхностью, увеличивают давление в сосуде.
Рис. 1.3.
Когда давление становится достаточным для установления нового состояния равновесия между силами Fe и Fi, кипение сразу же останавливается.
Однако, будучи прекращенным, кипение начинается с новой силой, если сосуд поливать холодной водой!

Это явление, на первый взгляд крайне парадоксальное, объясняется тем, что небольшая масса водяных паров, содержащихся в емкости, охлаждается значительно быстрее, чем большая масса воды.
В результате пары воды сжимаются быстрее, чем жидкость, и внешняя сила Fe (действующая в паровой фазе) уменьшается быстрее, чем внутренняя сила Fi (действующая в жидкости).
Когда сила Fe становится меньше силы Fi равновесие нарушается и кипение возобновляется (этот легко осуществимый эксперимент, который позволил автору выиграть множество пари, может быть поставлен с помощью прибора, известного под названием колбы Франклина).
В) Разница в удельной массе жидкости и ее пара
Говоря об удельной массе тела, укажем, что под этим понятием подразумевается масса единицы объема данного тела (например, мы знаем, что 1 литр воды имеет массу 1 килограмм).
Один литр жидкого R22 при температуре 20°С имеет массу около 1,2 кг, однако 1 литр паров R22, при той же температуре и атмосферном давлении, имеет массу порядка 0,038 кг. то есть в 1,2/0,038 = 31 раз меньшую.

Поэтому диаметр жидкостных линий в холодильных контурах всегда меньше, чем диаметр патрубков нагнетания, хотя давления в этих двух магистралях почти одинаковы.

Г) Соотношение между давлением и температурой
Холодильные манометры, которые мы обычно используем, показывают соотношение между давлением паров и температурой для трех типов хладагентов, наиболее часто используемых в последние годы (R12, R22 и R502). Однако, в дальнейшем, мы будем должны все больше и больше привыкать к новым хладагентам (R134a, R404A, R407C, R410A и т.п.).
С целью закрепления’ наших знаний в области поведения хладагентов при разных температурах рассмотрим рис 1.5 и попробуем представить, что происходит внутри сосуда, содержащего R22 в жидкой фазе, когда его температура растет.

В первом сосуде жидкий R22 находится при температуре 20°С и манометр показывает, что давление в емкости составляет 8 бар.
Если температура возрастает, небольшое количество жидкости испаряется, а сама жидкость при этом расширяется что приводит к повышению уровня жидкости в сосуде и небольшому снижению объема паров.
Однако, принимая во внимание то, что для размещения объема паров, образовавшихся в результате выкипания некоторого объема жидкости, требуется пространство, примерно в 30 раз большее, чем объем, который занимала испарившаяся жидкость, пары в сосуде сжимаются и давление в нем повышается по мере того, как растет температура.
Поэтому во втором сосуде, температура которого составляет 27°С, манометр показывает давление 10 бар.
Если температура продолжает расти и доходит, например, до 34°С, количество паров увеличивается гораздо быстрее по сравнению с повышением уровня жидкости, и давление достигает 12,2 бар.
Таким образом, при росте температуры жидкости внутренняя сила Fi увеличивается, что приводит к испарению определенного количества жидкости.
Высвобождающийся за счет этого объем оказывается слишком малым для образовавшегося количества паров, происходит их сжатие, давление растет, одновременно растет внешняя сила Fe, и так до тех пор, пока не установится равновесие сил Fi и Fe.
Итак, в замкнутом сосуде состояние смеси паров с порождающей их Ч^^ жидкостью (их называют насыщенными парами или парожидкостной смесью в состоянии насыщения) подчиняется очень точному соотношению (зависящему от природы жидкости) между температурой жидкости и давлением насыщенных паров.

1.2. УПРАЖНЕНИЕ
Пусть две емкости, содержащие смесь жидкости и пара хладагента R22, находятся при одной и той же температуре, равной 20°С.
В первой емкости высота (следовательно, и объем) жидкости в 4 раза больше, чем во второй.
Зная, что в первой емкости давление составляет 8 бар, определить, какое давление покажет манометр, соединенный со второй емкостью?

Решение
Внутренняя сила Fi в жидкости зависит только от температуры и природы жидкости (R22, R134A, R404A, R407C, R410A, и т.п.). Она совершенно не зависит от количества (уровня) жидкости в емкости.

При одной и той же температуре устанавливается равновесие, следовательно давление абсолютно не зависит от количества жидкости.

*\Для того, чтобы смогло реализоваться соотношение между давлением насыщенного пара и температурой, достаточно одной молекулы жидкости, находящейся при данной температуре в контакте с паровой фазой (см. рис. 1.7).

В соответствии с этим, давление в любом сосуде, содержащем R22 в жидком состоянии при температуре 20СС, будет равно 8 барам независимо от уровня жидкости.

Заметим, что давление совершенно не зависит от уровня жидкости и определяется только ее температурой (иначе как можно было бы градуировать холодильные манометры по температуре?).

С быстрым распространением новых хладагентов следует говорить скорее о температуре, чем о давлении в контуре. Тогда ваши выводы и рассуждения не будут зависеть от используемого хладагента и вы получите значительный выигрыш во времени!

Соотношение между температурой и давлением является одним из основных факторов, определяющих состояние хладагента как в испарителе, так и в конденсаторе, а также в обычной емкости с хладагентом. Ниже приведены более подробные объяснения влияния температуры и давления на состояние хладагента.*
А) Кипение воды при понижении давления
Мы знаем, что для начала процесса кипения воды при атмосферном давлении достаточно нагреть ее до 100°С. Вместе с тем, при вакуумировании холодильного контура с целью его обезвоживания, вода, которая может находиться в контуре, имеет температуру окружающей среды, то есть гораздо ниже 100°С.

Источник