для чего нужен ресивер в холодильной установке
Какова роль ресивера в холодильном контуре?
Не принимая во внимание потери давления во всасывающей магистрали компрессора, можно считать, что полный температурный напор на испарителе:
Допустим, температура в термобаллоне ТРВ составляет 13 С, это означает, что установка работает на перегрев 7 К. Когда термостат начинает запускать компрессор, воздух на входе в испаритель слишком горячий. Из этого следует, что процесс кипения в испарителе проходит интенсивно и для поддержания перегрева на уровне 7 К необходимо сильно открыть ТРВ.
Если ТРВ сильно открыт, то массовый расход хладагента и давление кипения высокие. Полагается, что холодопроизводительность хорошая, в том случае, когда в испарителе находится много жидкого хладагента. Рассмотрим эту же установку, но спустя некоторое время, когда температура на входе в испаритель снизится до 21 С, и проследим за тем, как изменились значения ее основных параметров.
Так как температура воздуха на входе в испаритель снизилась на 4 С, то для поддержания постоянного перегрева газа потребуется более длинный участок трубопровода. Это значит, что ТРВ должен обязательно закрываться.
Для поддержания постоянного перегрева 7 К, ТРВ должен быть открытым меньше, чем при температуре воздуха 25 С (рис.16.2).
В данном случае терморегулирующий вентиль закрыт сильнее, что по сравнению с предыдущим примером означает уменьшение давления кипения и массового расхода хладагента. Поскольку в испарителе находится меньше жидкости, холодопроизводительность снижается. Уменьшение жидкости в испарителе приводит к ее увеличению в ресивере и конденсаторе.
При относительно стабильном давлении конденсации, полный температурный напор на испарителе остается на уровне 19 К, в то время как температура кипения составляет 21-19=2 С. Поскольку регулировка ТРВ произведена таким образом, чтобы поддерживать перегрев на уровне 7 К, а кипение происходит при 2 С, то температура термобаллона ТРВ будет равна 2+7=9 С.
Итак, мы видим, что в установке с ТРВ, чем сильнее падает температура на входе в испаритель, тем больше перекрывается сам ТРВ, уменьшая массовый расход и холодопроизводительность. Вместе с этим в испарителе становится все меньше жидкости, а в ресивере ее уровень увеличивается.
Основное назначение ресивера это компенсировать колебания массового расхода жидкости, которые вызваны реакцией ТРВ на перемены в тепловой нагрузке.
Недостаточная емкость жидкостного ресивера
С этого периода объем жидкости внутри конденсатора начнет увеличиваться, снижая поверхность теплообмена и увеличивая давление конденсации. Все это сопровождается признаками чрезмерной заправки контура.
Если емкость жидкостного ресивера слишком мала и заправку хладагента производят при низкой температуре окружающей среды, то наблюдаются признаки нехватки хладагента в контуре при повышении температуры окружающей среды.
Перед разработчиками холодильного оборудования всегда стоит задача выбора подходящего ресивера. Необходимо чтобы его объем позволял вместить весь хладагент, который заправляется в установку, что существенно упростит обслуживание ресивера. Таким образом, ремонтник, предварительно перекрыв вентиль на жидкостном ресивере, может произвести вакуумирование с помощью компрессора жидкостной и всасывающей магистрали, а также испарителя, собрав всю жидкость в жидкостном ресивере и конденсаторе.
Как работает холодильное оборудование?
Содержание
Содержание
Вы никогда не задумывались, почему в холодильнике — холодно, и что общего у морозильного шкафа и кондиционера? В этом материале разбираемся, как работает холодильное оборудование.
Замечали, что, когда вы выходите из душа, вам всегда прохладно? Дело в том, что влага при испарении поглощает тепло. А при конденсации, наоборот, тепло выделяется. На этих явлениях и основан принцип действия паровых компрессорных холодильных машин– в них по замкнутому кругу двигается специальная жидкость (хладагент). Хладагент испаряется в испарителе и конденсируется в конденсаторе. При этом испаритель охлаждается, а конденсатор греется.
Чтобы хладагент испарялся и конденсировался в нужных местах, в холодильном контуре должны присутствовать еще два элемента – компрессор и дросселирующее устройство.
Компрессор сжимает газообразный хладагент в конденсаторе, где он под действием высокого давления переходит в жидкую форму, выделяя тепло. А дросселирующее устройство (капиллярная трубка или терморегулирующий вентиль) затрудняет движение хладагента и поддерживает высокое давление в конденсаторе. После дросселя давление в контуре намного ниже, и попавший туда хладагент начинает испаряться внутри испарителя, поглощая тепло. Далее он, уже в газообразном виде, снова попадает в компрессор, и цикл повторяется.
Многие холодильные установки комплектуются дополнительными элементами.
Фильтр-осушитель устанавливается перед дросселирующим устройством. Его задачей является извлечение из хладагента воды и механических частиц. При его отсутствии капилляр может засориться или замерзнуть.
Терморегулятор (термостат) выключает компрессор при достижении необходимой температуры.
Ресивер повышает эффективность холодильной установки. Без терморегулирущего вентиля (с капиллярной трубкой) скорость выработки холода является постоянной. И, если она будет слишком большой, компрессор будет часто включаться–выключаться, а если слишком маленькой — охлаждение будет идти слишком долго. Использование ТРВ позволяет изменять скорость охлаждения в больших пределах, но требует наличия ресивера для компенсирования колебаний расхода хладагента.
Различные датчики температуры и давления, управляемые электроникой регуляторы давления и клапаны используются для повышения эффективности устройства и поддержания специфических режимов работы.
Из холода в жар
Чаще всего холодильная машина используется именно для охлаждения — испаритель расположен в охлаждаемом объеме, а конденсатор вынесен в окружающую среду. Так работают кондиционеры, холодильники и морозильники. Но холодильный контур не только поглощает тепло на испарителе, но и выделяет его на конденсаторе. Нельзя ли использовать холодильную машину «наоборот» — для обогрева, расположив конденсатор в обогреваемом помещении, а испаритель вынеся наружу?
Еще как можно. Холодильная машина использует электроэнергию не для непосредственного нагрева (как ТЭН), а для переноса тепла, поэтому эффективность ее выше, чем у обычного электронагревателя. Многие современные кондиционеры могут работать «наоборот», используя теплообменник внутреннего блока как конденсатор, а теплообменник внешнего блока – как испаритель. В таком режиме на 1 кВт потребленной мощности кондиционер может произвести 2–6 кВт тепла. Греть комнату кондиционером может быть значительно выгоднее, чем электрообогревателем!
В местах с более холодным климатом в последнее время все большую популярность получают тепловые насосы – паровые компрессорные холодильные машины, у которых испаритель помещен под землю на глубину, большую глубины промерзания. Поскольку там всегда сохраняется положительная температура, эффективность теплового насоса не зависит от времени года. Такие устройства намного экономичнее электрических обогревателей и могут использоваться для отопления жилища круглый год при любой температуре. К сожалению, высокая стоимость тепловых насосов пока препятствует их популярности.
Виды компрессоров
Поршневые компрессоры устанавливаются в основном в холодильниках и морозильниках. В большинстве моделей поршень приводится в движение обычным электродвигателем, двигающим поршень через шатунно-кривошипный, кулачковый или кулисный механизм.
Существуют также электромагнитные (линейные) поршневые компрессоры. В них цилиндр расположен внутри катушки, создающей электромагнитное поле, которое приводит в движение поршень.
Поршневые компрессоры способны создавать высокое давление, обеспечивая большой перепад температур на испарителе и конденсаторе. Кроме того, обычный поршневой компрессор имеет достаточно простую конструкцию, не требующую высокой точности изготовления деталей, соответственно стоят они недорого. Однако недостатков у поршневых компрессоров тоже хватает:
Поэтому поршневой компрессор можно повторно запускать только через несколько минут после остановки, когда давление в системе выровняется. Защитой от повторного пуска снабжены далеко не все модели, поэтому холодильное оборудование рекомендуется подключать через реле времени с задержкой включения в 5–10 минут.
Ротационные компрессоры (иногда называемые роторными) создают давление за счет изменяющегося зазора между вращающимся ротором и корпусом компрессора.
Существуют различные модификации этого вида компрессоров — с эксцентричным ротором, с подвижными лепестками, с качающимся ротором, спиральный и т. п.
Все они обладают небольшими габаритами, низким уровнем шума и увеличенным ресурсом за счет снижения количества подвижных деталей. К недостаткам этого вида можно отнести сложность изготовления (ротор и корпус должны быть изготовлены с высокой точностью) и низкое максимальное давление. Такие компрессоры чаще используются в климатической технике, для которой не требуется создавать очень низкую температуру.
Ротационными и поршневыми список компрессоров не исчерпывается — существуют еще центробежные, винтовые, кулачковые и другие. Но в бытовой технике они используются реже.
Вне зависимости от вида компрессор может быть неинверторным (стандартным) или инверторным. У обычных компрессоров скорость вращения двигателя постоянна, для поддержания заданной температуры он периодически включается и выключается. В инверторных компрессорах двигатель подключен через частотный преобразователь (инвертор), с помощью изменения частоты напряжения меняющий скорость вращения электродвигателя. Такой компрессор поддерживает заданную температуру выставлением нужной скорости вращения. Инверторные компрессоры дороже, но экономичнее, эффективнее и имеют больший ресурс.
Типы хладагентов
Чем ниже температура кипения хладагента, тем более низкую температуру можно получить на испарителе холодильной машины. Однако, понизить температуру в морозильнике, просто поменяв фреон на более «холодный», скорее всего, не выйдет — хладагенты с низкой температурой кипения требуют большего давления для конденсации. Компрессор, рассчитанный на фреон с высокой температурой кипения, просто не сможет создать такое давление. Поэтому при замене хладагента следует придерживаться рекомендаций из инструкции, и не заправлять хладагент с характеристиками, сильно отличающимися от рекомендованных.
В бытовых устройствах чаще всего используются следующие хладагенты:
Фреон R22 (хладон 22, хлордифторметан) до недавних пор часто использовался в холодильных и морозильных установках. Обладает достаточно низкой температурой кипения (-40,8°С), при утечке возможна дозаправка системы. Однако из-за вреда, наносимого окружающей среде (разрушение озонового слоя) R22 в последнее время используется редко, а во многих странах вообще запрещен.
R600a (изобутан) все чаще используется в холодильной технике вместо менее экологичного R134. Его преимуществами являются низкое давление конденсации и высокая удельная теплота парообразования – холодильники, использующие этот фреон, дешевле и экономичнее. Однако из-за высокой температуры кипения (-12°С) заправленную им технику нельзя использовать на улице при отрицательных температурах.
Следует также помнить о том, что каждый тип фреона требует использования определенного вида масла для смазки деталей компрессора. Обычно тип (а иногда и марка масла) приводятся в сопроводительной документации к фреону. Использование других масел может привести к поломке компрессора.
Как видно, ничего сложного в холодильной технике нет, а понимание принципов ее работы может значительно продлить жизнь технике, позволить сэкономить на электроэнергии и уберечь от неправильных действий, могущих привести к поломке прибора.
Выбираем жидкостной ресивер и определяем количество хладагента в установке
Производим расчет хладагента необходимый для заправки установки
Общее число хладагента в установке М определяется следующим образом:
М= Ʃ i =1 n V i (ϕ i ∙ ρ Fi +(1- ϕ i ) ∙ ρ Di ) (2),
I – порядковый номер n частей установки;
Значение плотности выбирают с учетом температуры и давления хладагента из таблиц свойств пара или из диаграмм свойств применяемого хладагента. Чтобы произвести оценку достаточно основываться только по объему жидких составляющих. Коэффициенты ϕ i частей, заполненных паром или жидкостью будут равны следующим значениям:
Жидкостной трубопровод (от конденсатора до расширительного устройства)
Всасывающий трубопровод (от испарителя до компрессора)
Нагнетательный трубопровод (от компрессора до конденсатора)
В испарителе и конденсаторе находится как пар, так и жидкость. Для них имеются опытные величины, которые зависят от конструктивных особенностей и уровня тепловых нагрузок.
Максимальная тепловая нагрузка
Минимальная тепловая нагрузка
Теплообменники водяного охлаждения
Пластинчатый испаритель (подача охлаждаемой среды снизу)
Кожухотрубный испаритель (внутритрубное кипение)
Кожухотрубный конденсатор (межтрубная конденсация)
Следует также учитывать размеры ресивера, поскольку они зависят от схемы холодильного контура. Таким образом, количество хладагента определяют без учета ресивера.
Имеющие сложную конструкцию установки с промежуточными регенеративными теплообменниками, системами регулирования производительности компрессоров, отделителями жидкости рассматривают таким же образом.
Собирают данные объема по отдельным участкам установки, определяют коэффициенты заполнения и данные подставляют в формулу (2). Во время стоянки оборудования накопление хладагента происходит в наиболее холодных частях. Если речь идет о теплообменниках воздушного охлаждения, то это будут открытые части установки. Коэффициент заполнения для этих частей контура будет иметь следующие значения:
Нагнетательный трубопровод от регулятора давления до конденсатора
Нагнетательный трубопровод без регулятора давления
Величины, полученные для установок, функционирующих в разных режимах, в том числе и при стоянке, следует сравнить. Максимальная из них М макс будет равной требуемому количеству хладагента без ресивера.
Объем ресивера
Основное назначение ресивера — это предотвращение сбоев в работе холодильной установки, которые могут возникнуть по причине тепловой нагрузки и из-за воздействия температуры окружающей среды. Необходимо предварительно выяснить будет ли использоваться ресивер для приема всего объема хладагента, имеющегося в установке во время ремонтных работ или же для компенсации изменений в результате различных условий эксплуатации (изменение температуры окружающей среды, частичная нагрузка).
Промежуточным решением в данной ситуации могут послужить установки с системой регулирования давления конденсации и магистралью перепуска пара высокого давления, минуя конденсатор. Основная задача – это использовать как можно меньший по объему ресивер, с целью снизить количество хладагента в системе. Вместе с этим мы уменьшим затраты на его приобретение и вероятность экологического вреда в случае аварии. Если ресивер окажется слишком большим, то это не создаст трудностей в работе установки, но потребует значительных затрат на его приобретение и заправку хладагентом. Малый ресивер может вывести из строя установку.
После определения количества хладагента, за исключением ресивера, следует приступить к расчету его объема.
Установки с конденсаторами водяного охлаждения и охладителями жидкости довольно компактны. Необходимое количество хладагента указано в прилагающейся к ним документации. Из-за небольшой длины трубопроводов перемещение в них холодильного агента во время остановки компрессора не может достигнуть критических пределов. Таким образом, в агрегатах данного типа используют ресиверы небольшого размера или их вовсе не устанавливают.
В силу определенных обстоятельств холодильные установки с теплообменниками воздушного охлаждения используют без ресивера. Их оснащают конденсатором с резервной производительностью или же считают, что на протяжении всего периода работа установки будет стабильной. Но в этом случае необходимо точно расчитать количество хладагента для данной системы.
Если в установке предусмотрен пластинчатый конденсатор, имеющий небольшой внутренний объем относительно своей производительности, то необходимо предусмотреть буферный объем (расширение трубопровода после конденсатора). Следует указать наименьшую и наибольшую рабочую температуру, а также определить разницу объемов, за исключением газонаполненных секций:
∆ V= Ʃ n i=1 =1 ViφilρFmax-ρFminliρFрасчетная (3)
Чтобы учесть допуски заполнения объема компенсационного ресивера берут двойное значение от рассчитанной разницы объемов:
Если речь идет о компактных холодильных установках, оборудованных конденсатором воздушного охлаждения, который расположен непосредственно возле компрессорно-конденсаторного агрегата, то длина жидкостной магистрали и трубопровода нагнетания не будет превышать 5 м. Это же касается и установки с малым компенсационным ресивером, объем которого исчисляется по формулам (3) и (4). В некоторых случаях считается, что объем компенсационного ресивера прямопропорционален степени удаленности конденсатора от испарителя.
Если запуск установки производится при низких температурах воздуха, то в жидкостном трубопроводе и компенсационном ресивере будет находится только пар. И понадобится много времени, чтобы эти части заполнились жидкостью. В это время давление всасывания будет малым для того, чтобы установка начала нормально функционировать. В этот период важно проследить за тем, чтобы клапан регулятора давления на всасывании был обязательно перекрыт. Этот период должен быть как можно короче, поскольку в этот период компрессор маслом не будет обеспечиваться. Решить данную проблему можно. Для этого необходимо регулировать давление в конденсаторе при помощи воздушного потока, который будет направлен на конденсатор. Скорость вентилятора и расход воздуха регулируются при помощи механических дефлекторов. Эти методы используются целью создания высокого давления конденсации как можно в более сжатые сроки.
Необходимый объем ресивера будет зависеть от выбранного способа регулирования давления конденсации. Основным критерием выбора между малым и большим компенсационным ресивером является допустимая продолжительность времени перекрытия регулятора давления на всасывании.
Согласно формул (3) и (4) определяют объем компенсационного ресивера. Пусковой период сокращается если установлен ресивер большого объема. Период пуска будет максимально коротким, если расчет ресивера производился согласно схеме установки регулирования давления в конденсаторе с помощью регуляторов давления. Если его используют с применением магистрали перепуска в обход конденсатора, то следует сохранять 10-15% остаточного заполнения, чтобы при понижении температуры окружающей среды пуск установки был надежным. При этом коэффициент заполнения ϕ ресивера будет равен следующим значениям:
Ресивер с резервуаром допустимых изменений количества хладагента
Ресивер с остаточным заполнением, который не используют для приема всего объема хладагента
Предположим, что используемый нами ресивер, способен компенсировать только разницу объемов во время работы установки. Он должен вмещать 10% объема остаточного заполнения (аналогично уже рассмотренному случаю), но не использоваться для приема всего хладагента. При данном режиме эксплуатации заполнение хладагентом должно составлять 100%, поэтому его нельзя перекрывать относительно конденсатора. Определяют объем такого ресивера по формуле:
Vpec = Mмакс-Ммин0,9ρ Fрасч (5),
Ммакс – максимальное расчетное количество хладагента, кг;
Ммин – минимальное расчетное количество хладагента, кг;
М общ =М макс + V * pec (ϕ рес х ρ F 20 +(1- ϕ рес )х ρ D 20 ) (6),
ρ F 20 – плотность жидкого хладагента при температуре 20С;
ρ D 20 – плотность хладагента, находящегося в парообразном состоянии при температуре 20С;
V * pec – рабочий объем ресивера по каталогу.
Ресивер с остаточным заполнением, используемый для принятия всего объема хладагента
Чаще всего используемые на практике ресиверы способны вмещать в себя весь объем хладагента, который заправляется в систему. Они могут перекрываться на входе (со стороны конденсатора) и на выходе (со стороны испарителя). В таких ресиверах предусматривают следующее:
— остаточное заполнение жидким хладагентом остается на уровне 10-15% от полного объема (установка работает на максимальную производительность);
— газовую подушку, которая равна 10% от полного объема (установка выключена и хладагент находится в ресивере). Количество хладагента, находящегося в системе, определяется следующим образом:
М=М макс +V треб х (ϕ х ρ F мин +(1- ϕ)х ρ D мин ) (7),
ρ F мин – плотность жидкого хладагента при минимальной температуре окружающей среды, кг/м 3 ;
ρ D мин – плотность парообразного хладагента при минимальной температуре окружающей среды, кг/м 3 ;
М – текущее значение количества хладагента, кг.
В результате для требования по вмещению газовой подушки будет справедливо следующее равенство:
0,9V треб = Mρ F20 (8)
Далее значение М из формулы (7) подставляем в формулу (8) и получаем следующее:
V треб = Mмакс0,9ρ F20-ϕ х ρ Fмин+(1- ϕ)х ρDмин
Далее подбираем объем ресивера по каталогу и завершаем расчет хладагента по формуле (6).
Если на входе и выходе ресивер оборудован запорными вентилями, то необходимо устанавливать дополнительные перепускные устройства, которые не допустят превышение избыточного давления жидкости.
Мы рассмотрели алгоритмы, позволяющие рассчитать не только внутренний объем ресивера, но и определить необходимое число хладагента, с учетом его миграции при выключении компрессора в участок холодильного контура, который расположен за пределами корпуса установки. Если согласно расчетам окажется, что потребное количество хладагента во время стоянки будет больше необходимого в рабочем режиме, то устанавливают ресивер способный вмещать избыток хладагента. Ресивер, имеющий регуляторы давления в конденсаторе, должен быть заполнен хладагентом минимально, на случай его миграции в период стоянки.