Технические
науки /Отраслевое машиностроение
К. т. н. Алехин С.Н., к.т.н. Алехин А.С.,
магистрант второго года обучения Плескачев В.Н.
Институт
сферы обслуживания и предпринимательства федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской
государственный технический университет» (ИСО и П (филиал) ДГТУ)
К вопросу о повышении энергетической эффективности холодильных систем
путем регулирования параметров всасываемого пара
Аннотация. В статье рассмотрены существующие способы
регулирования холодопроизводительности компрессоров, типы вспомогательного
теплообменного оборудования, устанавливаемого на линии всасывания. Сделаны соответствующие
выводы об актуальности решения задачи связанной с поиском и разработкой новых
подходов для обеспечения регулирования параметров всасываемого пара и
энергетических показателей компрессора и холодильного прибора в целом.
Ключевые слова:
холодильник, теплообменник, докипатель, перегрев паров.
Summary. In article existing ways of regulation
of refrigerating capacity of compressors, types of the service heatexchange
equipment are considered. The corresponding conclusions are drawn on relevance
of the solution of a task connected with search and development of new
approaches for ensuring regulation of parameters of soaked-up steam and power
indicators of the compressor and the refrigerating device as a whole.
Keywords: refrigerator, heat exchanger,
dokipatel, overheat of vapors.
На
международной конференции "Индустрия холода в 21-м веке", проведенной
в декабре 2005 года, прозвучало единодушное мнение, что холодильная
промышленность России переживает трудный период в своей истории, и требуются
неотлагательные меры по восстановлению холодильного машиностроения, разработке
новых видов оборудования, по совершенствованию нормативно-правовой базы,
действующей в отрасли [1].
В принятом
решении отмечена необходимость объединения усилий всех заинтересованных
структур (производителей и потребителей холодильной техники, ученых,
представителей власти) в разработке долгосрочной научно-технической программы
развития холодильной промышленности.
Одной из главных проблем в холодильной отрасли является повышение
энергетической эффективности холодильных систем [1].
Известно, что компрессор является наиболее энергоемким устройством
холодильных систем, в том числе бытовых холодильных приборов [5].
Одной из главных особенностей холодильных компрессоров является работа
в режимах с неполной производительностью. Основными причинами этого являются
сезонные колебания температур внешних источников и колебания тепловой нагрузки
на холодильную систему, обусловленные спецификой технологических процессов
производств-потребителей искусственного холода.
Как известно, все существующие ныне способы регулирования
холодопроизводительности
Поэтому повышение
эффективности регулирования производительности является одним из перспективных
путей совершенствования холодильных компрессоров.
В настоящее время
наиболее часто используемым способом регулирования производительности
компрессора, в основном винтового маслозаполненного (ВМК), является перепуск
части пара из парной полости в камеру всасывания, по-другому называемый
золотниковым регулированием [3].
Регулирование
изменением частоты вращения электродвигателя пока не находит широкого
практического применения в холодильных компрессорах, а регулирование
"пуск-остановка" используется, в основном, в машинах небольшой
производительности.
Другие способы регулирования,
такие как дросселирование на всасывании и байпасирование, являются менее
энергетически эффективными и редко применяются в холодильных компрессорах [3].
Однако, это связанно,
как можно предположить, с недостаточным исследованием данного вопроса.
В малых холодильных
машинах, предназначенных для бытовых и торговых холодильников, морозильников,
шкафов и прилавков, систем кондиционирования воздуха, дросселирование
хладагента осуществляют в капиллярных трубках (КТ) диаметром от 0,5 до 2,0 мм и
длиной от 0,5 до 5 м в зависимости от холодопроизводительности холодильной
машины.
Особенностью процесса
дросселирования хладагента в КТ является то, что он происходит не в местном
сопротивлении, а за счет трения потока, и такой процесс в технической
термодинамике называют дросселированием, «растянутым» по длине [5]. В силу
сложности процесса дросселирования, обусловленной образованием двухфазного
потока с изменяющимися по длине капиллярной трубки степенью сухости и другими
параметрами хладагента, простые расчетные методики их подбора отсутствуют.
Выбор характеристик КТ (длины и диаметра) производят по номограммам, полученным
на основе экспериментальных исследований [4].
Выбор характеристик КТ
зависит от холодопроизводительности холодильной машины
При заданном проектном режиме работы холодильной машины и диаметре капиллярной
трубки ее длина должна обеспечить дросселирование хладагента за счет трения от
давления конденсации
Помимо основных узлов холодильного агрегата иногда предусматривают установку вспомогательного оборудования на
линии всасывания, такого как: переохладители, докипатели, осушители,
регенеративные теплообменники и т. д.
Для холодильных установок характерно наличие регенеративного
теплообменника (рис. 1), в котором происходит теплообмен между жидкостью,
поступающей из конденсатора к дросселирующему устройству, и паром, поступающим
из испарителя к компрессору. Проходя через теплообменник, холодный всасываемый
пар поглощает теплоту от жидкости и перегревается, а жидкость при этом
переохлаждается.
Рис. 1 – Схема установки регенеративного
теплообменника
Переохлаждение жидкости дросселирующим устройством является
положительным процессом, так как снижает дроссельные потери, увеличивая тем
самым удельную холодопроизводительность хладагента [3]. В месте с тем, перегрев
пара перед компрессором приводит к увеличению работы сжатия, повышению конечной
температуры нагнетания и увеличению тепловой нагрузки на конденсатор. Однако в
действительной холодильной установке перегрев пара перед компрессором необходим
для ее безопасной работы. Кроме того, выгодно поддерживать более высокую
температуру перегрева, так как это уменьшает объемные потери и повышает
холодопроизводительность компрессора, а наличие теплообменника дает возможность
некоторого переполнения испарителя без опасения гидравлического удара, что
позволяет лучше организовать возврат масла из испарителя в компрессор.
Ценность теплообменника заключается также в том, что он обеспечивает
полезное переохлаждение жидкости за счет необходимого для эксплуатации
перегрева пара. Считается, что в регенеративном теплообменнике теплота,
отдаваемая переохлаждающейся жидкостью, полностью поглощается всасываемым
паром.
Простейшая форма теплообменника получается при металлическом контакте
(сварке, пайке) между жидкостным и паровым трубопроводами для обеспечения
противотока. Оба трубопровода покрываются изоляцией как единое целое. Для
обеспечения максимальной производительности жидкостная линия должна быть
размещена ниже всасывающей, поскольку жидкость во всасывающем трубопроводе
может течь вдоль нижней образующей [4].
Следует отметить, что при
определенных условиях эксплуатации наличие регенеративного теплообменника не
всегда гарантирует обеспечение необходимой сухости пара на входе в компрессор.
Для испарения остатков жидкого хладагента, который по
каким-либо причинам не испарился в испарителе и в теплообменнике, предусматривают
докипатель жидкости – замкнутый объем, устанавливаемый перед компрессором, (рис.
2). Тем самым предотвращается гидравлический удар в компрессоре. Вход
хладагента в докипатель производится в нижнюю часть, а выход – из верхней части
докипателя. Кроме функции разделения жидкой и газообразной фаз хладагента докипатель обеспечивает возврат масла в
компрессор [6].
1 - входной патрубок, 2 -
выходной патрубок, 3 - корпус
Рис. 2 – Докипатель хладагента
Емкость
докипателя должна быть равна примерно 50 % объема хладагента, заправляемого в
установку. Размеры докипателя выбираются, исходя из необходимой поверхности
жидкости, которая должна быть равна:
где:
На основании приведенной
классификации устройств и конструктивных элементов входящих в систему холодильного
агрегата можно сделать вывод о том, что конструкция их весьма разнообразна и
помимо "основных" узлов и деталей используется и дополнительные,
такие как докипатели, регенеративные теплообменники, препятствующие
возникновению внештатных ситуаций в работе холодильного прибора.
Влияние перегрева всасываемого пара на
холодопроизводительность
машины и холодильный коэффициент зависит от способа и
места перегрева пара в цикле, а также от того создает ли полезное охлаждение
теплота, поглощенная паром при его перегреве [7].
Необходимость устройства докипания жидких частиц
хладагента диктуют несколько параметров
– конструкция испарителя, способ подачи хладагента в испаритель (верхняя,
нижняя, с использованием клапана либо последовательно через оба испарителя, в
случае если их два) и максимальные расчетные теплопритоки.
При включении компрессора идет интенсивное
вскипание хладагента в системе. При определенной конструкции испарителя
происходит выплеск жидкой составляющей вместе с парами. Кипящая жидкость
заполняет рабочий объем, за счет этого предотвращается прямое попадание жидкой
фазы на всасывающий клапан компрессора. В более крупной холодильной технике
отделители жидкости имеют дополнительные выходы для слива жидкой фазы и имеют
конструкцию гораздо более сложную [9]. Здесь возможна ситуация, когда
докипатель остынет после первого выброса жидкости, не успеет прогреться к
приходу второго и сработает наоборот, как конденсатор, что является одним из
недостатков.
Следует также отметить, что использование
дополнительного объема в виде дакипателя ведет к снижению давления всасывания.
Пар всасывается в компрессор также при более низком давлении и с меньшей
плотностью вследствии снижения давления во всасывающем трубопроводе.
Таким образом, использование докипателя
приводит к увеличению объемного расхода пара и потребляемой мощности на единицу
производительности.
Очевидно, что снижение давления в
испарителе и во всасывающем трубопроводе должно быть минимальным, чтобы
получить наилучший кпд цикла. Это относится также к теплообменным и любым
другим вспомогательным устройствам, монтируемым на всасывающем трубопроводе [7].
Таким образом, в заключении можно
констатировать, что использование регенеративного теплообменника не позволяет
при определенных условиях обеспечивать необходимые параметры всасываемого пара.
Использование дополнительного докипателя позволяет решить ряд проблем, однако
приводит к появлению других негативных явлений, снижающих, в свою очередь,
показатели работы компрессора. Следовательно, актуальным является решение
задачи, связанной с поиском и разработкой новых подходов, технологий и
технологических средств, обеспечивающих необходимое регулирование параметров
всасываемого пара и, соответственно, рост энергетических показателей
компрессора и холодильного прибора в целом.
Литература
1.
Белозеров Г.А. О концепции развития холодильной
промышленности России: Научно-практическая
конференция "Проблемы развития холодильной промышленности России. Пути
решения" г. Москва, 14 сентября 2005 г. URL: http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_issue_11_2005_Exhibition_RDF-2005_REVIEW_VNIHI.htm
2.
Исследование процесса
сжатия холодильного винтового компрессора с регулируемой производительностью. Д.
т. н. Пекарев В.И., асп. Ануфриев А.В. Журнал "Турбины и
компрессоры", выпуск № 3, 4, 2004.
3.
Кириллин, В. А.
Техническая термодинамика: учебник для вузов / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А.
Е. Шейндлин. – М.: Энергия, 1974. – 448 с.
4.
Диагностика работы
дросселирующих устройств малых холодильных установок: учеб. пособие /В. С.
Бабакин, В. А. Выгодин, В. Н. Кулагин, С. Б. Бабакин. – Рязань: «Узорочье»,
2000. – 136 с.
5.
Зеликовский И.Х.
Справочник по теплообменным аппаратам малых холодильных машин. - М.: Пищевая промышленность, 1978. -
178 с.
6.
Нимич Г.В. Современные
системы вентиляции и кондиционирования воздуха.- Киев: «ИВИК» 2003.–626 с.
7.
Доссат Рой Дж. Основы
холодильной техники. Пер. с англ.–М.; Легкая промышленность, 1984.–520 с.
8.
Ейдеюс,
Н. И. Гидродинамический расчет капиллярных трубок / Н. И. Ейдеюс, В. Л. Кошелев
// Вестник Международной академии холода. – 2008. – №3. – С. 36 – 39.
9.
Нужен ли докипатель? Архив сайта Форум
холодильщиков URL:
http://holodforum.ru/showthread.php?t=599&s=70a73fb14bb68a189cd4dd614946cc0d