Монтаж компрессорно-конденсаторных блоков (ККБ). Принцип работы испарителя Выбираем рациональный подход для расчета испарителя

Группа компаний «МЭЛ» - оптовый поставщик систем кондиционирования Mitsubishi Heavy Industries.

www.сайт Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Компрессорно-конденсаторные блоки (ККБ) для охлаждения вентиляции получают все большее распространение при проектировании систем центрального охлаждения зданий. Преимущества их очевидны:

Во-первых, это цена одного кВт холода. По сравнению с чиллерными системами охлаждение приточного воздуха с помощью ККБ не содержит промежуточного хладоносителя, т.е. воды или незамерзающих растворов, поэтому обходится дешевле.

Во-вторых, удобство регулирования. Один компрессорно конденсаторный агрегат работает на одну приточную установку, поэтому логика управления едина и реализуется с помощью стандартных контроллеров управления приточных установок.

В-третьих, простота монтажа ККБ для охлаждения системы вентиляции. Не нужно дополнительных воздуховодов, вентиляторов и т.д. Встраивается только теплообменник испарителя и все. Даже дополнительная изоляция приточных воздуховодов часто не требуется.

Рис. 1. ККБ LENNOX и схема его подключения к приточной установке.

На фоне таких замечательных преимуществ на практике сталкиваемся с множеством примеров кондиционирования системы вентиляции, в которых ККБ либо вообще не работают, либо в процессе работы очень быстро выходят из строя. Анализ этих фактов показывает, что часто причина в неправильном подборе ККБ и испарителя для охлаждения приточного воздуха. Поэтому рассмотрим стандартную методику подбора компрессорно конденсаторных агрегатов и постараемся показать ошибки, которые допускаются при этом.

НЕПРАВИЛЬНАЯ, но наиболее часто встречающаяся, методика подбора ККБ и испарителя для прямоточных приточных установок

В качестве исходных данных нам необходимо знать расход воздуха приточной установки. Зададим для примера 4500 м3/час.
Приточная установка прямоточная, т.е. без рециркуляции, работает на 100% наружном воздухе.
Определим район строительства – например Москва. Расчетные параметры наружного воздуха для Москвы +28С и 45% влажность. Эти параметры принимаем за начальные параметры воздуха на входе в испаритель приточной системы. Иногда параметры воздуха принимают «с запасом» и задают +30С или даже +32С.
Зададим необходимые параметры воздуха на выходе из приточной системы, т.е. на входе в помещение. Часто эти параметры задают на 5-10С ниже, чем требуемая температура приточного воздуха в помещении. Например, +15С или даже +10С. Мы остановимся на среднем значении +13С.
Далее с помощью i-d диаграммы (рис. 2) строим процесс охлаждения воздуха в системе охлаждения вентиляции. Определяем необходимый расход холода в заданных условиях. В нашем варианте требуемый расход холода 33,4 кВт.
Подбираем ККБ по требуемому расходу холода 33,4 кВт. Есть в линейке ККБ ближайшая большая и ближайшая меньшая модель. Например, для производителя LENNOX это модели: TSA090/380-3 на 28 кВт холода и TSA120/380-3 на 35,3 кВт холода.

Принимаем модель с запасом на 35,3 кВт, т.е. TSA120/380-3.

А теперь мы расскажем, что будет происходить на объекте, при совместной работе приточной установки и подобранного нами ККБ по вышеописанной методике.

Проблема первая – завышенная производительность ККБ.

Кондиционер вентиляции подобран на параметры наружного воздуха +28С и 45% влажность. Но заказчик планирует его эксплуатировать не только когда на улице +28С, в помещениях зачастую уже жарко за счет внутренних теплоизбытков начиная с +15С на улице. Поэтому на контроллере устанавливается температура приточного воздуха в лучшем случае +20С, а в худшем еще ниже. ККБ выдает либо 100% производительности, либо 0% (за редкими исключениями плавного регулирования при использования наружных блоков VRF в виде ККБ). ККБ при понижении температуры наружного (заборного) воздуха свою производительность не уменьшает (а фактически даже немного увеличивает за счет большего переохлаждения в конденсаторе). Поэтому при понижении температуры воздуха на входе в испаритель ККБ будет стремиться выдавать и меньшую температуру воздуха на выходе из испарителя. При наших данных по расчетам получается температура воздуха на выходе +3С. Но этого быть не может, т.к. температура кипения фреона в испарителе +5С.

Следовательно, понижение температуры воздуха на входе в испаритель до +22С и ниже, в нашем случае приводит к завышенной производительности ККБ. Далее происходит недокипание фреона в испарителе, возвращение жидкого хладагента на всасывание компрессора и, как следствие, выход компрессора из строя из за механического повреждения.

Но на этом наши проблемы, как ни странно, не кончаются.

Проблема вторая – ЗАНИЖЕННЫЙ ИСПАРИТЕЛЬ.

Давайте внимательно посмотрим на подбор испарителя. При подборе приточной установки задаются конкретные параметры работы испарителя. В нашем случае это температура воздуха на входе +28С и влажность 45% и на выходе +13С. Значит? испаритель подбирается ИМЕННО на эти параметры. Но что будет происходить, когда температура воздуха на входе в испаритель будет, например не +28С, а +25С? Ответить достаточно просто, если посмотреть на формулу теплопередачи любых поверхностей: Q=k*F*(Tв-Tф). k*F – коэффициент теплопередачи и площадь теплообмена не изменятся, эти величины постоянные. Тф – температура кипения фреона не изменится, т.к. она также поддерживается постоянной +5С (в нормальном режиме работы). А вот Тв – средняя температура воздуха стала меньше на три градуса. Следовательно, и количество переданного тепла станет меньше пропорционально температурному перепаду. Но ККБ «про это не знает» и продолжает выдавать положенные 100% производительности. Жидкий фреон снова возвращается на всасывание компрессора и приводит к вышеописанным проблемам. Т.е. расчетная температура испарителя является МИНИМАЛЬНОЙ рабочей температурой ККБ.

Тут можно возразить – «А как же работа он-офф сплит систем?» расчетная температура в сплитах +27С в помещении, а фактически они могут работать до +18С. Дело в том, что в сплит системах площадь поверхности испарителя подбирается с очень большим запасом, как минимум 30%, как раз для компенсации снижения теплопередачи при понижении температуры в помещении или снижении скорости вентилятора внутреннего блока. Ну и наконец,

Проблема третья – подбор ККБ «С ЗАПАСОМ»…

Запас по производительности при подборе ККБ крайне вреден, т.к. запас – это жидкий фреон на всасывании компрессора. И в финале имеем заклиненный компрессор. В целом максимальная производительность испарителя должна быть всегда больше, чем производительность компрессора.

Постараемся ответить на вопрос – а как же ПРАВИЛЬНО подбирать ККБ для приточных систем?

Во-первых, необходимо понимание того, что источник холода в виде компрессорно-конденсаторный блок не может быть единственным в здании. Кондиционирование системы вентиляции может только снять часть пиковой нагрузки, поступающей в помещение с вентиляционным воздухом. А подержание определенной температуры внутри помещения в любом случае ложится на местные доводчики (внутренние блоки VRF или фанкойлы). Поэтому ККБ должно не поддерживать определенную температуру при охлаждении вентиляции (это и невозможно по причине он-офф регулирования), а снижать теплопоступления в помещения при превышении определенной наружной температуры.

Пример системы вентиляции с кондиционированием:

Исходные данные: город Москва с расчетными параметрами для кондиционирования +28С и 45% влажность. Расход приточного воздуха 4500 м3/час. Теплоизбытки помещения от компьютеров, людей, солнечной радиации и т.д. составляют 50 кВт. Расчетная температура в помещениях +22С.

Производительность кондиционирования должна подбираться таким образом, чтобы ее хватало при наихудших условиях (максимальных температурах). Но также кондиционеры вентиляции должны без проблем работать и при неких промежуточных вариантах. Причем большую часть времени системы кондиционирования вентиляции работают как раз при загрузке 60-80%.

Задаем расчетную температуру наружного воздуха и расчетную температуру внутреннего. Т.е. главная задача ККБ – охлаждение приточного воздуха до температуры в помещении. Когда температура наружного воздуха меньше требуемой температуры воздуха в помещении – ККБ НЕ ВКЛЮЧАЕТСЯ. Для Москвы от +28С до требуемой температуры в помещении +22С получаем разность температур 6С. В принципе перепад температур на испарителе не должен быть больше 10С, т.к. температура приточного воздуха не может быть менее температуры кипения фреона.

Определяем требуемую производительность ККБ исходя из условий охлаждения приточного воздуха от расчетной температуры +28С до +22С. Получилось 13,3 кВт холода (i-d диаграмма).

Подбираем по требуемой производительности 13,3 ККБ из линейки популярного производителя LENNOX. Подбираем ближайший МЕНЬШИЙ ККБ TSA 036/380-3с производительностью 12,2 кВт.

Подбираем испаритель приточки из наихудших для него параметров. Это температура наружного воздуха, равная требуемой температуре в помещении – в нашем случае +22С. Производительность испарителя по холоду равна производительности ККБ, т.е. 12.2 кВт. Плюс запас по производительности 10-20% на случай загрязнения испарителя и т.д.

Определяем температуру приточного воздуха при температуре наружного +22С. получаем 15С. Выше температуры кипения фреона +5С и выше температуры точки росы +10С, значит, изоляцию приточных воздуховодов можно не делать (теоретически).

Определяем оставшиеся теплоизбытки помещений. Получается 50 квт внутренних теплоизбытков плюс небольшая часть от приточного воздуха 13,3-12,2=1,1 кВт. Итого 51,1 кВт – расчетная производительность для систем местного регулирования.

Выводы: основная идея, на которую хотелось бы обратить внимание – это необходимость расчета компрессорно конденсаторного блока не на максимальную температуру наружного воздуха, а на минимальную в диапазоне эксплуатации кондиционера вентиляции. Расчет ККБ и испарителя, проведенный на максимальную температуру приточного воздуха приводит к тому, что нормальная работа будет только при диапазоне наружных температур от расчетной и выше. А если температура снаружи ниже расчетной – будет неполное кипение фреона в испарителе и возврат жидкого хладагента на всасывание компрессора.

Одним из самых важных элементов для парокомпрессионной машины является . Он выполняет главный процесс холодильного цикла – отбор от охлаждаемой среды. Другие элементы холодильного контура, такие как конденсатор, расширительное устройство, компрессор и пр., только обеспечивают надежную работу испарителя, поэтому именно выбору последнего необходимо уделять должное внимание.

Из этого следует, что, подбирая оборудование для холодильной установки, необходимо начинать именно с испарителя. Многие начинающие ремонтники часто допускают типичную ошибку и начинают комплектацию установки с компрессора.

На рис. 1 представлена схема самой обычной парокомпрессионной холодильной машины. Ее цикл, заданный в координатах: давление Р и i . На рис. 1б точки 1-7 холодильного цикла, является показателем состояния холодильного агента (давления, температуры, удельного объема) и совпадает с аналогичным на рис. 1а (функции параметров состояния).

Рис. 1 – Схема и в координатах обычной парокомпрессионной машины: РУ расширительное устройство, Рk – давление конденсации, Ро – давление кипения.

Графическое изображение рис. 1б отображает состояние и функции холодильного агента, которые изменяются в зависимости от давления и энтальпии. Отрезок АВ на кривой рис. 1б характеризует хладагент в состоянии насыщенного пара. Его температура соответствует температуре начала кипения. Доля пара хладагента в составляет 100%, а перегрев близок к нулю. В правой части от кривой АВ хладагент имеет состояние (температура хладагента больше температуры кипения).

Точка В является критической для данного хладагента, поскольку отвечает той температуре, при которой вещество не может перейти в жидкое состояние, не зависимо от того, на сколько высоким будет давление. На отрезке ВС хладагент имеет состояние насыщенной жидкости, а в левой стороне – переохлажденной жидкости (температура хладагента меньше температуры кипения).

Внутри кривой АВС хладагент находится в состоянии парожидкостной смеси (доля пара в единице объема изменчива). Процесс, происходящий в испарителе (рис. 1б), отвечает отрезку 6-1 . Хладагент поступает в испаритель (точка 6) в состоянии кипящей парожидкостной смеси. При этом доля пара зависит от определенного холодильного цикла и составляет 10-30%.

На выходе из испарителя процесс кипения может не завершиться и точка 1 может не совпадать с точкой 7 . Если температура хладагента на выходе из испарителя больше температуры кипения, то получаем испаритель с перегревом. Его величина ΔТперегрев представляет собой разность температуры хладагента на выходе из испарителя (точка 1) и его температуры на линии насыщения АВ (точка 7):

ΔТперегрев=Т1 – Т7

Если точка 1 и 7 совпадают, то температура хладагента равна температуре кипения, а перегрев ΔТперегрев будет равен нулю. Таким образом, получим затопленный испаритель. Поэтому, при выборе испарителя вначале необходимо совершить выбор между затопленным испарителем и испарителем с перегревом.

Отметим, что при равных условиях затопленный испаритель более выгоден по интенсивности процесса отбора теплоты, чем с перегревом. Но следует учитывать то, что на выходе затопленного испарителя хладагент находится в состоянии насыщенного пара, а подавать влажную среду в компрессор нельзя. В противном случае возникает высокая вероятность появления гидроударов, которые будут сопровождаться механическим разрушением деталей компрессора. Получается, что если выбрать затопленный испаритель, то необходимо предусматривать дополнительную защиту компрессора от попадания в него насыщенного пара.

Если отдать предпочтение испарителю с перегревом, то не нужно заботиться о защите компрессора и попадания в него насыщенного пара. Вероятность возникновения гидравлических ударов будет возникать только в случае отклонения от требуемого показателя величины перегрева. В нормальных условиях эксплуатации холодильной установки величина перегрева ΔТперегрев должна находиться в пределах 4-7 К.

При снижении показателя перегрева ΔТперегрев , интенсивность отбора теплоты окружающей среды повышается. Но при чрезмерно низких значениях ΔТперегрев (менее 3К) возникает вероятность попадания в компрессор влажного пара, что может стать причиной появления гидравлического удара и, следовательно, повреждения механических узлов компрессора.

В обратном случае, при высоком показании ΔТперегрев (больше 10 К), это говорит о том, что в испаритель поступает недостаточное количество хладагента. Резко снижается интенсивность отбора теплоты от охлаждаемой среды и ухудшается тепловой режим компрессора.

При выборе испарителя возникает и другой вопрос, связанный с величиной температуры кипения хладагента в испарителе. Чтобы его решить вначале необходимо определить какую температуру охлаждаемой среды следует обеспечить для нормальной работы холодильной установки. Если в качестве охлаждаемой среды используется воздух, то кроме температуры на выходе из испарителя требуется учесть и влажность на выходе из испарителя. Теперь рассмотрим поведения температур охлаждаемой среды вокруг испарителя во время работы обычной холодильной установки (рис. 1а).

Чтобы не углубляться в данную тему потерями давлений на испарителе будем пренебрегать. Также будем считать, что происходящий теплообмен между хладагентом и окружающей средой осуществляется по прямоточной схеме.

На практике такую схему используют не часто, поскольку по эффективности теплообмена она уступает противоточной схеме. Но если один из теплоносителей имеет постоянную температуру, а показания перегрева невелики, то прямоток и противоток будут равнозначными. Известно, что среднее значение температурного напора не зависит от схемы движения потоков. Рассмотрение прямоточной схемы предоставит нам более наглядное представление о теплообмене, который происходит между хладагентом и охлаждаемой средой.

Для начала введем виртуальную величину L , равную длине теплообменного устройства (конденсатора или испарителя). Ее значение можно определить из следующего выражения: L=W/S , где W – соответствует внутреннему объему теплообменного устройства, в котором происходит циркуляция хладагента, м3; S – площадь поверхности теплообмена м2.

Если речь идет о холодильной машине, то равнозначная длина испарителя практически равняется длине трубки, в которой происходит процесс 6-1 . Поэтому ее наружная поверхность омывается охлаждаемой средой.

Вначале обратим внимание на испаритель, который выполняет роль воздухоохладителя. В нем процесс отбора теплоты от воздуха происходит в результате естественной конвекции или же при помощи принудительного обдува испарителя. Отметим, что в современных холодильных установках первый способ практически не используют, поскольку охлаждение воздуха путем естественной конвекции является малоэффективным.

Таким образом, будем предполагать, что воздухоохладитель оборудован вентилятором, который обеспечивает принудительный обдув испарителя воздухом и являет собой трубчато-ребристый теплообменный аппарат (рис. 2). Его схематическое изображение представлено на рис. 2б. рассмотрим основные величины, которые характеризуют процесс обдува.

Перепад температур

Перепад температур на испарителе рассчитывается следующим образом:

ΔТ=Та1- Та2 ,

где ΔТа находится в пределах от 2 до 8 К (для трубчато-ребристых испарителей с принудительным обдувом).

Другими словами, при нормальной работе холодильной установки воздух проходящий через испаритель должен охлаждаться не ниже 2 К и не выше 8 К.

Рис. 2 – Схема и температурные параметры охлаждения воздуха на воздухоохладителе:

Та1 и Та2 – температура воздуха на входе и выходе из воздухоохладителя;

FF – температура хладагента;
L – эквивалентная длина испарителя;
То – температура кипения хладагента в испарителе.

Максимальный температурный напор

Максимальный температурный напор воздуха на входе в испаритель определяется следующим образом:

DTмакс=Та1 – То

Данный показатель применяется при подборе воздухоохладителей, поскольку зарубежные производители холодильной техники предоставляют значения холодопроизводительности испарителей Qисп в зависимости от величины DTмакс . Рассмотрим метод подбора воздухоохладителя холодильной установки и определим расчетные значения DTмакс . Для этого приведем в пример общепринятые рекомендации по подбору значения DTмакс :

для морозильных камер DTмакс находится в пределах 4-6 К;
для камер хранения неупакованной продукции – 7-9 К;
для камер хранения герметично упакованной продукции – 10-14 К;
для установок кондиционирования воздуха – 18-22 К.

Степень перегрева пара на выходе из испарителя

Для определения степени перегрева пара на выходе из испарителя используют следующую форму:

F=ΔТперегр/DTмакс=(Т1-Т0)/(Та1-Т0) ,

где Т1 – температура пара хладагента на выходе из испарителя.

Данный показатель у нас практически не используют, но в зарубежных каталогах предусмотрено, что показания холодопроизводительности воздухоохладителей Qисп соответствует значению F=0,65.

Во время эксплуатации значение F принято принимать от 0 до 1. Предположим, что F=0 , тогда ΔТперегр=0 , а хладагент на выходе из испарителя будет иметь состояние насыщенного пара. Для данной модели воздухоохладителя фактическая холодопроизводительность будет на 10-15% больше показателя, приведенного в каталоге.

Если F>0,65 , то показатель холодопроизводительности для данной модели воздухоохладителя, должен быть меньше значения, приведенного в каталоге. Допустим, что F>0,8 , тогда фактическая производительность для данной модели будет на 25-30% больше значения, приведенного в каталоге.

Если F->1 , то холодопроизводительность испарителя Qисп->0 (рис.3).

Рис.3 – зависимость холодопроизводительности испарителя Qисп от перегрева F

Процесс, изображенный на рис.2б, характеризуют и другие параметры:

среднеарифметический температурный напор DTср=Таср-Т0 ;
средняя температура воздуха, которая проходит через испаритель Таср=(Та1+Та2)/2 ;
минимальный температурный напор DTмин=Та2-То .

Рис. 4 – Схема и температурные параметры, отображающие процесс охлаждения воды на испарителе:

где Те1 и Те2 температура воды на входы и выходе испарителя;

FF – температура хладагента;
L – эквивалентная длина испарителя;
То – температура кипения хладагента в испарителе.

Испарители, в которых охлаждающей средой выступает жидкость, имеют те же температурные параметры, что и для воздухоохладителей. Цифровые значения температур охлаждаемой жидкости, которые необходимы для нормальной работы холодильной установки, будут иными, чем соответствующие параметры для воздухоохладителей.

Если перепад температур по воде ΔТе=Те1-Те2 , то для кожухотрубных испарителей ΔТе следует поддерживать в диапазоне 5±1 К, а для пластинчатых испарителей показатель ΔТе будет находиться в пределах 5±1,5 К.

В отличие от воздухоохладителей в охладителях жидкости необходимо поддерживать не максимальный, а минимальный температурный напор DTмин=Те2-То – разность между температурой охлаждаемой среды на выходе из испарителя и температурой кипения хладагента в испарителе.

Для кожухотрубных испарителей минимальный температурный напор DTмин=Те2-То следует поддерживать в пределах 4-6 К, а для пластинчатых испарителей – 3-5 К.

Заданный диапазон (разность между температурой охлаждаемой среды на выходе из испарителя и температурой кипения хладагента в испарителе) необходимо поддерживать по следующим причинам: при увеличении разности интенсивность охлаждения начинает снижаться, а при снижении повышается риск замерзания охлаждаемой жидкости в испарителе, что может стать причиной его механического разрушения.

Конструктивные решения испарителей

Независимо от способа применения различных и хладагентов, теплообменные процессы, происходящие в испарителе, подчиняются основному технологическому циклу холодопотребляющего производства, согласно которому создаются холодильные установки и теплообменные аппараты. Таким образом, чтобы решить задачу по оптимизации теплообменного процесса необходимо учитывать условия рациональной организации технологического цилка холодопотребляющего производства.

Как известно, охлаждение определенной среды возможно при помощи теплообменника. Его конструктивное решение следует выбирать согласно технологическим требованиям, которые предъявляются к данным устройствам. Особо важным моментом является соответствие устройства технологическому процессу термической обработки среды, что возможно при следующих условиях:

поддержание заданной температуры рабочего процесса и контроль (регулирование) над температурным режимом;
выбор материала устройства, согласно химическим свойствам среды;
контроль над продолжительностью пребывания среды в устройстве;
соответствие рабочих скоростей и давления.

Другим фактором, от которого зависит экономическая рациональность аппарата, является производительность. Прежде всего, на нее влияют интенсивность теплообмена и соблюдение гидравлических сопротивлений устройства. Выполнение этих условий возможно при следующих обстоятельствах:

обеспечение необходимой скорости рабочих сред для осуществления турбулентного режима;
создание наиболее подходящих условий для удаления конденсата, накипи, инея и пр.;
создание благоприятных условий для движения рабочих сред;
предотвращение возможных загрязнений устройства.

Другими важными требованиями также являются небольшой вес, компактность, простота конструкции, а также удобство монтажа и ремонта устройства. Для соблюдения этих правил следует учитывать такие факторы как: конфигурация поверхности нагрева, наличие и тип перегородок, способ размещения и крепления трубок в трубных решетках, габаритные размеры, устройство камер, днищ и пр.

На удобство эксплуатации и надежность устройства влияют такие факторы как прочность и герметичность разъемных соединений, компенсация температурных деформаций, удобства для обслуживания и ремонта устройства. Данные требования заложены в основу конструирования и выбора теплообменного агрегата. Главную роль в этом занимает обеспечение требуемого технологического процесса в холодопотребляющем производстве.

Для того, что выбрать правильное конструктивное решение испарителя необходимо руководствоваться следующими правилами. 1) охлаждение жидкостей лучше всего осуществлять при помощи трубчатого теплообменника жесткой конструкции или компактного пластинчатого теплообменника; 2) применение трубчато-ребристых устройств обусловлено следующими условиями: теплоотдача между рабочими средами и стенкой по обе стороны поверхности нагрева значительно отличаются. При этом оребрение необходимо устанавливать со стороны наименьшего коэффициента теплоотдачи.

Для увеличения интенсивности теплообмена в теплообменниках необходимо придерживаться таких правил:

обеспечение надлежащих условий по отводу конденсата в воздухоохладителях;
снижение толщины гидродинамического пограничного слоя путем повышения скорости движения рабочих тел (установка межтрубных перегородок и разбивка пучка трубок на ходы);
улучшение обтекания рабочими телами поверхности теплообмена (вся поверхность должна активно участвовать в процессе теплообмена);
соблюдение основных показателей температур, термических сопротивлений и пр.

Анализируя отдельные термические сопротивления можно выбрать наиболее оптимальный способ повысить интенсивность теплообмена (в зависимости от типа теплообменника и характера рабочих тел). В жидкостном теплообменнике поперечные перегородки рационально устанавливать только при нескольких ходах в трубном пространстве. При теплообмене (газа с газом, жидкости с жидкостью) количество жидкости, протекающее через межтрубное пространство, может быть надменно большим, и, в результате, показатель скорости достигнет тех пределов, что и внутри трубок, из-за чего установка перегородок будет нерациональна.

Улучшение теплообменных процессов является одним из основных процессов по совершенствованию теплообменного оборудования холодильных машин. В этом отношении проводятся исследования в области энергетики и химической техники. Это изучение режимных характеристик течения, турбулизация потока путем создания искусственных шероховатостей. Кроме того, ведется разработка новых поверхностей теплообмена, благодаря чему теплообменники станут более компактными.

Выбираем рациональный подход для расчета испарителя

При проектировании испарителя следует произвести конструктивный, гидравлический, прочностной, тепловой и технико-экономический расчет. Их выполняют в нескольких вариантах, выбор которых зависит от показателей эффективности: технико-экономического показателя, КПД и пр.

Чтобы произвести тепловой расчет поверхностного теплообменника необходимо решить уравнение и теплового баланса, с учетом определенных условий работы устройства (конструктивные размеры теплопередающих поверхностей, пределов изменения температур и схем, относительно движения охлаждающей и охлаждаемой среды). Чтобы найти решение этой задачу нужно применять правила, которые позволят получить результаты из исходных данных. Но из-за многочисленных факторов, найти общее решение для различных теплообменников невозможно. Вместе с этим существует много методов приближенного расчета, которые легко произвести в ручном или машинном варианте.

Современные технологии позволяют подобрать испаритель при помощи специальных программ. В основном они предоставляются производителями теплообменной аппаратуры и позволяют быстро подобрать необходимую модель. При использовании таких программ необходимо учитывать то, что они предполагают работу испарителя при стандартных условиях. Если фактические условия отличаются от стандартных, то производительность испарителя будет иной. Таким образом, желательно всегда проводить проверочные расчеты выбранной вами конструкции испарителя, относительно фактических условий его работы.

В случае, когда потребление паровой фазы сжиженного газа превосходит скорость естественного испарения в емкости, необходимо применение испарителей, которые за счет электроподогрева ускоряют процесс парообразования жидкой фазы в паровую и гарантируют подачу газа к потребителю в расчетном объеме.

Предназначение испарителя СУГ - это преобразование жидкой фазы сжиженных углеводородных газов (СУГ) в парообразную, происходящее за счет использования испарителей с электроподогревом. Испарительные установки могут быть оборудованы одним, двумя, тремя и более электрическими испарителями.

Монтаж испарителей позволяет осуществлять работу как одному испарителю, так и нескольким параллельно. Таким образом, производительность установки может изменяться в зависимости от количества одновременно работающих испарителей.

Принцип работы испарительной установки:

При включении испарительной установки автоматика нагревает испарительную установку до 55С. Электромагнитный клапан на входе жидкой фазы в испарительную установку будет закрыт до тех пор, пока температура не достигнет этих параметров. Датчик контроля уровня в отсекателе (в случае наличия уровнемера в отсекателе) контролирует уровень и при переполнении закрывает клапан на входе.

Испаритель начинает нагреваться. При достижении 55°C будет открыт магнитный клапан на входе. Сжижженный газ попадает в разогретый трубный регистр и испаряется. В это время испаритель продолжает нагреваться, и при достижении температуры ядра 70-75°C спираль нагрева будет отключена.

Процесс испарения продолжается. Ядро испарителя постепенно остывает, и при падении температуры до 65°C спираль нагрева будет снова включена. Цикл повторяется.

Комплектация испарительной установки:

Испарительная установка может быть укомплектована одной или двумя регуляторными группами, для дублирования системы редуцирования, а также обводной линии паровой фазы, минуя испарительную установку для использования паровой фазы естественного испарения в газгольдерах.

Регуляторы давления используются для установки заданного давления на выходе из испарительной установки к потребителю.

1-я ступень — регулировка среднего давления (от 16 до 1,5 бар).
2-я ступень — регулировка низкого давления от 1,5 бар до давления, необходимого при подаче к потребителю (например, в газовый котел или газопоршневую электростанцию).

Преимущества испарительных установок PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия)

1. Компактная конструкция, небольшой вес;
2. Экономичность и безопасность эксплуатации;
3. Большая тепловая мощность;
4. Длительный срок эксплуатации;
5. Стабильная работа при низких температурах;
6. Дублированная система контроля выхода жидкой фазы из испарителя (механическая и электронная);
7. Защита от обледенения фильтра и электромагнитного клапана (только у компании PP- TEC)

В комплект поставки входят:

Двойной термостат контроля температуры газа,
- сенсоры контроля уровня жидкости,
- электромагнитные клапаны на входе жидкой фазы
- комплект предохранительной арматуры,
- термометры,
- шаровые краны для опорожнения и деаэрации,
- встроенный отсекатель жидкой фазы газа,
- входные/выходные штуцеры,
- клеммные коробки для подключения электропитания,
- щит электроуправления.

Преимущества испарителей PP-TEC

При проектировании испарительной установки всегда необходимо учитывать три составляющих:

1. Обеспечить заданную производительность,
2. Создать необходимую защиту от переохлаждения и перегрева ядра испарителя.
3. Правильно рассчитать геометрию расположения теплоносителя к проводнику газа в испарителе

Производительность испарителя зависит не только от количества потребляемого напряжения питания из сети. Немаловажным фактором является геометрия расположения.

Правильно рассчитанное расположение обеспечивает эффективное использования зеркала теплоотдачи и как следствие повышение коэффициента полезного действия испарителя.

В испарителях “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия), путем правильных расчётов, инженеры компании добились увеличения данного коэффициента до 98%.

Испарительные установки компании “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) теряют только два процента тепла. Остальное количество используется для испарения газа.

Практически все европейские и американские производители испарительной техники совершенно ошибочно трактуют понятие «редундантная защита» (условие для реализации обеспечения дублирования функций защиты от перегрева и переохлаждения).

Понятие «редундантная защита» подразумевает под собой реализацию «подстраховки» отдельных рабочих узлов и блоков или всего оборудования полностью, путем использования дублированных элементов разных производителей и с разными принципами действия. Только в таком случае можно минимизировать возможность выхода оборудования из строя.

Многие производители пытаются реализовать данную функцию (при защите от переохлаждения и попадания жидкой фракции СУГ к потребителю), устанавливая на входную линию подачи два магнитных клапана, включенных последовательно, одного производителя. Или используют два последовательно включенных в сеть температурных датчика включения/открытия клапанов.

Представьте себе ситуацию. Один магнитный клапан завис в открытом состоянии. Как Вы сможете определить, что клапан вышел из строя? НИКАК! Установка будет работать дальше, потеряв возможность вовремя обеспечить безопасность срабатывания при переохлаждении в случае выхода из строя второго клапана.

В испарителях PP-TEC данная функция была реализована совершенно другим путём.

В испарительных установках компания “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) использует алгоритм совокупной работы трёх элементов защиты от переохлаждения:

1. Электронный прибор
2. Магнитный клапан
3. Механический запорный клапан в отсекателе.

Все три элемента имеют абсолютно разный принцип действия, что позволяет с уверенностью говорить о невозможности возникновения ситуации, при которой не испарённый газ в жидком виде попадёт в трубопровод потребителя.

В испарительных установках компании “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) было реализовано то же самое при реализации защиты испарителя от перегрева. В элементах задействована как электроника, так и механика.

Компанией “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) впервые в мире была реализована функция интегрирования отсекателя жидкости в полость самого испарителя с возможностью константного подогрева отсекателя.

Ни один производитель испарительной техники не использует данную собственно разработанную функцию. Используя подогреваемый отсекатель, испарительные установки “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия), получили возможность испарения тяжелых составляющих СУГ.

Многие производители, копируя друг у друга, устанавливают отсекатель на выходе перед регуляторами. Содержащиеся в газе меркаптаны, серы и тяжелые газы, имеющие очень высокую плотность, попадая в холодный трубопровод, конденсируются и откладываются на стенках труб, отсекателя и регуляторов, что существенно сокращает срок службы оборудования.

В испарителях “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) тяжелые осадки в расплавленном состоянии держатся в отсекателе до удаления их через сбросной шаровой клапан в испарительной установке.

Отсекая меркаптаны, компания “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) смогла добиться увеличения срока службы установок и регуляторных групп в разы. А значит, бережно отнестись к эксплуатационным расходам, не требующим постоянной замены мембран регуляторов, либо их полной дорогостоящей замены, ведущей к простою испарительной установки.

А реализованная функция подогрева электромагнитного клапана и фильтра на входе в испарительную установку не дает возможности скапливается в них воде и при замерзании в электромагнитных клапанах выводить из строя при срабатывании. Либо ограничивать вход жидкой фазы в испарительную установку.

Испарительные установки Немецкой компании “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) - это надежная и стабильная работа в течение долгих лет эксплуатации.

Многие ремонтники часто задают нам следующий вопрос: "Почему в ваших схемах питание Ег к испарителю всегда подводится сверху, является ли это обязательным требованием при подключении испарителей?" Настоящий раздел вносит ясность в этот вопрос.
А) Немного истории
Мы знаем, что когда температура в охлаждаемом объеме уменьшается, одновременно падает давление кипения, поскольку полный перепад температур остается почти постоянным (см. раздел 7. "Влияние температуры охлаждаемого воздуха").

Несколько лет назад это свойство часто использовалось в холодильном торговом оборудовании в камерах с положительной температурой для остановки компрессоров, когда температура холодильной камеры достигала требуемой величины.
Такая технология имущества:
имела два пре-
Регулятор НД
Регулирование по давлению
Рис. 45.1.
Во-первых, она позволяла обходиться без задающего термостата, поскольку реле НД выполняло двойную функцию - задающего и предохранительного реле.
Во-вторых, для обеспечения размораживания испарителя при каждом цикле достаточно было настроить систему так, чтобы компрессор запускался при давлении, соответствующем температуре выше 0°С, и таким образом сэкономить на системе оттайки!
Однако, когда компрессор останавливался, для того, чтобы давление кипения в точности соответствовало температуре в холодильной камере, обязательно требовалось постоянное наличие жидкости в испарителе. Вот почему в то время испарители запитывались очень часто снизу и все время были наполовину залиты жидким хладагентом (см. рис. 45.1).
В наши дни регулирование по давлению используется достаточно редко, так как оно имеет следующие отрицательные моменты:
Если конденсатор имеет воздушное охлаждение (наиболее частый случай), давление конденсации в течение года сильно меняется (см. раздел 2.1. "Конденсаторы с воздушным охлаждением. Нормальная работа "). Эти изменения давления конденсации обязательно приводят к изменениям давления кипения и, следовательно, изменениям полного температурного перепада на испарителе. Таким образом, температура в холодильной камере не может поддерживаться стабильной и будет подвергаться большим изменениям. Поэтому необходимо либо использовать конденсаторы с водяным охлаждением, либо применять эффективную систему стабилизации давления конденсации.
Если возникают хотя бы небольшие аномалии в работе установки (по давлениям кипения или конденсации), приводящие к изменению полного температурного перепада на испарителе, даже незначительного, температура в холодильной камере не может больше поддерживаться в заданных пределах.

Если нагнетающий клапан компрессора недостаточно герметичен, то при остановках компрессора давление кипения быстро растет и возникает опасность увеличения частоты циклов "пуск-останов" компрессора.

Вот почему в наши дни для отключения компрессора наиболее часто используется датчик температуры в охлаждаемом объеме, а реле НД выполняет только функции защиты (см. рис. 45.2).

Заметим, что в этом случае способ за-питки испарителя (снизу или сверху) почти не оказывает заметного влияния на качество регулирования.

Б) Конструкция современных испарителей

При увеличении холодопроизводительности испарителей, их размеры, в частности длина трубок, используемых для их изготовления, также увеличиваются.
Так, в примере на рис. 45.3, конструктор для получения производительности в 1 кВт должен последовательно соединить две секции по 0,5 кВт каждая.
Но такая технология имеет ограниченное применение. Действительно, при удвоении длины трубопроводов потери давления также удваиваются. То есть, потери давления в больших испарителях быстро становятся слишком большими.
Поэтому, при повышении мощности изготовитель больше не располагает отдельные секции последовательно, а соединяет их параллельно с тем, чтобы сохранить потери давления как можно ниже.
Однако при этом требуется, чтобы каждый испаритель был запитан строго одинаковым количеством жидкости, в связи с чем изготовитель устанавливает на входе в испаритель распределитель жидкости.

3 секции испарителя, соединенные параллельно
Рис. 45.3.
Для таких испарителей вопрос о том, снизу или сверху их запитывать, уже не стоит, поскольку они запитываются только через специальный распределитель жидкости.
Теперь рассмотрим способы поОсоеОинения трубопроводов к различным типам испарителей.

Для начала, в качестве примера, возьмем небольшой испаритель, малая производительность которого не требует применения распределителя жидкости (см. рис. 45.4).

Хладагент поступает на вход испарителя Е и потом опускается по первой секции (изгибы 1, 2, 3). Далее он поднимается во второй секции (изгибы 4, 5, 6 и 7) и перед тем, как покинуть испаритель на выходе из него S, вновь опускается по третьей секции (изгибы 8, 9, 10 и 11). Заметим, что хладагент опускается, поднимается, затем вновь опускается, и движется навстречу направлению движения охлаждаемого воздуха.
Рассмотрим теперь пример более мощного испарителя, который имеет значительные размеры и запитан с помощью распределителя жидкости.

Каждая доля полного расхода хладагента поступает на вход своей секции Е, поднимается в первом ряду, потом опускается во втором ряду и покидает секцию через свой выход S (см. рис. 45.5).
Иначе говоря, хладагент поднимается, потом опускается в трубах, всегда двигаясь против направления движения охлаждающего воздуха. Итак, каким бы ни был тип испарителя, хладагент попеременно то опускается, то поднимается.
Следовательно, понятия об испарителе, зачитанном сверху или снизу, не существует, особенно для наиболее часто встречающегося случая, когда испаритель запитыеается через распределитель жидкости.

С другой стороны, в обоих случаях мы увидели, что воздух и хладагент двигаются по принципу противотока, то есть навстречу друг другу. Полезно напомнить основания для выбора такого принципа (см. рис. 45.6).

Поз. 1: этот испаритель запитан через ТРВ, который настроен таким образом, чтобы обеспечивать перегрев 7К. Для обеспечения такого перегрева паров, покидающих испаритель, служит определенный участок длины трубопровода испарителя, обдуваемый теплым воздухом.
Поз. 2: Речь идет о том же самом участке, но с направлением движения воздуха, совпадающим с направлением движения хладагента. Можно констатировать, что в этом случае длина участка трубопровода, обеспечивающего перегрев паров, возрастает, поскольку обдувается более холодным воздухом, чем в предыдущем случае. Это означает, что испаритель содержит меньше жидкости, следовательно, ТРВ в большей степени перекрыт, то есть давление кипения ниже и холодопроизводительность ниже (см. также раздел 8.4. "Терморегулирую-щий вентиль. Упражнение").
Поз. 3 и 4: Хотя испаритель запитан снизу, а не сверху, как на поз. 1 и 2, наблюдаются те же самые явления.
Таким образом, хотя в большинстве примеров испарителей с прямым циклом расширения, рассматриваемых в настоящем руководстве, они запитываются жидкостью сверху, это сделано исключительно для упрощения и в целях более понятного изложения материала. На практике монтажник-холодильщик реально почти никогда не совершит ошибку в подключении распределителя жидкости к испарителю.
В том случае, когда у вас возникают сомнения, если направление прохождения воздуха через испаритель не очень ясно обозначено, чтобы выбрать способ подключения трубопроводов к испарителю, строго соблюдайте предписания разработчика с целью достижения холодо-производителъности, заявленной в документации на испаритель.